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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 장기간 중금속으로 오염된 토양을 대상으로 원외(Ex-situ) 정화를 위해 식물경작장에서 중금속 고축적종 식물을 이용한 식물정화 실험을 수행하였으며 적용식물의 중금속 오염토양에서의 생장수준, 중금속 축적정도 등을 분석하여 식물정화기술의 현장적용 가능성에 대하여 평가하고자 한다.
- 따라서, 본 연구에서는 현장 적용가능한 식물경작장에서 Zn, Ni, Pb으로 오염된 토양을 대상으로 중금속 고축적종 식물을 이용한 원외(Ex-situ) 정화가 가능하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 Zn, Pb 및 Ni에 각각 오염된 중금속 오염토를 대상으로 각각 유채, 해바라기, 적겨자를 식재하여 시설재배장에서 장기간에 걸쳐 원외(Ex-situ) 방식으로 식물 정화 실험을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 식물 생체량의 분석을 위하여 중금속 오염토별로 3 점씩 식물을 채취하여 흐르는 물에 식물체가 손상되지 않도록 씻어 흙을 제거한 후 65℃의 건조기에서 항량이 될때까지 건조시켜 생체량을 측정하였다. 또한, 중금속 등 토양이학적 특성 분석은 토양공정시험법에 따라 분석하였으며 식물체내 중금속 함량은 유도결합플라즈마 발광광도기(ICPS-730ES, Varian, AUS)로 분석하였다(동화기술, 2009).
- 오염토에서의 식물도입은 국내 종묘회사에서 구입한 살균처리된 종자를 직접 중금속 오염토에 파종하여 사용하였으며 120일간 경작한 후 수확하였다. 식재한 식물종은 15, 30, 60, 90, 120일 간격으로 씨앗의 발아율, 성장 개체수, 식물 생체량, 식물 내 중금속 축적량 등을 분석하였다.
- 중금속 오염토는 30 cm 두께로 포설한 후 유기질 비료를 살포하고 선정된 식물을 식재하여 정화 실험을 수행하였다.
- 중금속 오염토양에서의 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 납(Pb)의 초기농도는 각각 89 mg/kg, 1,030 mg/kg, 및 185 mg/kg 였으며 중금속 초기 농도에 따른 영향을 검토하기 위하여 동일 지역에서 채취한 비오염토에 아연((ZnCO3)2, (Zn(OH)2)3), 납(PbCO3), 니켈(NiSO4 · 6H2O)을 인위적으로 첨가하여 중금속 오염토를 제조하였다.
대상 데이터
- , 1997, Ensley, 1991). 오염토에서의 식물도입은 국내 종묘회사에서 구입한 살균처리된 종자를 직접 중금속 오염토에 파종하여 사용하였으며 120일간 경작한 후 수확하였다. 식재한 식물종은 15, 30, 60, 90, 120일 간격으로 씨앗의 발아율, 성장 개체수, 식물 생체량, 식물 내 중금속 축적량 등을 분석하였다.
- 중금속 고축적종 식물(hyperaccumulators)로는 Ni 정화식물로는 적겨자(Brassica juncea)를, Zn 정화식물로는 유채(Brassica campestris), Pb 정화 식물로는 해바라기(Helianthus annuus)를 선정하였다(Terry et al., 1992, Ebbs et al., 1997, Ensley, 1991). 오염토에서의 식물도입은 국내 종묘회사에서 구입한 살균처리된 종자를 직접 중금속 오염토에 파종하여 사용하였으며 120일간 경작한 후 수확하였다.
이론/모형
- 식물 생체량의 분석을 위하여 중금속 오염토별로 3 점씩 식물을 채취하여 흐르는 물에 식물체가 손상되지 않도록 씻어 흙을 제거한 후 65℃의 건조기에서 항량이 될때까지 건조시켜 생체량을 측정하였다. 또한, 중금속 등 토양이학적 특성 분석은 토양공정시험법에 따라 분석하였으며 식물체내 중금속 함량은 유도결합플라즈마 발광광도기(ICPS-730ES, Varian, AUS)로 분석하였다(동화기술, 2009).
성능/효과
- 1) 중금속 농도에 따른 발아율을 분석한 결과, 발아율 60% 기준의 한계 농도는 각각 적겨자는 Ni 250 mg/kg 이상, 유채는 Zn 1,500 mg/kg 이상, 해바라기는 Pb 650 mg/kg 이상이었으며 개체성장율 60% 기준의 한계 농도는 적겨자가 Ni에 대해 150 mg/kg, 해바라기가 Pb에 대해 300 mg/kg, 그리고 유채가 Zn에 대해 700 mg/kg 이상의 농도에서 중금속에 의한 생체 성장률에 대한 저해가 발생하였다. 또한, 적겨자의 경우, 중금속 농도증가에 가장 민감하게 반응하였다.
- 15일간 파종한 식물에 대한 발아율 분석 결과, 적겨자가 6일 전후에 발아가 시작되어 제일 빨랐으며 유채 및 해바라기는 8일 전후에 본격적인 발아가 시작되었다. 유채의 발아율은 Fig.
- 2) 생체내 최대 중금속 축적량은 각각 Zn 오염토에서의 유채는 0.65 mg/개였으며 Pb 오염토에서의 해바라기는 0.14 mg/개, 그리고 Ni 오염토에서 적겨자의 경우 0.06 mg/개였으며 중금속의 농도 증가에 따라 적겨자의 경우 큰 영향이 없었으나 생체내 중금속 축적량은 해바라기 및 유채의 경우 감소하는 경향을 보였다.
- 3) 부위별 최대 축적비율의 기준으로 할 때 유채의 경우, 생체내 총 Zn 축적량의 73.2%를 잎, 줄기 등 지상부에 축적하였으며 적겨자의 경우, 총 Ni 축적량의 92.0%를 잎, 줄기 등 지상부에 축적하였다. 반면, 해바라기의 경우, 생체내 총 Pb 축적량의 최대 83.
- Zn 오염토에서의 유채의 개체성장률은 중금속 농도 증가에 모두 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 60일 및 90일 경과한 개체성장률을 기준으로, Zn 농도 527 mg/kg에서는 각각 75% 및 70%였으나 Zn 717 mg/kg에서는 유채가 계속 성장하지 못하고 개체수가 급감하여 60일 및 90일 경과한 개체 성장율은 모두 60% 이하였다. Pb 오염농도에 따른 해바라기의 60일 및 90일 개체성장률은 Pb 107.
- 90일간 경작한 식물의 중금속 농도에 따른 생체량 증가율은 Zn 오염토에서 유채는 - 0.0033였으며 Pb 오염토에서 해바라기는 - 0.0098, Ni 오염토에서 적겨자는 -0.0088로 해바라기가 중금속 농도 증가에 가장 민감하였다.
- Fig. 4와 같이 Pb 오염토에서의 해바라기의 중금속 축적량을 조사한 결과, 파종 후 60일경보다 90일이 경과한 시기에 중금속 축적능이 가장 우수하였다. 중금속 오염 농도에 따른 생체내 중금속 축적량을 비교해 보면, Pb 오염 농도 185 mg/kg에서 중금속 축적량은 18.
- 6 mg/kg으로 고농도 Zn에 의한 중금속 농축 저해를 보였다. Fig. 5와 같이 중금속 축적도를 식물 생체량을 반영하여 개체당 축적량으로 환산할 경우 Zn 717 mg/kg에서 0.65 mg/개체였으며 Zn 1,506 mg/kg에서는 0.05 mg/개체로 Zn 축적량이 급격하게 감소하였다. Fig.
- 05 mg/개체로 Zn 축적량이 급격하게 감소하였다. Fig. 6에서 보듯이 유채에서의 Zn의 축적부위는 총 중금속 축적량의 최대 73.2%까지 잎, 줄기 등 지상부에 축적되었으며 토양중 Zn 농도가 증가할수록 지상부의 축적비율이 43.7%까지 감소하였다. 유채에서의 Zn에 대한 지상부의 평균 축적율은 56.
- 60일 및 90일 경과한 개체성장률을 기준으로, Zn 농도 527 mg/kg에서는 각각 75% 및 70%였으나 Zn 717 mg/kg에서는 유채가 계속 성장하지 못하고 개체수가 급감하여 60일 및 90일 경과한 개체 성장율은 모두 60% 이하였다. Pb 오염농도에 따른 해바라기의 60일 및 90일 개체성장률은 Pb 107.1 mg/kg에서 각각 81% 및 78%으로 양호하였으나 Pb 654 mg/kg에서는 각각 9% 및 3%로 Pb 독성에 의해 개체수가 급격하게 감소하였다. 또한, Ni 오염토에서 적겨자의 경우, Ni 오염농도 89 mg/kg에서 60일 및 90일 개체 성장율은 각각 88% 및 86%로 양호하였으나 Ni 130 mg/kg 이상에서는 성장하지 못하고 도태하여 개체수가 50% 이하로 급감하였다.
- 1과 같이 Zn 오염농도 1,030 mg/kg까지는 72%의 발아율을 보였으나 1,506 mg/kg에서는 저해를 받아 58%의 발아율을 보였다. Pb 오염농도에 따른 해바라기의 발아율은 Fig. 1에서 보듯이, Pb 275 mg/kg에서는 78%의 발아율을 보여 양호하였으나 Pb 654 mg/kg에서의 발아율은 59%로 Pb 농도 증가에 따라 발아율이 감소하였다. 또한, Ni 오염농도에 따른 적겨자의 발아율은 Fig.
- 5 g/개체로 급격하게 감소하였다. Pb 오염토에서의 해바라기 생체량은 유체와 유사하게 파종 후 90일이 경과한 생체량이 60일 경과한 식물의 생체량보다 2배 이상 컸으며 파종 후 90일에 최고 생체량을 보였다. Pb 275.
- Zn 오염농도에 따른 유채의 중금속 축적도를 보면 파종 후 60일경보다 90일이 경과한 시기에 중금속 축적능이 가장 우수하였다. 유채의 중금속 축적량은 Zn 오염농도 717 mg/kg에서 유채 생체내 축적도는 123.
- Zn 오염토에서 유체의 생체량은 파종 후 90일이 경과한 생체량이 60일 경과한 식물의 생체량보다 2배 이상 컸으며 90일 이후 최고 생체량을 보였다. 유채의 생체량은 Zn 1,030 mg/kg에서 4.
- 2와 같다. Zn 오염토에서의 유채의 개체성장률은 중금속 농도 증가에 모두 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 60일 및 90일 경과한 개체성장률을 기준으로, Zn 농도 527 mg/kg에서는 각각 75% 및 70%였으나 Zn 717 mg/kg에서는 유채가 계속 성장하지 못하고 개체수가 급감하여 60일 및 90일 경과한 개체 성장율은 모두 60% 이하였다.
- 실험결과, 중금속 농도 증가에 따라 개체성장율도 발아율과 같이 감소하는 경향을 보였으며 60일 재배 작물에 비해 90일 재배 작물의 개체수가 노화에 의해 감소하였다. 개체성장율 60% 기준의 한계 농도는 적겨자가 Ni에 대해 150 mg/kg, 해바라기가 Pb에 대해 300 mg/kg, 그리고 유채가 Zn에 대해 700 mg/kg 이상의 농도에서 중금속에 의한 생체 성장률에 대한 저해가 발생하였다. 또한, 90일 경작한 작물에서의 중금속 농도에 따른 감소곡선의 기울기는 Zn 오염토에서의 유채의 경우, (−)0.
- 따라서, 중금속 농도에 따른 생체내 최대 축적량은 각각 Zn 오염토에서의 유채의 축적량은 0.65 mg/개였으며 Pb 오염토에서의 해바라기는 0.14 mg/개, 그리고 Ni 오염토에서 적겨자의 경우 0.06 mg/개였으며 중금속의 농도 증가에 따라 적겨자의 경우 큰 영향이 없었으나 해바라기 및 유채는 감소하는 경향을 보였다. 또한, 중금속의 주요 축적부위는 유채와 적겨자는 잎, 줄기 등 지상부였으며 해바라기는 뿌리였다.
- 또한, 90일 경작한 작물에서의 중금속 농도에 따른 감소곡선의 기울기는 Zn 오염토에서의 유채의 경우, (−)0.0007이었으며 Pb에서의 해바라기는 (−)0.0012이었고 Ni에서의 적겨자의 개체성장율은 (−)0.0031으로 중금속에 대한 고축적종 식물의 민감도는 Ni 오염토에서 적겨자가 높게 나타났다.
- 1에서 보듯이, Pb 275 mg/kg에서는 78%의 발아율을 보여 양호하였으나 Pb 654 mg/kg에서의 발아율은 59%로 Pb 농도 증가에 따라 발아율이 감소하였다. 또한, Ni 오염농도에 따른 적겨자의 발아율은 Fig. 1과 같이, Ni 143.9 mg/kg에서는 86%였으나 Ni 230 mg/kg 이상에서는 63%의 발아율을 보여 Ni 농도증가에 따른 중금속 독성으로 발아율이 감소하였다.
- 또한, Ni 오염농도에 따른 적겨자의 중금속 축적농도는 Fig. 4와 같이, 유채와 해바라기와 같이 파종 후 60일경보다 90일이 경과한 시기에 중금속 축적능이 가장 우수하였다. 오염농도별 생체내 중금속 축적농도를 보면 Ni 89 mg/kg에서 적겨자의 중금속 축적농도는 19.
- 0 g/개체 이하로 고농도 Pb농도에 의한 성장 저해가 발생하였다. 또한, Ni 오염토에서 적겨자의 생체량은 파종 후 90일이 경과한 생체량이 60일 경과한 식물의 생체량보다 1.5배 이상 컸으며 유채 및 해바라기와 같이 파종 후 90일이후 최고 생체량을 보였다. Ni 89 mg/kg에서 적겨자의 생체량은 3.
- 2이었다. 또한, TN 및 TP는 0.09~0.18% 및 0.04~0.05%였으며 양이온교환능력(CEC)은 13~15 cmol/kg이었다.
- 실험결과, 중금속 농도 증가에 따라 개체성장율도 발아율과 같이 감소하는 경향을 보였으며 60일 재배 작물에 비해 90일 재배 작물의 개체수가 노화에 의해 감소하였다. 개체성장율 60% 기준의 한계 농도는 적겨자가 Ni에 대해 150 mg/kg, 해바라기가 Pb에 대해 300 mg/kg, 그리고 유채가 Zn에 대해 700 mg/kg 이상의 농도에서 중금속에 의한 생체 성장률에 대한 저해가 발생하였다.
- 위 실험결과, 중금속 농도가 증가할수록 중금속 독성에 의해 발아율이 감소하였으며 발아율 60% 기준의 한계 농도는 각각 적겨자는 Ni 250 mg/kg 이상, 유채는 Zn 1,500 mg/kg 이상, 해바라기는 Pb 650 mg/kg 이상이었다. Wang에 의하면 발아기간 중에는 외부의 환경 스트레스에 매우 민감하여 이 시기의 내성 현상이 그 식물의 내성 정도를 대표할 수 있으며 내성이 좋은 종자는 불리한 환경에서도 잘 견딜 수 있다고 보고한바 있다(Wang, 1991).
- 위의 실험 결과, 단위 면적당 생체량을 환산하면 유채는 317.44 g였고 해바라기는 461.44 g으로 노지 경작에 의한 중금속 오염토의 식물 생체량인 125~157 g/m2보다 시설재배를 실시할 경우 생체량이 2~3배 크게 나타났다(김현희, 2003).
- Zn 오염농도에 따른 유채의 중금속 축적도를 보면 파종 후 60일경보다 90일이 경과한 시기에 중금속 축적능이 가장 우수하였다. 유채의 중금속 축적량은 Zn 오염농도 717 mg/kg에서 유채 생체내 축적도는 123.8 mg/kg이었으며 Zn 1,506 mg/kg에서는 35.6 mg/kg으로 고농도 Zn에 의한 중금속 농축 저해를 보였다. Fig.
- 8 mg/kg이었으며 Pb 654 mg/kg에서는 4 mg/kg이었다. 이를 개체당 중금속 축적량으로 환산하면 Fig. 5와 같이, Pb 185 mg/kg에서 0.14 mg/개체였으며 Pb 654 mg/kg에서는 Pb 독성에 의해 중금속 축적량이 0.01 mg/개체으로 감소하였다. Fig.
- 1 mg/kg이었다. 이를 생체량을 반영하여 개체당 중금속 축적량으로 환산할 경우, Fig. 5와 같이 Ni 89 mg/kg에서 0.06 mg/개체였으며 Ni 231.7 mg/kg에서는 0.025 mg/개체으로 나타나 유채 및 해바라기와 달리 Ni 초기 농도에 따른 중금속 축적량은 큰 차이가 없었다. 적겨자에서의 Ni의 축적부위는 총 중금속 축적량의 최대 92.
- 025 mg/개체으로 나타나 유채 및 해바라기와 달리 Ni 초기 농도에 따른 중금속 축적량은 큰 차이가 없었다. 적겨자에서의 Ni의 축적부위는 총 중금속 축적량의 최대 92.0%까지 잎, 줄기 등 지상부에 축적되었으며 토양중 Pb 농도의 증가에 따라 지상부의 축적비율이 최소 85.6%로 큰 변화가 없었다. 적겨자에서의 Ni에 대한 지상부의 평균 축적율은 89.
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