[논문]도로변 및 LID 시설 식재 식물의 중금속 축적량 비교

이유경; 최혜선; 나쉬; 김이형

doi:10.17663/jwr.2021.23.1.44

도로변 및 LID 시설 식재 식물의 중금속 축적량 비교
Comparison of heavy metal uptake of LID and roadside plants 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.23 no.1, 2021년, pp.44 - 53

이유경 (공주대학교 건설환경공학과) , 최혜선 (공주대학교 건설환경공학과) , 나쉬 (공주대학교 건설환경공학과) , 김이형 (공주대학교 건설환경공학과)

초록
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도시 강우유출수에 함유된 중금속은 저감시설 내에 축적되면서 기능저하와 유지관리를 어렵게 하는 원인이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 자연적 물질순환과정을 가진 LID 시설이 널리 이용되고 있다. LID 시설로 유입된 중금속은 식물흡입을 통해 밖으로 배출된다. 그러나 식물별 중금속 흡수율이 규명되지 못하여 LID 설계시 식물 종 선정에 어려움을 주고 있다. 따라서 본 연구는 중금속 노출빈도가 다른 LID 시설 내부, 도로변 식물 및 조경공간 식물을 상호비교하여 식물에 의한 중금속 제거특성을 연구하였다. 차량 활동과 접촉빈도가 높은 LID 및 도로변에 식재된 식물류(초본류, 관목류, 교목류)의 체내 중금속 함량은 조경공간 식재 식물체보다 높게 나타났다. 중금속의 체내 축적은 주변환경(유입수 성상, 주변 대기오염 정도 등)의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 도시 강우유출수에 높은 농도로 함유된 Zn 제거에는 패랭이, 메타세콰이어, 영산홍, 쑥 등이 적정하며, Cu 제거에는 패랭이, 메타세콰이어, 쑥 및 은행나무가 적절한 것으로 평가되었다. Pb 제거에는 벚꽃나무, 메타세콰이어 및 조팝나무가 적정하며, As, Cr 및 Cd 제거에는 패랭이가 적정한 것으로 평가되었다. 식물별 중금속 흡입능력은 서로 다르게 나타났다. 이러한 특성은 다양한 토지이용에서 발생하는 다양한 중금속 제거를 위한 식물 종 선정에 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Urban stormwater runoff contains heavy metals that accumulate in on-site treatment systems, thus resulting to facility deterioration and maintenance problems. In order to resolve these problems, low impact development (LID) technologies that promote natural materials circulation are widely used. LID facilities are capable of treating heavy metals in the runoff by means of plant uptake; however, the uptake or phytoremediation capabilities of plants have not been studied extensively, making it difficult to select the most suitable plant species for a certain LID design. This study investigated the vegetative components of an LID facility, roadside plants, and plants in landscape areas with different heavy metal exposure and frequency to determine the uptake capabilities of different plant species. The plants harvested inside the LID facilities and roadsides with high vehicular traffic exhibited greater heavy metal concentrations in their tissues as compared with the plants in landscape areas. Generally, the accumulation of heavy metals in the plant tissues were found to be influenced by the environmental characteristics (i.e. influent water quality, air pollution level, etc.). Dianthus, Metasequoia, Rhododendron lateritium, and Mugwort were found to be effective in removing Zn in the urban stormwater runoff. Additionally, Dianthus, Metasequoia, Mugwort, and Ginkgo Biloba exhibited excellent removal of Cu. Cherry Tree, Metasequoia, and mugwort efficiently removed Pb, whereas Dianthus was also found to be effective in treating As, Cr, and Cd in stormwater. Overall, different plant species showed varying heavy metal uptake capabilities. The results of this study can be used as an effective tool in selecting suitable plant species for removing heavy metals in the runoff from different land use types.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Location of each LID facilities and plants.
표 Table 1. Design of low impact development(LID) facility
그림 Fig. 2. Pollutant concentration in soil.
그림 Fig. 3. Statistical summary of nutrient concentrations in the plants at different sites.
그림 Fig. 4. Statistical summary of heavy metal(Zn, Cu, Cr, As, Cd, Pb) concentrations in the plants at different sites.
그림 Fig. 4. Statistical summary of heavy metal(Zn, Cu, Cr, As, Cd, Pb) concentrations in the plants at different sites(Continued).
그림 Fig. 5. Relationship between plant heavy metals concentration and soil nutrient concentrations.
그림 Fig. 6. Statistical summary of heavy metals and nutrients concentrations in soils and plants.

AI 본문요약
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문제 정의

, 2018b). 따라서 본 연구는 LID를 포함하여 다양한 공간에 존재하는 식물의 식물체 내 중금속 함유량을 월별, 식물별 비교함으로써 중금속 제거에 효과적인 식물 종 선정을 위한 기초자료 확보를 위하여 수행되었다.
, 2018). 따라서, 식물체 내의 수분스트레스 정도를 평가하기 위하여 식생의 건물률을 산정하였다. 건물률은 건조중량(dry weight)을 생체중량(fresh weight)로 나누어 계산하였다(Choi, 2017).
용이성 등)을 떨어뜨린다. 본 연구는 중금속 노출빈도가 다른 LID 시설 내부, 도로변 식물 및 조경공간 식물을 상호비교하여 식물에 의한 중금속 제거특성을 연구하고자 수행되었으며, 아래와 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

이후 식생을 지상부와 지하부로 분리하여 50℃의 열풍건조기에 넣어 더이상 건조무게가 변하지 않을 때까지 건조 시킨 후 건조중량(dry weight)을 측정하였다. 건조된 식생은 분쇄하여 영양물질 및 중금속 분석을 수행하였다. 중금속은 유도결합플라즈마 원자방출 분광기(ICP-AES) 를 사용하여 토양 및 식물체 분석법(RDA, 2000) 기준을 바탕으로 여섯 가지 원소(Zn, Cu, Cr, As, Cd, Pb)를 분석하였다.
Cerasus, PSC), 은행나무(Ginkgo biloba, GB)와 LID 시설 내 식재된 패랭이(Dianthus chinensis, DC), 쑥(Artemisia princeps, AP), 조팝나무(Spiraea prunifolia, SP), 영산홍 (Rhododendron indicum, RI) 및 메타세콰이어(Metasequoia glyptostroboides, MG)를 실험대상으로 선정하였다. 도로변 및 LID 시설 내 식재된 식물과의 비교를 위해 동일한 식생이 식재된 조경공간을 대조군으로 선정하였으며, 식물의 위치별, 부위별로 나누어 중금속 분석을 수행하였다.
식물 모니터링은 월별 수행되었으며, 채취된 식물은 우선 생체중량(fresh weight)을 측정하였다. 이후 식생을 지상부와 지하부로 분리하여 50℃의 열풍건조기에 넣어 더이상 건조무게가 변하지 않을 때까지 건조 시킨 후 건조중량(dry weight)을 측정하였다.
weight)을 측정하였다. 이후 식생을 지상부와 지하부로 분리하여 50℃의 열풍건조기에 넣어 더이상 건조무게가 변하지 않을 때까지 건조 시킨 후 건조중량(dry weight)을 측정하였다. 건조된 식생은 분쇄하여 영양물질 및 중금속 분석을 수행하였다.
3회 채취했으며, 채취 시 토양의 표면을 깨끗이 치운 후 10cm이하의 흙을 채취하였다. 채취 후 풍건하여 시료의 전처리 및 화학적 분석을 위해 체가름 시험을 진행하였으며 시료는 토양표준분석법(RDA, 2012) 기준을 바탕으로 pH, TP, TN, 중금속 (Zn, Cr, Cu, As, Cd, Pb) 등의 물리·화학적 분석 수행하였다.

대상 데이터

1). 국도 도로변에 식재된 벚꽃나무(Prunus sect. Cerasus, PSC), 은행나무(Ginkgo biloba, GB)와 LID 시설 내 식재된 패랭이(Dianthus chinensis, DC), 쑥(Artemisia princeps, AP), 조팝나무(Spiraea prunifolia, SP), 영산홍 (Rhododendron indicum, RI) 및 메타세콰이어(Metasequoia glyptostroboides, MG)를 실험대상으로 선정하였다. 도로변 및 LID 시설 내 식재된 식물과의 비교를 위해 동일한 식생이 식재된 조경공간을 대조군으로 선정하였으며, 식물의 위치별, 부위별로 나누어 중금속 분석을 수행하였다.
식물이 식재된 LID 시설은 나무여과상자(TF), 빗물정원(RG), 식생체류지(BI), 침투화분(IP)을 대상으로 하였다. Table 1은 LID 시설별 크기 및 설치년도, 특징 등을 나타낸 것이다.
식물체 내 중금속 함량을 조사하기 위한 모니터링 지점은 강우 유출수가 다양한 중금속 농도에 노출되어 있는 천안 1번 국도와 공주대학교(천안캠퍼스) 내 설치된 LID 시설로 선정하였다(Fig. 1). 국도 도로변에 식재된 벚꽃나무(Prunus sect.
토양은 각각의 식생이 식재된 시설에서 2020년 3월부터 분기별로 3회 채취했으며, 채취 시 토양의 표면을 깨끗이 치운 후 10cm이하의 흙을 채취하였다. 채취 후 풍건하여 시료의 전처리 및 화학적 분석을 위해 체가름 시험을 진행하였으며 시료는 토양표준분석법(RDA, 2012) 기준을 바탕으로 pH, TP, TN, 중금속 (Zn, Cr, Cu, As, Cd, Pb) 등의 물리·화학적 분석 수행하였다.

이론/모형

건조된 식생은 분쇄하여 영양물질 및 중금속 분석을 수행하였다. 중금속은 유도결합플라즈마 원자방출 분광기(ICP-AES) 를 사용하여 토양 및 식물체 분석법(RDA, 2000) 기준을 바탕으로 여섯 가지 원소(Zn, Cu, Cr, As, Cd, Pb)를 분석하였다. 식물체의 수분변화는 수분스트레스 상태를 알 수 있는 지표로 토양 내 수분의 양이 적어지면 식생은 물에 대한 스트레스를 받게 되며 성장에 영향을 미친다(Choi et al.

성능/효과

1) 차량활동과 접촉빈도가 높은 LID 및 도로변에 식재된 초본류, 관목류, 교목류의 체내 중금속 함량은 조경공간의 동일식물체보다 높게 나타났다. 중금속의 식물 체내 축적은 유입 수 성상, 주변 대기오염 정도 등의 영향을 크게 받는 것으로 평가되었다.
2) 도시 강우유출수에 높은 농도로 함유된 Cu와 Zn 제거에는 벚꽃나무와 조팝나무가 적절한 것으로 평가되었다. 초본류 (패랭이, 쑥)의 경우 Cr 제거에 매우 효율적으로 나타났다.
3) 토양 내 TN이 증가할수록 식물체 내 Zn과 Cu는 증가하는 것으로 나타났으며, TP가 증가할수록 식물체 내 Zn와 Cu 는 증가하다가 감소하여 일정 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 즉, 토양내 양분량이 증가하더라도 식물은 적정 수준의 양분을 흡수하기에 식물체 내 중금속 함량도 일정 수준 이상으로 증가하지 않는다.
4) 패랭이는 Pb을 제외한 모든 중금속에서 다른 관목류, 교목류보다 높은 농도를 보였다. 즉, 패랭이는 중금속에 내성이 강하다는 것을 의미하며, 높은 중금속이 함유된 비점오염물질이 유입되는 LID시설에 적합한 식생으로 판단된다.
5) 다양한 토지이용(산업단지, 도로지역, 상업지역, 주거지역, 축산지역 등)의 차이는 서로 다른 종류의 오염물질을 배출하기에 처리에 적정한 식물 종 선정은 오염물질 제거효율을 높일 수 있다.
초본류(패랭이, 쑥)의 경우 Cr 제거에 매우 효율적으로 나타났다. As 제거에는 영산홍과 은행나무가 적절한 수종으로 평가되었으며, Cu와 Zn 제거에는벚꽃나무와 조팝나무가 적절한 수종으로 평가되었다.
즉, LID시설 및 도로변 식재 식물이 성장과정에 Zn, Cu Cr의 흡수량이 높은 것으로 평가되었다. As, Cd, Pb의 경우 서식토양환경에 다소 영향을 받는 패랭이를 제외하고는 모두 LID 및 도로 식재 식물에서의 함량이 높았다.
8㎎/㎏) 순으로 분석되었다. LID 시설 및 도로변 토양 TN 농도는 대조군 토양보다 약 1.9 배 높게 나타났으며, TP 농도는 1.3 배 높게 나타났다. 이는 대조군에 비해 LID 시설 내 식재된 식물의 높은 밀집도에 의하여 강우 유출수 저류량이 높아지면서 토양 내 질소 및 인의 양도 높아졌기 때문이다(Kim, 2012).
TN의 경우 영산홍과 메타세콰이어를 제외하고 모두 LID 시설 및 도로변 식물이 조경공간에 비하여 높게 나타났다. TP는 패랭이를 제외하고 모든 식물에서 조경공간에 비하여 LID 및 도로변 식물에서 높게 나타났다. 중금속 중에서 Zn, Cu Cre LID 시설 및 도로변에 식재된 식물에서 조경공간에 식재된 식물보다 높은 함량을 보였으며, 그 차이가 약 1.
4㎎/㎏) 순으로 평가되었다. 도로변 및 LID 시설 내 토양의 As, Cd, 및 Pb는 대조군 토양에 비해 유사하거나 높은 농도를 보였다. 특히 TF 토양의 Pb 농도는 대조군의 Pb와 약 7.
활용가능하다. 도시 강우유출수에 높은 농도로 함유된 Zne 패랭이, 조팝나무, 메타세콰이어가 높은 흡수량을 보였으며, Cu는 메타세콰이어 및 벚꽃나무가 높은 것으로 평가되었다. 도시 강우유출수에는 자동차의 활동으로 Pb의 유출이 높은데 도로에서 배출되는 Pb의 제거를 위해서는 쑥 및 은행나무가 비교적 적정하나 조팝나무를 제외하고 타 식물과의 농도는 큰 차이를 보이지 않았다.
보였다. 독성물질에 해당하는 Cd과 Pb의 제거에는 은행나무가 가장 적절한 것으로 나타났다. 초본류(패랭이, 쑥)의 경우 Cr 제거에 매우 효율적으로 나타났다.
초본류 (패랭이, 쑥)의 경우 Cr 제거에 매우 효율적으로 나타났다. 독성물질에 해당하는 Cd과 Pb의 제거에는 은행나무가 적정하며, As 제거에는 영산홍과 은행나무 적정한 것으로 평가되었다.
식물종류별 식물체 내 중금속을 비교한 결과 양분에 해당하는 Cu, Zn에 대한 흡수량은 매우 높게 나타났으며, Cr과 As의 흡수량은 다소 높게 나타났으며, Cd, Pb에 대해서는 식물별 선택적 흡수량을 보였다. 독성물질에 해당하는 Cd과 Pb의 제거에는 은행나무가 가장 적절한 것으로 나타났다.
나머지 중금속 함량은 TN와 유사하게 다소 증가되거나 일정 수준을 유지하는 등 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 이러한 경향으로 볼 때 LID 시설의 토양 내 영양염류의 증가는 식물의 성장을 촉진하여 식물의 생체량이 증가하면서 토양의 중금속 제거에 기여하는 것으로 평가되었다. 그러나 토양내 양분량이 증가하더라도 식물은 적정 수준의 양분을 흡수하기에 식물체 내 중금속 함량도 일정 수준 이상으로 증가하지 않는다.
TP는 패랭이를 제외하고 모든 식물에서 조경공간에 비하여 LID 및 도로변 식물에서 높게 나타났다. 중금속 중에서 Zn, Cu Cre LID 시설 및 도로변에 식재된 식물에서 조경공간에 식재된 식물보다 높은 함량을 보였으며, 그 차이가 약 1.2~2.7배 크게 나타났다. 즉, LID시설 및 도로변 식재 식물이 성장과정에 Zn, Cu Cr의 흡수량이 높은 것으로 평가되었다.
높게 나타났다. 중금속의 식물 체내 축적은 유입 수 성상, 주변 대기오염 정도 등의 영향을 크게 받는 것으로 평가되었다.
7배 크게 나타났다. 즉, LID시설 및 도로변 식재 식물이 성장과정에 Zn, Cu Cr의 흡수량이 높은 것으로 평가되었다. As, Cd, Pb의 경우 서식토양환경에 다소 영향을 받는 패랭이를 제외하고는 모두 LID 및 도로 식재 식물에서의 함량이 높았다.
그러나 TP와 중금속은 식물에 의한 흡수량을 제외하고는 모두 토양에 축적된다. 토양 내 TN이 증가할수록 식물체 내 Zn과 Cu는 증가하는 것으로 나타났으며, 나머지 중금속 함량은 또한 다소 증가되는 경향을 보이나 큰 차이는 보이지 않는 것으로 평가되었다.
토양에서 TP가 증가할수록 식물체 내 Zn와 Cu는 증가하다가 감소하여 일정 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 나머지 중금속 함량은 TN와 유사하게 다소 증가되거나 일정 수준을 유지하는 등 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
6은 토양 및 식물별 영양염류(TN, TP)와 중금속 농도를 통계분석한 것이다. 토양의 TP를 제외한 모든 항목(TN, 6 가지 중금속)에서 식물체 내 함량이 토양에 비하여 높게 나타났다. 즉, 식물은 자연계의 물질순환 과정에서 토양환경과 외부환경을 연결하는 중요한 역할을 수행한다는 것을 의미한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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