Current physical and chemical methodologies, conventionally used to clean up metal contaminated soils, are generally too expensive to apply in large hazardous waste sites including agricultural lands adjacent to closed or abandoned metal mines. Phytoremediation using plants to extract, sequester and...
Current physical and chemical methodologies, conventionally used to clean up metal contaminated soils, are generally too expensive to apply in large hazardous waste sites including agricultural lands adjacent to closed or abandoned metal mines. Phytoremediation using plants to extract, sequester and detoxify environmental pollutants is one of the cost-effective and aesthetically-pleasing alternatives, compared with environmentally destructive remedial methods currently being practiced. But, phytoremediation has some limitations such as time consuming and low performance: in general, it is seasonally dependent and slower in removing metals than other methods, and metal accumulating plants are slow growers. Improvement of plants for metal tolerance, accumulation, and translocation using genetic engineering techniques recently opened up new possibilities for phytoremediation. In this paper, we have discussed about recent developments in conventional and genetically engineered phytoremediation. For the conventional phytoremediation, focuses are on the natural hyperaccumulator and the chemically assisted phytoremediation. Some pros and cons on the phytoremediation using transgenic plants, coupled with focusing on the mechanistic view points, are also discussed. It might be concluded that the transgenic plants will be effective tools in the practical application of phytoremediation especially for the highly contaminated soils but mechanisms involved should be deeply understood in advance.
Current physical and chemical methodologies, conventionally used to clean up metal contaminated soils, are generally too expensive to apply in large hazardous waste sites including agricultural lands adjacent to closed or abandoned metal mines. Phytoremediation using plants to extract, sequester and detoxify environmental pollutants is one of the cost-effective and aesthetically-pleasing alternatives, compared with environmentally destructive remedial methods currently being practiced. But, phytoremediation has some limitations such as time consuming and low performance: in general, it is seasonally dependent and slower in removing metals than other methods, and metal accumulating plants are slow growers. Improvement of plants for metal tolerance, accumulation, and translocation using genetic engineering techniques recently opened up new possibilities for phytoremediation. In this paper, we have discussed about recent developments in conventional and genetically engineered phytoremediation. For the conventional phytoremediation, focuses are on the natural hyperaccumulator and the chemically assisted phytoremediation. Some pros and cons on the phytoremediation using transgenic plants, coupled with focusing on the mechanistic view points, are also discussed. It might be concluded that the transgenic plants will be effective tools in the practical application of phytoremediation especially for the highly contaminated soils but mechanisms involved should be deeply understood in advance.
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문제 정의
Phytoremediation을 위한 형질전환 식물의 연구는 기존의 genome 연구를 통해 밝혀진 유전자를 대상으로 식물의 환경 정화능을 극대화할 수 있는 유전자를 탐색/선별하고 대상 식물종에 해당 유전자를 삽입함으로써 특정 중금속을 정화할 수 있는 새로운 식물을 개발하는데 주요한 목적이 있다. Phytoremediation에 사용할 형질전환 식물을 생산하기 위해서는 크게 두 종류의 분자생물학적 접근 방식이 가능하다.
본 논문에서는 특정 중금속을 식물 체내에 고농도로 축적하는 hyperaccumulator 를 이용한 phytoremediation과 개량제를 처리함으로써 토양 중 중금속 유효도를 증가시켜 식물체로의 중금속 흡수를 촉진시키는 enhanced phytoremediation 기술을 중심으로 현재까지의 phytoremediation에 대한 연구 방향과 현황에 대하여 평가하고자 하였다. 또한 최근 들어 활발한 연구가 진행되고 있는 형질전환 식물을 이용한 phytoremediation 기술에 대한 최신 연구 동향과 향후 연구 방향을 살펴보고자 하였다.
본 논문에서는 특정 중금속을 식물 체내에 고농도로 축적하는 hyperaccumulator 를 이용한 phytoremediation과 개량제를 처리함으로써 토양 중 중금속 유효도를 증가시켜 식물체로의 중금속 흡수를 촉진시키는 enhanced phytoremediation 기술을 중심으로 현재까지의 phytoremediation에 대한 연구 방향과 현황에 대하여 평가하고자 하였다. 또한 최근 들어 활발한 연구가 진행되고 있는 형질전환 식물을 이용한 phytoremediation 기술에 대한 최신 연구 동향과 향후 연구 방향을 살펴보고자 하였다.
(1996)의 결과에 따르면 무처리구에 비해 유전자 변형 식물을 처리한 구에서는 2〜3배 이상의 Hg이 환원된 형태인 Hg0로 존재하였고 이외에도 특이적으로 독성을 유발하는 농도의 Au3+ 처리 시에도 내성을 지니는 것으로 확인되었다. 이 연구는 박테리아의 중 금속 내성 유전자를 이용하여 Hg에 내성을 갖는 유 전자변형 식물을 개발한 대표적인 사례 중 하나이다.
제안 방법
한편, Jin (2000)은 Cr6+ 이온의 환원체인 reductase 유전자를 이용하여 식물체를 형질 전환하여 크롬 이 온으로 오염된 토양의 정화에 사용하기 위한 식물체의 개발에 관한 연구를 수행하였다. 여기서 Cr6+ 이온 을 Cr3+ 이온으로 환원시키는 미생물로부터 Cr reductase 유전자를 분리하고 유전자 조작을 통하여 식물체를 형질 전환하기 위한 재조합 벡터를 제작하였고, 또한 식물체에서 Cr6+을 환원할 수 있는 유전자가 발현되었는지를 확인하기 위하여 형질전환 담배로부터 단백질을 추출하여 Cr어의 환원능을 측정해 본 결과 일반 담배에 비하여 형질전환 담배에서 월등히 높은 Cr';.의 환원능을 나타냄을 확인하였다.
성능/효과
후의 토양 내 중금 속 연쇄추출 결과를 나타낸다. 유효태 중금속은 재배 전 1700 mg kg"에서 식물 재배 후 약 350 mg kg"으 로 감소하였고 식물이 이용할 수 없는 잔류태의 Pb은 EDTA 처리 전후 거의 동일한 수치 (90 mg kg')를 나타내었다.
, 2000). 그 결과 카드뮴에 대해 최대 20배 이상의 내성을 갖는 유전자변형 식물이 합성되었다. Xiang and Oliver (1998) 는 Cd와 Cu에 의하여 glutathione reductase, glutathione synthesis, v-glutamylcysteine synthetase, glutathione synthetase 과 관련된 유전자의 transcription0] 증가됨을 보였다.
셋째, 대부분의 식물은 근권이 제한적이므로 얕은 지역만이 복원 가능하다. 넷째, 산소 공급이 어려운 지역에서는 뿌리의 생육이 원활하지 못해 그 효과가 현저하게 감소된다.
첫째, 오염 토양을 복원하는데 상대적으로 긴 시간이 소요된다. 둘째, 고농도로 오염된 지역에는 적용하기 어렵다. 셋째, 대부분의 식물은 근권이 제한적이므로 얕은 지역만이 복원 가능하다.
킬레이트제로 EDTA를 시용한 경우 두 토양 모두 토양 에 흡착되어 있던 Cd이 Cd-EDTA 형태로 용해되어 유효도가 증가됨으로써 식물체의 Cd 축적량이 증가 됨을 알 수 있다. 또한 광산토양에 EDTA를 시용한 경우 식물체의 Cd 홉수량은 약 2배 이상 증가하였으 며, 인위 오염토양에서도 EDTA 시용시 약 1.5배 이상 Cd 흡수량이 증가하였다. 인위 오염토양의 식물체 Cd 흡수량의 증가폭이 상대적으로 낮은 것은 Cd의 총 농도가 동일하더라도 광산토양에 비하여 인위오염 토양의 Cd 유효도가 상대적으로 높기 때문인 것으로 판단되며 이러한 경향은 토양 재배실험 결과에서도 동일하게 나타났다 (Fig.
둘째, 고농도로 오염된 지역에는 적용하기 어렵다. 셋째, 대부분의 식물은 근권이 제한적이므로 얕은 지역만이 복원 가능하다. 넷째, 산소 공급이 어려운 지역에서는 뿌리의 생육이 원활하지 못해 그 효과가 현저하게 감소된다.
(1998)은 이 두 유전자를 각각 혹은 혼합 처리 하여 tobacco에서 발현시켰고 형질전환 식물의 Fe 공급 상태에 따른 Fe의 체내 축적량 및 Fe(in) reductase의 활성을 측정하였다. 실험 결과 Fe 결핍 조건에서 FRE2 유전자와 FRE1 + FRE2을 혼합한 유전자를 지닌 식물에서 어린잎은 무처리구 및 FRE1 에 비해 Fe을 월등하게 축적하였다 (Table 3). 따라서 이 유전자는 향후 철 결핍 토양에서 양분 균형을 유지하여 수확량을 증대시킬 수 있을 것으로 판단되며 적당한 전구물질을 사용하는 경우 Cu와 같이 독성을 지닌 중금속 오염 토양의 phytoremediation에도 적용 할 수 있을 것으로 판단된다 (Karenlampi et al.
국내에서는 Kim (2002)이 중금속과 결합을 형성할 수 있는 ferritin을 이용하여 중금속에 대한 내성과 축적능이 높은 유전자변형 식물을 생산하였다. 실험 결과 형질전환 식물은 무처리구에 비하여 Cd에 대한 축적 능이 높은 것으로 평가되어 향후 phytoremediation에 적용할 수 있음을 시사하였다.
의 환원능을 나타냄을 확인하였다. 이 실험에서 식물절편을 사용한 형질전환율은 68%로 나타났 고 향후 형질전환 식물을 재배하여 Cr6+ 오염토양에 적용할 수 있음을 시사하였다 (Table 4).
(2000)은 박테리아의 Hg2+ 무독화 유전자를 식물에 삽입하는데 성공하였고 이 식물은 Hg2+에 대한 내성을 지니며 또한 독성이 강한 유기 수은을 휘발성이 높은 수은 원소로 전환하는 능 력을 지니고 있다. 이 연구 결과는 phytoremediation 에 분자생물학적 기법을 도입하여 식물정화의 효율을 증진시킬 수 있음을 보여준 좋은 사례가 되었다. Figure 5는 Bizily et al.
이상의 결과를 통해 MT 유전자를 식물에 삽입하는 경우 유전자변형 식물은 기존의 식물에 비해 월등하 게 내성을 지닐 것으로 판단된다. 그러나 내성의 증가와는 별개로 유전자변형 식물 자체의 중금속 흡수능과 지상부로의 수송 (translocation) 효율이 증가하지는 않아 향후 형질전환 식물을 이용한 phytoremedition이 가능해지기 위해서는 두 기작에 대한 명확한 메커니즘에 대한 연구와 유전자 검색이 필요할 것으로 판단된다.
이상의 결과를 통해 Pb로 오염된 토양에 EDTA를 처리하는 경우 토양 중 유효태 Pb의 함량을 증가시켜 phytoremediation 효율이 급격히 증가되는 것을 알 수 있었다.
Phytoremediation은 기존의 물리적, 화학적 복원기술과 비교할 때 상대적으로 많은 장점을 지니고 있음에도 불구하고 다음과 같은 이유로 오염 토양의 정화기술로서의 인식은 상대적으로 미약하다. 첫째, 오염 토양을 복원하는데 상대적으로 긴 시간이 소요된다. 둘째, 고농도로 오염된 지역에는 적용하기 어렵다.
현재까지 연구된 현장 시험 결과를 종합하여 볼 때 hyperaccumulator (고축적종)를 이용한 기존의 phytoremediation 기술은 오염원의 제거 속도와 수확량의 두 가지 측면에서 판단할 때 기존의 물리화학적 부족하다. 또한 화학적 개량 기술에 비하여 경제성이 제를 이용하여 식물의 중금속 흡수를 촉진시키는 phytoremediation 기술의 경우에는 고농도의 오염지역에서는 식물의 생장이 어려우며 EDTA 등과 같은 화학적 개량제에 의한 2차 오염이 문제시 된다.
후속연구
이상의 결과를 통해 MT 유전자를 식물에 삽입하는 경우 유전자변형 식물은 기존의 식물에 비해 월등하 게 내성을 지닐 것으로 판단된다. 그러나 내성의 증가와는 별개로 유전자변형 식물 자체의 중금속 흡수능과 지상부로의 수송 (translocation) 효율이 증가하지는 않아 향후 형질전환 식물을 이용한 phytoremedition이 가능해지기 위해서는 두 기작에 대한 명확한 메커니즘에 대한 연구와 유전자 검색이 필요할 것으로 판단된다.
형질전환 식물을 도입하여 식물이 영향을 미치는 토양의 국부적인 환경에서 reductase 활성을 증가시키고 phytosiderophores와 같은 킬레이트제의 분비를 촉진시킨다면 토양 중 중금속의 유효도가 증가되어도 중금속의 용탈로 인한 2차적인 환경오염의 문제는 없을 것으로 판단된다. 그러나, 향후 형질전환 식물을 이용한 phytoremediation이 실용화되기 위해서는 식물의 중금속 축적에 대한 유전학적, 생화학적, 생리적 기작의 이해와 함께 양분 획득 기작에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
실험 결과 Fe 결핍 조건에서 FRE2 유전자와 FRE1 + FRE2을 혼합한 유전자를 지닌 식물에서 어린잎은 무처리구 및 FRE1 에 비해 Fe을 월등하게 축적하였다 (Table 3). 따라서 이 유전자는 향후 철 결핍 토양에서 양분 균형을 유지하여 수확량을 증대시킬 수 있을 것으로 판단되며 적당한 전구물질을 사용하는 경우 Cu와 같이 독성을 지닌 중금속 오염 토양의 phytoremediation에도 적용 할 수 있을 것으로 판단된다 (Karenlampi et al., 2000).
, 1998). 향후 중금속에 대한 내성과 축적을 증가시킬 수 있는 다양한 gene source에 대한 연구가 요구된다.
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