For 26 soil series distributed more than 1% among 63 soil series in Jeju Island, natural uncultivated soil samples were collected. For these soils, the chemical speciation of eight heavy metals (Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, and Zn) was examined. Further, the Plant Bioavailability (PB) and Mobility Fac...
For 26 soil series distributed more than 1% among 63 soil series in Jeju Island, natural uncultivated soil samples were collected. For these soils, the chemical speciation of eight heavy metals (Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, and Zn) was examined. Further, the Plant Bioavailability (PB) and Mobility Factor (MF) of these heavy metals were evaluated using Tessier's 5-step sequential extraction method (exchangeable, carbonate, reducible (bound to Fe/Mn oxides), oxidizable (bound to organic matter), and residual fraction). The main form present was residual fraction for Cd and Zn; residual and oxidizable fractions for Cr, Cu, Ni, and Pb; reducible fraction for Mn; and carbonate fraction for V. The average plant availability and average mobility factor were found to be V (57.37%) > Zn (12.49%) > Cd (11.76%) > Cu (11.19%) > Pb (9.37%) > Cr (9.09%) > Mn (3.13%) > Ni (2.63%), and Mn (61.04%) > V (59.94%) > Zn (31.54%) > Cd (17.65%) > Cr (15.66%) > Ni (13.89%) > Pb (13.80%) > Cu (13.53%), respectively.
For 26 soil series distributed more than 1% among 63 soil series in Jeju Island, natural uncultivated soil samples were collected. For these soils, the chemical speciation of eight heavy metals (Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, and Zn) was examined. Further, the Plant Bioavailability (PB) and Mobility Factor (MF) of these heavy metals were evaluated using Tessier's 5-step sequential extraction method (exchangeable, carbonate, reducible (bound to Fe/Mn oxides), oxidizable (bound to organic matter), and residual fraction). The main form present was residual fraction for Cd and Zn; residual and oxidizable fractions for Cr, Cu, Ni, and Pb; reducible fraction for Mn; and carbonate fraction for V. The average plant availability and average mobility factor were found to be V (57.37%) > Zn (12.49%) > Cd (11.76%) > Cu (11.19%) > Pb (9.37%) > Cr (9.09%) > Mn (3.13%) > Ni (2.63%), and Mn (61.04%) > V (59.94%) > Zn (31.54%) > Cd (17.65%) > Cr (15.66%) > Ni (13.89%) > Pb (13.80%) > Cu (13.53%), respectively.
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문제 정의
그러나 중금속의 생물학적 이용률인 측면에서 중요한 토양 중 중금속의 화학적 형태에 대해서는 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 제주도에 분포하고 있는 63개 토양통 중 1% 이상으로 분포하고 있는 토양통에 대해 자연적인 지구화학적 유입원으로 사료되는 비경작지 토양을 채취하여 연속추출법을 통한 제주도 토양 중의 중금속의 화학적 형태를 검토하여 용탈가능성 및 식물에의 위해성을 평가하였다.
가설 설정
토양 중 유기물 함량은 토양의 물리화학적 성질에 가장 크게 영향을 미치는 요인의 하나이다. 유기물 함량이 많을수록 중금속과의 결합력이 증가하여 중금속이 흡착량이 많아지며, 따라서 중금속의 농도도 높게 나타난다. 본 연구에서 사용된 전체 토양의 유기물 함량은 3.
제안 방법
즉, 토양 중 중금속의 화학적 형태는 Fig. 2와 같이 교환성 형태(Exchangeable fraction), 탄산염 형태(Bound to carbonate fraction), 환원성 형태(Bound to Fe-Mn oxide fraction), 산화성 형태(Bound to organic and sulfides fraction) 및 잔류성 형태(Residual fraction) 등 5단계로 연속추출하였으며, 이를 세부적으로 추출과정을 살펴 보면 다음과 같다. 교환성 형태 : 건조된 토양시료 1 g에 pH 7로 조절된 0.
제주도에 분포하고 있는 63개 토양통 중 1% 이상으로 분포하고 있는 26개 토양통에 대해 자연적인 지구화학적 유입원으로 사료되는 비경작지 토양을 채취하여 이들 토양의 물리화학적 성질을 살펴 보았고, Tessier et al.(1979)에 의해 제시된 5단계 연속추출법을 통한 제주도 토양 중 8가지 중금속(Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, V, Zn)의 화학적 형태 및 이를 통한 중금속의 식물로의 생물학적 이용률과 이동성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
본 연구에서 토양통의 면적 비율이 1% 이상인 26개 토양통의 토양에 대해 Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, V, Zn 등 8개 중금속을 대상으로 2.2의 실험방법에 따라 5단계로 추출하였으며, 그 결과를 Table 3 및 Fig. 3에 나타내었다.
본 연구에서는 전보(Kim et al., 2015)에서 수행된 63개 토양통 중 1% 이상을 차지하는 26개 토양통을 채취하여 연구를 수행하였다. 제주도 토양통과 토지이용도를 검토하여 자연적인 지구화학적 유입원으로 사료되는 토양을 대상으로 현장에서 확인 후 시료 채취를 하였으며, 일부 토양통은 거의 모든 지역이 경작지 등으로 이용되고 있어 경작지내의 개간하지 않은 곳에서 시료채취를 하였다.
제주도 토양통과 토지이용도를 검토하여 자연적인 지구화학적 유입원으로 사료되는 토양을 대상으로 현장에서 확인 후 시료 채취를 하였으며, 일부 토양통은 거의 모든 지역이 경작지 등으로 이용되고 있어 경작지내의 개간하지 않은 곳에서 시료채취를 하였다. 시료채취는 GPS(GARMIN, GPSmap 60CSx)를 이용하여 시료채취지점을 확인하고, 이 지점을 중심으로 약 5 m 거리로 동서남북 각 방향에서 시료를 채취하여 총 5개의 부시료를 하나의 혼합시료로 하였다. Fig.
, 2015)에서 수행된 63개 토양통 중 1% 이상을 차지하는 26개 토양통을 채취하여 연구를 수행하였다. 제주도 토양통과 토지이용도를 검토하여 자연적인 지구화학적 유입원으로 사료되는 토양을 대상으로 현장에서 확인 후 시료 채취를 하였으며, 일부 토양통은 거의 모든 지역이 경작지 등으로 이용되고 있어 경작지내의 개간하지 않은 곳에서 시료채취를 하였다. 시료채취는 GPS(GARMIN, GPSmap 60CSx)를 이용하여 시료채취지점을 확인하고, 이 지점을 중심으로 약 5 m 거리로 동서남북 각 방향에서 시료를 채취하여 총 5개의 부시료를 하나의 혼합시료로 하였다.
이론/모형
토양 중 중금속은 토양의 조건이나 중금속의 성격에 따라 여러 가지 형태로 존재할 수 있다. 이러한 토양 중에 존재하는 중금속의 화학적 형태를 알기 위한 방법으로 Tessier et al.(1979)에 의해 제안된 5단계 연속추출법, 3단계 연속추출법인 European Community Bureau of Reference (BCR) 변법(Rauret et al., 1999) 등을 포함하여 다양한 연속추출법이 제시되고 있으나 본 연구에서는 다양한 연속추출법 중 보편적으로 사용되고 있는 Tessier et al.(1979)이 제안한 방법 중에서 중금속 분석에 대해서만 제안된 원자흡광광도법(AAS) 대신 ICP-OES로 분석하였다. 즉, 토양 중 중금속의 화학적 형태는 Fig.
채취한 토양 중의 물리화학적 성질을 파악하기 위해 토양 pH(H2O), 토양 pH(NaF), 토양 유기물함량 및 토양색을 분석하였으며, 토양 pH(H2O)는 토양:물= 1:5법, 화산회토 여부를 확인하는 토양 pH(NaF)는 Calhoun et al.(1972)의 방법, 토양 유기물 함량은 Walkley & Black법(1934), 토양색은 Munsell color법에 따라 수행하였다.
토양 중 중금속 농도는 국내에서 중금속 오염물질로 지정되어 있는 Cd, Cu, Cr, Ni, Pb, Zn 등 6개 항목과 토양 중의 화학적 형태 검토를 위해 많이 연구되고 있는 Mn (Liu et al., 2016) 및 최근 제주도 토양으로부터 지하수내 산출 특성으로 연구되고 있는 V (Hyun et al., 2016a; 2016b) 등 8가지 항목에 대해서, 토양환경보전법에 적용하고 있는 왕수 분해법을 적용하여 전처리하였고, 중금속 분석은 ICP-OES (Optima 5300DV, PE)를 사용하여 분석하였다.
성능/효과
63% 순으로 조사되었다. 따라서 제주도의 화산지역이라는 지역적 특성으로 높은 농도로 분포하고 있는 Ni은 식물로의 생물학적 이용률이 매우 낮은 것으로 나타나 Ni로 인한 식물에의 위해성은 낮은 것으로 판단된다. 그리고 MF는 Mn이 61.
유기물 함량이 많을수록 중금속과의 결합력이 증가하여 중금속이 흡착량이 많아지며, 따라서 중금속의 농도도 높게 나타난다. 본 연구에서 사용된 전체 토양의 유기물 함량은 3.2 17.3%(평균 10.0%), pH(NaF)로 분류한 화산회토 및 비화산회토의 유기물 함량은 각각 4.8 17.3%(평균 11.8%), 3.2 4.8%(평균 3.9%)로 비화산회토의 경우에는 비슷한 값을 보였으나 화산회토의 경우에는 비교적 큰 차이를 보였으며, 화산회토의 평균농도는 비화산회토에 비해 약 3배 높은 농도를 보임을 알 수 있다. 또한 육지부 일반토양의 유기물이 2%를 약간 상회하는 것과 비교하면 매우 높은 수준임을 알 수 있다.
상기 결과로부터 Cd, Cr, Cu, Ni, Pb 등은 토양 및 퇴적물로부터 중금속의 용출을 어렵게 하는 산화성형태(F IV) 및 잔류성 형태(F V)가 80% 이상으로 일반적인 자연 상태에서는 쉽게 용출되지 않아 식물에 대한 농축이나 지하수로의 유입이 어려우며, Zn은 산화성 형태(F IV) 및 잔류성 형태(F V)가 70% 정도이며, Mn은 환원성 형태(F III)가 54.97%로 환원 환경하에서는 용출이 용이할 것이며, V은 탄산염 형태(F II)가 평균 54.48%로 환경중으로 쉽게 용출되어 식물 또는 지하수로의 유입이 용이할 것으로 사료된다.
1 mL를 넣고 heating block에서 120 로 4시간 가열 후 150 에서 완전 증발시키고, 냉각 시킨 후 5 M HCl 2 mL를 넣고 70 로 가열시켜 중금속을 용출한 후 증류수 8 mL를 넣어 polystylene tube로 옮겨 중금속 농도를 측정하였다. 연속추출법은 각 단계마다 추출을 끝낸 시료를 분리시킬 때 또는 세척한 후 부유용액을 버릴 때 토양시료가 변할 수 있으므로 각 시료를 3회 반복 분석하여 그 결과가 2% 이내로 차이가 없음을 확인하였다.
4를 화산회토의 분류기준 적용하면 채취토양 중 화산회토는20개, 비화산회토는 6개로 분류되었다. 유기물 함량은 전체 토양에서 3.2 17.3%(평균 10.0%), pH(NaF)로 분류한 화산회토 및 비화산회토의 유기물 함량은 각각 4.8 17.3%(평균 11.8%), 3.2 4.8%(평균 3.9%)이었다. 토색은 'Munsell Color Chart'를 이용하여 분석한 결과 흑색 17개, 농암회색 3개, 암갈색 4개, 농암회갈색 1개, 갈색 1개로 나타났다.
중금속의 식물로의 생물학적 이용률(PB)는 V 57.37% > Zn 12.49% > Cd 11.76% > Cu 11.19% > Pb 9.37% > Cr 9.09% > Mn 3.13% > Ni 2.63% 순으로 V이 가장 높은 비율을 보였으며, 이동성 지수(MF)는 Mn 61.04% > V 59.94% > Zn 31.54% > Cd 17.65% > Cr 15.66% > Ni 13.89% > Pb 13.80% > Cu 13.53% 순으로, Mn과 V은 환경중으로 이동성이 높은 것으로 나타났다.
중금속의 화학적 형태를 교환성 형태, 탄산염 형태, 환원성 형태, 산화성 형태, 잔류성 형태 등의 평균 비율로 평가한 주형태는 Cd는 잔류성 형태(약 72%), Cr, Cu, Ni 및 Pb는 잔류성 형태 및 산화성 형태(80% 이상), Mn은 환원성 형태(약 55%), V은 탄산염 형태(약 55%), Zn은 잔류성 형태(약 52%) 이었다.
채취된 토양의 물리화학적 특성은 pH(H2O)는 4.7 6.0의 범위로 평균 5.2을 보였으며, pH(NaF)는 7.7 11.6 범위(평균 10.5)에 있으며, pH(NaF)>9.4를 화산회토의 분류기준 적용하면 채취토양 중 화산회토는20개, 비화산회토는 6개로 분류되었다. 유기물 함량은 전체 토양에서 3.
토양의 색은 모암, 유기물의 함량, 함수율 등에 따라 다양하게 나타나며 'Munsell Color Chart'를 이용하여 토양색을 측정한 결과 채취된 토양의 토색은 흑색 17개, 농암회색 3개, 암갈색 4개, 농암회갈색 1개,갈색 1개를 나타내었으며, 대체적으로 유기물 함량이 높은 토양일수록 흑색, 농암회색을 띄었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양은 무엇의 집합체인가?
토양은 중금속 및 미량 금속 등을 포함하여 많은 해로운, 기본적인 그리고 생물학적인 구성요소의 집합체이다(Cottenie and Verloo, 1984). 이 중 중금속에 의한 토양오염은 과거 수십년동안 커다란 관심을 불러 일으켰다(Rodriguez, 2009; Shaheen et al.
중금속의 화학적 형태는 중금속의 생물학적 이용률의 측면에 어떤 영향을 미치는가?
중금속의 생물학적 이용률의 측면에서 보면 중금속의 다양한 화학적 형태는 다른 어떠한 요인보다도 중요하다(Nelson and Donkin, 1985). 토양단면에서 중금속과 토양의 결합력이 약하여 이동성이 크면 식물체로의 흡수가 증가되어 심각한 독성을 유발할 수 있으며, 반대로 토양 중의 중금속이 유기물 및 광물에 강하게 결합되어 있으면 토양수 중으로 용출되지 않아 식물에 축적될 가능성은 낮아져 식물에 미치는 위해성은 감소될 것이다(Ratuzny et al., 2009; Singh and Kalamdhad, 2013).
토양 중 중금속 유입원 2가지는 무엇인가?
, 2014). 토양 중 중금속은 모암자체로부터 파생된 중금속의 배경농도를 나타내는 자연적인 지구화학적 유입원과 광산활동, 폐기물, 화학비료, 오수슬러지 또는 대기오염물질의 강하 등의 인위적인 오염원 등 크게 2가지 유입원에 의해 분포하고 있다. 자연적인 유입원으로 화산회 토양은 Cu, Cr, Ni, Zn 등의 중금속 농도가 높은 것으로 알려져 있으며(Burt et al.
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