The elimination of harmful heavy metals (Cd, Cr, and Pb) from sea lettuce Enteromorpha sp. was evaluated in filtered seawater over a pH range of 2.0-4.0 using citric, hydrochloric, and nitric acids. We also evaluated the quality of sea lettuce samples after release of their internal constituents int...
The elimination of harmful heavy metals (Cd, Cr, and Pb) from sea lettuce Enteromorpha sp. was evaluated in filtered seawater over a pH range of 2.0-4.0 using citric, hydrochloric, and nitric acids. We also evaluated the quality of sea lettuce samples after release of their internal constituents into seawater solutions containing acids. The heavy metals that accumulated in raw sea lettuce after incubation for 3 days in seawater containing Cd, Cr, and Pb were, in descending order, Pb ($120.45{\mu}g/g$), Cr ($86.04{\mu}g/g$), and Cd ($18.35{\mu}g/g$). The rate of elimination of heavy metals from sea lettuce was higher at lower pH for all of the acids used. However, the color of the sea lettuce changed adversely at below pH 2.5. The heavy metals in sea lettuce samples after 10 min in seawater at pH 3.0 containing the three acids were eliminated in the order Pb (42.2-78.0%), Cd (51.8-55.3%), and Cr (14.0-32.8%). The quality of the sea lettuce was not affected when it was incubated for 30 min at pH above 3.0. The maximum elimination of heavy metals from sea lettuce occurred when it was soaked for 10 min in seawater at pH 3.0 containing citric acid.
The elimination of harmful heavy metals (Cd, Cr, and Pb) from sea lettuce Enteromorpha sp. was evaluated in filtered seawater over a pH range of 2.0-4.0 using citric, hydrochloric, and nitric acids. We also evaluated the quality of sea lettuce samples after release of their internal constituents into seawater solutions containing acids. The heavy metals that accumulated in raw sea lettuce after incubation for 3 days in seawater containing Cd, Cr, and Pb were, in descending order, Pb ($120.45{\mu}g/g$), Cr ($86.04{\mu}g/g$), and Cd ($18.35{\mu}g/g$). The rate of elimination of heavy metals from sea lettuce was higher at lower pH for all of the acids used. However, the color of the sea lettuce changed adversely at below pH 2.5. The heavy metals in sea lettuce samples after 10 min in seawater at pH 3.0 containing the three acids were eliminated in the order Pb (42.2-78.0%), Cd (51.8-55.3%), and Cr (14.0-32.8%). The quality of the sea lettuce was not affected when it was incubated for 30 min at pH above 3.0. The maximum elimination of heavy metals from sea lettuce occurred when it was soaked for 10 min in seawater at pH 3.0 containing citric acid.
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문제 정의
본 연구에서는 우리나라에서 소비자들이 많이 섭취하는 파래의 안전성을 확보하기 위하여 파래에 함유된 유해 중금속(Cd, Cr, Pb)을 효과적으로 제거하고 자 하였다. 이를 위하여 파래에 인위적으로 유해 중금속을 축적시켰으며, 이들 유해 중금속의 제거를 위하여 질산, 염산 및 구연산 등의 산을 이용한 최적 제거 조건을 검토하였다.
제안 방법
또한, 유해 중금속을 인위적으로 농축시킨 파래 시료는 조체에 부착한 중금속을 제거하기 위하여 충분한 양의 여과해수로 세정한 후 탈수하였다. 그리고 탈수한 파래 시료는 구연산(citric acid), 염산(hydrochloric acid), 질산(nitric acid)을 첨가하여 pH를 2.0, 2.5, 3.0 및 4.0으로 조정한 해수에 넣고 처리시간에 따른 중금속의 제거효율과 품질변화를 측정하였다. 이때, 파래의 품질변화 지표로서는 세포 내부 물질의 용출 정도를 측정하기 위하여 산 처리액의 흡광도를 265 nm에서 측정하였다.
이때, 파래는 해수에 1:30 (w/v)비율로 첨가하였으며, 동일한 중금속을 함유한 해수를 1일 1회 환수하였다. 또한, 유해 중금속을 인위적으로 농축시킨 파래 시료는 조체에 부착한 중금속을 제거하기 위하여 충분한 양의 여과해수로 세정한 후 탈수하였다. 그리고 탈수한 파래 시료는 구연산(citric acid), 염산(hydrochloric acid), 질산(nitric acid)을 첨가하여 pH를 2.
5에 나타내었다. 예비 시험에서 산을 첨가한 해수 용액에 파래를 침지시키면 용액 중으로 미량 물질들의 용출이 추정되었으며, 처리액의 파장을 검색한 결과 265 nm에서 가장 높은 흡광도 값을 나타내어 이를 지표로 선정하였다. 파래 세포 내부 물질의 유출을 나타내는 처리액의 흡광도 값은 산의 종류에 관계없이 유사한 경향을 보였으며, pH2.
유해 중금속 농축을 위하여 중금속을 각각 0.5 μg/mL 농도가되도록 첨가한 여과해수(pH 8.2)에 탈수한 파래 시료를 넣고, 온도 10±2℃, 조도 550±10 lx에서 정치 배양하면서 중금속을 인위적으로 농축시켰다.
유해 중금속이 파래의 세포 내로 농축되어 있는지 아니면 조체 외부에 부착되어 있는 지를 알아보기 위하여 3일간 유해 중금속을 농축시킨 파래 시료를 여과 해수에 30분 및 금속 킬레이트제인 0.1 mM EDTA 용액에 10분간 침지시킨 것의 중금속 농도를 비교하였다(Table 1). 파래 시료는 Cd (12.
2)에 탈수한 파래 시료를 넣고, 온도 10±2℃, 조도 550±10 lx에서 정치 배양하면서 중금속을 인위적으로 농축시켰다. 이때, 파래는 해수에 1:30 (w/v)비율로 첨가하였으며, 동일한 중금속을 함유한 해수를 1일 1회 환수하였다. 또한, 유해 중금속을 인위적으로 농축시킨 파래 시료는 조체에 부착한 중금속을 제거하기 위하여 충분한 양의 여과해수로 세정한 후 탈수하였다.
본 연구에서는 우리나라에서 소비자들이 많이 섭취하는 파래의 안전성을 확보하기 위하여 파래에 함유된 유해 중금속(Cd, Cr, Pb)을 효과적으로 제거하고 자 하였다. 이를 위하여 파래에 인위적으로 유해 중금속을 축적시켰으며, 이들 유해 중금속의 제거를 위하여 질산, 염산 및 구연산 등의 산을 이용한 최적 제거 조건을 검토하였다.
중금속 및 미네랄 함량은 유도결합플라즈마 질량분석기(ICPMS, Perkin Elan DRC II, Waltham, MA, USA)로 분석하였으며, working 표준용액은 1,000 mg/kg의 표준용액(Merck,Darmstadt, Germany)을 희석하여 사용하였다. 유해 중금속(Cd, Cr, Pb)의 회수율은 표준인정물질인(Certified ReferenceMaterial)인 Dorm-3 (National Research Council, Nova Scotia,Canada)를 사용하여 측정하였으며, 회수율은 92.
파래 시료에 유해 중금속(Cd, Cr, Pb)을 인위적으로 농축시킨 후 파래 중에 농축된 중금속을 산을 이용하여 제거시켰다. 즉, 유해 중금속의 농축 정도를 측정하였으며, 산의 종류 및 첨가량에 따른 제거 효과 정도를 검토하여 최적 산처리 조건을 검토하였다.
파래 시료에 유해 중금속(Cd, Cr, Pb)을 인위적으로 농축시킨 후 파래 중에 농축된 중금속을 산을 이용하여 제거시켰다. 즉, 유해 중금속의 농축 정도를 측정하였으며, 산의 종류 및 첨가량에 따른 제거 효과 정도를 검토하여 최적 산처리 조건을 검토하였다.
파래 중의 유해 중금속 및 미네랄 함량 분석을 위한 시료의 전처리는 식품공전(KMFDS, 2016)에 언급된 습식분해법을 일부 변경하여 사용하였다. 즉, 파래 시료를 초순수로 가볍게 씻어 동결건조기(FDU-2100, EYELA, Tokyo, Japan)로 건조한 후 분쇄하여 사용하였다.
대상 데이터
또한 3일간만 배양하여도 중금속 제거 시험을 위한 유해 중금속이 충분히 농축되는 것으로 확인되었다. 따라서 향후 실험에 있어서 3일 동안 농축시킨 시료를 중금속제거 시험을 위한시료로 사용하였다. 중금속을 인위적으로 첨가한 해수에서 파래 시료를 3일간 배양하였을 때 중금속 농도는 건조중량 당 Pb(120.
파래 시료는 Cd (12.34 μg/g),Cr (65.73 μg/g) 및 Pb (118.72 μg/g)이 각각 농축되었으며, 이를 해수 및 0.1 mM EDTA 용액에 침지한 후에는 Cd는 각각10.21 및 11.70 μg/g, Cr은 각각 58.03 및 64.11 μg/g, 그리고 Pb는 각각 116.25 및 97.99 μg/g이었다.
파래(Enteromorpha sp.) 시료는 창원시 용원 소재 위판장에서 판매되고 있는 것을 직접 구입하여 Whirl-Pak bag (25.4x50.8cm, Nasco)에 담아 아이스박스에 넣고 10℃ 이하로 유지시키면서 실험실로 운반하였다. 실험실로 운반된 시료는 즉시 여과해수로 조체에 부착된 협잡물을 제거한 다음 탈수하여 중금속제거 시험을 위하여 사용하였다.
데이터처리
또한, Dun can's multiple range test에 따라 P<0.05 수준에서 중금속 농도 간의 유의성을 검증하였다(Steel and Torrie, 1980).
실험결과의 통계처리는 SAS 프로그램(SAS Institute, Cary, NC, USA)을 이용하였으며, 시료간의 차이 검증은 일원배치분산분석(ANOVA)을 사용하였다. 또한, Dun can's multiple range test에 따라 P<0.
이론/모형
중금속 및 미네랄 함량은 유도결합플라즈마 질량분석기(ICPMS, Perkin Elan DRC II, Waltham, MA, USA)로 분석하였으며, working 표준용액은 1,000 mg/kg의 표준용액(Merck,Darmstadt, Germany)을 희석하여 사용하였다. 유해 중금속(Cd, Cr, Pb)의 회수율은 표준인정물질인(Certified ReferenceMaterial)인 Dorm-3 (National Research Council, Nova Scotia,Canada)를 사용하여 측정하였으며, 회수율은 92.1-98.3%로AOAC International (2002)에서 요구하는 수준을 만족하였다.
성능/효과
0 이상에서는 30분까지 시각적으로 변색은 관찰되지 않았다. 따라서 산을 이용하여 중금속을 제거할 경우 파래는 pH 3.0에서 10분 정도 처리하는 것이 가장 바람직할 것으로 생각되었으며, 이때 각 유해 중금속의 제거율은 산의 종류에 따라 다소 차이는 있었으나, Pb (42.2-78.0%), Cd (51.8-55.3%), Cr (14.0-32.8%)로 순으로 제거되었다. 또한, 유기산인 구연산을 이용하여 파래를 pH 3.
그러나 장기간 배양을 하면 파래의 조체 변색 등 파래 조직에 부정적 영향이 미칠 수 있으며, 시험 3일 후에는 Pb를 제외하고는 큰 변화가 없었다. 또한 3일간만 배양하여도 중금속 제거 시험을 위한 유해 중금속이 충분히 농축되는 것으로 확인되었다. 따라서 향후 실험에 있어서 3일 동안 농축시킨 시료를 중금속제거 시험을 위한시료로 사용하였다.
또한 시간 경과에 따른 파래 중의 중금속 함량은 초기 농도가 건조중량 당 Cd이 0.08 μg/g,Cr이 2.57 μg/g 및 Pb이 0.51 μg/g이 이었던 것이, 배양기간이 연장될수록 증가하는 경향을 나타내었다.
또한, 파래의 클로로필농도 변화는 처리하기 전인 대조구의 클로로필 함량은 건조중량 당 약 17,000 μg/g이었고, 산을 처리한 파래의 클로로필 함량은 산의 종류에 관계없이 pH 2.0 처리구를 제외하면 대조구와 유의할 만한 차이는 관찰되지 않았다(결과 미제시).
파래 중의 유해 중금속의 제거효과는 사용한 산의 종류에 관계없이 Pb이 가장 잘 제거되었으며, 다음으로 Cd, Cr 순이었다. 실험에 사용된 유해 중금속 중에서 Pb과 Cd는 사용한 산의 종류에 관계없이 pH 2.0-4.0에서는 각 비교적 잘 제거되었으며, pH가 낮을수록 그 경향은 뚜렷하였다. 처리시간에 따라서는 중금속에서 초기 10분 처리에 많은 양이 제거되고, 그 이후에는 제거효과가 적었다.
(2005)은 해조류는 해수 중에 많이 존재하는 Na, Mg, Ca, K 등의 해수로부터 다른 금속에 비하여 적게 농축하는 반면, 해수 중에 적게 존재하는 미량금속은 많이 농축한다고 하였다. 우리의 결과에서는 파래에서의 제거율도 해수에 많이 들어 있는 미네랄 성분인 Mg은 가장 적게 제거되는 반면, 해수에 거의 없는 인위적으로 농축시킨 유해 중금속의 제거율이 이들보다 더 높은 것은 해조류의 농축과 제거는 해수 중의 미네랄 농도와 밀접한 관계가 있는 것으로 추정된다.
99 μg/g이었다. 이상의 결과 유해 중금속을 인위적으로 농축시킨 파래 시료는 해수 및 EDTA 용액에 침지한 후에도 대조구와 유의할 만한 차이를 나타내지 않았다. 즉, 이들 중금속은 파래의 세포 내에 잘 농축되어 있는 것으로 확인되었다.
이상의 결과, 유기산인 구연산과 다른 무기산의 유해 중금속제거 효과는 큰 차이가 없으므로 인체에 무해한 유기산인 구연산을 사용하는 것이 가장 바람직할 것으로 판단되었다.
이상의 결과에서 산 처리에 의한 파래의 품질변화 지표로 사용된 용출되는 세포 내부 물질의 함량은 pH 3.0 이상에서는 모든 산에서 처리시간 30분까지 거의 변화가 없었다. 또한, 파래의 클로로필 함량도 pH 3.
8 μg/g) 이었다. 최적 처리 시간인 10분 이내에는 Mg 7%, Ca 12%, Fe 15%, Cu 16%, Mn 20%, Zn 22%의 감소율을 보였으며, Mg 및 Ca과 같이 파래에 많이 함유 되어있는 미네랄 성분일수록 대체로 적게 감소하는 경향을 나타내었다. 한편, 예비 시험에서 파래는 자연해수에 30분간 처리하였을 때 약 5% 내외의 미네랄 성분이 자연적으로 감소하는 것으로 확인되었다.
예비 시험에서 산을 첨가한 해수 용액에 파래를 침지시키면 용액 중으로 미량 물질들의 용출이 추정되었으며, 처리액의 파장을 검색한 결과 265 nm에서 가장 높은 흡광도 값을 나타내어 이를 지표로 선정하였다. 파래 세포 내부 물질의 유출을 나타내는 처리액의 흡광도 값은 산의 종류에 관계없이 유사한 경향을 보였으며, pH2.0 처리구에서는 처리시간 20분까지는 증가하였으나 그 이후는 변화가 없었다. 반면, pH 2.
2, 3, 4에 나타내었다. 파래 중의 유해 중금속의 제거효과는 사용한 산의 종류에 관계없이 Pb이 가장 잘 제거되었으며, 다음으로 Cd, Cr 순이었다. 실험에 사용된 유해 중금속 중에서 Pb과 Cd는 사용한 산의 종류에 관계없이 pH 2.
최적 처리 시간인 10분 이내에는 Mg 7%, Ca 12%, Fe 15%, Cu 16%, Mn 20%, Zn 22%의 감소율을 보였으며, Mg 및 Ca과 같이 파래에 많이 함유 되어있는 미네랄 성분일수록 대체로 적게 감소하는 경향을 나타내었다. 한편, 예비 시험에서 파래는 자연해수에 30분간 처리하였을 때 약 5% 내외의 미네랄 성분이 자연적으로 감소하는 것으로 확인되었다.
그러나 Cr은 다른 중금속과는 달리 제거율이 훨씬 낮았다. 한편, 파래는 pH 2.0에서 구연산과 염산 처리구에서는 5분 후, 질산 처리구에서는 10분 후, 그리고 pH 2.5에서 구연산과 질산에서는 15분 후, 염산 처리구에서는 30분 후에 각각 조체에 약간 변색되는 경향을 나타내었으나, pH 3.0 이상에서는 30분까지 시각적으로 변색은 관찰되지 않았다. 따라서 산을 이용하여 중금속을 제거할 경우 파래는 pH 3.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해조류가 어떤 것에 효과가 있으며 무엇으로 주목받고 있는가?
바다에 서식하는 해조류는 Mg, Ca, I, Fe, Zn 등 인체에 필요한 필수 미량원소를 많이 함유하고 있으며, 해조류 종류에 따라서 인체에 유용한 생리활성을 나타내는 각종 유효성분도 많이 함유하고 있다. 특히, 성인병과 비만예방 등에 효과가 있다는 것이 많은 연구자에 의해서 보고되었고, 건강식품으로서도 주목을 받고 있다(Cho et al., 1995; Imet al.
해조류의 특징은?
)는 2005년에 1,060톤이 생산되던 것이 10년이 지난 2015년에는 7,661톤이 생산되어 7배 이상 증가하였다(Statistics Korea, 2015). 바다에 서식하는 해조류는 Mg, Ca, I, Fe, Zn 등 인체에 필요한 필수 미량원소를 많이 함유하고 있으며, 해조류 종류에 따라서 인체에 유용한 생리활성을 나타내는 각종 유효성분도 많이 함유하고 있다. 특히, 성인병과 비만예방 등에 효과가 있다는 것이 많은 연구자에 의해서 보고되었고, 건강식품으로서도 주목을 받고 있다(Cho et al.
해조류의 중금속 오염이 위험한 이유는?
한편, 육상에서 바다로 유입되는 오염물질들은 희석, 확산, 분해 등의 과정을 통하여 감소되지만, 이와는 반대로 생물에 있어서는 생물농축 과정을 통하여 오히려 중금속 등의 오염 물질들이 농축하게 된다. 이에 연안 해역에서 서식하는 파래, 김, 미역 등의 해조류는 중금속 오염에 노출되기 쉽고, 중금속을 체내 축척하여 이를 섭취하는 사람에게 건강상 유해를 미칠 우려가 있다(Mok et al., 2005; Son et al.
참고문헌 (22)
Ahmady-Asbchin S, Andres Y, Gerente C and Le Cloirec P. 2009. Natural seaweed waste as sorbent for heavy metal removal from solution. Environ Technol 30, 755-762. http://dx.doi.org/10.1080/09593330902919401.
AOAC International. 2002. AOAC guidelines for single laboratory validation of chemical methods for dietary supplements and botanicals. Gaithersburg, MD, U.S.A.
Cho DM, Kim DS, Lee DS, Kim HR and Pyeun JH. 1995. Trace components and functional saccharides in seaweed. 1. Changes in proximate composition and trace element according to the harvest season and places. Bull Kor Fish Soc 28, 49-59.
Choi SN, Lee SU, Chung KH and Ko WB. 1998. A study of heavy metals contents of the seaweeds at various area in Korea. Korean J Soc Food Sci 14, 25-32.
EOS Ecology. 2012. Heavy metals in fish and shellfish, EOS Ecology, Christchurch, New Zealand.
FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). 2014. Global Statistical Collections. Retrieved from http://www.fao.org/fishery/statistics/en on July 11, 2016.
Hwang YO, Kim MS, Park SG and Kim SJ. 2007. Contents of lead, mercury, and cadmium in seaweeds collected in coastal area of Korea. Analytic Sci Technol 20, 227-236.
Im YG, Choi JS and Kim DS. 2006. Mineral contents of edible seaweeds collected from Gijang and Wando in Korea. J Kor Fish Soc 39, 16-22.
Kim JH, Mok JS and Park HY. 2005. Trace metal contents in seaweeds from Korean coastal area. J Korean Soc Food Sci Nutr 34, 1041-1051.
Kim SY, Sidharthan M, Yoo YH, Lim CY, Jin HJ, Yoo JS and Shin HW. 2003. Accumulation of heavy metals in Korean marine seaweeds. Algae 18, 349-354. http://dx.doi.org/10.4490/algae.2003.18.4.349.
KMFDS (Korea Ministry of Food and Drug Safety). 2016. Korea food code. Retrieved from http://fse.foodnara.go.kr/residue/RS/jsp/menu_02_01_01.jsp on July 11, 2016.
Mithra1 R, Sivaramakrishnan1 S, Santhanam P, Dinesh Kumar S and Nandakumar R. 2012. Investigation on nutrients and heavy metal removal efficacy of seaweeds, Caulerpa taxifolia and Kappaphycus alvarezii for wastewater remediation. J Algal Biomass Utln 3, 21-27.
Mok JS, Kwon JY, Son KT, Choi WS, Kim PH, Lee TS and Kim JH. 2015a. Distribution of heavy metals in internal organs and tissues of Korean molluscan shellfish and potential risk to human health. J Envron Biol 36, 1161-1167.
Mok JS, Park HY and Kim JH. 2005. Trace metal contents of major edible seaweeds and their safety evaluation. J Kor Soc Food Sci Nutr 34, 1464-1470.
Mok JS, Son KT, Lee TS, Lee KJ, Jung YJ and Kim JH. 2016. Removal effect of hazardous heavy metals (Cd, Cr, Pb) in laver (Porphyra sp.) by acid treatment. Korean J Fish Aquat Sci 49, 556-563. http://dx.doi.org/10.5657/KFAS.2016.0556.
Mok JS, Yoo HD, Kim PH, Yoon HD, Park YC, Lee TS, Kwon JY, Son KT, Lee HJ, Ha KS, Shim KB, Jo MR and Kim JH. 2014. Bioaccumulation of heavy metals in mussels in the Changseon area, Korea, and assessment of potential risk to human health. Fish Aquat Sci 17, 1-6. http://dx.doi.org/10.5657/FAS.2014.0001.
Mok JS, Yoo HD, Kim PH, Yoon HD, Park YC, Lee TS, Kwon JY, Son KT, Lee HJ, Ha KS, Shim KB and Kim JH. 2015b. Bioaccumulation of heavy metals in oysters from the southern coast of Korea: Assessment of potential risk to human health. Bull Environ Contam Toxicol 94, 749-755. http://dx.doi.org/10.1007/s00128-015-1534-4.
Sohn JW. 2009. A study on Korean seaweed foods by literature review. Korean J Food Nutr 1, 75-85.
Son KT, Kwon JY, Jo MR, Choi WS, Kang SR, Ha NY, Shin JW, Park KBW and Kim JH. 2012. Heavy metals (Hg, Pb, Cd) content and risk assessment of commercial dried laver Porphyra sp. Korean J Fish Aquat Sci 45, 454-459. http://dx.doi.org/10.5657/KFAS.2012.0454.
Statistics Korea. 2015. Korean statistical information service (KOSIS). Retrieved from http://kosis.kr on July 11, 2016.
Steel RGD and Torrie JH. 1980. Principle and procedure of statistics; a biometrical approach (2nd ed.). MacGraw-Hill Book Company, New York, U.S.A.
Suzuki Y, Kametani T and Maruyama T. 2005. Removal of heavy metals from aqueous solution by nonliving Ulva seaweed as biosorbent. Water Res 39, 1803-1808. http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2005.02.020.
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