유기성 폐기물 장기시용 후 토양에서 무 (Raphanus sativus cv. sodamaltari)의 중금속 흡수 Uptake of Heavy Metals by Radish (Raphanus sativus cv. sodamaltari) from the Soils after Long-Term Application of Organic Wastes원문보기
This study was carried out to understand the long-term effects of organic waste treatments on the fate of heavy metals in soils originated from the organic wastes and consequent uptake of heavy metals by plant, together with examination of changes in soil properties and plant growth performance. In ...
This study was carried out to understand the long-term effects of organic waste treatments on the fate of heavy metals in soils originated from the organic wastes and consequent uptake of heavy metals by plant, together with examination of changes in soil properties and plant growth performance. In this study, the soils treated with three different organic wastes (municipal sewage sludge, alcohol fermentation processing sludge, pig manure compost) at three different rates (12.5, 25.0, 50.0 ton $ha^{-1}yr^{-1}$) for 7 years (1994 - 2000) were used. To see the long-term effect, plant growth study and soil examination were conducted twice in 2000 and 2010, respectively. There was no additional treatments of organic wastes for 10 years after the organic waste treatment for 7 years. Compared to plant growth examination conducted in 2000 using radish (Raphanus sativus cv. sodamaltari), it appeared that height, root length and diameter, fresh weight of radish grown in 2010 decreased in the plots treated with municipal sewage sludge and alcohol fermentation processing sludge and that the extent of decrease was higher with increase of sludge application rates. On the other hand, pig compost treatment increased plant height, root length and diameter, fresh weight with increasing application rates. Cu and Pb concentrations in radish root and leaves increased in 2010 compared to those in 2000 while Ni concentrations in root and leaves decreased. Zn concentration was increased only in the soils treated with pig manure compost. Multiple regression analysis among heavy metal species fractions in soils, soil pH, and metal concentrations in radish root and leaves indicated that the metal uptake by radish was governed mainly by the soil pH and subsequent increase of available heavy metal fractions in soils with organic waste treatments.
This study was carried out to understand the long-term effects of organic waste treatments on the fate of heavy metals in soils originated from the organic wastes and consequent uptake of heavy metals by plant, together with examination of changes in soil properties and plant growth performance. In this study, the soils treated with three different organic wastes (municipal sewage sludge, alcohol fermentation processing sludge, pig manure compost) at three different rates (12.5, 25.0, 50.0 ton $ha^{-1}yr^{-1}$) for 7 years (1994 - 2000) were used. To see the long-term effect, plant growth study and soil examination were conducted twice in 2000 and 2010, respectively. There was no additional treatments of organic wastes for 10 years after the organic waste treatment for 7 years. Compared to plant growth examination conducted in 2000 using radish (Raphanus sativus cv. sodamaltari), it appeared that height, root length and diameter, fresh weight of radish grown in 2010 decreased in the plots treated with municipal sewage sludge and alcohol fermentation processing sludge and that the extent of decrease was higher with increase of sludge application rates. On the other hand, pig compost treatment increased plant height, root length and diameter, fresh weight with increasing application rates. Cu and Pb concentrations in radish root and leaves increased in 2010 compared to those in 2000 while Ni concentrations in root and leaves decreased. Zn concentration was increased only in the soils treated with pig manure compost. Multiple regression analysis among heavy metal species fractions in soils, soil pH, and metal concentrations in radish root and leaves indicated that the metal uptake by radish was governed mainly by the soil pH and subsequent increase of available heavy metal fractions in soils with organic waste treatments.
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문제 정의
따라서 본 연구는 1994년부터 2000년까지 유기성 폐기물을 장기시용하였던 토양에서 유기성 폐기물 시용 중지 후, 10년이 경과한 노지상태의 토양을 대상으로 작물을 재배하 였을 때, 시간의 경과에 따른 작물의 생육 및 토양의 중금 속에 따른 작물 내 중금속 흡수 특성을 살펴보고자 수행하였다.
본 연구는 과거 유기성 폐기물 (생활하수슬러지, 주정슬 러지, 돈분퇴비)을 장기간 (1994~2000년) 시용하였던 토양에서 작물재배를 통해 작물의 생육반응 및 작물체로의 중금속 흡수 이행 등을 살펴보고자 수행하였다. 식물체의 생육 반응은 생활하수슬러지와 주정슬러지 처리에서 시용량의 증가에 따라 수량은 줄어들었고, 초장 및 뿌리의 직경 등 생육에 있어 저해를 받은 것으로 나타났다.
제안 방법
기여도는 무 뿌리 및 잎의 중금속과 독립변수인 각 중금속 형태별 함량들을 표준화 (X-μ/SD)시킨 다음 다중회귀분석으로 얻은 표준화계수의 크기에 따라 결정하였다.
토양의 화학성 및 식물체 분석은 국립농업과학원 토양 및 식물체 분석법에 준하여 실시 하였다 (NIAST, 2000). 식물체의 분석은 각 처리구별로무를 10개씩 채취하여 무의 길이 및 무게를 측정 후 뿌리와 잎을 분리하여 건조한 후 분쇄하여 분석에 이용하였다. 식물체의 총 질소 함량은 시료 1 g에 분해액 (H2SO4 : HClO4= 1 : 9) 10 mL을 넣고 Kjeldahl digestion법에 따라 분석하였다.
식물체의 총 질소 함량은 시료 1 g에 분해액 (H2SO4 : HClO4= 1 : 9) 10 mL을 넣고 Kjeldahl digestion법에 따라 분석하였다. 식물체의 중금속 함량은 Microwave 기기로 분해하는 방법에 따라 건조시료 0.5 g에 질산 10 mL을 넣고 압력 130 psi에서 분해한 분해액을 50 mL 볼륨 플라스크에 부피를 맞춘 후 ICP (GBC Integra XL, Australia)로 측정하였다. 토양 중금속의 화학적 존재형태 및 작물 흡수에 대한 유효도를 평가하기 위해서는 연속침출법으로 분석하였다 (Sposito et al.
토양중 중금속에 대한 형태별 침출조건은 Table 1과 같다. 연속 침출한 상징액 중 중금속은 ICP (GBC Integra XL, Australia)로 측정하였다.
연속침출 시험방법은 2 mm 체를 통과시킨 풍건토양 5 g을 50 mL polyethylene 원심 분리관에 넣고 증류수 25 mL을 가하여 25℃에서 30분간 진탕한 후 원심분리하여 상징액을 분리하였다 (수용태). 연속하여 0.5 M KNO3 (치환태) 16시간, 증류수로 3회 반복 세척, 0.5 M NaOH (유기태) 16시간, 0.05 M EDTA (탄산염태) 6시간, 80℃에서 4 M HNO3 (황화물 및 잔류태) 16시간으로 연속침출하였다. 토양중 중금속에 대한 형태별 침출조건은 Table 1과 같다.
Logan (1992)은 중금속의 식물체 흡수에 관한 문헌들을 정리하여 중금속을 세 가지 그룹으로 분류하였다. 즉, 중금속을 함유한 하수슬러지의 시용량 증가에 따라 식물체 흡수량이 가장 많이 증가하는 Cd, Mo, Zn, 식물체의 흡수량이 다소 증가하는 Hg, Ni, Se, 그리고 슬러지 시용량 증가에도 식물체 흡수량이 거의 증가하지 않는 Cu, Cr, Pb 그룹 등으로 분류하였다. 또한, Jung et al.
대상 데이터
baekkyoung)였다. 10년이 경과한 2010년에는 2000년의 작물과 비교하기 위해 봄에 알타리무 (소담알타리무, Raphanus sativus cv. sodamaltari)를 재배하였다. 알타리무는 2010년 4월 19일에 12 × 15 cm 간격으로 파종하여 재배한 후 2010년 6월 17일에 수확하였다.
데이터처리
본 시험에서 분석된 모든 데이터를 SPSS 프로그램 (SPSS ver.18.0)을 이용하여 통계 분석하였다.
이론/모형
식물체의 분석은 각 처리구별로무를 10개씩 채취하여 무의 길이 및 무게를 측정 후 뿌리와 잎을 분리하여 건조한 후 분쇄하여 분석에 이용하였다. 식물체의 총 질소 함량은 시료 1 g에 분해액 (H2SO4 : HClO4= 1 : 9) 10 mL을 넣고 Kjeldahl digestion법에 따라 분석하였다. 식물체의 중금속 함량은 Microwave 기기로 분해하는 방법에 따라 건조시료 0.
5 g에 질산 10 mL을 넣고 압력 130 psi에서 분해한 분해액을 50 mL 볼륨 플라스크에 부피를 맞춘 후 ICP (GBC Integra XL, Australia)로 측정하였다. 토양 중금속의 화학적 존재형태 및 작물 흡수에 대한 유효도를 평가하기 위해서는 연속침출법으로 분석하였다 (Sposito et al., 1982; Sims and Kline, 1991; Yoo et al., 1995). 연속침출 시험방법은 2 mm 체를 통과시킨 풍건토양 5 g을 50 mL polyethylene 원심 분리관에 넣고 증류수 25 mL을 가하여 25℃에서 30분간 진탕한 후 원심분리하여 상징액을 분리하였다 (수용태).
토양의 화학성 및 식물체 분석은 국립농업과학원 토양 및 식물체 분석법에 준하여 실시 하였다 (NIAST, 2000). 식물체의 분석은 각 처리구별로무를 10개씩 채취하여 무의 길이 및 무게를 측정 후 뿌리와 잎을 분리하여 건조한 후 분쇄하여 분석에 이용하였다.
성능/효과
10년 후 Cu 함량은 2000년과 비교했을 때 모든 처리구에서 시용량의 증가에 따라 식물체 부위별 Cu 함량은 증가하였고, 뿌리보다 잎에서 높은 농도를 보였는데, 이는 Cu가 뿌리에서 잎으로 이행되었기 때문인 것으로 판단되었다. 식물체 부위별 중금속 흡수에 따른 토양 중 중금속 총함량과 토양 pH와의 관계 (Table 4)에서 뿌리 (r=0.
818***)은 모두 높은 유의성이 있었고, 식물체 부위별 Cu 함량 증가에는 pH의 감소가 영향을 미친 것으로 판단되었다. 10년 후 Ni의 함량은 2000년과 비교했을 때 처리구간의 차이는 있었지만 대부분 함량이 감소하였고, 시용량의 증가에 따라 대부분 잎보다 뿌리에서 함량이 높았는데, 이러한 결과는 Ni의 식물체 부위별 함량에 따른 토양 중 중금속 총함량과 토양 pH 관계에서 잎보다 뿌리 (r=0.675***)에서 유의성이 높은 결과와 일치하였다 (Table 4). Pb의 함량은 2000년과 비교하였을 때 10년 후 모든 처리구에서 뿌리와 잎 모두 축적량이 증가하였는데, 식물체 부위별 함량에 따른 토양 중 중금속 총함량과 토양 pH 관계에서 Pb의 함량은 뿌리 (r=0.
10년 후 생활하수슬러지와 주정슬러지 처리구에서 Zn의 함량은 감소하였고, 반면에 돈분퇴비 처리구는 다량의 Zn이 흡수되었다. 이러한 결과는 2000년과 비교하였을 때 상반된 결과였다 (Table 3).
이는 연속침출에 의한 중금속의 존재형태 및 토양 pH가 뿌리에서의 흡수와 잎으로의 이행에 관련이 있음을 나타내는 것이다. Ni의 함량은 뿌리 (r=0.799***)와 잎 (r=0.694*)에서 모두 유의성을 보였고, 잎보다 뿌리에서 높은 유의성을 보였다. 반면에 Pb은 뿌리 (r=0.
675***)에서 유의성이 높은 결과와 일치하였다 (Table 4). Pb의 함량은 2000년과 비교하였을 때 10년 후 모든 처리구에서 뿌리와 잎 모두 축적량이 증가하였는데, 식물체 부위별 함량에 따른 토양 중 중금속 총함량과 토양 pH 관계에서 Pb의 함량은 뿌리 (r=0.697***)와 잎 (r=0.456*)에서 모두 유의성이 있었고, 뿌리에서 유의성이 더 높았다 (Table 4). 식물체의 중금속 함량이 증가한 것은 토양 pH가 감소하면서 식물체로의 중금속 흡수를 도운 것으로 판단되었다.
주정 슬러지 처리구에서 뿌리 흡수의 기여도는 Cu와 Ni은 NaOH 침출태, Pb과 Zn은 H2O 침출태가 높았고, 잎에서는 다소차이를 보였다. 돈분퇴비 처리구에서 Ni은 뿌리와 잎 모두 HNO3 침출태 기여도가 높았고, Zn은 뿌리와 잎에서 H2O 침출태의 기여도가 높았다. 돈분퇴비 처리구에서 뿌리와 잎모두 식물이 이용하기 쉬운 H2O 침출태가 기여도가 높았던 결과는 돈분퇴비 처리구에서만 Zn의 함량이 높았던 결과 (Kwon et al, 2012)와 연관이 있었다.
669***)에서 높은 유의성을 보인 결과와도 일치하였다 (Table 4). 돈분퇴비 처리구에서 Zn 함량의 증가는 유기물의 시용기간 (1994 ~ 2000년) 토양 pH 가 6.5~6.7로 높았을 때는 흡수량이 낮았던 반면, 10년 후에는 pH가 4.6~4.9로 감소했을 때 식물체 내 흡수량이 증가한 결과에서 pH 감소가 Zn의 흡수에 영향을 준 것으로 판단되었다.
이러한 결과는 2000년과 비교하였을 때 상반된 결과였다 (Table 3). 돈분퇴비 처리구에서 식물체 부위별 흡수된 Zn의 함량은 뿌리보다 잎에서 높았고, 식물체 부위별로 토양 중 중금속의 함량과 pH관계에서도 뿌리 (r=0.467*)보다 잎 (r=0.669***)에서 높은 유의성을 보인 결과와도 일치하였다 (Table 4). 돈분퇴비 처리구에서 Zn 함량의 증가는 유기물의 시용기간 (1994 ~ 2000년) 토양 pH 가 6.
유기물 시용중지 10년 후 시험포장에 알타리 무를 재배한 생육조사 결과는 Table 2와 같다. 돈분퇴비 처리구에서 초장, 무의 길이와 직경은 시용량의 증가에 따라 증가하였고, 생중량 또한 다른 처리구보다 높았다. 반대로 생활하수슬러지와 주정슬러지 처리구에서는 시용량이 증가함에 따라 초장, 무의 길이와 직경, 생중량이 감소하였다.
식물체 내 중금속 함량의 증가를 토양 pH와 토양 중 중금속 총함량과의 관계, 토양 pH 와 연속침출을 통한 형태별 함량과의 다중 회귀분석 결과, Cu는 뿌리와 잎 모두 유의성이 있었다. 또한, Ni과 Pb은 뿌리에서 유의성이 높았고, Zn은 잎에서의 유의성이 더 높았다. 이는 시간의 경과에 따라 토양 pH가 감소하면서 식물체 로의 중금속 흡수를 도운 것으로 판단되었다.
식물체의 중금속 함량이 증가한 것은 토양 pH가 감소하면서 식물체로의 중금속 흡수를 도운 것으로 판단되었다. 또한, 식물체 부위별 함량에서 Cu, Ni은 잎에서 유의성이 높았으나, Pb은 뿌리에서 유의성이 높았다. 따라서 중금속의 종류, 토양 중 중금속 함량, pH 등에 따라 식물체의 부위별 흡수이행이 다르다고 판단되었다.
이는 시간의 경과에 따라 토양 pH가 감소하면서 식물체 로의 중금속 흡수를 도운 것으로 판단되었다. 무의 식물체 부위별로 중금속 흡수 이행성에 영향을 미치는 토양 중 중금속 결합형태에 따른 기여도를 본 결과, 생활하수슬러지 처리구에서 뿌리로의 흡수에서는 Cu와 Zn은 침출태, Ni과 Pb은 H2O 침출태의 기여도가 높았다. 잎으로의 기여도는 중금속마다 차이가 있었다.
주정슬러지 처리구에서는 시용량의 증가에 따라 식물체의 생육반응이 저조하였으며, 시용량의 증가와 함께 수량도 줄어들었다. 반면, 돈분퇴비 처리구에서는 시용량의 증가와 관계없이 모두 생육반응이 좋았다. 이와 같은 결과는 유기물 시용을 중지한 후 10년이 경과했음에도 불구하고 유기성 폐기물의 종류뿐만 아니라 시용량을 초과하여 유기물을 시용하였을 경우 오랜 시간이 지난 후에도 토양 및 식물체의 생육에 영향을 미칠 수 있다는 것을 시사한다.
Pb은 뿌리에서는 KNO3 침출태, 잎에서는 HNO3 침출태가 높았으며, Zn은 뿌리에서는 H2O 침출태, 잎에서는 EDTA 침출태의 기여도가 높았다. 생활하 수슬러지 처리구의 Cu와 Zn은 EDTA 침출태의 기여도가 높았고, Ni과 Pb은 H2O 침출태의 기여도가 높았다. 잎으로의 중금속 이행에 대한 기여도는 각 중금속마다 달랐다.
식물체의 생육 반응은 생활하수슬러지와 주정슬러지 처리에서 시용량의 증가에 따라 수량은 줄어들었고, 초장 및 뿌리의 직경 등 생육에 있어 저해를 받은 것으로 나타났다. 식물체 내 중금속 함량은 Cu와 Pb은 뿌리와 잎 모두 2000년에 비해 10년 후인 2010년에는 증가하였고, Ni의 함량은 뿌리와 잎에서 모두 감소하였다. Zn은 돈분퇴비 처리구에서만 뿌리와 잎에서 중금속 함량이 증가하였다.
Zn은 돈분퇴비 처리구에서만 뿌리와 잎에서 중금속 함량이 증가하였다. 식물체 내 중금속 함량의 증가를 토양 pH와 토양 중 중금속 총함량과의 관계, 토양 pH 와 연속침출을 통한 형태별 함량과의 다중 회귀분석 결과, Cu는 뿌리와 잎 모두 유의성이 있었다. 또한, Ni과 Pb은 뿌리에서 유의성이 높았고, Zn은 잎에서의 유의성이 더 높았다.
10년 후 Cu 함량은 2000년과 비교했을 때 모든 처리구에서 시용량의 증가에 따라 식물체 부위별 Cu 함량은 증가하였고, 뿌리보다 잎에서 높은 농도를 보였는데, 이는 Cu가 뿌리에서 잎으로 이행되었기 때문인 것으로 판단되었다. 식물체 부위별 중금속 흡수에 따른 토양 중 중금속 총함량과 토양 pH와의 관계 (Table 4)에서 뿌리 (r=0.786***)와 잎 (r=0.818***)은 모두 높은 유의성이 있었고, 식물체 부위별 Cu 함량 증가에는 pH의 감소가 영향을 미친 것으로 판단되었다. 10년 후 Ni의 함량은 2000년과 비교했을 때 처리구간의 차이는 있었지만 대부분 함량이 감소하였고, 시용량의 증가에 따라 대부분 잎보다 뿌리에서 함량이 높았는데, 이러한 결과는 Ni의 식물체 부위별 함량에 따른 토양 중 중금속 총함량과 토양 pH 관계에서 잎보다 뿌리 (r=0.
본 연구는 과거 유기성 폐기물 (생활하수슬러지, 주정슬 러지, 돈분퇴비)을 장기간 (1994~2000년) 시용하였던 토양에서 작물재배를 통해 작물의 생육반응 및 작물체로의 중금속 흡수 이행 등을 살펴보고자 수행하였다. 식물체의 생육 반응은 생활하수슬러지와 주정슬러지 처리에서 시용량의 증가에 따라 수량은 줄어들었고, 초장 및 뿌리의 직경 등 생육에 있어 저해를 받은 것으로 나타났다. 식물체 내 중금속 함량은 Cu와 Pb은 뿌리와 잎 모두 2000년에 비해 10년 후인 2010년에는 증가하였고, Ni의 함량은 뿌리와 잎에서 모두 감소하였다.
이를 바탕으로 연속침출에 의한 토양 중중금속 존재형태 및 토양 pH와 무 식물체 부위별 다중회귀식을 구한 결과는 Table 5와 같다. 연속침출에 의한 중금속의 존재형태와 식물체 부위별 중금속 흡수와의 관계에서 Cu, Zn은 뿌리와 잎에서 모두 높은 유의성을 보였다. 이는 연속침출에 의한 중금속의 존재형태 및 토양 pH가 뿌리에서의 흡수와 잎으로의 이행에 관련이 있음을 나타내는 것이다.
반면, 돈분퇴비 처리구에서는 시용량의 증가와 관계없이 모두 생육반응이 좋았다. 이와 같은 결과는 유기물 시용을 중지한 후 10년이 경과했음에도 불구하고 유기성 폐기물의 종류뿐만 아니라 시용량을 초과하여 유기물을 시용하였을 경우 오랜 시간이 지난 후에도 토양 및 식물체의 생육에 영향을 미칠 수 있다는 것을 시사한다. Kwon (2003)은 재료의 성분 함량에 따른 토양 내 집적량 및 식물의 이용 정도가 상이하기 때문에 유기성 폐기물을 토양에 처리할 때 식물 양분으로서의 역할을 위해서는 토양 및 폐기물의 성분 분석을 통하여 먼저 함량이 높은 성분을 기준으로 적정 시용량을 산정하고 부족한 성분에 대하여 화학비료로 보충하는 것이 토양의 적정 양분을 유지하고 식물을 안정적으로 생산할 수 있는 방법이라고 보고하였다.
잎으로의 중금속 이행에 대한 기여도는 각 중금속마다 달랐다. 주정 슬러지 처리구에서 뿌리 흡수의 기여도는 Cu와 Ni은 NaOH 침출태, Pb과 Zn은 H2O 침출태가 높았고, 잎에서는 다소차이를 보였다. 돈분퇴비 처리구에서 Ni은 뿌리와 잎 모두 HNO3 침출태 기여도가 높았고, Zn은 뿌리와 잎에서 H2O 침출태의 기여도가 높았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중금속의 식물체 흡수에 관한 문헌을 정리하여 중금속을 세 가지 그룹으로 분류하면?
Logan (1992)은 중금속의 식물체 흡수에 관한 문헌들을 정리하여 중금속을 세 가지 그룹으로 분류하였다. 즉, 중금속을 함유한 하수슬러지의 시용량 증가에 따라 식물체 흡수 량이 가장 많이 증가하는 Cd, Mo, Zn, 식물체의 흡수량이 다소 증가하는 Hg, Ni, Se, 그리고 슬러지 시용량 증가에도 식물체 흡수량이 거의 증가하지 않는 Cu, Cr, Pb 그룹 등으로 분류하였다. 또한, Jung et al.
유기성 폐기물에 의해 발생하는 분뇨, 음식물쓰레기, 하수슬러지 등을 처리하는 방법은?
유기성 폐기물의 발생량은 해마다 증가하는 추세에 있으며, 폐기물로서 발생되는 주된 형태에는 분뇨, 음식물쓰레기, 하수슬러지 등이 포함되며 육상매립, 소각, 해양투기, 자원화 등 다양한 방법으로 처리되어 왔다 (NIAST, 2003). 그러나 2012년 해양투기가 전면 금지되면서 해양투기에 의존해 왔던 유기성 폐기물들의 육상처리가 더욱 요구되고 있는 실정이다.
유기성 폐기물을 토양에 적용 시 얻을 수 있는 이점은?
Epstein et al. (1976)과 Smith (1996)는 유기물을 다량 함유하고 있는 유기성 폐기물을 토양에 적용하면 토양의 수분 보유력 및 공극률의 증가, 밀도 감소 등 물리성이 개선되며, 토양 pH, 양이온치환능력 등이 증가되면서 유익한 작용을 한다고 하였다. 그러나 유기성 폐기물이 유용한 자원으로 재활용될 수 있는 장점에도 불구하고 유기성 폐기물 내에 존재할 수 있는 유해물질로 인해 자원화 하는 데 많은 제약이 따르며, Nicholson et al.
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