토양 비소 오염원의 농도가 봉의꼬리의 생육 및 비소 축적에 미치는 영향
Effect of Arsenic Concentrations in Soil on Growth and Arsenic Accumulation of Pteris multifida
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Abstract
This study was carried out to analyze the effect of arsenic concentrations on growth and arsenic accumulation ability of Pteris multifida. P. multifida was cultivated on compost contaminated with different concentrations of As (III) and As (V) for 12 weeks. Treatment of 50 and 500 mg·kg-1 arsenic showed similar growth to that of arsenic untreated control plot regardless of arsenic types, but plant height tended to decrease as concentration of arsenic increased. Arsenic accumulation of aerial part grown with arsenic concentrations of 50 and 500 mg·kg-1 were 802.7, 2,956.0 mg·kg-1 DW respectively in As (III) treatment and were higher than As (V) treatment (622.6, 2,841 mg·kg-1 DW). However, arsenic accumulation of As (V) treatment (3,883.3, 5,250.6 mg·kg-1 DW) were higher than that of As (III) treatment (3,347.8, 4,272.7 mg·kg-1 DW) when cultivated in 1,000 and 2,000 mg·kg-1 of arsenic. In all concentrations, except 2,000 mg·kg-1 DW, the accumulation of underground part was higher in As (III) treatment than in As (V) treatment.
I. 서론
비소는 피부암과 폐암에 대한 1급 발암물질로 평가되고 있으며 (Boffetta, 1993), 제련소나 양조장 등의 작업장에서 비소의 노출 은 폐, 간, 신장, 위장 등의 암으로 인한 사망과 상관관계가 있는 것 으로 알려져 있다(Tokudome and Kuratsune, 1976; Enterline and Marsh, 1982; Jarup and Pershagen, 1991). 토양의 비소 오염 은 자연 유래와 인류활동에 의한 오염으로 나뉜다. 살균제와 제초 제 등의 원료물질로 오랫동안 사용된 비소가 토양에 잔류되어 인체 에 유입되거나 지표수로 유입 혹은 지하수로 용탈되어 저농도에서 고농도에 이르기까지 오염이 광범위하게 진행되어 왔다. 또한 광 산, 제련소, 아비산, 비산염 등의 제조공정의 폐기물, 부산물, 폐수 및 분진으로 인해 주변지역 토양에 비소를 비롯한 중금속 오염이 심각한 상황이다(Warner and Solomon, 1990; Lund and Fobian, 1991). 이러한 인류활동에 의한 비소의 유입량은 28,000t As·yr-1 으로 자연적인 유입량(45,000t As·yr-1)에 비해 적으나, 국소적으 로 집중되어 피해가 매우 심각한 실정이다(Alloway, 1995).
대표적인 비소 오염 사례는 인도 서벵갈과 방글라데시에서 주민 2,500,000명 이상이 비소로 오염된 지하수로 인해 심각한 비소중 독 증상을 보인 사건이며, 이 계기로 국제협력기구인 AAN(Asia Arsenic Network)가 구성되어, 동남아시아를 중심으로 연구가 활 발히 진행되고 있다(Nordstrom, 2002).
비소를 비롯한 중금속 오염의 심각성이 알려지면서 정부는 1994년에 토양환경보존법을 제정하여 중금속에 대한 오염물질 관 리를 시작하였다(Chung and Lee, 1997; Yun et al., 2010). 환경 부(2012)는 우려기준(사람의 건강재산이나 동식물의 생육에 지장 을 초래할 우려가 있는 토양오염의 기준)과 대책기준(우려기준을 초과하여 사람의 건강 및 재산과 동식물의 생육에 지장을 주어 토 양오염에 대한 대책을 필요로 하는 토영오염의 기준)을 설정하고 토양오염 확산을 막고 있다(Table 1).
토양 내 중금속을 정화하는 생물학적 처리기술인 식물상 복원기 술(phytoremediation)은 In-situ의 식물을 이용하는 친환경적인 기술로서 물리․화학적 처리기술 보다 경제적이고 친환경적이며, 중 금속으로 오염된 토양 주변의 경관조성, 토양 안정화, 오염물질 이 동 최소화 등의 다양한 장점이 있다. 따라서 최근에는 식물상 복원 기술에 적용 가능한 식물소재를 선발하기 위한 다양한 연구가 시도 되고 있다(Kim et al., 1999; Kim and Lee, 1999; KrishnaRaj et al., 2000; Kumino et al., 2001).
식물상 복원기술의 식물소재는 수확이 가능한 조직 내에 고농도 의 중금속을 축적하고 이에 대한 내성이 있어야 하며, 높은 성장률 과 생체량을 생산하여 개체 당 중금속의 제거량이 많아야 한다 (KSSGE, 2007). 또한 식물은 기후와 토성 등 주변 환경에 의하여 생육이 크게 달라지고, 이에 따라 중금속 흡수능이 달라질 수 있다 (Park et al., 2002). 그러므로 생태계 교란 방지 및 효과적인 중금속 오염토양 복원을 위해서는 중금속 축적능이 우수한 자생식물의 선 발이 매우 중요한 과제이다.
봉의꼬리(Pteris multifida)는 한반도 자생식물로 비소 축적능 이 매우 우수하며(Du et al., 2005; Oh, 2006; Wang et al., 2006, 2007; Wei et al., 2007; Ju, 2011; Kwon, 2014), Kwon et al(2014)의 연구에서 한반도 지역에서 현장적용이 가능한 식물로 보고되었다. 또한 Ju(2011)의 연구에 의하면 비소로 오염된 제련 소 주변에서 24주간 재배한 봉의꼬리는 비소 축적능이 1,121.68 mg·kg-1 로 매우 우수한 것으로 알려져 있다. 다양한 종류로 오염된 비소 토양에서의 봉의꼬리의 적용 연구는 진행된 바 있으나(Han et al. 2014), 비소의 농도에 따른 봉의꼬리의 적용 가능성 연구는 전 무한 실정이다. 국내에는 폐기물 매립지, 주요소, 폐광지역 등 다양 한 산업시설에서 비소의 오염이 심각한 실정이다(Lee, 2008). 또 한 그 오염정도가 매우 달라 봉의꼬리를 적용하기 위해서는 관련 연구가 시급하다.
따라서, 본 연구는 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 As(III)인 sodium arsenate와 As(V)인 sodium arsenite의 농도를 각 0, 50, 500, 1,000, 2,000mg·kg-1 수준으로 토양에 달리 처리하여 농도에 따른 봉의꼬리의 생육 및 비소 축적능을 분석함으로써 각기 다른 종류와 농도의 비소로 오염된 토양의 정화에 필요한 자료를 얻고자 하였다.
II. 연구 방법
실험에 사용된 봉의꼬리(Pteris multifida)는 조직배양을 통해 번식한 다음 충북 청주시 충북대학교 내의 무가온 비닐하우스에서 1년 동안 육묘한 동일한 생육단계에 있는 것을 실험재료로 사용하 였다(Table 2).
토양은 원예용 상토를 이용하였으며, 비소의 처리를 위해 토양 의 수분이 미량이 되도록 풍건시켰다. 풍건이 완료된 토양은 3kg씩 정량하여 비소를 처리하였다. As(III)인 sodium arsenate와 As(V) 인 sodium arsenite의 농도를 각 0, 50, 500, 1,000, 2,000mg·kg-1 로 달리하여 처리하였다. 모든 처리는 비소가 토양에 균일하게 오 염되도록 7일 동안 하루에 2번씩 충분히 혼합시킨 토양을 실험에 사용하였다.
110mm 크기의 플라스틱 포트에 봉의꼬리를 한주씩 식재한 다 음 70% 차광을 씌운 무가온 비닐하우스에 완전임의배치 3반복으 로 배치하였다. 지상 1.5m에 미스트 장치를 설치하여 2일 1회 20분 식 관수하면서 2012년 8월 11일부터 2012년 11월 4일까지 12주 간 재배한 다음 비소의 종류 및 농도에 따른 봉의꼬리의 생육 및 비 소 축적능을 분석하였다.
초장, 초폭, 엽장, 엽폭, 엽수, 엽록소, 근장, 지상부와 지하부의 생체중 및 건체중 등의 생육 반응은 4주간격으로 각 처리당 5주씩 3반복으로 조사하였다. 엽록소는 엽록소 측정기(SPAD 502, Spectrum Technol. Inc.)를 이용해 3반복으로 조사하여 SPAD value로 나타내었다. 내성 평가지수(Indices tolerance , IT)는 Wilkins(1978)의 방법을 이용하여 실시하였다.
봉의꼬리의 비소 축적능은 60°C의 건조기(Hanbaek Scientific Co., Korea)을 이용하여 72시간 건조시킨 다음 분쇄하여 습식분해 법으로 전처리하였다. 토양은 음건한 다음 나무망치로 분쇄하여 체 걸음(100mesh)한 시료를 토양오염공정시험법에 준하여 전처리 하였다(Korean ministry of environment. 2012.).
전처리한 토양 및 식물의 시료는 유도결합플라즈마분광도계 (Perkin Elmer Optima 5300DV ICP-AES, Perkin Elmer)를 이 용하여 유도결합플라스마-원자발광분광법으로 비소(As)의 함량 을 측정하였다(Korean Ministry of Environment, 2012). 또한 식 물에 축적된 중금속이 지하부에서 지상부로 이동되는 이동계수 (Translocation ratio, TR)는 아래의 식을 이용해 분석하였다.
비소 함량은 3회 3반복으로 측정 하였으며, 식물의 생육은 처리 당 5개체씩 3반복으로 조사하였다. 통계처리는 SAS version 9.3(SAS Institute Inc., Cary, NC USA)을 이용하여 평균과 표준 오차를 구하고, Tukey- Kramer의 다중검정방법(adjustment for multiple comparisons)을 이용하여 p<0.05 수준에서 처리구간의 유의성을 검정하였다.
III. 결과 및 고찰
1. 생육 반응
토양 중에 비소의 농도를 달리하여 재배한 결과, 비소의 종류에 관계없이 50, 500mg·kg-1 처리구에서는 봉의꼬리의 생육이 무처 리구와 비슷하였으나, 비소의 농도가 증가할수록 생육은 무처리에 비해 전반적으로 감소하는 경향을 보였다(Tables 3 and 4). Chang and Lee(2006)등의 비소 내성평가 연구에서도 봉의꼬리는 무처 리에 비해 저농도의 비소를 처리하였을 때 생육이 증가하는 것으로 보고하였다. 이와 같은 경향으로 본 연구에서도 통계적으로 유의하 지 않으나(P<0.05), 50~500mg·kg-1 처리구에서 봉의꼬리의 생 육 무처리구에 비해 증가하는 경향을 보였다.
As(III)인 Na2HAsO4·7H2O 처리구의 경우에는 1,000mg·kg-1 의 농도로 오염된 토양에서도 봉의꼬리의 생육은 전반적으로 무처 리구와 비슷하였다. 그러나 2,000mg·kg-1의 농도에서는 초장, 초 폭, 엽장, 엽폭이 다소 감소하는 경향을 보였다. 엽수와 근장은 비소 의 농도에 관계없이 무처리구와 비슷한 양호한 생육을 보였다. 중 금속의 농도가 증가할수록 식물의 생합성을 억제하여 잎을 황화시 키는 것으로 알려져 있다(Nriagu, 1980; Yang and Lee, 1990). 봉 의꼬리의 경우 비소의 농도가 가장 높았던 2,000mg·kg-1 처리구의 SPAD 값이 48.0으로 무처리구(45.5)에 비해 통계적으로 유의하 지는 않지만 높은 것으로 조사되었다. 따라서 봉의꼬리는 As(III) 의 오염정도가 높은 토양에서의 식물정화기법 소재로써 활용가치 가 높을 것으로 생각된다.
지상부의 생체중은 4주차에는 As(III)와 As(V)처리구는 공히 무처리구와 비슷하였으나, 8주차에는 As(V)에 비해 As(III)처리 구가 다소 낮은 경향을 보였다(Table 3). 일반적으로 As(III)가 As(V)에 비해 독성이 높은 것으로 알려져 있는데(Song et al., 2007), 봉의꼬리 경우에도 독성이 비교적 높은 As(III) 처리구에서 생육이 다소 감소하였기 때문으로 생각된다. 반면 As(V)의 경우에 는 8주차까지 무처리구와 지상부 및 지하부의 생체중이 비슷하였 으며, 12주차에 다소 감소하는 경향을 보였다.
As(V)인 Na2HAsO4·7H2O 처리구에서도 As(III) 처리구와 비 슷하게 비소의 농도가 증가함에 따라 초장, 초폭, 엽장이 감소하는 경향을 보였으며, SPAD 값과 엽수는 비소 무처리구와 비슷하였다 (Table 4). 반면, 근장은 무처리구에 비해 2,000mg·kg-1 농도에서 다소 감소하였다. 봉의꼬리 잎의 SPAD 값은 As(III)와 As(V) 모 두에서 비소의 오염농도가 증가할수록 전반적으로 감소하는 경향 을 보였다.
그러나 비소 오염농도가 가장 낮았던 50 처리구에서 12주 동안 재배한 봉의꼬리의 SPAD 값은 무처리구에 비해 오히려 높았다. 비소에 의한 잎의 황화현상은 나타나지 않았으나, 비교적 고농도였 던 2,000mg·kg-1 처리구에서는 생육이 다소 감소하였다. 이는 비 소가 봉의꼬리의 생장에 악영향을 준 것으로 판단된다. As(V) 처 리구의 지상부와 지하부 건체중은 농도에 관계없이 무처리구와 유 사하였으며, As(III) 처리구는 1,000mg·kg-1 이상의 고농도로 오 염된 처리구에서는 지상부와 지하부의 건체중이 다소 감소하였다.
내성평가의 결과, As(III)와 As(V) 모두에서 식재초기에 봉의꼬 리의 뿌리신장이 비소의 농도가 높을수록 감소하여, 2,000mg·kg-1 처리구에서 4주차의 내성이 각 19.1, 8.5%로 매우 낮았다(Table 5). 따라서 2,000mg·kg-1 처리구는 식재초기에 생육이 다소 불량 하여, 전반적인 생육이 다소 감소한 것으로 생각된다. 그러나 2,000 mg·kg-1로 오염시킨 As(III)와 As(V) 모두에서 재배기간이 증가 할수록 내성도 향상되어, 12주차에는 IT가 91.1, 83.9%로 무처리 구와 유의하지 않았다.
2. 비소 축적
As(III)인 Na2HAsO4·7H2O 처리구의 경우 500mg·kg-1 농도 에서 재배 4주 만에 봉의꼬리 지상부에 2,200mg·kg-1 DW 이상의 비소 축적능을 보였으며, 1,000와 2,000mg·kg-1에서는 건체중 1kg 당 3,000mg 이상의 매우 많은 비소를 축적하였다(Table 6). 이후 재배기간이 경과함에 따라 비소의 오염농도가 높을수록 비소 축적능도 높아지는 경향을 보였다. 고농도인 2,000mg·kg-1에서 12 주 동안 재배한 봉의꼬리 비소 축적능은 지상부에 4,272.7mg·kg-1 DW, 지하부에 2,087.0mg·kg-1 DW로 매우 많은 비소를 축적하였 다. 비교적 저농도였던 50mg·kg-1에서도 지상부와 지하부에 각 802.7, 321.4mg·kg-1 DW의 비소를 축적하였다.
As(V)인 NaAsO2로 오염시켜 12주 동안 재배한 봉의꼬리 지상 부의 비소 축적능은 저농도인 50, 500mg·kg-1에서는 As(III)처리 구에 비해 다소 낮은 622.6, 2,841mg·kg-1 DW이었다. 그러나 고농 도인 1,000과 2,000mg·kg-1에서는 반대로 As(III) 처리구(3,347.8, 4,272.7mg·kg-1 DW)에 비해 As(V) 처리구(3,883.3, 5,250.6 mg·kg-1 DW)에서의 비소 축적량이 더 많았다(Table 6). 지하부의 비소 축적량은 고농도인 2,000mg·kg-1 처리구를 제외한 모든 농도 에서 As(III)처리구가 As(V) 처리구에 비해 많았다.
봉의꼬리의 As(III)와 As(V)의 이동계수(TR)는 0.54~0.79로 흡수한 비소의 대부분을 지상부에 축적하였다(Table 6). 재배 초기 에는 비소의 종류에 관계없이 고농도에서 TR이 높았던 반면, 재배 기간이 경과할수록 고농도에서 봉의꼬리 지하부의 비소 축적능이 증가하여 저농도에서의 TR이 더 높은 경향을 보였다.
지상부의 비소 축적능이 1,000mg·kg-1 이상인 식물을 비소의 고축적 식물로 정의하며(Baker and Books, 1989), 흡수한 중금속 을 지하부에 비해 지상부에 축적하는 종이 식물정화기법 소재로 활 용가치가 높은 것으로 알려져 있다(Baker, 1981, Jeong, 2011).
본 연구의 봉의꼬리는 토양비소의 종류와 농도에 관계없이 비소 의 축적량이 1,000mg·kg-1 DW 이상으로 매우 우수한 hyperaccumulator 종이며, 흡수한 비소의 60%이상을 지상부에 축적하 여 지상부만을 제거함으로써 토양 내 중금속 정화를 기대할 수 있 으며, 다년간 재배할 수 있는 식물로 식물정화기법 소재로 활용가 치가 매우 높은 종임을 확인하였다.
3. 토양의 비소 변화량
토양 내 비소는 재배기간이 증가할수록 모든 처리구에서 감소되 는 경향이었으며, 12주 동안 봉의꼬리를 재배한 토양의 비소 함량 은 13.7~9.7% 감소하였다(Table 7). 봉의꼬리의 비소 축적량은 고농도인 2,000mg·kg-1 처리구에서 가장 높았는데, 토양의 비소 감소량 또한 2,000mg·kg-1 처리구에서 As(III)는 701.5mg·kg-1 DW, As(V)는 432.8mg·kg-1 DW 로 가장 많이 감소하였다.
과거에는 염소계 유기 오염물질에 대한 조사 및 복원이 주를 이 루었으나, 최근에는 중금속 등의 무기 오염물질에 대한 위해성이 알려지면서, 휴·폐금속광산 및 제련소 일대를 중심으로 많은 조사 및 복원이 진행되고 있다(Kim et al., 2006). 우리나라에서 비소오 염 및 피해는 금속광산 및 제련소 인근의 토양에서 나타나는 경우 가 많으며 다양한 비소의 종류와 농도로 오염되어 있다(Kim and Kim, 2004).
이에 본 연구는 농업 및 산업분야에서 널리 사용되고 있어, 그 오 염정도가 심각한 것으로 알려진 대표적인 As(III)인 sodium arsenate(Na2HAsO4·7H2O)와 As(V)인 sodium arsenite(NaAsO2) 로 오염된 토양에서 봉의꼬리의 생육 및 비소 축적능을 분석하여 비소의 종류 및 농도에 따른 봉의꼬리의 식물정화기법 적용 가능성 을 분석하여 토양의 정화에 필요한 자료를 얻고자 하였다. 연구의 결과, 봉의꼬리는 고농도의 비소 오염지역에서도 생육 및 비소 축 적능이 매우 높은 hyperaccumulator 종임을 알 수 있었다. 따라서 봉의꼬리는 향후 식물정화기법 소재로써 활용가치가 매우 우수한 종으로 판단된다.
IV. 적요
비소의 농도에 따른 봉의꼬리의 생육 반응 및 비소 축적능을 분석 하기 위해 As(III)와 As(V)의 농도를 달리하여 봉의꼬리를 12주간 재배하였다. 연구의 결과 비소의 종류에 관계없이 50, 500mg·kg-1 처리구는 비소 무처리구와 생육이 비슷하였으나, 비소의 농도가 증 가할수록 초장이 감소되는 경향을 보였다. 비소의 농도를 50, 500mg·kg-1 처리하여 재배한 봉의꼬리 지상부의 비소 축적능은 As(III) 처리구가 각 802.7, 2,956.0mg·kg-1 DW로, As(V) 처리구 (622.6, 2,841mg·kg-1 DW)에 비해 높았다. 그러나 고농도 처리구 인 1,000과 2,000mg·kg-1에서는 As(V) 처리구(3,883.3, 5,250.6 mg·kg-1 DW)에서 As(III) 처리구(3,347.8, 4,272.7 mg·kg-1 DW) 에 비해 비소 축적능이 더 우수하였다. 지하부의 축적능은 2,000 mg·kg-1 농도 처리구를 제외한 모든 농도에서 sodium arsenate 처 리구가 sodium arsenite 처리구에 비해 높았다.