담수 논토양의 안정화에 따른 비소, 카드뮴, 납, 아연의 벼 전이감소에 관한 연구 A study on resuction of As, Cd, Pb and Zn transfer from flooded paddy soil to rice plant by soil stabilization원문보기
본 연구에서는 폐광산 주변 논토양을 대상으로 토양 무게비 대비 5% 수준의 알칼리 안정화제를 이용한 담수조건의 컬럼실험을 실시하였다. 컬럼 내 토양을 40 cm 높이로 충전하였으며, 상부 20 cm 구간은 안정화제가 혼합된 안정화층이다. 컬럼실험 중 벼를 재배하면서 오염물질(As, Cd, Pb, Zn)의 토양용액(soil solution) 내 농도 및 토양 내 존재형태 변화, 추수가 완료된 벼의 지상부 부위(줄기, 잎, 현미)별 함량을 분석하였다. 아울러 토양-벼 간 식물체 ...
본 연구에서는 폐광산 주변 논토양을 대상으로 토양 무게비 대비 5% 수준의 알칼리 안정화제를 이용한 담수조건의 컬럼실험을 실시하였다. 컬럼 내 토양을 40 cm 높이로 충전하였으며, 상부 20 cm 구간은 안정화제가 혼합된 안정화층이다. 컬럼실험 중 벼를 재배하면서 오염물질(As, Cd, Pb, Zn)의 토양용액(soil solution) 내 농도 및 토양 내 존재형태 변화, 추수가 완료된 벼의 지상부 부위(줄기, 잎, 현미)별 함량을 분석하였다. 아울러 토양-벼 간 식물체 흡수계수(biological absorption coefficient) 산출을 통해 안정화 효과를 검토하였다.
토양용액 분석결과, pH는 컬럼상층에서 하층에 비해 급격한 증가와 함께 산화환원전위의 감소를 보여 토양미생물의 영향을 크게 받은 것으로 나타났다. 환원성 중금속인 철(Fe)과 망간(Mn)의 경우 안정화제가 미처리된 대조구(control)에서만 증가경향을 보여 환원환경 변화에 따른 해당 원소의 용출보다는 안정화제에 의한 침전효과가 우선하는 것으로 나타났다. 전기전도도는 안정화제가 적용되지 않은 컬럼하층에서 높게 나타나는데 상층에 비해 낮은 pH의 영향으로 그만큼 염류의 용탈(leaching)이 증가했기 때문으로 판단된다. 컬럼상층에서 나타난 전기전도도는 칼슘(Ca)이온의 농도변화경향과 유사한데, 일부 안정화제와 토양 자체가 가지는 교환성 양이온의 영향을 크게 받은 것으로 나타났다. 비소와 납(Pb)은 모니터링 기간동안 기기의 정량한계 미만으로 분석되었다. 비소는 정량한계 미만으로 존재하지만 토양용액의 pH와 산화환원전위로 추정한 결과 비산(arsenate, As5+)의 형태로 존재했을 것으로 보여지며, 따라서 식물체(벼)로 전이되는 비소는 5가 형태가 지배적이었을 것으로 판단된다. 이외 카드뮴(Cd)과 아연(Zn)은 컬럼 상하층에 따라 미세한 차이를 보이지만 대체적으로 검출되지 않거나 감소하는 경향을 나타내는데, 미생물호흡 및 안정화제에 의한 토양용액 내 탄산의 영향으로 침전된 것으로 판단된다.
안정화토양을 대상으로 오염원의 존재형태를 분석한 결과 비소는 안정화제 적용조건에서 철산화물(Fe oxides) 형태와 특이적 흡착(specifically sorbed) 형태가 증가하는 것으로 나타나 환원된 철산화물의 침전과 칼슘 공침의 영향이 있었던 것으로 보여진다. 양이온 중금속(Cd, Pb, Zn)에서는 안정화 토양에서 교환가능형(exchangeable)의 감소와 탄산염결합형(carbonates), 철․망간 산화형(Fe&Mn oxides)의 증가가 확인되어 오염물질의 이동성 저감효과가 확인되었다.
컬럼에서 재배된 벼에서 채취한 줄기, 잎사귀, 쌀알(현미)을 분석한 결과 대체적으로 안정화 처리조건에서 그 농도가 대조구에 비해 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 안정화 처리에 의한 무기원소의 이동성 저감효과가 벼로의 전이량 감소로 이어졌음을 나타낸 것이다. 실질적인 인체섭취 대상인 가식부, 즉 현미를 대상으로 한 경우 납에서만 안정화 조건에서 대조구에 비해 높은 농도를 보였는데, 이는 국내 백미의 평균보다 낮은 농도분포를 볼 때 안정화 처리유무에 관계없이 쌀알로의 전이량 자체가 낮았던 것에 기인한 결과로 판단되었다.
대조구 대비 안정화 조건에서의 식물체 흡수계수 감소율은 식물체 농도의 감소율에 비해 높게 나타났다. 이러한 결과는 각 컬럼별 해당 원소의 농도가 상이하게 나타난 토양 불균질성의 영향으로 파악되었다. 따라서 개량․복원 효과의 검증에 있어서 식물체 내 농도만을 비교하는 것 보다는 식물체 흡수계수가 보다 객관적인 지표로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
벼의 재배기간 중 이루어지는 담수효과로 인해 양이온 중금속의 토양용액 내 용출경향은 대조구를 포함하는 모든 조건에서 불검출수준을 보여 안정화제 처리유무에 따른 안정화 효과비교가 어려운 것으로 나타났다. 환원성 원소인 비소의 경우에도 산화환원전위가 As3+로의 환원이 이루어지는 수준까지 도달하지 않아 모든 조건에서 불검출 되었다. 따라서 향후 담수상태에서 경작이 이루어지는 논토양을 대상으로 안정화 기술적용을 검토할 경우 그 검토 인자의 우선순위로 토양-식물체 간 식물체 흡수계수나 식물체 내 농도를 파악하고, 후순위로 각 조건별 비교가 불가능한 토양용액보다는 토양 내 오염물질의 존재형태 변화를 검토하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 폐광산 주변 논토양을 대상으로 토양 무게비 대비 5% 수준의 알칼리 안정화제를 이용한 담수조건의 컬럼실험을 실시하였다. 컬럼 내 토양을 40 cm 높이로 충전하였으며, 상부 20 cm 구간은 안정화제가 혼합된 안정화층이다. 컬럼실험 중 벼를 재배하면서 오염물질(As, Cd, Pb, Zn)의 토양용액(soil solution) 내 농도 및 토양 내 존재형태 변화, 추수가 완료된 벼의 지상부 부위(줄기, 잎, 현미)별 함량을 분석하였다. 아울러 토양-벼 간 식물체 흡수계수(biological absorption coefficient) 산출을 통해 안정화 효과를 검토하였다.
토양용액 분석결과, pH는 컬럼상층에서 하층에 비해 급격한 증가와 함께 산화환원전위의 감소를 보여 토양미생물의 영향을 크게 받은 것으로 나타났다. 환원성 중금속인 철(Fe)과 망간(Mn)의 경우 안정화제가 미처리된 대조구(control)에서만 증가경향을 보여 환원환경 변화에 따른 해당 원소의 용출보다는 안정화제에 의한 침전효과가 우선하는 것으로 나타났다. 전기전도도는 안정화제가 적용되지 않은 컬럼하층에서 높게 나타나는데 상층에 비해 낮은 pH의 영향으로 그만큼 염류의 용탈(leaching)이 증가했기 때문으로 판단된다. 컬럼상층에서 나타난 전기전도도는 칼슘(Ca)이온의 농도변화경향과 유사한데, 일부 안정화제와 토양 자체가 가지는 교환성 양이온의 영향을 크게 받은 것으로 나타났다. 비소와 납(Pb)은 모니터링 기간동안 기기의 정량한계 미만으로 분석되었다. 비소는 정량한계 미만으로 존재하지만 토양용액의 pH와 산화환원전위로 추정한 결과 비산(arsenate, As5+)의 형태로 존재했을 것으로 보여지며, 따라서 식물체(벼)로 전이되는 비소는 5가 형태가 지배적이었을 것으로 판단된다. 이외 카드뮴(Cd)과 아연(Zn)은 컬럼 상하층에 따라 미세한 차이를 보이지만 대체적으로 검출되지 않거나 감소하는 경향을 나타내는데, 미생물호흡 및 안정화제에 의한 토양용액 내 탄산의 영향으로 침전된 것으로 판단된다.
안정화토양을 대상으로 오염원의 존재형태를 분석한 결과 비소는 안정화제 적용조건에서 철산화물(Fe oxides) 형태와 특이적 흡착(specifically sorbed) 형태가 증가하는 것으로 나타나 환원된 철산화물의 침전과 칼슘 공침의 영향이 있었던 것으로 보여진다. 양이온 중금속(Cd, Pb, Zn)에서는 안정화 토양에서 교환가능형(exchangeable)의 감소와 탄산염결합형(carbonates), 철․망간 산화형(Fe&Mn oxides)의 증가가 확인되어 오염물질의 이동성 저감효과가 확인되었다.
컬럼에서 재배된 벼에서 채취한 줄기, 잎사귀, 쌀알(현미)을 분석한 결과 대체적으로 안정화 처리조건에서 그 농도가 대조구에 비해 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 안정화 처리에 의한 무기원소의 이동성 저감효과가 벼로의 전이량 감소로 이어졌음을 나타낸 것이다. 실질적인 인체섭취 대상인 가식부, 즉 현미를 대상으로 한 경우 납에서만 안정화 조건에서 대조구에 비해 높은 농도를 보였는데, 이는 국내 백미의 평균보다 낮은 농도분포를 볼 때 안정화 처리유무에 관계없이 쌀알로의 전이량 자체가 낮았던 것에 기인한 결과로 판단되었다.
대조구 대비 안정화 조건에서의 식물체 흡수계수 감소율은 식물체 농도의 감소율에 비해 높게 나타났다. 이러한 결과는 각 컬럼별 해당 원소의 농도가 상이하게 나타난 토양 불균질성의 영향으로 파악되었다. 따라서 개량․복원 효과의 검증에 있어서 식물체 내 농도만을 비교하는 것 보다는 식물체 흡수계수가 보다 객관적인 지표로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
벼의 재배기간 중 이루어지는 담수효과로 인해 양이온 중금속의 토양용액 내 용출경향은 대조구를 포함하는 모든 조건에서 불검출수준을 보여 안정화제 처리유무에 따른 안정화 효과비교가 어려운 것으로 나타났다. 환원성 원소인 비소의 경우에도 산화환원전위가 As3+로의 환원이 이루어지는 수준까지 도달하지 않아 모든 조건에서 불검출 되었다. 따라서 향후 담수상태에서 경작이 이루어지는 논토양을 대상으로 안정화 기술적용을 검토할 경우 그 검토 인자의 우선순위로 토양-식물체 간 식물체 흡수계수나 식물체 내 농도를 파악하고, 후순위로 각 조건별 비교가 불가능한 토양용액보다는 토양 내 오염물질의 존재형태 변화를 검토하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
The characteristics of As and cationic heavy metals depend on the oxidation/reduction condition of the soil environment. The most heavy metals are immobilized by the reduction condition whereas As, Fe and Mn become more soluble. Therefore this study estimated the stabilization efficiency of the agri...
The characteristics of As and cationic heavy metals depend on the oxidation/reduction condition of the soil environment. The most heavy metals are immobilized by the reduction condition whereas As, Fe and Mn become more soluble. Therefore this study estimated the stabilization efficiency of the agricultural paddy soil in the vicinity of the abandoned mine using a flooded column test including analysis of the soil solution, contaminants fractionation and rice plant. Limestone and steelmaking slag were used as amendments for stabilization of the contaminated soil.
In an analysis of the soil solution, the mobile characteristics of Fe and Mn, which were used as electron acceptors of the microorganisms, were controlled by increasing the pH by adding alkaline amendments. This means that the contaminants combined with Fe and Mn can be stable under flooded reduction condition. However, the concentrations of cationic heavy metals(Cd, Pb, and Zn) were also decreased without amendments because the carbonates produced from microbial respiration increased the pH of the soil solution.
In fractionation of As in the amended soil, the specific sorbed fraction and Fe oxides fraction were increased when compared to the control soil at the end of the flooded column test. For cationic heavy metals, carbonates fraction and Fe & Mn oxides fraction were also increased. This means that alkaline based amendments are effective stabilization agent for contaminated paddy farmland soil. The predominant mechanism of stabilization for As was precipitation of Fe oxides. Increasing of specific sorbed fraction also showed that it was influenced by co-precipitation of Ca-As. In fractionation of heavy metals, the increase of carbonates fraction seems to be influenced by alkaline amendments rather than microbial respiration. This also means that major mechanism of stabilization for heavy metal is transformation of the exchangeable fraction to the carbonates fraction. The increase of Fe & Mn oxides fraction seems to be influenced by alkaline precipitation of Fe2+ and Mn2+.
Because of the stabilization effect in the flooded paddy soil, concentrations of inorganic contaminants of rice plant in amended soils were lower than those in the control soil. In unpolished rice grain, however, stabilization effect of Pb was not identified. Because low concentrations which was lower than Korea average concentration of polished grains were measured in all unpolished grains including the control.
In evaluation of biological absorption coefficient(BAC) between soil and rice grain, reduction rate of BAC from amended conditions were higher than that of concentration of rice plant because concentrations of As and cationic heavy metals in each column's soil were heterogenous. Therefore BAC can be used as objective indicator in stabilization efficiency.
In order to evaluate the stabilization efficiency of flooded agricultural paddy soil in feasibility study, BAC and contaminants uptake rate of the crops must be examined first. If impossible, the change of contaminants fractionation in soil rather than the concentration in soil solution would be good indicator for stabilization evaluation. Because contaminants in soil solution from the control and the amended soils represented similar concentration variations under flooded condition.
The characteristics of As and cationic heavy metals depend on the oxidation/reduction condition of the soil environment. The most heavy metals are immobilized by the reduction condition whereas As, Fe and Mn become more soluble. Therefore this study estimated the stabilization efficiency of the agricultural paddy soil in the vicinity of the abandoned mine using a flooded column test including analysis of the soil solution, contaminants fractionation and rice plant. Limestone and steelmaking slag were used as amendments for stabilization of the contaminated soil.
In an analysis of the soil solution, the mobile characteristics of Fe and Mn, which were used as electron acceptors of the microorganisms, were controlled by increasing the pH by adding alkaline amendments. This means that the contaminants combined with Fe and Mn can be stable under flooded reduction condition. However, the concentrations of cationic heavy metals(Cd, Pb, and Zn) were also decreased without amendments because the carbonates produced from microbial respiration increased the pH of the soil solution.
In fractionation of As in the amended soil, the specific sorbed fraction and Fe oxides fraction were increased when compared to the control soil at the end of the flooded column test. For cationic heavy metals, carbonates fraction and Fe & Mn oxides fraction were also increased. This means that alkaline based amendments are effective stabilization agent for contaminated paddy farmland soil. The predominant mechanism of stabilization for As was precipitation of Fe oxides. Increasing of specific sorbed fraction also showed that it was influenced by co-precipitation of Ca-As. In fractionation of heavy metals, the increase of carbonates fraction seems to be influenced by alkaline amendments rather than microbial respiration. This also means that major mechanism of stabilization for heavy metal is transformation of the exchangeable fraction to the carbonates fraction. The increase of Fe & Mn oxides fraction seems to be influenced by alkaline precipitation of Fe2+ and Mn2+.
Because of the stabilization effect in the flooded paddy soil, concentrations of inorganic contaminants of rice plant in amended soils were lower than those in the control soil. In unpolished rice grain, however, stabilization effect of Pb was not identified. Because low concentrations which was lower than Korea average concentration of polished grains were measured in all unpolished grains including the control.
In evaluation of biological absorption coefficient(BAC) between soil and rice grain, reduction rate of BAC from amended conditions were higher than that of concentration of rice plant because concentrations of As and cationic heavy metals in each column's soil were heterogenous. Therefore BAC can be used as objective indicator in stabilization efficiency.
In order to evaluate the stabilization efficiency of flooded agricultural paddy soil in feasibility study, BAC and contaminants uptake rate of the crops must be examined first. If impossible, the change of contaminants fractionation in soil rather than the concentration in soil solution would be good indicator for stabilization evaluation. Because contaminants in soil solution from the control and the amended soils represented similar concentration variations under flooded condition.
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