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문제 정의
- 이에 농업 및 산업분야에서 널리 사용되고 있고 그 오염정도가 심각한 것으로 알려진 대표적인 As(III)인 Sodium arsenate (Na2HAsO4·7H2O)와 Calcium arsenate (NaAsO2) 및 As(V)인 Sodium arsenite (NaAsO2)와 Potassium arsenite (K2HAsO4) 등 4종을 0, 500mg·kg-1 수준으로 오염시킨 토양에서 봉의꼬리의 생육 및 비소 축적능을 분석하여 비소 오염원의 종류에 따른 봉의꼬리의 식물상 정화기법에 적용 가능성을 분석하기 위해 수행하였다.
제안 방법
- 5 m에서 2일 1회 20분씩 관수하였으며, 관수로 인한 토양 내 비소 유실량을 확인하기 위해 모든 처리에 봉의꼬리 무식재구를 두었다. 2012년 8월 11일부터 2012년 11월 4일까지 12주간 재배하여, 비소의 종류 및 농도에 따른 봉의꼬리의 생육 및 비소 축적능을 분석하였다.
- 모든 처리는 5개의 화분을 1반복으로 하여, 70% 차광을 씌운 무가온 비닐하우스에 완전임의배치 3반복으로 배치하였다. 관수는 미스트 장치를 이용하여 지상 1.5 m에서 2일 1회 20분씩 관수하였으며, 관수로 인한 토양 내 비소 유실량을 확인하기 위해 모든 처리에 봉의꼬리 무식재구를 두었다. 2012년 8월 11일부터 2012년 11월 4일까지 12주간 재배하여, 비소의 종류 및 농도에 따른 봉의꼬리의 생육 및 비소 축적능을 분석하였다.
- 대표적인 As(III)인 Na2HAsO4·7H2O와 Ca3(AsO4)2, As(V)인 NaAsO2와 K2HAsO4를 500 ㎎·kg-1의 농도로 오염시킨 토양에 봉의꼬리를 식재하여 4주 간격으로 토양의 비소 변화량을 분석하였다.
- 전처리한 토양 및 식물의 시료는 유도결합플라즈마분광도계 (Perkin Elmer Optima 5300DV ICP-AES, Perkine Elmer)를 이용하여 유도결합플라스마-원자발광분광법(환경부, 2012)으로 비소(As)의 함량을 측정하였다. 또한 식물에 축적된 중금속이 지하부에서 지상부로 이동되는 이동계수(Translocation ratio, TR)와 생물축적계수(Bioaccumulation factor, BF)는 아래의 식을 이용해 분석하였다.
- 비소의 종류를 달리하여 혼합된 토양을 110 ㎜ 크기의 플라스틱 화분에 담은 후 봉의꼬리를 화분 당 1개씩 정식하였다. 모든 처리는 5개의 화분을 1반복으로 하여, 70% 차광을 씌운 무가온 비닐하우스에 완전임의배치 3반복으로 배치하였다. 관수는 미스트 장치를 이용하여 지상 1.
- 비소 종류별 실험은 대표적인 As(III)인 Sodium arsenate (Na2HAsO4·7H2O)와 Calcium arsenate [Ca3(AsO4)2] 및 As(V)인 Sodium arsenite (NaAsO2)와 Potassium arsenite (K2HAsO4) 등의 4종류를 선정하여 0, 500 ㎎·kg-1의 농도로 처리하였다.
- 비소의 종류를 달리하여 혼합된 토양을 110 ㎜ 크기의 플라스틱 화분에 담은 후 봉의꼬리를 화분 당 1개씩 정식하였다. 모든 처리는 5개의 화분을 1반복으로 하여, 70% 차광을 씌운 무가온 비닐하우스에 완전임의배치 3반복으로 배치하였다.
- 비소의 종류에 따른 봉의꼬리의 생육 반응 및 비소 축적능을 분석하기 위해 sodium arsenate, calcium arsenate, sodium arsenite 및 potassium arsenite 등의 4종류를 선정하여 500 ㎎·kg-1의 농도로 토양에 처리하여 봉의꼬리를 12주간 재배하였다.
- 비소함량 분석을 위하여 봉의꼬리를 지상부와 지하부로 나누어 60℃의 건조기(Hanbaek Scientific Co., Korea)에서 72시간 건조시킨 다음 분쇄하여 습식분해법으로 전처리하였다. 토양은 음건하여 나무망치로 분쇄하여 0.
- 생육조사는 봉의꼬리를 4주 간격으로 초장, 초폭, 엽장, 엽폭, 엽수, SPAD, 근장, 지상부와 지하부의 생체중 및 건물중 등을 각 처리당 5주씩 3반복으로 조사하였다. 비소의 종류 및 농도에 따른 내성 평가지수(IT)는 Wilkins (1978)의 방법을 이용하여 실시하였다.
- 식물과 토양의 비소 함량은 3회 3반복으로 측정 하였으며, 식물의 생육은 처리당 5개체씩 3반복으로 조사하였다. 통계처리는 SAS version 9.
- 특히, 비소의 오염이 가장 심각한 것으로 알려진 Na2HAsO4·7H2O와 NaAsO2로 오염된 토양에서 4주의 단기간 재배만으로도 봉의꼬리의 지상부에 각 2,289.5, 2,261.4 ㎎·kg-1 DW의 매우 많은 비소를 축적하였다.
대상 데이터
- 본 실험에는 선행연구에서 비소 축적능이 우수한 것으로 밝혀진 봉의꼬리(Pteris multifida)를 소재로 사용하였다(Du et al., 2005; Oh, 2006; Wang et al., 2006, 2007; Wei et al., 2007; Ju, 2011; Kwon et al., 2013, 2014). 조직배양을 통해 번식하여, 충북 청주시 충북대학교 내의 무가온 비닐하우스에서 1년 동안 육묘한 다음 동일한 생육단계에 있는 것을 실험재료로 사용하였다(Table 1, 2).
- 실험에 사용한 토양은 원예용 상토(원조믹스, 농경)를 이용하였으며, 비소의 처리를 위해 토양수분이 미량이 되도록 풍건시켰다. 풍건이 완료된 토양은 3 kg씩 정량하여 비소를 처리하였다.
- , 2013, 2014). 조직배양을 통해 번식하여, 충북 청주시 충북대학교 내의 무가온 비닐하우스에서 1년 동안 육묘한 다음 동일한 생육단계에 있는 것을 실험재료로 사용하였다(Table 1, 2).
데이터처리
- Tukey-Kramer의 다중검정방법(Tukey’s multiple range test)을 이용하여 p<0.05 수준에서 처리구간의 유의성을 검정하였다.
- 식물과 토양의 비소 함량은 3회 3반복으로 측정 하였으며, 식물의 생육은 처리당 5개체씩 3반복으로 조사하였다. 통계처리는 SAS version 9.3 (SAS Institute Inc., Cary, NC USA)을 이용하여 평균과 표준오차를 구하였다. Tukey-Kramer의 다중검정방법(Tukey’s multiple range test)을 이용하여 p<0.
이론/모형
- 생육조사는 봉의꼬리를 4주 간격으로 초장, 초폭, 엽장, 엽폭, 엽수, SPAD, 근장, 지상부와 지하부의 생체중 및 건물중 등을 각 처리당 5주씩 3반복으로 조사하였다. 비소의 종류 및 농도에 따른 내성 평가지수(IT)는 Wilkins (1978)의 방법을 이용하여 실시하였다.
- 전처리한 토양 및 식물의 시료는 유도결합플라즈마분광도계 (Perkin Elmer Optima 5300DV ICP-AES, Perkine Elmer)를 이용하여 유도결합플라스마-원자발광분광법(환경부, 2012)으로 비소(As)의 함량을 측정하였다. 또한 식물에 축적된 중금속이 지하부에서 지상부로 이동되는 이동계수(Translocation ratio, TR)와 생물축적계수(Bioaccumulation factor, BF)는 아래의 식을 이용해 분석하였다.
- , Korea)에서 72시간 건조시킨 다음 분쇄하여 습식분해법으로 전처리하였다. 토양은 음건하여 나무망치로 분쇄하여 0.15 ㎜ (100 mesh)로 체 걸음 한 다음 시료를 각 200 g씩 취하여 사분법에 의해 균일하게 혼합하여 환경부의 토양오염공정시험법에 준하여 전처리하였다.
성능/효과
- K2HAsO4 처리구의 봉의꼬리는 재배 8주차에 0.66의 매우 우수한 이동계수를 보였으나, 12주차에 지하부의 축적능이 2,470.2 ㎎·kg-1 DW로 크게 증가하여 이동계수가 0.53으로 다소 감소하는 경향을 보였다.
- Sodium arsenate 처리구의 봉의꼬리 지상부는 4주의 단기간 재배만으로 2,289.5 ㎎·kg-1 DW의 높은 비소 축적능을 보였으며, 12주에는 비소 축적능이 2,956.0 ㎎·kg-1DW로 더욱 증가하였다.
- 의 농도로 토양에 처리하여 봉의꼬리를 12주간 재배하였다. 그 결과, calcium arsenate 처리구의 봉의꼬리 생육은 다소 감소하였으나, 나머지 비소 처리구에서는 무처리구에서 재배한 생육과 비슷하였다. Sodium arsenate 처리구의 봉의꼬리 지상부는 4주의 단기간 재배만으로 2,289.
- 그리고 K2HAsO4 처리구에서도 12주 차에 지상부의 비소 축적능이 2,752.4 ㎎·kg-1 DW로 매우 높았으며, 지하부 비소 축적능은 2,470.2 ㎎·kg-1 DW로 모든 처리 중에서 가장 우수하였다.
- 봉의꼬리 지상부의 비소 축적능은 비소의 종류에 관계없이 1,000 ㎎·kg-1 DW 이상으로 매우 우수하였다. 그리고 토양의 비소 제거량도 높았다. 따라서 봉의꼬리는 다양한 비소 오염 지역의 식물상 정화기법 소재로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
- 따라서, 봉의꼬리는 비소의 종류에 관계없이 비소 축적능이 1,000 ㎎·kg-1 DW 이상으로 매우 우수하며, 흡수한 비소의 지상부로의 전이가 매우 빠르고, BF 또한 1 이상으로 나타나 Watanabe (1997)가 정의하는 비소 고축적 식물로 판단된다.
- 또한 NaAsO2와K2HAsO4 처리구에서도 0∼4주에 각 180.8, 100.5 ㎎, 4∼8주에 92.9, 38.4 ㎎, 8∼12주에 52.3, 37.4 ㎎이 감소하여, 봉의꼬리를 이용한 토양정화 효과가 매우 높은 것으로 확인되었다.
- 특히 식물은 토양과 물로부터 금속과 유기화합물을 흡수하는데, 이 때 유기화합물은 적절한 수용성을 가져야 하는 것으로 알려져 있다(Suh, 2003). 본 연구에서 비소의 제거량이 가장 적었던 Ca3(AsO4)2 처리구는 물에 녹지 않고, 염산에 녹는 성질을 가지고 있어 다른 비소 처리구에 비해 비소 변화량이 다소 저조한 것으로 분석된다.
- 봉의꼬리 재배 4주차의 지상부 생체중은 Na2HAsO4·7H2O와 K2HAsO4 처리구에서는 무처리구와 비슷하였으나, NaAsO2와 Ca3(AsO4)2 처리구에서는 무처리구(1.9 g)에 비해 다소 적은 1.7, 1.8 g으로 조사되었다.
- 7 ㎎·kg-1 DW의 비소를 축적하였다. 봉의꼬리 지상부의 비소 축적능은 비소의 종류에 관계없이 1,000 ㎎·kg-1 DW 이상으로 매우 우수하였다. 그리고 토양의 비소 제거량도 높았다.
- 봉의꼬리는 본 연구에 사용한 모든 비소의 종류에서 0.5 이상의 이동계수를 보여, 종류에 관계없이 흡수한 비소의 지상부로의 전이가 매우 높았다(Table 7). K2HAsO4 처리구의 봉의꼬리는 재배 8주차에 0.
- 봉의꼬리는 비소의 종류에 관계없이 BF가 1 이상으로 매우 높았으며, 12주차에는 2.8∼3.8로 토양의 오염정도에 비해 매우 높은 비소 축적능을 보였다(Table 7).
- 봉의꼬리의 생체중 및 건물중은 비소 오염원의 종류에 관계없이 재배기간이 증가할수록 많아지는 경향을 보였다(Table 5). 봉의꼬리 재배 4주차의 지상부 생체중은 Na2HAsO4·7H2O와 K2HAsO4 처리구에서는 무처리구와 비슷하였으나, NaAsO2와 Ca3(AsO4)2 처리구에서는 무처리구(1.
- 비소 오염원을 달리하여 12주 동안 재배한 봉의꼬리 지상부의 건물중은 오염정도 및 범위가 가장 넓은 것으로 알려진 Na2HAsO4·7H2O와 NaAsO2 처리구에서 동일하게 2.0 g으로 유의하지는 않으나 무처리구에 비해 생산량이 더 많았다.
- 비소 오염원의 종류를 달리하여 500 ㎎·kg-1로 오염시킨 토양에서 재배한 봉의꼬리의 지상부 비소 축적능은 비소 종류에 관계없이 4주차에 1,400 ㎎·kg-1 DW이상, 12주차는 2,100 ㎎·kg-1DW 이상으로 매우 우수하였다(Table 6).
- 생육이 우수하였던 Na2HAsO4·7H2O와 NaAsO2, K2HAsO4 처리구의 봉의꼬리는 무처리구(100%) 대비 82.6∼191.3%의 내성을 보였으나, 생육이 저조했던 Ca3(AsO4)2 처리구는 재배 12주차에 내성 평가지수가 15.4%로 매우 낮았다.
- 비소의 종류에 따른 봉의꼬리의 내성은 비소의 종류와 재배 기간에 따라 다르게 나타났다(Table 4). 재배 초기인 4주차에는 무처리구에 비해 대체로 우수하였으나, 재배기간이 증가할수록 무처리구와 비슷해지는 경향을 보였다.
- 전반적으로 생육이 가장 우수하였던 Na2HAsO4·7H2O 처리 구는 내성평가에서도 다른 비소 처리구에 비해 내성이 높은 경향을 보였으며, 봉의꼬리의 생육과 내성 평가지수가 비례하는 경향이었다.
- 지상부의 생체중이 8주차까지 가장 무거웠던 Na2HAsO4·7H2O 처리구는 재배기간이 경과함에 따라 생체중의 증가량이 다소 감소한 반면, K2HAsO4 처리구는 재배기간이 증가할수록 증가하여 12주차에는 10.8 g으로 가장 많았다.
후속연구
- 그리고 토양의 비소 제거량도 높았다. 따라서 봉의꼬리는 다양한 비소 오염 지역의 식물상 정화기법 소재로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
- , 2002)를 통해 생육과 중금속 축적능을 향상시킨 것으로 알려져 있다. 따라서 봉의꼬리의 생육 및 비소 축적능 향상을 위한 토양개량제 연구를 통해 생육이 다소 저조했던 Ca3(AsO4)2 처리구를 비롯하여 다양한 비소 오염원에서의 봉의꼬리 생육 및 비소 축적능을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.
- 따라서 중독현상 및 발암물질로 위험한 As(III)인 Na2HAsO4·7H2O에 대한 봉의꼬리의 우수한 비소 축적능 및 토양 제거능은 식물정화기법의 소재로써 활용도가 매우 높을 것으로 기대된다.
- , 2007). 따라서 향후 토양의 미생물 활성화를 토해봉의꼬리의 비소 축적능을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대되는 다양한 황산염과 탄소원의 적용 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 0 g 증가하여 재배기간이 증가할수록 생장량도 많아졌다. 따라서, Ca3(AsO4)2로 오염된 토양에서의 봉의꼬리 생육도 장기간 재배하면 향상될 것으로 기대된다. 지하부의 생체중 또한 지상부와 비슷한 경향을 보였다.
- 식물의 중금속 과다장애는 생장량 및 수량을 감소시키고, 심할 경우 식물이 고사하는 것으로 알려져 있다(Jeon and Choi, 2006). 봉의꼬리는 Ca3(AsO4)2 처리구를 제외한 모든 종류의 비소 오염토양에서 양호한 생육을 보여, 다양한 종류의 비소 오염지역에 식물정화공법 소재로 적용이 가능할 것으로 생각된다.
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