[논문]중금속(카드늄, 납, 아연)처리에 따른 자생 비비추(Hosta longipes)의 형태적 반응

강광철; 주진희

doi:10.5322/jesi.2015.24.12.1583

[국내논문] 중금속(카드늄, 납, 아연)처리에 따른 자생 비비추(Hosta longipes)의 형태적 반응
Morphological Responses of Korean Native Plant Hosta longipes to Heavy Metals Cd, Pb, and Zn 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.24 no.12, 2015년, pp.1583 - 1590

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study was to examine the morphological responses of Hosta longipes, an ornamental plants for heavy metal contaminated soils in urban landscaping, to heavy metals Cd, Pb, and Zn. Plants were grown in artificial soil amended with Cd, Pb, and Zn at concentation of 0, 100, 250, and 500 mg/kg. Plant height, leaf length, leaf width, total leaf number, deaf leaf number, new leaf number, chlorophyll contents, and ornamental value were monitored from May to August. At 4 months after planting, the survival and morphological responses of H. longipes grown in soil amended with Cd at concentrations ${\geq}100mg/kg$ were severely affected compared to those grown in the control soil. Relative leaf length rate and relative leaf width rate were significantly decreased when the concentration of Pb was increased. Total leaf number, chlorophyll contents, and ornamental value were the lowest value in plants grown in soil amended with Pb at level of 500 mg/kg. Relative leaf length rate and relative leaf width rate, total leaf number, dead leaf number, new leaf number, and ornamental values had a tendency of decrease when plants were grown in soils amended with Zn. However, no significant difference was found among treatments except for plants were grown in soils amended with 500 mg/kg Zn. Therefore, Hosta longipes might be useful for phytoremediation of Zn contaminated sites as herbaceous ornamental plants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 3가지 중금속(카드늄, 납, 아연) 농도처리에 따른 자생 비비추의 형태적인 변화를 살펴보고, 식물 정화기술용 관상식물로서의 실효성을 높이고자 수행하였다.
본 연구는 도시 내 중금속 오염지에 대한 식물정화기술을 도입하기 위해 중금속 농도차이에 따른 자생 비비추의 형태적 반응을 살펴본 결과이다. 이는 기존의 양지식물 또는 식용식물을 위주로 탐색을 한 접근방법과는 다르게 관상식물의 적용을 목적으로 수행되었다.
본 연구는 도시 내 중금속 오염지에 대한 식물정화기술을 도입하기 위해 중금속 농도차이에 따른 자생 비비추의 형태적 반응을 살펴본 결과이다. 이는 기존의 양지식물 또는 식용식물을 위주로 탐색을 한 접근방법과는 다르게 관상식물의 적용을 목적으로 수행되었다. 카드늄의 경우, 비록 현실적인 수준보다 높은 농도에서 평가되었으나, 비비추의 관상가치적 관점에서 형태적 변화를 파악함으로써 현장적용의 기반 연구로서 큰 의미를 갖는다고 하겠다.
하지만, 비비추를 도시 내 지피식물로 식재한다고 볼 때, 중금속 종류와 농도에 따른 제거능 뿐 아니라 관상가치와 연관성이 있는 지상부의 형태적 반응을 살펴볼 필요가 있다고 본다. 이에 본 연구는 3가지 중금속(카드늄, 납, 아연)의 농도처리에 따른 자생 비비추의 형태 적인 반응을 분석함으로써, 도시 내 식물정화기술용 관상식물로서 실효성을 높이고자 한다.

제안 방법

각 중금속 종류 및 농도별로 배합토와 균일하게 혼합한 후 1주일간 상온에서 안정화시켰다. 각 실험구별로 10본의 비비추를 정식하여, 3반복으로 온실 내의 베드 (bed) 위에 완전임의 배치하였다.
비비추의 형태적 반응을 살펴보기 위해, 생육기 (active growth period)인 5월부터 8월까지 약 3개월 동안 엽장(leaf length), 엽폭(leaf width), 총엽수(total leaf number), 낙엽수(dead leaf number), 신엽수(new leaf number), 엽록소함량(chlorophyll contents), 관상 가치(ornamental value) 등을 1개월 간격으로 모니터링하였다. 비비추는 식물형태학적 특성상 잎이 짧고 굵은 뿌리줄기에서 근생하기 때문에(Chung and Chung, 1988), 줄기를 포함한 초장(plant height) 대신 엽장(leaf length)을 생육측정 항목으로 대체하였다.
실험 중 온실의 환경조건은 평균온도 22.0±4.0℃, 평균습도는 50±5.0%, 낮 동안의 평균 광도 150 200 μmol m-2s-1, 관수는 일주일에 500 ml씩 총 2회 실시하였다.
엽수, 낙엽수, 새순수는 단위 식물체 당 육안으로 조사하였다. 엽록소함량은 각 식물체별로 줄기 정단부로부터 아래로 완전히 전개된 엽을 휴대용 엽록소측정기(SPAD-502, Konica Minolata Sensing, Inc., Japan) 을 이용하여 중간엽에서 5반복 측정한 후 평균값을 냈다. 관상가치는 외관적으로 보이는 생육상태를 기준으로 1-5점 스케일로 평가하였다(Nagase and Dunnett, 2010).
이에 엽장은 중간엽의 길이를, 엽폭은 그 잎의 폭을 측정하여 평균값을 냈다. 엽수, 낙엽수, 새순수는 단위 식물체 당 육안으로 조사하였다. 엽록소함량은 각 식물체별로 줄기 정단부로부터 아래로 완전히 전개된 엽을 휴대용 엽록소측정기(SPAD-502, Konica Minolata Sensing, Inc.
, 2006), 0, 100, 250, 500 mg/kg(이하; Control, 100, 250, 500)로 처리하였다. 이에 중금속 3종류, 농도처리 4가지로서 총 12가지 실험구를 조성하였다.
, 2014), 납(Pb)과 아연(Zn), 그리고 카드뮴(Cd)으로 선정하였다. 중금속 농도 수준은 우리나라 아연에 대한 최고 중금속 측정량(Ministry of Environment, 2009)과 기존 연구의 중금속 농도처리를 기준으로(Anthony et al., 2006), 0, 100, 250, 500 mg/kg(이하; Control, 100, 250, 500)로 처리하였다. 이에 중금속 3종류, 농도처리 4가지로서 총 12가지 실험구를 조성하였다.

대상 데이터

실험구는 가로 300 mm × 세로 200 mm × 높이 250 mm의 폴리에틸렌 재질의 배수구가 없는 용기를 자체 제작하였다.
중금속의 종류는 최근 미세먼지로 인해 토양 내 농도가 증가하고 있는(Lin et al., 2014), 납(Pb)과 아연(Zn), 그리고 카드뮴(Cd)으로 선정하였다. 중금속 농도 수준은 우리나라 아연에 대한 최고 중금속 측정량(Ministry of Environment, 2009)과 기존 연구의 중금속 농도처리를 기준으로(Anthony et al.
지름 12 cm화분의 비비추를 농장에서 구입한 후 1개월간 차광막 2겹이 설치된 온실에서 순화시켰다. 실험 중 온실의 환경조건은 평균온도 22.

데이터처리

엽수, 낙엽수, 새순수, 엽록소함량, 관상 가치 등의 최종 측정값에 대한 통계적 분석은 SPSS Ver. 20.0(SPSS Inc., USA)를 이용하여 p 0.05 유의수준에서 Duncan’s multiple range test(DMRT)로 평균간 유의성을 검증하였다.

성능/효과

4개로 약 2배 정도의 차이를 보였다. 낙엽수와 신 엽수는 서로 상반된 현상을 보였으며, 수치적인 차이가 있을 뿐, 통계적 유의성은 없었다. 엽록소함량은 Control, Pb₁₀₀, Pb₂₅₀, Pb₅₀₀ 처리구가 각각 48.
납 처리구에서 비비추의 엽장과 엽폭의 상대성장률은 Control > Pb100 > Pb250 > Pb500 순으로 감소하였으며, 특히, Pb500에서 총엽수, 엽록소함량, 관상가치 등이 다른 처리구보다 가장 낮은 값을 보였다.
납의 농도처리에 따른 엽장의 상대성장률은 대조구를 제외한 나머지 처리구간의 뚜렷한 차이를 보이기 어려웠으나, 7월에는 Control, Pb₁₀₀, Pb₂₅₀, Pb₅₀₀ 처리구가 각각 26%, 24%, 20%, 13%로 납의 처리농도가 높을수록 감소되는 현상이 비교적 뚜렷했다. 엽폭의 상대성장률도 엽장과 마찬가지로 Control > Pb₁₀₀ > Pb₂₅₀ > Pb₅₀₀ 순으로 감소하였다.
반면, 아연 처리구에서 비비추의 엽장과 엽폭의 상대성장률, 총엽수, 신엽수, 낙엽수, 엽록소함량, 관상가치 등은 처리농도가 높을수록 감소되었으나, Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고, 다른 처리구간에 통계적 유의성은 없었다. 따라서, 비비추는 아연 500 mg/kg 이하의 농도에서 형태적 변화 및 생존에 치명적인 영향을 준 반면, 아연 500 mg/kg이하의 농도에서 형태적 변화에 최소한의 부정적 영향을 주기 때문에 아연 오염지에 대한 식물정화기술용 관상식물로서 적용이 가능할 것으로 본다.
납 처리구에서 비비추의 엽장과 엽폭의 상대성장률은 Control > Pb₁₀₀ > Pb₂₅₀ > Pb₅₀₀ 순으로 감소하였으며, 특히, Pb₅₀₀에서 총엽수, 엽록소함량, 관상가치 등이 다른 처리구보다 가장 낮은 값을 보였다. 반면, 아연 처리구에서 비비추의 엽장과 엽폭의 상대성장률, 총엽수, 신엽수, 낙엽수, 엽록소함량, 관상가치 등은 처리농도가 높을수록 감소되었으나, Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고, 다른 처리구간에 통계적 유의성은 없었다. 따라서, 비비추는 아연 500 mg/kg 이하의 농도에서 형태적 변화 및 생존에 치명적인 영향을 준 반면, 아연 500 mg/kg이하의 농도에서 형태적 변화에 최소한의 부정적 영향을 주기 때문에 아연 오염지에 대한 식물정화기술용 관상식물로서 적용이 가능할 것으로 본다.
낙엽수는 증가 하는 경향을 보였으나, 대조구 식물체와 유의적인 차이를 보이지 않았다. 반면, 엽록소함량은 Control, Zn₁₀₀, Zn₂₅₀, Zn₅₀₀ 처리구에서 각각 47.0, 46.4, 38.8, 37.0 SPAD unit로, Control에서 가장 높은 값을, Zn₅₀₀에서 가장 낮은 값을 보였다. 관상가치는 Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고, Control, Zn₁₀₀, Zn₂₅₀ 처리 간에 뚜렷한 차이를 발견하기는 어려웠다(Table 3).
관상가치는 Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고, Control, Zn₁₀₀, Zn₂₅₀ 처리 간에 뚜렷한 차이를 발견하기는 어려웠다(Table 3). 비비추의 엽장은 농도가 높을수록 상대성장률의 차이가 있을 뿐, 성장세가 급감 하지 않았으며, 엽폭의 경우에도 Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고 꾸준히 증가하는 경향을 보였다. 총엽수, 신엽수, 낙엽수 또한 수치적으로 감소했을 뿐, 농도에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았고, 관상가치 또한 Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고, 처리별 유의적인 차이가 없었다.
엽록소함량은 Control, Pb100, Pb250, Pb500 처리구가 각각 48.0, 47.0, 46.1, 34.1 SPAD unit로, 납 처리농도가 높을수록 감소양상이 비교적 뚜렷하였으며, 특히, Pb500 처리구에서 급감함을 알 수 있었다.
비비추의 엽장은 농도가 높을수록 상대성장률의 차이가 있을 뿐, 성장세가 급감 하지 않았으며, 엽폭의 경우에도 Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고 꾸준히 증가하는 경향을 보였다. 총엽수, 신엽수, 낙엽수 또한 수치적으로 감소했을 뿐, 농도에 따른 유의적인 차이를 보이지 않았고, 관상가치 또한 Zn₅₀₀ 처리구를 제외하고, 처리별 유의적인 차이가 없었다. 일반적으로 가시적인 아연 독성 반응이 나타나는 농도범위는 100~300 mg/kg 라고 볼 때(Malecka et al.
1). 총엽수, 신엽수, 낙엽수, 엽록소함량, 관상가치 등의 항목에서도 엽장과 엽폭의 상대변화율과 같은 현상을 보였다(Table 1). 이러한 결과는 카드늄(Cd) 처리농도가 높아짐에 따라 비비추 식물체 내 축적 및 토양으로의 이행지수가 높아지기 때문에(Ju and Yoon, 2013), 비비추 형태적 변화에 직접적인 영향을 미친 것으로 해석된다.
총엽수와 신엽수는 처리농도가 높아질수록 감소하였으며 특히, 총엽수는 Control에서 12.2개, Pb₅₀₀ 처리구에서 5.4개로 약 2배 정도의 차이를 보였다. 낙엽수와 신 엽수는 서로 상반된 현상을 보였으며, 수치적인 차이가 있을 뿐, 통계적 유의성은 없었다.
엽폭의 상대성장률도 엽장과 마찬가지로 Control > Pb₁₀₀ > Pb₂₅₀ > Pb₅₀₀ 순으로 감소하였다. 특히, 엽폭은 Pb₅₀₀에서는 상대성장률은 2%로, Control이 20%인데 비해 약 1/10로 감소되었다(Fig. 2). 중금속 처리농도가 높을수록 식용피(Echinochloa crus-galli var.

후속연구

카드늄의 경우, 비록 현실적인 수준보다 높은 농도에서 평가되었으나, 비비추의 관상가치적 관점에서 형태적 변화를 파악함으로써 현장적용의 기반 연구로서 큰 의미를 갖는다고 하겠다. 반면, 중금속에 대한 내성은 중금속에 따른 금속 특이성 그리고 서로 다른 생태적 조건에 따라 달라질 수 있다는 개연성을 가질 수 있으므로, 현장에서의 내성여부에 대한 연구가 병행되어야 할 것이다.
본 실험은 이러한 기준을 초과하는 농도를 적용했기 때문에, 카드늄 100 mg/kg 이하의 농도에서 형태적 반응을 세밀하게 파악하기 어려웠다. 추후 이보다 낮은 농도를 세밀하게 적용함으로써, 좀 더 실질적인 외형적 반응을 살펴볼 필요가 있다고 본다.
, 2011), 주로 양지식물에 집중된 것이 사실이다. 특히, 반환미군기지의 중금속 중에는 아연(Zn), 납(Pb), 구리(Cu), 니켈(Ni), 카드늄(Cd) 등이 우려기준을 초과한 것으로 나타나(Oh, 2013), 향후 기지 내 각종 오염개연성이 있는 시설물과 주변 토양에 대한 장기적인 대책으로서 다양한 식물의 선정 및 활성화가 요구된다.
관상가치는 Pb₅₀₀을 제외하고, 대조구와 다른 처리구간에 통계적 차이를 보이지 않았다(Table 2). 하지만, 납은 만성독성으로 나타내기 때문에(Lee and Bae, 2014), 좀 더 장기적인 관찰이 필요한 것으로 본다. 납은 토양 내 불용성으로 존재하여 식물에 축적되지 않거나 뿌리에 흡수되어도 지상부로의 이행이 되지 않는 중금속으로 농도, 형태, 토양에서의 비율, 식물의 종류에 따라 다른 영향력을 보인다(Malecka et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비비추의 분포지역은?	) Matsum.) 는 넓은 잎을 가진 백합과 다년생 식물로, 주로 중국, 한국, 일본 등과 같은 동아시아의 온대와 아열대지방에 분포한다(Grenfell, 1996). 비비추는 반그늘 또는 직사광선에서도 잘 자라며, 다양한 품종이 개발되어 있어 조경및 정원용 지피식물로 인기가 매우 높다(Zhang et al.
	식물정화기술을 사용할 때 선택하는 식물의 기준은 무엇인가?	식물정화기술(phytoremediation)이란 식물을 이용해 오염물질을 제거 안정화 무독화하는 녹색기술로서, 다른 기술에 비해 저렴할 뿐 아니라 비침습성으로 상호보완적이며 환경친화적인 정화법으로 알려져 있다 (Prabhat, 2008). 이러한 기술에 있어 식물의 선택기준은 크게 두 가지로, 첫째는 토양 내에 있는 오염물질을 제거할 수 있는 식물이어야 하며, 둘째로 식재되는 식물이 비록 오염된 토양에서 자랄지라도, 외관적으로 아름 다운 관상식물(ornamental plants)이어야 한다는 것이다 (Gladkov et al., 2011).
	식물정화기술이란 무엇인가?	식물정화기술(phytoremediation)이란 식물을 이용해 오염물질을 제거 안정화 무독화하는 녹색기술로서, 다른 기술에 비해 저렴할 뿐 아니라 비침습성으로 상호보완적이며 환경친화적인 정화법으로 알려져 있다 (Prabhat, 2008). 이러한 기술에 있어 식물의 선택기준은 크게 두 가지로, 첫째는 토양 내에 있는 오염물질을 제거할 수 있는 식물이어야 하며, 둘째로 식재되는 식물이 비록 오염된 토양에서 자랄지라도, 외관적으로 아름 다운 관상식물(ornamental plants)이어야 한다는 것이다 (Gladkov et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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