Chae, Mi Jin
(Division of Soil and Fertilizer)
,
Jung, Goo-Bok
(Climate Change and Agroecology Division, NAAS, RDA)
,
Kang, Seong Soo
(Division of Soil and Fertilizer)
,
Kong, Myung Suk
(Division of Soil and Fertilizer)
,
Kim, Yoo Hak
(Division of Soil and Fertilizer)
,
Lee, Deog Bae
(Division of Soil and Fertilizer)
Phytoremediation is a technology using plants and associated soil microbes to reduce the concentrations or toxic effects of contaminants in the environments. It is regarded as a cost-effective, efficient, eco-friendly, and solar-driven technology with good public acceptance. This study was conducted...
Phytoremediation is a technology using plants and associated soil microbes to reduce the concentrations or toxic effects of contaminants in the environments. It is regarded as a cost-effective, efficient, eco-friendly, and solar-driven technology with good public acceptance. This study was conducted to find the plants accumulating heavy metals in soils contaminated with Cd and Pb. Experimental plots (plot size: $0.81m^2$) was artificially contaminated using a contaminated soil collected from a field in vicinity of Wondong mine (WD). Sunflower, corn and castor were tested for their potential to remove heavy metals from the contaminated soils. The results indicated that sunflower was most effective in accumulating heavy metals and thus remedying the soils among the three crops. Dry weight and heavy metal uptake of sunflower shoot differed with growth period. For example, the Cd content of shoots including leaf and stem were 0.31mg, 2.23 mg, and 0.96 mg per plot at 4, 8 and 12 weeks after planting in Cd4-WD treatment; in addition, the dry weight of the shoots in Cd8-WD treatment was reduced due to heavy metal toxicity. This experiment showed that sunflower absorbed Cd, Pb and Zn in their shoots up to 8 weeks of planting; thereafter heavy metals uptake was diminished. This implies that the efficiency of these plants in cleaning the contaminated soils may be high at the early stage of plant growth.
Phytoremediation is a technology using plants and associated soil microbes to reduce the concentrations or toxic effects of contaminants in the environments. It is regarded as a cost-effective, efficient, eco-friendly, and solar-driven technology with good public acceptance. This study was conducted to find the plants accumulating heavy metals in soils contaminated with Cd and Pb. Experimental plots (plot size: $0.81m^2$) was artificially contaminated using a contaminated soil collected from a field in vicinity of Wondong mine (WD). Sunflower, corn and castor were tested for their potential to remove heavy metals from the contaminated soils. The results indicated that sunflower was most effective in accumulating heavy metals and thus remedying the soils among the three crops. Dry weight and heavy metal uptake of sunflower shoot differed with growth period. For example, the Cd content of shoots including leaf and stem were 0.31mg, 2.23 mg, and 0.96 mg per plot at 4, 8 and 12 weeks after planting in Cd4-WD treatment; in addition, the dry weight of the shoots in Cd8-WD treatment was reduced due to heavy metal toxicity. This experiment showed that sunflower absorbed Cd, Pb and Zn in their shoots up to 8 weeks of planting; thereafter heavy metals uptake was diminished. This implies that the efficiency of these plants in cleaning the contaminated soils may be high at the early stage of plant growth.
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문제 정의
본 연구는 중금속으로 오염된 토양을 효과적으로 복원하고 바이오에너지로 활용할 수 있는 종을 선발하여 폐광산 인근 노지에 활용 할 수 있는지를 검토하고자 수행했다.
오염으로 인해 생산성이 저하된 토지를 경제적으로 활용 하는 방안으로 바이오연료 식물을 이용한 토양정화기술이 주목을 받고 있다. 본 연구에서 해바라기가 중금속으로 오염된 토양을 효과적으로 복원하고 바이오에너지로도 활용할 수 있는 바이오매스로 조사되었다. 생육시기별 처리구에 따른 중금속 흡수량을 비교하면 무처리구와 저농도 처리구에서는 식물이 성장함에 따라 중금속 흡수량이 증가하는 반면 고농도 처리구에서는 8주가 가장 높은 중금속 흡수를 보이다가 12주에 가서는 감소하는 경향을 보였다.
제안 방법
토양복원용 식물 선발 종으로 하계작물인 해바라기, 옥수수, 아주까리를 식재하여 2011년 5월부터 9월까지 단 반복 동시 재배하였다. 그 다음해에는 생육시기별 중금속의 흡수량을 비교하기 위해 해바라기를 3반복으로 파종하여 2012년 5월부터 7월까지 4주 간격으로 시료를 채취하였다.
식물체의 중금속 총 함량은 Microwave기기로 압력 130 psi에서 분해하여 분석용 시료로 이용하였다. 전처리한 토양 및 식물체의 화학성분, 카드뮴, 납 및 아연 정량은 ICP-OES(GBC integra Xl)를 이용하여 측정하였다. 토양의 유효인산은 발색시킨 후 흡광광도계(Hitachi, U-3000)를 이용하여 비색 정량하였다.
토양시료 채취는 각 시험구에서 총 3개의 토양시료를 채취한 후 하나의 시료로 균일하게 혼합하였다. 채취한 토양은 풍건한 후 2 mm 체로 걸러서 분석에 이용하였다.
토양의 중금속 분석은 토양오염공정시험방법에 준하여 왕수분해한 후 분석용 시료로 이용하였다. 식물체의 중금속 총 함량은 Microwave기기로 압력 130 psi에서 분해하여 분석용 시료로 이용하였다. 전처리한 토양 및 식물체의 화학성분, 카드뮴, 납 및 아연 정량은 ICP-OES(GBC integra Xl)를 이용하여 측정하였다.
Cd 농도는 무처리, Cd-2, Cd-4, Cd-8 mg/kg으로 조절하였으며, 조절용 토양의 이화학성 특성 및 중금속 함량은 Table 1, 2와 같다. 토양복원용 식물 선발 종으로 하계작물인 해바라기, 옥수수, 아주까리를 식재하여 2011년 5월부터 9월까지 단 반복 동시 재배하였다. 그 다음해에는 생육시기별 중금속의 흡수량을 비교하기 위해 해바라기를 3반복으로 파종하여 2012년 5월부터 7월까지 4주 간격으로 시료를 채취하였다.
이론/모형
토양의 화학성분 분석은 토양화학분석법(NAAS, 2010)에 준하여 pH (1:5)는 pH-meter법 (Thermo Orion 920A), 유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법을 이용하였다. 토양의 중금속 분석은 토양오염공정시험방법에 준하여 왕수분해한 후 분석용 시료로 이용하였다. 식물체의 중금속 총 함량은 Microwave기기로 압력 130 psi에서 분해하여 분석용 시료로 이용하였다.
토양의 화학성분 분석은 토양화학분석법(NAAS, 2010)에 준하여 pH (1:5)는 pH-meter법 (Thermo Orion 920A), 유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법을 이용하였다. 토양의 중금속 분석은 토양오염공정시험방법에 준하여 왕수분해한 후 분석용 시료로 이용하였다.
성능/효과
Table 6은 해바라기 생육시기별 식물지상부의 중금속 흡수량을 비교하였다. 12주 해바라기의 지상부의 카드뮴 (mg/0.81 m2)은 무처리, 0.05Cd, 2Cd-WD, 4Cd-WD, 8Cd-WD 처리 시험구에서 각각 0.33, 0.13, 0.67, 0.96, 1.21 mg이었고 카드뮴 12주를 제외한 모든 생육시기에서 카드뮴, 아연, 납의 함량이 증가하다가 Cd8-WD에서 감소하는 경향을 보였다. 이는 Cd8-WD시험구가 다른 시험구들보다 건물량이 적기 때문에 건물량이 고려된 계산에서 증금속 제거량이 감소된 것으로 판단된다.
중금속 축적종 바이오매스 작물로 선정된 해바라기를 4주 간격으로 식물지상부를 조사한 결과, 무처리구와 Cd8- WD 처리구에서 21 g, 13 g으로 초기 생체량이 무처리구가 Cd8보다 약 2배정도 높았다(Table 5). 그러나 8주에서 12주로 가면서 광산토로 처리된 시험구는 무처리구보다 생체량이나 건물량이 높았으며 처리 농도에 따라서는 생체량은 크게 차이가 없었으나 Cd8-WD처리구에서 건물량이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 무처리구와 중금속 처리구의 토양화학성을 조사한 결과 pH는 6.
, 2010). 따라서 교환성형태가 많은 카드뮴은 식물로서 이행이 다른 중금속보다 높으며 교환성형태가 적은 납은 반대로 식물로서 이행이 낮아 중금속 제거능에 차이를 보인 것으로 판단된다.
바이오매스 작물의 중금속 흡수량을 분석한 결과, 고농도의 Cd8-WD 시험구에서 카드뮴의 흡수는 옥수수≥ 해바라기 > 아주까리 순이었고, 납은 옥수수>해바라기>아주까리 순이었으며, 아연은 해바라기≥옥수수>아주까리 순으로 높았다. 또한 토양내 중금속 함량이 높을수록 식물로서 이행도 높아짐을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과를 종합해 볼 때 해바라기는 건물량은 적지만 건물량에 비해 중금속 흡수력이 높아 정화식물로서 적당하며 미래의 바이오에너지 전환 및 경관식물로서의 활용도 기대되는 식물이다.
그러나 8주에서 12주로 가면서 광산토로 처리된 시험구는 무처리구보다 생체량이나 건물량이 높았으며 처리 농도에 따라서는 생체량은 크게 차이가 없었으나 Cd8-WD처리구에서 건물량이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 무처리구와 중금속 처리구의 토양화학성을 조사한 결과 pH는 6.0~7.0, 토양유기물은 20~30 g kg-1, 유효인산은 300~550 mg kg-1로 토양조건이 식물이 자라기 위한 적정 범위에 있다면 고농도의 중금속 오염이 된 지역이라도 식물 생육이 가능하다는 결론을 내릴수 있다.
바이오매스 작물의 중금속 흡수량을 분석한 결과, 고농도의 Cd8-WD 시험구에서 카드뮴의 흡수는 옥수수≥ 해바라기 > 아주까리 순이었고, 납은 옥수수>해바라기>아주까리 순이었으며, 아연은 해바라기≥옥수수>아주까리 순으로 높았다.
생육시기별 처리구 (0.81 m2)에 따른 중금속 흡수량을 비교하면 식물의 성장함에 따라 Cd 흡수량이 4, 8, 12주에 무처리구는 0.01, 0.04, 0.33 mg로, 0.05Cd처리구에서는 0.04, 0.13, 0.13 mg로 증가하였다. 반면, Cd2-WD 처리구 (0.
본 연구에서 해바라기가 중금속으로 오염된 토양을 효과적으로 복원하고 바이오에너지로도 활용할 수 있는 바이오매스로 조사되었다. 생육시기별 처리구에 따른 중금속 흡수량을 비교하면 무처리구와 저농도 처리구에서는 식물이 성장함에 따라 중금속 흡수량이 증가하는 반면 고농도 처리구에서는 8주가 가장 높은 중금속 흡수를 보이다가 12주에 가서는 감소하는 경향을 보였다. 해바라기의 개화소요 일수 (45~60일)를 고려하여 중금속 오염지에 해바라기 2기작을 재배하여 중금속 흡수를 최대화하여 경관작물로서 각광을 받고 있는 해바라기를 폐광산 인근 노지에 활용함으로써 중금속 오염지를 자연친화적으로 복원하고 향후 수확된 중금속 흡수작물을 바이오에너지로 전환할 수 있어 미래 에너지 활용도 기대된다.
, 2012)가 낮은 Pb과 Zn에서도 Cd과 비슷한 경향을 보였다. 이러한 결과를 종합해 볼 때, 중금속 흡수의 효율성을 최대화할 수 있는 방법은 식물의 장기 재배보다는 식물성장 초기를 고려한 재배법을 이용하는 것이 좋을 것으로 판단되었다 (J. K. Adesodun et al., 2010).
중금속 축적종 바이오매스 작물로 선정된 해바라기를 4주 간격으로 식물지상부를 조사한 결과, 무처리구와 Cd8- WD 처리구에서 21 g, 13 g으로 초기 생체량이 무처리구가 Cd8보다 약 2배정도 높았다(Table 5). 그러나 8주에서 12주로 가면서 광산토로 처리된 시험구는 무처리구보다 생체량이나 건물량이 높았으며 처리 농도에 따라서는 생체량은 크게 차이가 없었으나 Cd8-WD처리구에서 건물량이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다.
후속연구
또한 토양내 중금속 함량이 높을수록 식물로서 이행도 높아짐을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과를 종합해 볼 때 해바라기는 건물량은 적지만 건물량에 비해 중금속 흡수력이 높아 정화식물로서 적당하며 미래의 바이오에너지 전환 및 경관식물로서의 활용도 기대되는 식물이다.
생육시기별 처리구에 따른 중금속 흡수량을 비교하면 무처리구와 저농도 처리구에서는 식물이 성장함에 따라 중금속 흡수량이 증가하는 반면 고농도 처리구에서는 8주가 가장 높은 중금속 흡수를 보이다가 12주에 가서는 감소하는 경향을 보였다. 해바라기의 개화소요 일수 (45~60일)를 고려하여 중금속 오염지에 해바라기 2기작을 재배하여 중금속 흡수를 최대화하여 경관작물로서 각광을 받고 있는 해바라기를 폐광산 인근 노지에 활용함으로써 중금속 오염지를 자연친화적으로 복원하고 향후 수확된 중금속 흡수작물을 바이오에너지로 전환할 수 있어 미래 에너지 활용도 기대된다.
참고문헌 (13)
Dilek, B. and Y.B. Kurtulus. 2011. Comparison of Extraction Procedures for Assessing Soil Metal Bioavailability of to Wheat Grains. Clean-soil, Air, Water. 39(8):728-734.
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Niu, Z.X. and Sun, L.N. 2007. Evaluation of Phytoextracting Cadmium and Lead by Sunflower, Ricinus, Alfalfa and Mustard in Hydroponic Culture. Journal of Environmental Sciences. 19:961-967.
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