[논문]비소 및 중금속의 식물체 전이감소를 위한 철 나노 입자가 담지된 바이오차의 농경지 토양 안정화제 적용성 평가

고일하; 김정은; 박소영; 최유림; 김동수; 문덕현; 장윤영

doi:10.7857/jsge.2022.27.6.001

비소 및 중금속의 식물체 전이감소를 위한 철 나노 입자가 담지된 바이오차의 농경지 토양 안정화제 적용성 평가
Stabilization of As and Heavy Metals in Farmland Soil using Iron Nanoparticles Impregnated Biochar 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.27 no.6, 2022년, pp.1 - 10

고일하 (환경기술정책연구원 (NeLab)) , 김정은 (환경기술정책연구원 (NeLab)) , 박소영 (환경기술정책연구원 (NeLab)) , 최유림 (광운대학교 환경공학과) , 김동수 (광운대학교 환경공학과) , 문덕현 (조선대학교 환경공학과) , 장윤영 (광운대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study assessed the feasibility of iron oxide nanoparticles impregnated with biochar (INPBC), derived from woody biomass, as a stabilizing agent for the stabilization of farmland soil in the vicinity of an abandoned mine through pot experiments with 28 days of lettuce growth. The lettuce grown in the INPBC amended soils increased by more than 100% and the concentrations of inorganic elements (Cu, Ni, Zn) decreased by more than 40%. As, Cd and Pb were not transferred properly from the soils to the lettuce biomass. The bioavailability of arsenic and heavy metals in the INPBC amended soils were decreased by 26%~50%. It seems that the major mechanisms of stabilization were arsenic adsorption on iron oxides, heavy metal precipitation by soil pH increasing and heavy metal adsorption on organic matter. These results revealed that the lower bioavailability of the inorganic pollutants in the soils stabilized using INPBC induced lower transfer to the lettuce. Thus, INPBC could be used as an amendment material for the stabilization of farmland soils contaminated by arsenic and heavy metals. However, a pre-review of the chemical properties of the amended soil must be performed prior to applying INPBC in farmland soil because the concentration of the nutrients in the soil such as available phosphates and exchangeable cations (Ca, Mg, K) could be decreased due to adsorption on the surface of the iron oxides and organic matter.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. pH and the concentrations of inorganic contaminants of the studied soil
$Fig. 1. X-ray diffraction pattern of INPBC.$ 그림 Fig. 1. X-ray diffraction pattern of INPBC.
그림 Fig. 2. Photograph of lettuce growth at the end of pot experiment ((A) control; (B) INPBC 0.5% amended; (C) INPBC 1.0% amended).
표 Table 2. BET surface area, total pore volume and average pore width of BC, ABC and INPBC
그림 Fig. 3. Concentration of heavy metals in the lettuce plant (As was not detected in all samples).
그림 Fig. 4. Concentration of bioavailable As and heavy metals in the pot soils extracted with 1 M NH4NO3 (Cd was not detected in all samples).
그림 Fig. 5. Chemical properties of the residual soils.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 광산지역 농경지 비소오염 토양의 안정화를 위해 전정가지를 열분해하여 제조한 바이오차에 철산화물을 주입한 철 나노입자 담지 바이오차의 안정화제 적용성을 28일간의 작물재배를 포함하는 포트실험을 통해 검토하였다. 포트실험 결과 토양 안정화에 따른 비소 및 중금속의 토양 내 유효도 저감 및 식물체 전이감소에 관한 유의한 결과를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 철 나노 입자가 담지된 바이오차로 토양을 개량한 후 포트실험을 통해 오염물질의 식물체 전이와 토양특성 변화를 검토하고자 하였다. 실험은 크게 바이오차의 제조단계와 포트실험 단계로 구분하여 진행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 철 나노 입자가 담지된 바이오차로 토양을 개량한 후 포트실험을 통해 오염물질의 식물체 전이와 토양특성 변화를 검토하고자 하였다. 실험은 크게 바이오차의 제조단계와 포트실험 단계로 구분하여 진행하였다.
제조가 완료된 INPBC를 대상으로 표면 철 입자의 형태와 BC, ABC, INPBC의 비표면적 및 공극 특성을 분석하였다. 철 입자의 형태는 XRD(X-ray Diffractometer)(D8 Discover, Bruker AXS)을 이용한 결정성 분석으로 진행하였고, 비표면적 및 공극 특성은 ASAP 2420(Micromeritics)를 이용하여 확인하였다.

대상 데이터

바이오차를 혼합한토양의 화학적 특성 검토항목의 분석은 Fig. 2에서 확인했듯이 상추의 성장율이 높았던 INPBC 0.5% 처리조건만을 대상으로 하였다.
농경지 토양 내 비소 및 중금속의 농작물 전이수준 확인을 위한 식물체로 춘토담적치마를 선정하였으며, 직파 방식으로 포트당 60개 전후의 씨앗을 파종하였다. 이후 식물체 채취 시 까지 증류수를 관행살수 방식으로 1회/일 빈도로 공급하였다.
실험 대상 토양은 충북 단양군 소재 폐광산 주변지역의 농경지에서 채취한 것이었다. 채취 시 현장에서 바로 5 mm 체질을 실시한 후 해당 크기 미만의 토양입자를 실험대상으로 하였다.
실험에 사용된 포트는 지름 10 cm, 높이 9 cm의 소형 크기로, 내부에 건조 토양 400 g을 적재하였다. 안정화 처리한 토양은 토양무게의 0.
실험에 사용된 포트는 지름 10 cm, 높이 9 cm의 소형 크기로, 내부에 건조 토양 400 g을 적재하였다. 안정화 처리한 토양은 토양무게의 0.5%와 1%인 2g과 4g의 철나노입자가 담지된 바이오차(INPBC)를 혼합한 것이었다. 각 처리조건별 3반복으로 구성하여 최종적으로는 대조구(control)를 포함해 총 9개의 포트를 배치하였다.
실험 대상 토양은 충북 단양군 소재 폐광산 주변지역의 농경지에서 채취한 것이었다. 채취 시 현장에서 바로 5 mm 체질을 실시한 후 해당 크기 미만의 토양입자를 실험대상으로 하였다. 체질한 토양을 실험실 입고 후 균질하게 혼합하였고, 이후 9일 동안 자연건조하였다.
포트실험의 분석대상 검체는 식물체(상추) 및 토양이었다. 해당 시료를 상추 파종 후 28일 경과시점에서 채취하였다.

이론/모형

이상의 과정을 통해 전처리가 완료된 토양 및 식물체 내 무기원소 정량분석은 ICP-OES(model 8300, Perkin-Elmer Inc.)를 이용하였다. 특히, ICP-OES를 이용한 식물체 내 무기원소의 농도정량 시 불검출될 경우 저농도 영역에서 정량이 가능한 ICP-MS(model iCAPQ, Thermo SCIENTIFIC)를 추가 이용하였다.
제조가 완료된 INPBC를 대상으로 표면 철 입자의 형태와 BC, ABC, INPBC의 비표면적 및 공극 특성을 분석하였다. 철 입자의 형태는 XRD(X-ray Diffractometer)(D8 Discover, Bruker AXS)을 이용한 결정성 분석으로 진행하였고, 비표면적 및 공극 특성은 ASAP 2420(Micromeritics)를 이용하여 확인하였다.
)를 이용하였다. 특히, ICP-OES를 이용한 식물체 내 무기원소의 농도정량 시 불검출될 경우 저농도 영역에서 정량이 가능한 ICP-MS(model iCAPQ, Thermo SCIENTIFIC)를 추가 이용하였다. 교환성 양이온(Ca, Mg, K)이나 유효인산 등과 같은 무기원소와 관련한 토양화학성 분석 시 앞서 언급한 ICP-OES와 UV-VIS(model Lamda 25, Perkin-Elmer Inc.

성능/효과

INPBC 0.5% 처리조건에서 가장 낮은 수준을 보인 납을 제외하면 비소 및 중금속의 생물학적 유효도의 수준은 대조구 > INPBC 0.5% > INPBC 1.0%으로 나타났다
대상 토양무게의 0.5%와 1.0% 수준의 바이오차를 적용하여 식물체(상추)을 재배한 결과 대조구 대비 2배 이상의 작물 생체량 증가를 확인하였다. 아울러 상추의 비소 및 중금속 함량 분석결과 모든 시료에서 불검출되었던 비소와 식물체로의 충분한 전이가 이루어지지 않았던 카드뮴, 납을 제외한 나머지 구리, 니켈, 아연 항목에서 대조구 대비 40% 이상의 전이감소 효과가 확인되었다.
즉, 바이오차 처리량을 높일수록 무기 오염물질의 이동성은 그만큼 낮아지는 결과를 보인 것이다. 따라서 비소 및 양이온 중금속으로 오염된 토양의 안정화 처리 시철 나노입자 담지 바이오차의 안정화제로서의 적용성은 충분할 것으로 판단된다.
184 mg/kg의 수준을 보였다. 바이오차 처리조건에서는 대조구 대비 69% 포인트(INPBC 0.5%), 77% 포인트(INPBC 1.0%) 감소된 농도로 안정화에 의한 식물체 전이감소 효과를 확인할 수 있었다.
비소 및 양이온 중금속의 생물학적 유효도는 그림에서 볼 수 있듯이 철 나노입자가 담지된 바이오차 처리조건에서 대조구 대비 낮게 나타났다. 이러한 결과는 바이오차 적용에 따라 해당 무기원소의 이동성이 낮아진 것으로 풀이할 수 있다.
0% 수준의 바이오차를 적용하여 식물체(상추)을 재배한 결과 대조구 대비 2배 이상의 작물 생체량 증가를 확인하였다. 아울러 상추의 비소 및 중금속 함량 분석결과 모든 시료에서 불검출되었던 비소와 식물체로의 충분한 전이가 이루어지지 않았던 카드뮴, 납을 제외한 나머지 구리, 니켈, 아연 항목에서 대조구 대비 40% 이상의 전이감소 효과가 확인되었다. 이 같은 결과는 철 나노입자가 담지된 목질계 바이오차 역시 농업생산성 증대와 오염물질의 작물 전이감소 관점에서 충분한 효과를 가지는 것으로 볼 수 있다.
이상의 결과를 통해 철 나노입자가 담지된 바이오차는 비소오염 농경지 안정화 처리 시 작물성장의 위해가 없는 안정화제로서의 적용성이 있음을 확인하였다. 다만, 산화철이 함유된 목질계 바이오차의 특성상 향후 농경지에 적용하기 위해서는 영양물질 유효도 저감에 따른 적정 토양질 유지여부에 대한 사전검토가 필요할 것이다.
본 연구에서는 광산지역 농경지 비소오염 토양의 안정화를 위해 전정가지를 열분해하여 제조한 바이오차에 철산화물을 주입한 철 나노입자 담지 바이오차의 안정화제 적용성을 28일간의 작물재배를 포함하는 포트실험을 통해 검토하였다. 포트실험 결과 토양 안정화에 따른 비소 및 중금속의 토양 내 유효도 저감 및 식물체 전이감소에 관한 유의한 결과를 확인할 수 있었다.

후속연구

이상의 결과를 통해 철 나노입자가 담지된 바이오차는 비소오염 농경지 안정화 처리 시 작물성장의 위해가 없는 안정화제로서의 적용성이 있음을 확인하였다. 다만, 산화철이 함유된 목질계 바이오차의 특성상 향후 농경지에 적용하기 위해서는 영양물질 유효도 저감에 따른 적정 토양질 유지여부에 대한 사전검토가 필요할 것이다.

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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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