환경정화용 녹색식물소재로서 자생 맥문동의 중금속 축적 및 토양 내 제거 특징 Characteristics of Heavy Metal Accumulation and Removing from Soil using Korean Native Plant, Liriope platyphylla for Phytoremediation원문보기
This study attempted to utilize various groundcover plants in phytoremediation, using shade plants, which often have a high shade tolerance for shade urban space. Liriope platyphylla was grown in soil containing three of heavy metals, Zn, Cd, and Pb under four different concentrations (0, 100, 250 a...
This study attempted to utilize various groundcover plants in phytoremediation, using shade plants, which often have a high shade tolerance for shade urban space. Liriope platyphylla was grown in soil containing three of heavy metals, Zn, Cd, and Pb under four different concentrations (0, 100, 250 and 500 mg/kg) to determine the heavy metal accumulation characteristics and removing from soil. Total amounts of accumulated Zn in L. platyphylla were increased in accordance with increasing elevated Zn concentrations in soil, but the difference was not significant between Zn250 and Zn500. Cd accumulation, sharply increased in Cd100 and Cd250, but was reduced in Cd500. Increased Pb concentration in soil resulted a continuous increase in the total amounts of Pb accumulated in L. platyphylla. The total content of Zn in soil decreased by almost 50% in Zn100, almost 33% in Zn250 and 20% in Zn500 through growth of L. platyphylla over a period of 7 months. In the case of Cd, the concentration in soil, was decreased with 10% in Cd100, 10% in Cd250 and 33% in Cd500 through growth of L. platyphylla over a period of 7 months. This results indicate that more Cd was removed by planting L. platyphylla, compared to Zn or Pb.
This study attempted to utilize various groundcover plants in phytoremediation, using shade plants, which often have a high shade tolerance for shade urban space. Liriope platyphylla was grown in soil containing three of heavy metals, Zn, Cd, and Pb under four different concentrations (0, 100, 250 and 500 mg/kg) to determine the heavy metal accumulation characteristics and removing from soil. Total amounts of accumulated Zn in L. platyphylla were increased in accordance with increasing elevated Zn concentrations in soil, but the difference was not significant between Zn250 and Zn500. Cd accumulation, sharply increased in Cd100 and Cd250, but was reduced in Cd500. Increased Pb concentration in soil resulted a continuous increase in the total amounts of Pb accumulated in L. platyphylla. The total content of Zn in soil decreased by almost 50% in Zn100, almost 33% in Zn250 and 20% in Zn500 through growth of L. platyphylla over a period of 7 months. In the case of Cd, the concentration in soil, was decreased with 10% in Cd100, 10% in Cd250 and 33% in Cd500 through growth of L. platyphylla over a period of 7 months. This results indicate that more Cd was removed by planting L. platyphylla, compared to Zn or Pb.
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문제 정의
본 연구는 아연(Zn), 카드늄(Cd), 납(Pb)에 대한 자생 맥문동의 중금속 축적량과 토양 내 제거능을 평가함으로써, 녹색기술 식물재료로 이용가치를 높이고자 수행하였다. 중금속의 처리농도는 0, 100, 250, 500mg/kg 등 4가지 농도로 배합토와 혼합하여, 맥문동을 식재 한 후 7개월 동안 재배하여 식물체내 축적량과 토양 내 제거량의 차이를 분석하였다.
또한, 외래종보다 국내 환경에 대한 적응성이 높기 때문에 녹색기술 중 하나인 식물환경복원에 적합한 조건을 가졌다고 본다. 최근 중금속을 다량으로 축적할 수 있는 고축적식물(hyper-accumulator)에 대한 관심이 높아지고 있다고 볼 때, 자생 맥문동의 토양 중금속축적 및 제거능을 평가함으로써, 환경정화용 녹색기술 식물소재로 이용가치를 높이고자 한다.
제안 방법
2009년 2월에 지름 12 cm화분의 맥문동을 구입하여 1개월간 건국대학교 전공온실에서 순화시켰다.2009년 3월에 각각의 중금속 농도로 처리된 배합토에 맥문동을 식재하여, 9월까지 약 7개월간 생육실험을 진행하였다. 실험구는 완전임의 배치법으로 각 처리구당 10본씩 정식하였다.
중금속의 종류는 토양오염실태결과의 중금속 오염도를 기준(Ministry of Environment, 2007)으로 가장 높은 수치를 나타낸 아연(Zn)과 납(Pb), 그리고 인체의 피해정도가 가장 심한 카드늄(Cd)으로 선정하였다. 또한 중금속 농도는 우리나라 최고 중금속 측정량(Ministry of Environment, 2007)과 선행된 연구의 중금속 농도처리를 기준으로(Anthony 등, 2006), 0,100, 250, 500 mg/kg(이하; Control, 100, 250, 500)등 4가지 처리구로 구분하여 펄라이트 : 인공토(1 : 1)의 배합토에 농도별로 혼합하였다(Tabel 1).
식물체 내 축척된 중금속 함량을 알아보기 위해, 생육실험 종료 후 각 중금속 처리구별 식물체를 채취하였다. 이물질을 제거한 뒤 그늘에서 2주간 충분히 자연 건조시킨 후 지상부, 지하부로 구분하고 잘게 잘라2 g씩 삼각플라스크에 담아 농질산(Conc.
실험 중 온실의 환경조건은 평균온도가 22.0±4.0℃, 습도는 50±5.0%, 낮 동안의 평균 광도는 150～200 μmolㆍm-2ㆍs-1 이었고, 관수는 일주일에 500 mL씩 총 2회 실시하였다.
2009년 3월에 각각의 중금속 농도로 처리된 배합토에 맥문동을 식재하여, 9월까지 약 7개월간 생육실험을 진행하였다. 실험구는 완전임의 배치법으로 각 처리구당 10본씩 정식하였다. 실험 중 온실의 환경조건은 평균온도가 22.
실험구의 토양을 풍건시킨 후 10 g을 담아 증류수10 mL를 가하고 교반기로 30분 동안 흔들어 완전히 섞었다. 약 30분간 정치시켜 토양을 완전히 침전 시킨 후, pH meter(AZ- 85505, AZ Instrument, Japan)로 측정하였다.
이후에 분해액인 Ternarysolution (HNO3:H2SO4:HClO4=10:1:4) 20mL를 가하여 갈색연기가 나오지 않을 때까지 열판에가열하고 식혔다. 이 용액을 No.5 여과지(Ashless quantitative filter paper, Advantec, USA)로 여과한 후 증류수를 넣어 부피를 50 mL로 만들어 유도결합 플라즈마 발광광도계(ICP-OES, Optima 5300DV, USA)을 이용하여 정량하였다.
본 연구는 아연(Zn), 카드늄(Cd), 납(Pb)에 대한 자생 맥문동의 중금속 축적량과 토양 내 제거능을 평가함으로써, 녹색기술 식물재료로 이용가치를 높이고자 수행하였다. 중금속의 처리농도는 0, 100, 250, 500mg/kg 등 4가지 농도로 배합토와 혼합하여, 맥문동을 식재 한 후 7개월 동안 재배하여 식물체내 축적량과 토양 내 제거량의 차이를 분석하였다.
대상 데이터
2009년 2월에 지름 12 cm화분의 맥문동을 구입하여 1개월간 건국대학교 전공온실에서 순화시켰다.2009년 3월에 각각의 중금속 농도로 처리된 배합토에 맥문동을 식재하여, 9월까지 약 7개월간 생육실험을 진행하였다.
실험구는 가로 300 mm × 세로 200 mm × 높이 250mm의 폴리에틸렌 재질의 배수구가 없는 용기를 자체 제작하였다.
하지만 하단의 배수불량에 따른 습해피해를 고려하여, 인공지반식재 단면도를 참고로(Hammer,1992), 하부에 펄라이트 50 mm의 배수층을 조성해주었다. 중금속의 종류는 토양오염실태결과의 중금속 오염도를 기준(Ministry of Environment, 2007)으로 가장 높은 수치를 나타낸 아연(Zn)과 납(Pb), 그리고 인체의 피해정도가 가장 심한 카드늄(Cd)으로 선정하였다. 또한 중금속 농도는 우리나라 최고 중금속 측정량(Ministry of Environment, 2007)과 선행된 연구의 중금속 농도처리를 기준으로(Anthony 등, 2006), 0,100, 250, 500 mg/kg(이하; Control, 100, 250, 500)등 4가지 처리구로 구분하여 펄라이트 : 인공토(1 : 1)의 배합토에 농도별로 혼합하였다(Tabel 1).
이론/모형
건조 후 2 mm체로 쳐서 통과된 고운 흙을 폴리에틸렌 재질의 봉투에 넣어 암소에 보관하여 분석용 시료로 사용하였다. 토양의 조제와 화학성분 및 중금속 함량분석은 토양오염공정시험방법(Ministry of Environment, 2002)에 준하여 토양 10 g을 1N-NH4OH(pH 7) 50 mL에 넣은 후 항온수평진탕기(100 회/분, 진폭 10 cm)를 사용하여 30℃를 유지하면서 1시간 진탕한 다음 No.5 여과지(Ashless quantitative filter paper, Advantec, USA)로 여과한 후, 유도결합 플라즈마 발광광도계(ICP-OES, Optima 5300DV, USA)로 분석하였다.
성능/효과
8 mg/kg로 지상부에 비해 지하부의 축적량이 높았다. 각 처리구별 아연의 축적은 대조구에 비하여 Zn100에서는 2.14배, Zn250은 2.38배, Zn500 5.1배의 차이로 보였으며, 처리한 아연 농도가 높을수록 지하부의 아연 축적량 또한 높아졌다. 또한 측정된 중금속 함량을 기준으로 볼 때, 아연 축적은 주로 지상부보다는 지하부에서 이루어지는 것으로 조사되었다(Fig.
따라서 맥문동을 식재한 토양 내 카드늄과 아연, 납은 처리 농도가 높을수록 대조구에 비해 축척량 및 제거능이 높아 중금속 내성식물(metallophyte)종으로 활용이 가능하고, 특히 식물체내 카드늄의 축적량을 고려할 때 고축적 식물로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 한편, 본 연구에서는 맥문동은 지상부보다 지하부 축적이 두드러졌으나 단기간에 수행한 연구결과이므로, 고농도 중금속 오염지에 대한 장기적인 중금속차단, 고정효과에 관한 연구가 필요하다.
지상부와 지하부의 축적량을 비교해볼 때, 지하부가 지상부의 약 3배정도 더 축적됨을 확인할 수 있었다. 또한 맥문동의 식물체 내 카드늄 축적량은 아연(Zn)과 비교해 볼 때, 매우 높은 축척량을 보였다(Fig. 2). 일반적으로 식물체 내 중금속 농도는 지상부보다 지하부에서 10배 정도 높다고 볼 때(Chaney 등, 1997), 맥문동의 지상부 축적량은 매우 뛰어나다고 판단된다.
6). 또한 카드늄에 비해 처리농도가 높을지라도 둔화되지 않고 확연하게 제거됨을 볼 수 있었다.
맥문동 식재 전 토양 pH 초기값은 대조구에 비해 카드늄(Cd) 처리에서는 낮은 반면, 납(Pb) 처리에서는 약간 높았다. 아연(Zn) 처리에서도 대조구와 비슷한 토양 pH를 보였다.
한편, 맥문동 식재 후 토양 pH의 최종값은 초기값에 비해 전반적으로 낮아지는 경향을 보였다. 대조구의 경우 초기값이 pH 6.
맥문동의 납 축적량을 분석한 결과, 처리된 납의 농도가 높을수록 식물체내 축적량 또한 증가되었다. 지상부의 경우, Pb100, Pb250, Pb500처리구에서 각각 1.
맥문동의 아연 축적량을 분석한 결과, Zn100 < Zn250 < Zn500 순으로 아연 농도가 높을수록 증가하였고, 특히 Zn500처리구에서 가장 높았다.
맥문동의 아연 축적량을 분석한 결과, 처리된 아연농도가 높을수록 증가하였고, 지하부가 지상부보다상대적으로 높았다. 카드늄 또한 처리농도가 높을수록 축적량이 증가되나 고농도로 갈수록 증가세가 둔화되었으며, 지하부가 지상부의 약 3배정도 더 축적됨으로써, 다른 식물보다 지상부의 축적량이 뛰어났다.
4, 649, 1,036배 증가한 것으로 카드늄 처리농도가 높아질수록 증가되어 지상부와 유사한 경향을 나타냈다. 지상부와 지하부의 축적량을 비교해볼 때, 지하부가 지상부의 약 3배정도 더 축적됨을 확인할 수 있었다. 또한 맥문동의 식물체 내 카드늄 축적량은 아연(Zn)과 비교해 볼 때, 매우 높은 축척량을 보였다(Fig.
맥문동의 아연 축적량을 분석한 결과, 처리된 아연농도가 높을수록 증가하였고, 지하부가 지상부보다상대적으로 높았다. 카드늄 또한 처리농도가 높을수록 축적량이 증가되나 고농도로 갈수록 증가세가 둔화되었으며, 지하부가 지상부의 약 3배정도 더 축적됨으로써, 다른 식물보다 지상부의 축적량이 뛰어났다. 또한 맥문동의 식물체 내 카드늄은 아연 축적량과 비교해 볼 때, 매우 높은 값을 나타냈다.
5). 카드늄의 처리 농도가 높아질수록 토양 내 제거량이 저하되는 것을 확인할 수 있었으며, 고농도 처리일수록 감소세가 둔화되었다. 아연에 비해 카드늄의 제거량이 높았던 이유는 토양 내에서 양이온의 형태로 존재하는 카드늄이 다른 중금속에 비해 비교적 흡수가 용이해(Hong 등, 2013), 식물체로의 이행성이 높았기 때문인 것으로(Jung 등, 2004) 해석된다.
82로 다소 저하되었다. 특히, 카드늄 Cd100처리구에서 토양 pH 5.81로 가장 높은 값을, Pb100처리구에서 토양 pH 5.15로 가장 낮은 값을 보였다(Table 2). 토양 pH 최종값은 농촌진흥청의 원예용 상토 보증범위(National Institute of Agricultural Science and Technology, 2007)인 pH 5.
35 mg/kg으로 약 1/15로 줄어들었다. 한편, Pb500처리구에서는 초기값이 224.755에서 최종값이 9.45mg/kg로 감소하여 약 1/24로 저감됨으로써 납 처리농도가 높을수록 제거량 또한 비례하는 경향을 보였다(Fig. 6). 또한 카드늄에 비해 처리농도가 높을지라도 둔화되지 않고 확연하게 제거됨을 볼 수 있었다.
한편, 맥문동 식재 후 토양 pH의 최종값은 초기값에 비해 전반적으로 낮아지는 경향을 보였다. 대조구의 경우 초기값이 pH 6.
후속연구
따라서, 추후 카드늄 오염이 심각한 토양에 대한 Phytoremediation 적용시 맥문동은 환경정화 녹색식물로써 가치가 높을 것으로 판단된다.
한편, 본 연구에서는 맥문동은 지상부보다 지하부 축적이 두드러졌으나 단기간에 수행한 연구결과이므로, 고농도 중금속 오염지에 대한 장기적인 중금속차단, 고정효과에 관한 연구가 필요하다. 또한 자생 맥문동의 중금속 내성정도에 대한 검증과 실질적인 현장적용성을 높이기 위해서는 자연환경조건에서의 실증연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
Park(2007)은 납에 노출된 토양에서 애기장대는 토양 내 납의 농도가 증가함에 따라 축적된 납의 함량이 증가한다고 하였다. 한편, Ju 등(2011)은 벌개미취의 납 축적능은 토양 내 농도보다는 토성이 큰 영향을 미친다고 하여, 이에 대한 추가적인 연구가 보완되어야 할 것이다.
따라서 맥문동을 식재한 토양 내 카드늄과 아연, 납은 처리 농도가 높을수록 대조구에 비해 축척량 및 제거능이 높아 중금속 내성식물(metallophyte)종으로 활용이 가능하고, 특히 식물체내 카드늄의 축적량을 고려할 때 고축적 식물로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 한편, 본 연구에서는 맥문동은 지상부보다 지하부 축적이 두드러졌으나 단기간에 수행한 연구결과이므로, 고농도 중금속 오염지에 대한 장기적인 중금속차단, 고정효과에 관한 연구가 필요하다. 또한 자생 맥문동의 중금속 내성정도에 대한 검증과 실질적인 현장적용성을 높이기 위해서는 자연환경조건에서의 실증연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양이란 무엇인가?
토양은 공기, 물과 더불어 생명체의 생존기반이라는 절대적인 기능을 가지고 있는 생태계의 중요 구성요소이다. 토양권은 대기권 및 수권과 함께 지구의 3대 구성요소이며, 분해자인 미생물의 서식밀도가 가장 높아 환경용량 또한 가장 크다.
토양오염이란 무엇인가?
토양오염이란 토양 내에서 난분해성물질이나 지구상의 생물체에 유해한 물질이 축적되는 것을 말하는데, 이러한 토양의 오염원으로는 산업폐수에서 유발되는 중금속과 강산 및 강알칼리성 물질, 농약과 비료에서 유발되는 난분해성 물질 그리고 생활하수에서 기인하는 질산 및 인산염 물질 등이 있다. 또한, 대기로 방출된 대기 오염원인 황 및 질소 산화물 등이 강우로 인하여 토양에 침적되어 오염원으로 작용하기도 한다.
토양에 있는 극미량의 중금속은 어떤 악영향을 미치고 있는가?
토양에는 극미량의 중금속이 자연적 원인에 의해 포함되어 있으나 인체에 유해한 정도는 아니다. 하지만, 다양한 광산개발, 산업 활동, 사고 등으로 인하여중금속들이 토양 및 수계로 다량 유출되면서 생태계에 악영향을 미치고 있다. 뿐만 아니라 토양의 중금속오염은 산업체, 제련소, 대기로부터의 침착물, 농약, 폐기물 등으로부터 유래된다고 알려져 있다.
참고문헌 (18)
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