KR20160062347A - 거대억새를 이용한 중금속 오염 토양의 정화방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)는 카드뮴(Cadmium, Cd), 구리(Copper, Cu), 납(Lead, Pb), 아연(Zinc, Zn) 및 비소(Arsenic, As)로 오염시킨 토양에 심음으로써, 토양 내 상기 중금속 모두의 농도가 현저히 감소하고, 식물체 내 중금속 흡수량이 증가하는 것을 확인함으로써, 상기 거대억새를 이용한 중금속 오염 지역에서의 중금속 제거방법 및 중금속 오염 토양 정화방법으로 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)를 이용한 중금속 오염 지역의 중금속 제거방법에 관한 것이다.
식물환경복원(Phytoremediation)은 오염토양 및 지하수를 포함한 수질의 환경오염물질을 분해하는데 식물의 능력을 이용하는 자연친화적인 환경복원 방법 가운데 하나이다. 구체적으로 식물이 뿌리로 수분과 토양의 양분을 흡수하는 능력을 이용해 지하수와 토양의 오염물질을 제거하는 방법이다. 뿌리에 있는 균과 미생물 등의 공동작용으로 인해 정화되는데, 특히 낮은 농도로 넓은 범위에 걸쳐 오염된 경우에 효과적이다. 흡수된 오염물질은 식물 체내에 있는 균과 미생물의 움직임에 의해 스스로 분해되어 처리되기도 하지만, 식물 체내에 흡수되어 농축된 경우에는 식물을 잘라 오염물질을 제거하도록 한다. 식물환경복원법은 물리·화학적 공법에 비해 경제적이고, 2차 오염 부산물 발생이 적다는 장점을 가지고있다.
식물환경복원은 유해한 오염물질을 제거, 안정화, 무독화시키는데 식물을 이용하는 것으로 토양오염정화에는 식물추출법(phytoextraction), 식물안정화법(phytostabilization), 식물촉진법(phytostimulation), 식물휘산법(phytovolatilization) 및 식물전환법(phytotransformation) 등이 있으며, 하천 및 지하수 오염정화에는 뿌리여과법(rhizofiltration), 수리적 방벽법(hydraulic barrier), 식물정제법(vegetative caps) 및 인공 습지법(constructed wetlands) 등의 방법이 있다(Pulford et al., 2003). 식물환경복원의 효율적인 뿌리 발달에 영향을 미치는 인자는 토양조성, 토양수분, 토양 내 공기, 토양온도, 무기영양분, 화학독성 및 토양 pH 등이 있다(Pulford et al., 2003; Raskin et al., 1997).
식물추출법은 식물조직이 뿌리로부터의 흡수능을 이용해 토양이나 물로부터 중금속이나 방사성 물질과 같은 무기오염물질을 체내에 흡수, 축적한 후 식물을 수확하여 오염물질을 제거, 정화하도록 하는 기술이다. 식물추출법에 의해 제거되는 오염물질은 중금속(카드뮴, 구리, 납, 아연, 비소 및 니켈 등), 방사성 물질이며, 오염물질을 제거하는 대표적인 식물종은 해바라기, 인도겨자, 보리, 십자화과 식물, 쐐기풀 및 민들레 등이다.
식물안정화법은 금속과 같은 오염물질이 용존 상태에서 침전되거나 또는 식물 뿌리나 주변 토양기질에 흡착됨으로써 안정화되는 방법으로 풍화 및 침식 경로에 의한 오염원의 이동을 막아 인근의 지하수로 용출되는 것을 효과적으로 제어할 수 있는 방법으로, 이 같은 처리에 적합한 식물은 대상오염에 대한 높은 내성을 갖고, 뿌리를 통해 흡수, 침전 및 환원시킴으로써 오염물질을 고정화시킬 정도의 높은 뿌리 생체량을 생산하며, 오염물질을 뿌리로부터 지상부로 이동시키지않고 뿌리 내에 함유하는 능력을 갖추어야한다.
식물휘산법은 오염물질이 식물체에 의해 흡수된 후 대사과정을 통해 휘발성산물로 변하여 대기로 방출되는 것을 말하며, 주로 지하수에 적용되고 있으나 토양이나 폐기물 등에도 적용될 수 있다. 생산된 휘발성산물은 대개 독성이 약화되지만 경우에 따라 독성이 강해지는 경우도 있다.
뿌리여과법은 식물체의 뿌리 부근의 미생물 군집이 뿌리의 도움을 받아 오염물질을 분해하는 것을 말한다. 경비가 적게 소요되며 오염물질이 현장에서 분해되므로 따로 처리할 필요가 없는 점이 장점이다. 그러나 뿌리가 충분히 발달하기 위해서는 시간이 많이 소요되며 서로 다른 미생물간의 상호작용에 대해서도 고려할 필요가 있다.
중금속(heavy metals)이란 비중이 약 4 이상인 금속원소의 총칭으로 안티몬, 납, 수은, 아연, 카드뮴, 크롬, 비소, 니켈 등이 이에 속한다. 중금속 중 구리, 아연, 니켈, 코발트 등은 생명체에 없어서는 안되는 필수 원소이나 고농도의 중금속에 노출될 경우에는 생물체에 치명적인 독성물질로 작용한다. 이러한 중금속은 토양 입자에 쉽게 흡착되어 토양 내 중금속 축적을 유발할 뿐 아니라, 수질 오염 및 식생 파괴 등과 같은 2, 3차 오염을 유발할 수 있다. 중금속은 다른 유기화합물 오염원과는 달리 독성이 없는 물질로 분해되거나 안정한 화합물의 형태로 변환되지 않고 오래도록 생태계 내에 잔류하며 토양 및 수질 등을 오염시킨다(Kumino et al., 2001). 최근에는 이러한 오염물질 제거방법의 발달로 이온교환법, 활성탄 흡착법 및 생물학적 처리 등을 이용하여 중금속을 처리하고 있다(이 등, 2002; 구 등, 토양환경공학, 2001; Sastre et al., 2002).
카드뮴(Cadmium, Cd)은 화학적으로 아연과 유사하며, 자연계에서는 아연과 함께 존재한다. 인간의 경구치사량은 350 내지 3500 ㎎이며, 내장을 통해 쉽게 흡수되어 간, 신장에 저장되며, 급성중독으로는 위장장해를 일으키고, 만성중독으로 대소변의 흑변, 장염, 폐, 골육 등의 장해, 혈액 장애와 이따이이따이병을 일으킨다.
구리(Copper, Cu)는 성인은 2 내지 5 ㎎ 섭취시 땀이나 요로 배설되어 인체에 축적이 없으므로 만성중독의 위험은 적으나, 과잉 섭취(치사량 5 내지 15 g)할 경우 헛구역질, 복통, 간장, 신장 장애 등에 영향을 준다. 1인 1일 평균섭취량은 1.2 내지 1.4 ㎎이다.
납(Lead, Pb)은 유해하며 체내에 녹아 납 이온이 발생한다. 흡수성이 강하여 섭취량이 100% 흡수되며, 뼈에 침착, 골수에 영향을 미쳐 헤모글로빈의 합성 장애를 유발시키며 중독 증세는 두통, 시력감퇴, 구강염, 빈혈 등이 있다.
아연(Zinc, Zn)은 자연계에서 ZnS, ZnO, ZnCO3 등으로 산출되며 자연수 중에는 존재하지 않으나 지하수의 경우 아연이 이산화탄소가 많은 물에 잘 녹기 때문에 존재한다. 성인의 치사량은 ZnSO4로 3 내지 5 g, ZnCl2로는 1 내지 10 g이며, 만성중독은 발생하지않고, 주로 소장, 십이지장에서 흡수되어 대소변으로 배설된다.
비소(Arsenic, As)는 해조류에 비교적 많이 함유되어 있고, 수중에서 황, 구리, 코발트, 납 및 아연 등과 함께 화합물의 형태로 존재한다. 만성중독의 경우 3 내지 6 ㎎을 장기간 섭취할 경우 수족의 지각장해, 손발각화, 빈혈, 흑피증(피부청동색), 발암을 유발하며, 급성중독의 경우 70 내지 200 ㎎을 일시적으로 섭취할 경우 구토, 설사를 유발하고, 1200 ㎎ 이상 신체에 유입하게 되면 사망한다.
억새는 화본과(Poacea) 중 C4 광합성 경로를 가진 식물군인 기장아과(Poniccoideae)의 쇠풀족(Andropogoneae) 억새속(Miscanthus)에 속하는 식물이다. 세계적으로 억새속 식물에는 17개 종이 존재한다고 알려져있다. 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)는 물억새(Miscanthus sacchariflous) 일종으로써 염색체 수가 76개인 4배체이다. 거대억새는 일반 물억새에 비해 2배 이상 크고 굵어 바이오매스 수량이 일반 물억새에 비해 50% 이상 많다. 억새가 섬유질계 에탄올을 생산하는데 유리하며, 회분 함량이 적어 보일러, 발전소 등에서 원료로 사용되고, 직접 연소해도 시설 부식이 적다는 장점을 가지고있어, 고효율 저비용 에너지 작물로 인정받는다(문 등, 2010). 거대억새 1호, 2호 및 3호는 대한민국 농촌진흥청에서 바이오에너지용으로 개발한 종으로 같은 거대억새라는 명을 가지고있지만, 유전학적 성질 및 거대억새 고유의 특성에 대해서는 전혀 상이한 것으로 알려져있다. 그러나, 이러한 거대억새가 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소 모두를 유의적으로 흡수하여 중금속으로 오염된 지역에서 중금속 정화 능력에 대한 연구결과는 아직 보고된 바가 없고, 또한, 거대억새 1호, 2호 및 3호 중 어떤 종류가 중금속에 대한 정화 능력을 가지는지도 연구된 바가 없다.
이에, 본 발명자들은 중금속 오염 토양을 정화할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 연구한 결과, 거대억새를 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 오염시킨 토양에 심음으로써, 토양 내 중금속 농도가 현저히 감소하고, 식물체 내 중금속 흡수량이 증가하는 것을 확인함으로써, 상기 거대억새를 중금속에 오염된 지역 정화에 유용하게 사용될 수 있음을 밝힘으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 중금속으로 오염된 지역에 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)를 식재하는 단계를 포함하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중금속으로 오염된 지역에 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)를 식재하는 단계를 포함하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 카드뮴(Cadmium, Cd), 구리(Copper, Cu), 납(Lead, Pb), 아연(Zinc, Zn) 및 비소(Arsenic, As)로 구성된 중금속으로 오염된 토양에 거대억새 3호(Geodae-Uksae 3)를 식재하는 단계를 포함하는 거대억새를 이용한 중금속으로 오염된 토양 정화 방법을 제공한다.
본 발명의 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)는 카드뮴(Cadmium, Cd), 구리(Copper, Cu), 납(Lead, Pb), 아연(Zinc, Zn) 및 비소(Arsenic, As)로 오염시킨 토양에 심음으로써, 토양 내 상기 중금속 모두의 농도가 현저히 감소하고, 식물체 내 중금속 흡수량이 증가하는 것을 확인함으로써, 상기 거대억새를 이용한 중금속 오염 토양의 정화방법으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 레벨에 따라 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)의 카드뮴(Cadmium, Cd) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 카드뮴 농도;
G1: 거대억새 1호(Geodae-Uksae 1);
G2: 거대억새 2호(Geodae-Uksae 2);
G3: 거대억새 3호(Geodae-Uksae 3); 및
Co: 코스모폴리탄(cosmopolitan).
도 2는 레벨에 따라 거대억새의 구리(Copper, Cu) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 구리 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
도 3은 레벨에 따라 거대억새의 납(Lead, Pb) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 납 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
도 4는 레벨에 따라 거대억새의 아연(Zinc, Zn) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 아연 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
도 5는 레벨에 따라 거대억새의 비소(Arsenic, As) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 비소 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
control: 오염된 토양에서 최종 카드뮴 농도;
G1: 거대억새 1호(Geodae-Uksae 1);
G2: 거대억새 2호(Geodae-Uksae 2);
G3: 거대억새 3호(Geodae-Uksae 3); 및
Co: 코스모폴리탄(cosmopolitan).
도 2는 레벨에 따라 거대억새의 구리(Copper, Cu) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 구리 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
도 3은 레벨에 따라 거대억새의 납(Lead, Pb) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 납 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
도 4는 레벨에 따라 거대억새의 아연(Zinc, Zn) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 아연 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
도 5는 레벨에 따라 거대억새의 비소(Arsenic, As) 오염 토양 정화 능력 확인한 도이다:
control: 오염된 토양에서 최종 비소 농도;
G1: 거대억새 1호;
G2: 거대억새 2호;
G3: 거대억새 3호; 및
Co: 코스모폴리탄.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 중금속으로 오염된 지역에 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)를 식재하는 단계를 포함하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법을 제공한다.
상기 중금속은 카드뮴(Cadmium, Cd), 구리(Copper, Cu), 납(Lead, Pb), 아연(Zinc, Zn) 및 비소(Arsenic, As)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 중금속으로 오염된 지역은 중금속으로 오염된 토양, 중금속으로 오염된 물 및 중금속으로 오염된 강으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 거대억새는 거대억새 1호(Geodae-Uksae 1), 거대억새 2호(Geodae-Uksae 2) 및 거대억새 3호(Geodae-Uksae 3)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 중금속 제거는 거대억새의 체내에 중금속을 흡수하여 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 구성된 중금속으로 오염된 토양에 거대억새 3호를 식재하는 단계를 포함하는 거대억새를 이용한 중금속으로 오염된 토양 정화 방법을 제공한다.
본 발명의 구체적인 실시예에서, 본 발명자들은 억새속(Miscanthus) 식물로 거대억새 1호(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae 1), 거대억새 2호(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae 2), 거대억새 3호(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae 3) 및 코스모폴리탄(Miscanthus sacchariflorus var. condensatus Cosmopolitan)을 사용하여 실험하였고, 토양에서 중금속(카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소) 농도를 레벨 1은 환경부에서 고시한 1 지역의 '토양 오염 우려 기준' 농도이고, 레벨 2는 1 지역의 '토양 오염 대책 기준' 농도이며, 레벨 3은 1 지역의 '토양 오염 대책 기준'의 2배 농도로 3가지 레벨로 설정해서 토양을 오염시켜 실험을 진행하였다(표 1 내지 표 3 참조). 설정한 레벨로 오염시킨 토양에 억새 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 2달 동안 재배한 후, 처리 농도별, 품종별 지상부 및 지하부를 구분하여 잘라 건조시켜 무게를 측정하여 이를 식물체 내 중금속 총 함량 산출시 사용하였다(표 4 참조). 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 오염시킨 복합오염토양에 억새 4종류를 심고 2달 동안 재배한 후, 각 중금속 별로 토양에 남아있는 중금속 농도와 식물체 내 중금속 흡수량을 측정한 결과, 레벨 1 및 레벨 2에서는 거대억새와 코스모폴리탄의 정화능이 비슷하였으나, 코스모폴리탄은 레벨 2 및 레벨 3에서 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적으로 중금속 정화에는 유용하지 않음을 확인하였고, 거대억새 중에서는 거대억새 2호는 레벨 3에서 일부 고사가 나타나는 것을 확인하였으며, 지하부가 지상부보다 중금속 흡수량이 높음으로써, 지하부로 흡수되어 지상부로 올라감을 확인하였다(도 1 내지 도 5 및 표 5 내지 표 9 참조). 결과를 토대로 코스모폴리탄의 경우 토양 정화능을 갖기는 하지만, 중금속 농도가 높은 토양에서는 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적 및 중금속 농도가 높은 토양에서의 중금속 정화에는 유용하지 않고, 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 구성된 복합오염토양에서 중금속 종류에 따른 정화능이 차이가 나타남을 확인하였다. 또한, 거대억새의 경우 거대억새 2호는 중금속 농도가 높은 토양에서 일부 고사하였으나, 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 구성된 복합오염토양에서 모든 중금속 종류에 비슷한 정화능 및 흡수능을 확인하였고, 거대억새 1호 보다 거대억새 3호의 정화능 및 흡수능이 뛰어나고, 중금속 오염이 심할수록 이러한 정화능 및 흡수능이 더 뛰어남을 확인하였다.
따라서, 본 발명은 거대억새를 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 오염시킨 토양에 심음으로써, 토양 내 상기 중금속 모두의 농도가 현저히 감소하고, 식물체 내 중금속 흡수량이 증가하는 것을 확인함으로써, 상기 거대억새를 이용한 중금속 오염 지역에서의 중금속 제거방법 및 중금속 오염 토양 정화방법으로 유용하게 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
1> 거대억새(
Miscanthus
sacchariflorus
var
.
Geodae
-
Uksae
)의 준비
거대억새는 국립식량과학원 바이오에너지작물센터로부터 공급받아 40 내지 50 ㎝ 가량 되는 크기의 억새를 선별하여 공시작물로 사용하였다.
실험에 사용한 억새 종류는 총 4종류이며, 억새속(Miscanthus) 식물로 거대억새 1호(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae 1), 거대억새 2호(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae 2), 거대억새 3호(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae 3) 및 코스모폴리탄(Miscanthus sacchariflorus var. condensatus Cosmopolitan)을 사용하였다.
<
실시예
2> 중금속 오염 토양의 준비
실험을 위해 카드뮴(Cadmium, Cd), 구리(Copper, Cu), 납(Lead, Pb), 아연(Zinc, Zn) 및 비소(Arsenic, As) 중금속 오염 토양을 준비하였다.
실험은 대조군을 포함하여 총 3가지 처리군(레벨 1, 레벨 2 및 레벨 3)으로 구성하였다. 각 처리군의 중금속 농도는 레벨 1은 환경부에서 고시한 1 지역의 '토양 오염 우려 기준' 농도이고, 레벨 2는 1 지역의 '토양 오염 대책 기준' 농도이며, 레벨 3은 1 지역의 '토양 오염 대책 기준'의 2배 농도로 설정하였다(표 1).
| 물질 (㎎/㎏-1) |
1 지역 | 2 지역 | 3 지역 | |||
| 우려 기준 | 대책 기준 | 우려 기준 | 대책 기준 | 우려 기준 | 대책 기준 | |
| 카드뮴 | 4 | 12 | 10 | 30 | 60 | 180 |
| 구리 | 150 | 450 | 500 | 1500 | 2000 | 6000 |
| 납 | 200 | 600 | 400 | 120 | 700 | 2100 |
| 아연 | 300 | 900 | 600 | 1800 | 2000 | 5000 |
| 비소 | 25 | 75 | 50 | 150 | 200 | 600 |
[비고] 1 지역: 「지적법」에 따른 지목이 전·답·과수원·목장용지·광천지·대(「지적법 시행령」제5조 제8호 가목 중 주거의 용도로 사용되는 부지만 해당한다)·학교용지·구거(溝渠)·양어장·공원·사적지·묘지인 지역과 「어린이놀이시설 안전관리법」 제2조 제2호에 따른 어린이 놀이시설(실외에 설치된 경우에만 적용한다) 부지
상기 표 1의 중금속 농도를 기준으로 처리 농도에 맞게 하기 표 2와 같이 중금속(카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소)을 혼합하여 일반 토양에 인위적으로 오염시켜(spiking) 실험 재료로 사용하였다(표 2).
| 처리군 | 카드뮴(Cd) | 구리(Cu) | 납(Pb) | 아연(Zn) | 비소(As) |
| (㎎/㎏-1) | |||||
| 대조군 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 레벨 1 | 4 | 150 | 200 | 300 | 25 |
| 레벨 2 | 12 | 450 | 600 | 900 | 75 |
| 레벨 3 | 24 | 900 | 1200 | 1800 | 150 |
<
실시예
3> 토양에서의 중금속 농도 확인
상기 <실시예 2>에서 준비한 중금속 오염 토양의 각 처리구별 중금속 농도를 확인하였다.
구체적으로, 토양 내 중금속 분석은 토양을 마쇄하여 0.15 mm의 표준체(100 메쉬(mesh))로 체거름한 시료 3 g을 0.001 g까지 정밀하게 취하여 Kjeldahl flask에 넣고 약 0.51 mL의 증류수로 시료를 적신다. 여기에 염산 21 mL를 첨가하면서 잘 섞은 다음 질산 7 mL를 가하여 잘 저어준 후 80℃로 2시간 30분 동안 가열한다. 분해가 끝나면 플라스크를 냉각시킨 후 분해액을 Whatman(No. 42) 여과지로 100 mL 메스 플라스크(volumetric flask)에 여과와 동시에 0.5N HNO3를 첨가하여 부피를 맞춘 후 이 분해액 중의 중금속(카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소)을 유도결합플라즈마 분광분석기(ICP-OES, Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer)(8300DV, Perkin Elmer, 미국)로 측정하였다.
그 결과, 표 3에 나타낸 바와 같이, 인위적으로 오염시킨 토양의 중금속 농도를 확인하였다(표 3).
| 물질 | 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 |
| (㎎/㎏-1) | |||
| 카드뮴 | 4.43 | 13.18 | 25.47 |
| 구리 | 225.00 | 560.17 | 1029.67 |
| 납 | 202.43 | 521.67 | 1012.50 |
| 아연 | 371.50 | 870.17 | 1551.33 |
| 비소 | 28.30 | 61.03 | 124.65 |
<
실시예
4> 거대억새의
건중량
확인
상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 2달 동안 재배한 후, 처리 농도별, 품종별 지상부 및 지하부를 구분하여 잘라 70℃에서 72시간 동안 건조시켜 그 무게를 측정하였다. 이는 식물체 내 중금속 총 함량 산출시 필요하다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다(표 4).
| 억새 종류 | 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | |||
| 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | |
| (㎎/㎏-1) | ||||||
| 거대억새 1호 | 4.04 | 3.31 | 1.63 | 2.75 | 1.30 | 1.93 |
| 거대억새 2호 | 2.81 | 2.84 | 1.64 | 1.57 | 고사 | 고사 |
| 거대억새 3호 | 4.40 | 3.57 | 2.20 | 3.69 | 1.53 | 3.13 |
| 코스모폴리탄 | 1.67 | 6.83 | 고사 | 고사 | 고사 | 고사 |
<
실시예
5> 거대억새의 중금속 오염 토양 정화 능력 확인
<5-1> 거대억새의 카드뮴 오염 토양 정화 능력 확인
상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 <실시예 3>과 동일한 방법으로 토양의 카드뮴 농도를 측정하였다.
그 결과 도 1에 나타낸 바와 같이, 레벨 1 및 레벨 2에서는 거대억새와 코스모폴리탄의 정화능이 비슷하였으나, 코스모폴리탄은 레벨 2 및 레벨 3에서 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적으로 중금속 정화에는 유용하지 않음을 확인하였다. 또한, 거대억새 중에서는 거대억새 2호는 레벨 3에서 일부 고사가 나타나는 것을 확인하였다(도 1).
또한, 거대억새의 카드뮴 흡수량을 측정하기 위해, 상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 거대억새의 지상부 및 지하부를 구분하여 잘라 드라이오븐(dry oven) 70℃에서 72시간 동안 건조시킨 후, 자기제 막자사발에서 분쇄하였다. 분쇄된 시료 0.5 g에 10 ㎖의 질산을 넣고 하루동안 방치하였다. 방치한 시료를 전열판에 올려놓고 낮은 온도로 가열하면서 온도를 단계적으로 높이며 분해하였다. 분해과정 중에 100℃에서는 검정색, 약 150℃에서는 붉은색, 약 180℃에서는 노란색, 약 200℃에서는 백색의 변화를 보이며, 백색이 되었을 때 분해를 완료하였다. 분해가 완료된 시료를 냉각시키고 50 ㎖ 용량플라스크(mass flask)에 Whatman(No. 42) 여과지와 증류수(약 60℃)를 이용해 여과시킨 후, 용량플라스크 안의 여과된 여액이 실온이 되면 이 시료를 ICP-OES를 이용하여 측정하였다. 모든 실험은 3번 반복 실험하였다.
그 결과, 표 5에 나타낸 바와 같이, 거대억새 1호, 거대억새 2호 및 거대억새 3호 모두 지상부 및 지하부에서 흡수된 카드뮴이 확인되었고, 이는 지하부가 지상부보다 높음으로써, 지하부로 흡수되어 지상부로 올라감을 확인하였다(표 5).
| 억새 종류 | 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | |||
| 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | |
| ㎍ | ||||||
| 거대억새 1호 | 3.23 | 36.41 | 25.27 | 85.80 | 8.84 | 214.23 |
| 거대억새 2호 | 15.17 | 9.36 | 2.07 | 89.02 | 고사 | 고사 |
| 거대억새 3호 | 48.07 | 99.15 | 2.35 | 149.19 | 9.20 | 193.44 |
| 코스모폴리탄 | 28.17 | 168.02 | 고사 | 고사 | 고사 | 고사 |
| 과축적식물의 기준 | 기관에서의 카드뮴 > 0.1 mg/g-1(0.01%) | |||||
<5-2> 거대억새의 구리 오염 토양 정화 능력 확인
상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 <실시예 3>과 동일한 방법으로 토양의 구리 농도를 측정하였다.
그 결과 도 2에 나타낸 바와 같이, 레벨 1 및 레벨 2에서는 거대억새와 코스모폴리탄의 정화능이 비슷하였으나, 코스모폴리탄은 레벨 2 및 레벨 3에서 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적으로 중금속 정화에는 유용하지 않음을 확인하였다. 또한, 거대억새 중에서는 거대억새 2호는 레벨 3에서 일부 고사가 나타나는 것을 확인하였다(도 2).
또한, 거대억새의 구리 흡수량을 측정하기 위해, 상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 실시예 <5-1>과 동일한 방법으로 억새 종류별 구리 흡수량을 측정하였다. 모든 실험은 3번 반복 실험하였다.
그 결과, 표 6에 나타낸 바와 같이, 거대억새 1호, 거대억새 2호 및 거대억새 3호 모두 지상부 및 지하부에서 흡수된 구리가 확인되었고, 이는 지하부가 지상부보다 높음으로써, 지하부로 흡수되어 지상부로 올라감을 확인하였다(표 6).
| 억새 종류 | 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | |||
| 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | |
| ㎍ | ||||||
| 거대억새 1호 | 불검출 | 257.30 | 318.18 | 265.38 | 불검출 | 1506.17 |
| 거대억새 2호 | 310.22 | 22.11 | 18.64 | 236.60 | 고사 | 고사 |
| 거대억새 3호 | 455.06 | 694.07 | 1.54 | 602.40 | 2.35 | 1759.27 |
| 코스모폴리탄 | 237.31 | 1170.66 | 고사 | 고사 | 고사 | 고사 |
| 과축적식물의 기준 | 기관에서의 구리 > 1 mg/g-1(0.1%) | |||||
<5-3> 거대억새의 납 오염 토양 정화 능력 확인
상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 <실시예 3>과 동일한 방법으로 토양의 납 농도를 측정하였다.
그 결과 도 3에 나타낸 바와 같이, 레벨 1 및 레벨 2에서는 거대억새와 코스모폴리탄의 정화능이 비슷하였으나, 코스모폴리탄은 레벨 2 및 레벨 3에서 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적으로 중금속 정화에는 유용하지 않음을 확인하였다. 또한, 거대억새 중에서는 거대억새 2호는 레벨 3에서 일부 고사가 나타나는 것을 확인하였다(도 3).
또한, 거대억새의 납 흡수량을 측정하기 위해, 상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 실시예 <5-1>과 동일한 방법으로 억새 종류별 납 흡수량을 측정하였다. 모든 실험은 3번 반복 실험하였다.
그 결과, 표 7에 나타낸 바와 같이, 거대억새 1호, 거대억새 2호 및 거대억새 3호 모두 지상부 및 지하부에서 흡수된 납이 확인되었고, 이는 지하부가 지상부보다 높음으로써, 지하부로 흡수되어 지상부로 올라감을 확인하였다(표 7).
| 억새 종류 | 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | |||
| 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | |
| ㎍ | ||||||
| 거대억새 1호 | 3.50 | 43.91 | 37.49 | 80.85 | 4.16 | 399.12 |
| 거대억새 2호 | 13.49 | 11.62 | 2.83 | 51.18 | 고사 | 고사 |
| 거대억새 3호 | 43.97 | 89.17 | 4.41 | 170.32 | 5.72 | 532.37 |
| 코스모폴리탄 | 19.04 | 106.55 | 고사 | 고사 | 고사 | 고사 |
| 과축적식물의 기준 | 기관에서의 납 > 1 mg/g-1(0.1%) | |||||
<5-4> 거대억새의 아연 오염 토양 정화 능력 확인
상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 <실시예 3>과 동일한 방법으로 토양의 아연 농도를 측정하였다.
그 결과 도 4에 나타낸 바와 같이, 레벨 1 및 레벨 2에서는 거대억새와 코스모폴리탄의 정화능이 비슷하였으나, 코스모폴리탄은 레벨 2 및 레벨 3에서 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적으로 중금속 정화에는 유용하지 않음을 확인하였다. 또한, 거대억새 중에서는 거대억새 2호는 레벨 3에서 일부 고사가 나타나는 것을 확인하였다(도 4).
또한, 거대억새의 아연 흡수량을 측정하기 위해, 상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 실시예 <5-1>과 동일한 방법으로 억새 종류별 아연 흡수량을 측정하였다. 모든 실험은 3번 반복 실험하였다.
그 결과, 표 8에 나타낸 바와 같이, 거대억새 1호, 거대억새 2호 및 거대억새 3호 모두 지상부 및 지하부에서 흡수된 아연이 확인되었고, 이는 지하부가 지상부보다 높음으로써, 지하부로 흡수되어 지상부로 올라감을 확인하였다(표 8).
| 억새 종류 | 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | |||
| 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | |
| ㎍ | ||||||
| 거대억새 1호 | 1250.0 | 3098.4 | 2038.8 | 5115.3 | 2220.4 | 15027.0 |
| 거대억새 2호 | 1650.6 | 1096.9 | 1063.3 | 5286.2 | 고사 | 고사 |
| 거대억새 3호 | 1933.2 | 2570.4 | 1136.9 | 10433.3 | 2438.9 | 17836.6 |
| 코스모폴리탄 | 2079.6 | 12475.7 | 고사 | 고사 | 고사 | 고사 |
| 과축적식물의 기준 | 기관에서의 아연 > 10 mg/g-1(1%) | |||||
<5-5> 거대억새의 비소 오염 토양 정화 능력 확인
상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 <실시예 3>과 동일한 방법으로 토양의 비소 농도를 측정하였다.
그 결과 도 5에 나타낸 바와 같이, 레벨 1 및 레벨 2에서는 거대억새와 코스모폴리탄의 정화능이 비슷하였으나, 코스모폴리탄은 레벨 2 및 레벨 3에서 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적으로 중금속 정화에는 유용하지 않음을 확인하였다. 또한, 거대억새 중에서는 거대억새 2호는 레벨 3에서 일부 고사가 나타나는 것을 확인하였다(도 5).
또한, 거대억새의 비소 흡수량을 측정하기 위해, 상기 <실시예 2>와 동일한 방법으로 중금속 오염시킨 토양에 억새 종류 4종류(거대억새 1호, 거대억새 2호, 거대억새 3호 및 코스모폴리탄)를 심고 두 달 동안 재배한 후, 상기 실시예 <5-1>과 동일한 방법으로 억새 종류별 비소 흡수량을 측정하였다. 모든 실험은 3번 반복 실험하였다.
그 결과, 표 9에 나타낸 바와 같이, 거대억새 1호, 거대억새 2호 및 거대억새 3호 모두 지상부 및 지하부에서 흡수된 비소가 확인되었고, 이는 지하부가 지상부보다 높음으로써, 지하부로 흡수되어 지상부로 올라감을 확인하였다(표 9).
| 억새 종류 | 레벨 1 | 레벨 2 | 레벨 3 | |||
| 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | 지상부 | 지하부 | |
| ㎍ | ||||||
| 거대억새 1호 | 3.77 | 23.61 | 13.04 | 17.06 | 0.65 | 60.99 |
| 거대억새 2호 | 12.18 | 3.40 | 불검출 | 18.53 | 고사 | 고사 |
| 거대억새 3호 | 26.09 | 62.06 | 불검출 | 33.92 | 불검출 | 39.40 |
| 코스모폴리탄 | 16.37 | 91.52 | 고사 | 고사 | 고사 | 고사 |
| 과축적식물의 기준 | 기관에서의 비소 > 1 mg/g-1(0.1%) | |||||
상기 <실시예 5>를 통해, 코스모폴리탄의 경우 토양 정화능을 갖기는 하지만, 중금속 농도가 높은 토양에서는 고사하는 것을 확인함으로써, 지속적 및 중금속 농도가 높은 토양에서의 중금속 정화에는 유용하지 않고, 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 구성된 복합오염토양에서 중금속 종류에 따른 정화능이 차이가 나타남을 확인하였다. 또한, 거대억새의 경우 거대억새 2호는 중금속 농도가 높은 토양에서 일부 고사하였으나, 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 구성된 복합오염토양에서 모든 중금속 종류에 비슷한 정화능 및 흡수능을 확인하였고, 거대억새 1호 보다 거대억새 3호의 정화능 및 흡수능이 뛰어남을 확인하였다.
Claims (6)
- 중금속으로 오염된 지역에 거대억새(Miscanthus sacchariflorus var. Geodae-Uksae)를 식재하는 단계를 포함하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 중금속은 카드뮴(Cadmium, Cd), 구리(Copper, Cu), 납(Lead, Pb), 아연(Zinc, Zn) 및 비소(Arsenic, As)로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 중금속으로 오염된 지역은 중금속으로 오염된 토양, 중금속으로 오염된 물 및 중금속으로 오염된 강으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 거대억새는 거대억새 1호(Geodae-Uksae 1), 거대억새 2호(Geodae-Uksae 2) 및 거대억새 3호(Geodae-Uksae 3)인 것을 특징으로 하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 중금속 제거는 거대억새의 체내에 중금속을 흡수하여 제거하는 것을 특징으로 하는 거대억새를 이용한 중금속 제거방법.
- 카드뮴, 구리, 납, 아연 및 비소로 구성된 중금속으로 오염된 토양에 거대억새 3호를 식재하는 단계를 포함하는 거대억새를 이용한 중금속으로 오염된 토양 정화 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140164886A KR20160062347A (ko) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | 거대억새를 이용한 중금속 오염 토양의 정화방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140164886A KR20160062347A (ko) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | 거대억새를 이용한 중금속 오염 토양의 정화방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160062347A true KR20160062347A (ko) | 2016-06-02 |
Family
ID=56135510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140164886A KR20160062347A (ko) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | 거대억새를 이용한 중금속 오염 토양의 정화방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20160062347A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112207127A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-01-12 | 农业部沼气科学研究所 | 一种重金属镉污染土壤的修复方法 |
| CN117548475A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-02-13 | 深圳深态环境科技有限公司 | 火棘在重金属污染土壤修复中的应用 |
-
2014
- 2014-11-25 KR KR1020140164886A patent/KR20160062347A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112207127A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-01-12 | 农业部沼气科学研究所 | 一种重金属镉污染土壤的修复方法 |
| CN117548475A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-02-13 | 深圳深态环境科技有限公司 | 火棘在重金属污染土壤修复中的应用 |
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