Various remediation methods have been applied to clean soils contaminated with pollutants. They remove contaminants from the soils by utilizing physicochemical, biological, and thermal processes and can satisfy soil remediation standards within a limited time; however, they also have an effect on th...
Various remediation methods have been applied to clean soils contaminated with pollutants. They remove contaminants from the soils by utilizing physicochemical, biological, and thermal processes and can satisfy soil remediation standards within a limited time; however, they also have an effect on the biological functions of soils by changing soil properties. In this study, changes of the biological properties of soils before and after treatment with three frequently used remediation methods-soil washing, land farming, and thermal desorption-were monitored to investigate the effects of remediation methods on soil biological functions. Total microbial number and soil enzyme activities, germination rate and growth of Brassica juncea, biomass change of Eisenia andrei were examined the effects on soil microorganisms, plant, and soil organisms, respectively. After soil washing, the germination rate of Brassica juncea increased but the above-ground growth and total microbial number decreased. Dehydrogenase activity, germination rate and above-ground growth increased in both land farming and thermal desorption treated soil. Although the growth of Eisenia andrei in thermal desorption treated soil was higher than any other treatment, it was still lower than that in non-contaminated soil. These results show that the remediation processes used to clean contaminated soil also affect soil biological functions. To utilize the cleaned soil for healthy and more value-added purposes, soil improvement and process development are needed.
Various remediation methods have been applied to clean soils contaminated with pollutants. They remove contaminants from the soils by utilizing physicochemical, biological, and thermal processes and can satisfy soil remediation standards within a limited time; however, they also have an effect on the biological functions of soils by changing soil properties. In this study, changes of the biological properties of soils before and after treatment with three frequently used remediation methods-soil washing, land farming, and thermal desorption-were monitored to investigate the effects of remediation methods on soil biological functions. Total microbial number and soil enzyme activities, germination rate and growth of Brassica juncea, biomass change of Eisenia andrei were examined the effects on soil microorganisms, plant, and soil organisms, respectively. After soil washing, the germination rate of Brassica juncea increased but the above-ground growth and total microbial number decreased. Dehydrogenase activity, germination rate and above-ground growth increased in both land farming and thermal desorption treated soil. Although the growth of Eisenia andrei in thermal desorption treated soil was higher than any other treatment, it was still lower than that in non-contaminated soil. These results show that the remediation processes used to clean contaminated soil also affect soil biological functions. To utilize the cleaned soil for healthy and more value-added purposes, soil improvement and process development are needed.
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문제 정의
각각의 정화공정이 토양의 식물 발아율에 미치는 영향을 조사하고자 발아실험을 진행하였다. 풍건된 토양 45 g을 페트리디쉬에 담고 적겨자(Brassica juncea) 씨앗 10 개를 파종하여 온도 23℃, 습도 80%의 조건으로 식물배양기(Hanbaek scientific Technology, Korea)에서 발아실험을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 기존의 오염토양 정화방법이 토양의 생물학적 특성에 어떠한 영향을 미치는 지를 규명하고자 국내에서 주로 이용되고 있는 토양세척, 토양경작, 열탈착 공정에 대하여 토양 생태계의 중요 생산자인 식물, 분해자인 미생물, 소비자인 지렁이를 이용하여 정화 공정 전·후 토양의 생물학적 특성의 변화를 살펴보았다.
본 실험에서는 붉은줄지렁이(Eisenia andrei) 생장실험을 통하여 오염물질이나 농도, 정화 방법이 토양생물의 생장에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 정화 전·후의 토양특성이 지렁이의 생장에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험기간 동안에는 먹이를 추가로 공급하지 않고 토양 내 남아있는 영양분만을 이용하도록 하였다.
본 실험에서는 비 오염토양 및 토양세척, 토양 경작, 열탈착 전·후의 토양에 대해 적겨자(Brassica juncea) 발아 실험을 수행하여 토양의 오염 및 정화이력이 식물의 발아율에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 중금속 또는 유류오염토양을 정화하기 위하여 현재 국내에서 주로 이용되고 있는 토양세척, 열탈착, 토양경작 정화공정에 따른 토양의 생물학적 특성 변화를 살펴보기 위해서 미생물수와 효소활성도, 식물의 발아율과 생장변화, 토양생물의 성장 변화를 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
토양의 생물학적 특성 변화는 토양의 총 미생물 수 및 효소활성도의 변화 등의 토양 미생물 특성, 식물의 발아율 및 성장과 같은 식물에 미치는 영향, 지렁이의 성장변화와 같은 토양생물에 미치는 영향 등을 이용하여 평가하고자 하였다. 모든 실험은 3개의 반복구를 가지고 진행하였는데, 토양의 총 미생물 수의 변화는 3M사의 일반세균 용 petrifilm 배지를 이용하여 분석하였고, 효소활성과 관련된 탈수소효소활성도, β-glucosidase, acid phosphatase, arysulphatase은 Methods of Soil Analysis를 참조하여 다음과 같이 분석을 하였다(Weaver et al.
제안 방법
TPF(triphenyl formazan) 용액을 이용해 만든 표준곡선에 따라 탈수소효소활성도를 µg TPF/g soil/day로 환산하여 나타내었다.
정화 전·후의 토양특성이 지렁이의 생장에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험기간 동안에는 먹이를 추가로 공급하지 않고 토양 내 남아있는 영양분만을 이용하도록 하였다. 따라서 일정 시간 경과 후 먹이 부족으로 실험 대상 지렁이들이 죽을 수도 있으므로 실험 진행 중에 중량변화 결과를 참고하여 14일 간 실험을 진행하였다. 측정된 결과는 초기 중량과 비교하여 제시하였다(Fig.
모든 실험은 3개의 반복구를 가지고 진행하였는데, 토양의 총 미생물 수의 변화는 3M사의 일반세균 용 petrifilm 배지를 이용하여 분석하였고, 효소활성과 관련된 탈수소효소활성도, β-glucosidase, acid phosphatase, arysulphatase은 Methods of Soil Analysis를 참조하여 다음과 같이 분석을 하였다(Weaver et al., 1994).
풍건된 토양 45 g을 페트리디쉬에 담고 적겨자(Brassica juncea) 씨앗 10 개를 파종하여 온도 23℃, 습도 80%의 조건으로 식물배양기(Hanbaek scientific Technology, Korea)에서 발아실험을 수행하였다. 비 오염토양에서의 발아율이 70% 이상을 기록한 8일 후를 기준으로 오염토 및 정화토에 파종된 씨앗 중 발아된 씨앗의 비율을 계산하였다(Dawson et al., 2007). 적겨자의 지상부 길이는 8일 후 성장한 모든 적겨자의 지상부 길이를 측정하여 평균값으로 나타내었다.
정화 전·후의 토양특성이 지렁이의 생장에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실험기간 동안에는 먹이를 추가로 공급하지 않고 토양 내 남아있는 영양분만을 이용하도록 하였다.
따라서 일정 시간 경과 후 먹이 부족으로 실험 대상 지렁이들이 죽을 수도 있으므로 실험 진행 중에 중량변화 결과를 참고하여 14일 간 실험을 진행하였다. 측정된 결과는 초기 중량과 비교하여 제시하였다(Fig. 4). 주변 비오염토양과 세척 전 토양 및 열탈착 후 토양에서 실험 진행 7일까지 지렁이의 중량이 증가하였다가 이후 다시 감소한 것으로 나타났다.
토양 내 총미생물 수 측정은 습윤토양 1g을 멸균 식염수 9 mL에 넣어 잘 혼합하고 이를 단계별로 희석한 후 3M사의 일반세균용 petrifilm 배지에 1 mL씩 접종하였다. 접종한 배지는 35℃에서 배양한 후 형성된 집락수를 계수하고 희석배수와 토양 내 수분함량을 고려하여 건조 토양 1g당 CFU(colony forming unit)로 나타내었다.
각각의 정화공정이 토양의 식물 발아율에 미치는 영향을 조사하고자 발아실험을 진행하였다. 풍건된 토양 45 g을 페트리디쉬에 담고 적겨자(Brassica juncea) 씨앗 10 개를 파종하여 온도 23℃, 습도 80%의 조건으로 식물배양기(Hanbaek scientific Technology, Korea)에서 발아실험을 수행하였다. 비 오염토양에서의 발아율이 70% 이상을 기록한 8일 후를 기준으로 오염토 및 정화토에 파종된 씨앗 중 발아된 씨앗의 비율을 계산하였다(Dawson et al.
대상 데이터
유류오염토양의 경우 석유계총탄화수소의 농도가 1,000~3,000 mg/kg 인 지역은 토양경작법, 석유계총 탄화수소의 농도가 5,000 mg/kg 이상인 지역은 열탈착 공정으로 처리한 토양이며, 납 오염토양의 경우 650 mg/kg의 오염농도를 가진 토양을 토양세척법으로 처리한 토양이다. 대조군으로 활용하기 위하여 오염현장 주변의 오염되지 않은 토양을 채취하여 배경 토양으로 사용하였다.
이 연구에는 00기지의 유류 또는 납으로 오염된 토양을 사용하였다. 유류오염토양의 경우 석유계총탄화수소의 농도가 1,000~3,000 mg/kg 인 지역은 토양경작법, 석유계총 탄화수소의 농도가 5,000 mg/kg 이상인 지역은 열탈착 공정으로 처리한 토양이며, 납 오염토양의 경우 650 mg/kg의 오염농도를 가진 토양을 토양세척법으로 처리한 토양이다.
토양생물의 성장변화를 관찰하기 위하여 본 연구에서는 붉은줄지렁이(Eisenia andrei)를 이용하였다. 붉은줄지렁이 (Eisenia andrei)의 생장변화는 풍건된 토양 450 g을 뚜껑이 있는 유리병에 담고 붉은줄지렁이를 5마리씩 각각의 유리병에 담은 후 빛을 차단한 23℃의 항온배양기(Dasol scientific, Korea)에서 배양하였다.
데이터처리
, 2007). 적겨자의 지상부 길이는 8일 후 성장한 모든 적겨자의 지상부 길이를 측정하여 평균값으로 나타내었다.
정화 전·후 토양의 두 그룹간 생물학적 평균치 차이가 있는지 검정하기 위하여 처리공정별로 정화 전·후 토양에 대하여 t-test를 실시하였다(Jo, 2008).
정화 전·후 토양의 두 그룹간 생물학적 평균치 차이가 있는지 검정하기 위하여 처리공정별로 정화 전·후 토양에 대하여 t-test를 실시하였다(Jo, 2008). 통계 분석은 SAS 9.2 프로그램을 이용하여 0.05% 유의수준으로 분석하였다.
이론/모형
토양의 주요 물리·화학적 특성치인 토양산도와 전기전도도는 초자전극법, 양이온교환능은 1N Acetic acid 법, 총질소는 Micro Kjeldahl법(NIAST, 2000)을 이용하여 분석하였으며, 유기물함량은 강열감량법, 유효태인산은 Bray P2법을 사용하여 분석하였다(Jones, 2001). 입도는 체분석과 피펫팅법을 병행하여 분석하였다(Shepard, 1954). 중 금속과 TPH 농도는 토양오염공정시험법에 근거하여 분석하였다(MOE, 2009).
입도는 체분석과 피펫팅법을 병행하여 분석하였다(Shepard, 1954). 중 금속과 TPH 농도는 토양오염공정시험법에 근거하여 분석하였다(MOE, 2009).
토양의 주요 물리·화학적 특성치인 토양산도와 전기전도도는 초자전극법, 양이온교환능은 1N Acetic acid 법, 총질소는 Micro Kjeldahl법(NIAST, 2000)을 이용하여 분석하였으며, 유기물함량은 강열감량법, 유효태인산은 Bray P2법을 사용하여 분석하였다(Jones, 2001).
성능/효과
1. 총 미생물 수의 경우 중금속 오염토양은 세척 이후, 오히려 미생물수가 감소하는 것으로 나타났다. 유류오염 토양에서는 열탈착 처리 후 미생물수가 급격하게 증가한 반면(p < 0.
2. 비 오염토양과 비교할 때 중금속 오염이 유류오염에 비해 토양의 탈수소효소활성도에 영향을 크게 미치는 것으로 나타났다. 유류오염 토양의 경우 토양경작과 열탈착 처리 후 다시 증가하는 경향을 보였지만 세척공정을 이용한 중금속 오염토양의 경우에는 정화전과 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 조사되었다.
3. 세척토양의 경우 적겨자의 발아율은 증가하였으나 식물생장은 오히려 감소한 것으로 나타났는데 이는 정화과정에 수반된 토양의 물리화학적 변화로 식물생장에 불리 한 조건이 형성되었기 때문으로 판단된다.
4. 토양경작과 열탈착 처리 토양 모두 정화 전 토양에 비해 적겨자의 발아율과 지상부 성장이 모두 증가한 것으로 나타났다. 하지만 주변 비오염 토양에 비해서는 여전히 낮은 수준인 것으로 조사되었다.
5. 토양세척의 경우 중금속 제거에 의한 영향보다 세척 과정 중에 발생한 토성의 변화나 유기물감소가 붉은줄지렁이의 생장에 더 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. 열탈 착 토양에서 지렁이의 생장이 다른 처리방법보다 가장 양호한 것으로 나타났지만 비 오염토양의 경우와 비교할 때 여전히 낮은 수준이다.
Arysulphatase를 분석한 결과 주변 비오염토양(NCS)은 20.0 ± 1.0 µg/g-soil/h 수준으로 조사되었다.
3에 나타내었다. 그 결과 납 오염토양에서는 발아율이 53.3%를 나타낸 반면 세척 이후 73.3%를 나타내 세척 이후 발아율의 증가를 보였다. 하지만 지상부의 길이는 토양세척 전·후에 토양에서 각각 2.
이러한 결과는 유류오염 토양의 경우 토양의 물리·화학적 특성에 영향을 받기 이전의 오염여부와 오염도가 식물의 발아에 영향을 주는 것을 보여준다. 또한 본 실험에 사용한 적겨자의 경우 본 연구에 사용된 농도 수준에서는 유류오염보다는 중금속 오염토양에서 덜 영향을 받는 것을 나타낸다. 하지만 발아나 지상부 성장 모두 주변 비 오염토양의 발아율(76.
열탈착공법의 적용 후 토양(after TD) 내 존재하는 오염 물질의 농도가 저감됨으로써 적겨자 발아율은 26.7 ± 5.8%로, 지상부의 길이는 1.53 ± 0.55 cm로 향상되었다 (p < 0.05).
유류오염 토양에서는 열탈착 처리 후 미생물수가 급격하게 증가한 반면(p < 0.05), 토양경작 전·후 토양은 서로 차이가 거의 없는 것으로 나타났다(p > 0.05).
이는 토양 내 TPH가 지렁이의 생장을 저해하는 요인으로 작용하는 것을 의미하며, 열탈착공법을 적용한 정화토양(after TD)의 경우 붉은줄지렁이의 중량이 14일 후 초기와 유사한 값을 가지는 것으로 확인되었다(p < 0.05).
저농도의 TPH로 오염된 토양(before LF)에서는 16.7% 의 발아율을 보였으며 토양경작 이후 토양(after LF)에서는 43.3%로 적겨자의 발아율이 증가하였으나 지상부의 길 이는 전·후 토양에서 차이가 없는 것으로 나타났다(p > 0.05).
주변 비오염토양(NCS)에서 β-glucosidase는 32.4 ± 8.3µg/g-soil/h 수준을 보인 반면, 모든 정화 전·후 토양에서 11.7 µg/g-soil/h ~ 14.2 µg/g-soil/h 사이에 분포하고 있어 정화 이후 변화는 크지 않은 것으로 나타나, 탈수소효소활성도와 달리 오염정화에 의한 효과가 낮은 것으로 나타났다.
주변 비오염토양(NCS)의 총 미생물 수는 5.6 × 104 CFU/g soil 수준으로 나타났고, 중금속 오염토양(before SW)은 5.0 × 103CFU/g soil를 보인 반면 세척 이후 중금속 농도는 감소하였지만 총미생물 수도 1.6 × 103CFU/g soil로 감소하였다(p < 0.05) (Fig. 1).
중금속오염토양 의 경우, 탈수소효소활성도가 1.044 ± 1.283 µg TPF/g-dry soil/d로 유류오염토양의 경우에는 0.525 ± 0.150에서 0.669 ± 0.200 µg TPF/g-dry soil/d로 나타나 중금속 및 유류오염에 의하여 탈수소효소활성도가 크게 감소하는 것으로 나타났다.
토양 생태계의 인의 순환에 중요한 역할을 담당하는 acid phosphatase를 분석한 결과, 주변 비오염토양(NCS) 은 140.3 ± 6.5 µg/g-soil/h 수준이었다.
13 cm)에는 미치지 못하였다. 토양경작과 열탈착 토양의 경우 비오염토양에 비해 질소와 인과 같은 영양물 질의 농도는 높았으나 중성을 나타낸 비오염토양의 pH 보다 낮았으며, 전기전도도가 높아 염도의 영향이 있었던 것으로 판단된다.
이는 세척 공정을 통하여 토양 내 중금속 농도가 감소되어 식물의 발아율은 증가하였지만 수반된 토양의 물리·화학적 특성의 변화로 영양물질의 제거 등 식 물생장에 불리한 토양조건이 형성되었기 때문으로 판단된다. 토양세척 후 토양 내 유기물함량은 물론 총질소와 같은 영양물질이 감소하였으며 모래함량의 증가하였으며 대신에 점토함량이 감소하였다(Table 1). 따라서 발아는 하였지만 시간이 경과함에 따라 영양물질의 부족으로 더 성장하지 못하고 고사할 가능성이 높다.
하지만 오염물질의 제거에 초점을 맞춘 현재의 토양정화공정에 있어서 오염물질 제거과정에 발생하는 토양의 물리화학적 특성 변화가 토양의 생물학적 기능을 약화시 킬 수도 있으며, 오염물질의 제거만으로는 토양의 생물학적 기능을 완전히 회복되지 않을 수 있음을 본 연구를 통하여 인지할 수 있었다.
후속연구
6. 정화공정을 통한 오염물질의 감소와 더불어 토양 특성변화가 토양의 생물학적 기능에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 본 연구에서 적용된 정화공정을 통하여 처리 한 토양의 경우 생태적으로 건전하게 재사용하거나 좀 더 부가가치가 높은 토양으로 사용하기 위해서는 개량이나 공정개선이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양정화 과정 중 토양 특성의 변화는 어떠하다고 보고되어 있는가?
Yi et al. (2012)에 따르면, 토양세척 처리 이후 점토함량이 감소하였으며 유기물과 질소 함량에 있어서도 각각 43.9%와 57.6% 감소하였다고 보고하였다. 또한 토양경작 처리 이후에는 치환성 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 총질소와 유효 인산 등과 같은 영양물질이 모두 감소하였다고 보고한 바 있다. 이러한 토양 특성의 변화는 주로 생물학적 다양성과 기능적인 측면에 있어서 영향을 미칠 수 있다(Cébron et al., 2009). 정화 과정 중에 생태적 기능이 약화된 토양은 처리 후 재이용과 재활용 범위가 제한될 수 있으며, 사용된다 할지라도 토양의 가장 기본적인 기능 중 하나인 지속 가능한 생산이 어려울 수 있다. 또한 기후변화와 같은 외적 스트레스 변화에 적응능력이 낮을 가능성도 있다.
염토양을 정화하는 기술은 오염물질 제거 방법에 따라 어떻게 분류되는가?
, 2008), 오염토양의 정화 필요성이 증가하 고 있다. 오염토양을 정화하는 기술은 오염물질의 제거 방법에 따라 물리화학적, 생물학적, 열적 처리기술 등으로 분류된다. 오염물질의 농도가 높고 오염지역 규모가 작은 경우에는 열탈착과 같은 열적 처리, 오염지역의 범위가 넓은 경우에는 생물학적 처리가 유리한 것으로 평가되며 (Yang and Lee, 2007), 유류나 중금속 오염토양에 적용하여 단기간에 토양을 정화하는 토양세척은 지금까지 널리 연구 및 적용되는 대표적 중금속 오염 토양 처리 방법이다(Hur and Jeong, 2011).
대표적 중금속 오염 토양 처리 방법은 무엇인가?
오염토양을 정화하는 기술은 오염물질의 제거 방법에 따라 물리화학적, 생물학적, 열적 처리기술 등으로 분류된다. 오염물질의 농도가 높고 오염지역 규모가 작은 경우에는 열탈착과 같은 열적 처리, 오염지역의 범위가 넓은 경우에는 생물학적 처리가 유리한 것으로 평가되며 (Yang and Lee, 2007), 유류나 중금속 오염토양에 적용하여 단기간에 토양을 정화하는 토양세척은 지금까지 널리 연구 및 적용되는 대표적 중금속 오염 토양 처리 방법이다(Hur and Jeong, 2011).
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