KR20190128291A - 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법 - Google Patents

비소 축적을 억제하는 벼 재배방법 Download PDF

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Abstract

산화환원 환경변화를 고려하여 다양한 형태의 비소가 축적되지 않도록 근본적으로 억제하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법을 제시한다. 그 방법은 벼를 재배하는 농경지의 침수기 동안 존재하는 비소와 결합된 철산화물의 비소-철산화물에 대하여, 농경지에 철산화물의 환원을 방지하는 산소를 공급하는 산소방출화합물(ORC)을 투입하여 비소-철산화물의 결합상태를 유지하도록 한다.

Description

비소 축적을 억제하는 벼 재배방법{Method of cultivating rice restricting of arsenic accumulation}
본 발명은 벼 재배방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벼에 비소가 축적되는 것을 억제하는 재배방법에 관한 것이다.
비소는 환경 및 식품 사슬 내에서 다양한 독성을 갖는 화학적 형태로 존재한다. 쌀 낱알에서, 비소는 무기비소(3가 비소, 5가 비소)와 유기비소(DMA, MMA) 형태로 존재하며, 무기비소는 총 비소의 20~90%를 차지한다. 무기비소는 일반적으로 유기비소 화합물보다 독성이 크고, 1등급 발암 물질이다. 쌀에 함유되어 있는 비소의 농도는 다른 주요 곡물과 비교하여 쌀의 함량이 훨씬 높다. 비소 전달인자는 밀과 보리의 경우 0.1~0.2에 비해 쌀의 경우 0.8 이상으로 비소 흡수율이 높게 나타난다. 따라서 비소가 축적된 쌀을 섭취하는 나라에서는 비소 축적을 줄이기 위한 대책이 시급하다.
벼는 잎과 줄기를 빳빳하게 하기 위해 토양에서 규소(Si)를 흡수하고, 성장에 필요한 인(P)도 뿌리가 흡수하는 중요한 영양소이다. 하지만 이 과정에서 규소와 인 분자 대신 화학구조가 비슷한 비소 분자가 쌀로 흡수되게 되고 축적된다. 논경지는 침수 기간과 비침수 기간의 독특한 주기를 가지며 산화환원 환경의 변화가 수반된다. 침수기 동안 토양에는 산소가 결핍되어 환원환경이 조성되게 되고 그로 인해 비소는 주로 3가 비소 형태로 존재하게 된다. 비소의 이동성은 산화환원에 민감하기 때문에 산화환원 변화는 토양과 식물에서의 비소의 거동에 중요한 영향을 미친다.
일본공개특허 제2010-239901호는 유기비소가 벼에 축적되는 것을 억제하기 위하여, 디페닐 아르신산 관련 유기비소에 오염된 논에 이식하기 전에 토양에 활성탄을 사용하는 재배방법을 제시하고 있다. 하지만, 상기 특허는 논의 침수 기간의 산화환원 환경변화를 전혀 고려하지 않고, 물리적으로 흡착하는 데에 그치고 있다. 또한, 활성탄은 유기비소의 축적을 억제하는 데에 그쳐서, 다양한 형태의 비소가 벼에 축적되지 않도록 하기 어렵다. 위와 같이 물리적으로 비소를 흡착하는 방식은 비소 축적의 문제를 근본적으로 해결하지 못한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 산화환원 환경변화를 고려하여 비소가 축적되지 않도록 근본적으로 억제하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법은 벼를 재배하는 농경지의 침수기 동안 존재하는 비소와 결합된 철산화물의 비소-철산화물에 대하여, 상기 농경지에 상기 철산화물의 환원을 방지하는 산소를 공급하는 산소방출화합물(ORC)을 투입하여 상기 비소-철산화물의 결합상태를 유지하도록 한다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 벼는 상기 농경지에서 규소 및 인을 흡수하고, 상기 비소는 상기 규소 및 상기 인과 화학구조가 유사하여 상기 벼에 흡수된다. 상기 산소방출화합물은 상기 논경지의 물과 만나면 수산화물이 생성되고, 상기 수산화물은 물과 산소를 생성시킨다. 상기 산소방출화합물은 이산화칼슘(CaO2) 또는 이산화망간(MgO2) 중의 어느 하나일 수 있다. 상기 철산화물인 페리하이드라이트에 비소를 흡착시켜 바다모래에 혼합한 비소오염토양을 상기 산소방출화합물과 100:1로 혼합하고, 상기 비소오염토양과 물을 1:2로 혼합하였을 때, 상기 농경지에서 철 및 비소의 농도는 적어도 2주 이상 초기단계를 유지한다. 상기 농경지에는 호기성 미생물이 존재할 수 있다.
본 발명의 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법에 의하면, 산소방출화합물로 철산화물의 용해를 차단함으로써, 산화환원 환경변화를 고려하여 다양한 형태의 비소가 축적되지 않도록 억제한다. 구체적으로, 침수기 동안 농경지의 환원환경에서 산소를 공급하여 산화환경을 유지함으로써, 비소와 결합한 철산화물이 용해되는 것을 차단한다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 시간 경과에 따른 용존산소량을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예의 시간 경과에 따른 비소 농도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 시간 경과에 따른 철 농도를 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 산소방출화합물로 비소와 결합한 철산화물의 용해를 차단함으로써, 산화환원 환경변화를 고려하여 다양한 형태의 비소가 축적되지 않도록 억제하는 벼 재배방법을 제시한다. 이를 위해, 비소의 축적과 철산화물의 용해와의 관계를 구체적으로 알아보고, 철산화물의 용해를 차단하여 비소의 축적을 억제하는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 쌀 낱알에서, 비소는 무기비소(3가 비소, 5가 비소)와 유기비소 화합물(DMA, MMA) 형태로 존재하며, 무기비소는 총 비소의 20~90%를 차지한다. 일반적으로, 무기비소는 유기비소 화합물에 비해 독성이 크다. 본 발명의 실시예는 무기비소가 쌀에 축적되지 않도록 한다.
잘 알려진 바와 같이, 쌀은 벼에서 수확되는 열매이므로, 벼에서의 비소 축적은 쌀에서의 비소 축적과 상호 밀접한 관계이다. 벼는 잎과 줄기를 빳빳하게 하기 위해 토양에서 규소(Si)를 흡수하고, 성장에 필요한 인(P)도 뿌리가 흡수하는 중요한 영양소이다. 하지만 이 과정에서 규소(Si)와 인(P) 분자 대신 화학구조가 비슷한 비소(As) 분자가 쌀로 흡수되게 되고 축적된다. 비소(As)는 비소원자에 산소가 결합하여 AsO4 2-형태이다. 또한 인(P)은 PO4 3-형태이기 때문에 인(P)을 토양에서 식물 체내로 전달하는 과정에서 비소(As)도 함께 전달된다.
비소는 신경계통을 손상시키고 조직을 파괴하고 위와 피부에도 피해를 주며 암을 유발할 수 있다. 토양 내의 비소는 용출이 쉬운 형태로 존재하게 되면, 식물로 전이될 가능성이 높다. 용출이 쉬워지면, 비소로 오염된 농경지에서 자라는 식물에는 비소 축적이 증가할 수 있고, 이를 인간이 섭취하면 건강상의 문제를 야기할 수 있다. 전 세계적으로 비소 배출을 제한하고 식품 허용한계가 설정되었으며, 가장 많이 소비되는 곡물 중의 하나인 쌀에서의 비소의 축적을 줄여야 한다.
비소는 농경지에서 흔히 관찰되는 중금속으로 산화상태에 따라 크게 5가 비소와 3가 비소 형태로 존재한다. 3가 비소는 5가 비소에 비해 독성이 강하며 자연상태에서는 전기적으로 중성 형태로 존재하므로, 5가 비소에 비해 이동성이 상당히 높다. 반면, 5가 비소는 음이온 형태로 존재하며, 3가 비소에 비해 이동성이 낮아서 쉽게 제거된다. 벼는 수전(水田) 방식으로 재배하기 때문에, 침수기 동안 농경지에는 산소가 결핍되어 환원환경이 조성된다. 환원환경에서는 5가 비소가 전하를 잃은 상태인 3가 비소로 환원될 수 있다. 다시 말해, 침수기 동안의 농경지는 특히 인체에 해로운 3가 비소가 많아진다.
비소로 오염된 농경지에서, 비소는 대부분 철산화물에 흡착되어 존재한다. 비소와 결합력이 강한 철산화물은 비소와 결합되어 비소의 용출을 방지한다. 따라서, 비소의 용해에 이한 비소 농도는 철산화물이 중요한 역할을 한다. 그런데, 침수기 동안의 환원환경에서 상기 철산화물이 환원되어 용해되면, 철산화물과 결합되어 있던 비소 특히 3가 비소가 용출된다. 그 결과 비소의 이동성이 증가하여 벼로 흡수되는 비소의 양이 늘어난다. 이러한 현상의 근본적인 원인은 농경지의 산소결핍에 의해 일어나기 때문에, 산소공급을 통해 산화환경을 유지해 주면 비소의 식물전이를 차단할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 침수기 동안 비소와 결합된 철산화물이 산소결핍으로 용해되는 것을 방지하여, 비소의 용출을 방지하는 것이다.
농경지에 산소를 공급하여 산화환경을 조성해주기 위하여, ORC(Oxygen released compounds, 산소방출화합물) 및 미세 산소기포와 같이 다양한 방식을 적용할 수 있다. 상기 산소방출화합물(ORC)은 물과 반응하여 분해되어 사라지므로 후처리할 필요가 없고, 환경적으로 무해한 부산물을 생성하기 때문에 환경오염이 일어나지 않는다. 상기 산소방출화합물(ORC)을 적용하는 장점은 산화환경을 조성하기 위한 다른 방식으로는 구현할 수 없다. 따라서 본 발명의 실시예는 산화환경을 조성하는 방법으로 상기 산소방출화합물(ORC)을 채택하였다. 상기 산소방출화합물(ORC)을 농경지에 공급하면 물과 반응하여 상기 산소방출화합물(ORC)가 천천히 분해되면서 산소를 방출하게 되고 상기 산소방출화합물(ORC)에 의해 공급되는 산소로 인해 토양은 산화환경이 조성된다. 그 화학반응식은 다음과 같다. 여기서, 상기 산소방출화합물(ORC)는 이산화칼슘(CaO2), 이산화마그네??(MgO2)을 예로 들었다.
CaO2+2H2O → Ca(OH)2+H2O2 … (1)
MgO2+2H2O → Mg(OH)2+H2O2 … (2)
H2O2 → H2O+ㅍO2 … (3)
이산화칼슘(CaO2), 이산화마그네슘(MgO2)이 물을 만나면, 각각 Ca(OH)2+H2O2 및 Mg(OH)2+H2O2으로 분해된다. 분해생성물 중의 하나인 수산화물(H2O2)은 H2O+ㅍO2으로 다시 분해하여 산소를 발생시킨다. 생성된 산소는 농경지에 산화분위기를 강화시켜 상기 철산화물이 환원되지 않도록 한다. 한편, Ca(OH)2, Mg(OH)2는 환경적으로 무해한 물질이다. 본 발명의 산소방출화합물(ORC)은 앞에서 설명한 바와 같이, 비소가 쌀에 축적되지 않도록 하는 것에 한정되어 적용되는 물질로써, 본 발명의 범주 내에서 이산화칼슘(CaO2), 이산화마그네슘(MgO2) 이외에도 다양한 산소방출화합물(ORC)이 채택될 수 있다.
이하에서, 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들은 단지 본 발명의 바람직한 예를 예시한 것으로, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따르면, 농경지에 존재하는 대표적인 철산화물 중 하나인 페리하이드라이트(ferrihydrite)를 합성하여 비소를 흡착시켰다. 토양의 불균질성을 해소하기 위하여, 토양은 Junsei사의 바다모래(sea sand)를 사용하여 비소오염토양을 모델화 하였다. 산소방출화합물(ORC)로는 Sigma Aldrich사의 이산화칼슘(CaO2), 이산화마그네슘(MgO2)을 사용하였다. 비소오염토양과 산소방출화합물(ORC)을 100:1의 비율로 혼합하고, 침수기간을 가정하기 위하여 비소오염토양과 물을 1:2의 비율로 혼합하였다. 시간에 따른 비소와 철의 용출경향을 확인하기 위해 교반실험을 진행하였다.
표 1은 본 발명의 실시예 및 비교예의 초기 비소농도(ppm) 및 초기 철농도(ppm)을 제시한 것이다.
구분 구성 결합체 초기
비소농도		 결합체 초기
철농도		 용출 초기
비소농도		 용출 초기
철농도
실시예 1 비소오염토양
+ CaO2

250

30,000

0

0
실시예 2 비소오염토양
+ MgO2
비교예 비소오염토양
표 1에 의하면, 실시예 1은 비소오염토양에 산소방출화합물(ORC)인 이산화칼슘(CaO2)인 경우이고, 실시예 2는 산소방출화합물(ORC)이 이산화마그네슘MgO2)인 경우이다. 비교예는 산소방출화합물(ORC)을 적용하지 않았다. 실시예 1 및 2, 비교예에서의 비소-철산화물 결합체의 초기 비소농도(ppm) 및 초기 철농도(ppm)는 각각 250 및 30,000이었다. 이때, 초기 비소농도(ppm) 및 초기 철농도(ppm)는 비소가 철산화물과 결합된 비소-철산화물에서의 농도이다. 하지만, 환원환경에서 용출된 초기 비소농도(ppm) 및 초기 철농도(ppm)는 모두 0이었다.
도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 실시예 및 비교예의 시간 경과에 따른 용존산소량, 비소 농도 및 철 농도를 나타낸 그래프들이다. 이때, 도 2 및 도 3에서는 산소방출화합물(ORC)에서 산소 발생의 효율이 상대적으로 낮은 이산화마그네슘(MgO2)을 채택하였다.
도 1에 의하면, 용존산소량(Dissolved Oxygen, DO)에 있어서, 산소방출화합물(ORC)을 적용한 실시예 1 및 2는 산소방출화합물(ORC)의 분해로 생성된 산소로 인하여 비교예에 비해 높은 용존산소량(DO)을 유지함을 확인할 수 있다. 산소방출화합물(ORC)을 사용하면, 거의 2주(14일)이 지나도 산화환경을 유지할 수 있었다. 즉, 산소방출화합물(ORC)은 침수기 농경지에 산소를 지속적으로 공급하였다. 침수기 농경지에 산소를 지속적으로 공급하는 것은 비소의 축적을 막는 데에 있어서 매우 중요하다. 도시된 바와 같이, 농경지에 산소를 공급하는 산소방출화합물(ORC)은 이산화마그네슘(MgO2)보다 이산화칼슘(CaO2)이 보다 효율적이었다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 철과 비소 농도는 산소방출화합물(ORC)을 사용하였을 때, 비교예에 비하여 철과 비소의 용출이 거의 없었다. 즉, 실시예 1 및 2는 철의 용출이 거의 없으므로, 철산화물의 용해가 없었다고 볼 수 있다. 실질적으로, 철과 비소의 농도는 초기농도(0 day)와 동일하였다. 이와 같이, 상기 초기농도와 동일하다는 의미는 본 발명의 범주 내에서 용출이 거의 없는 것으로 판단된다. 그에 반해, 비교예는 철의 용출이 대폭적으로 증가하였으므로, 철산화물이 분해되어 철이 용출되었다.
약 2주가 경과할 때를 비교하면, 실시예 1 및 2는 철의 농도가 거의 없어서 철산화물이 그대로 유지되었고, 비교예는 많은 양의 철산화물이 용해되어 철산화물이 분해되었음을 알 수 있었다. 철산화물의 용해는 앞에서 설명한 바와 같이 비소의 용출을 야기한다. 이에 따라, 비교예는 비소의 농도가 급격하게 증가하였다. 이에 따라, 본 발명의 실시예 1 및 2의 산소방출화합물(ORC)은 농경지의 산화환경을 지속적으로 유지하였다.
산소방출화합물(ORC)이 물을 만나면, 상기 화학반응식 (1), (2)에 의해 생성되는 수산화물((H2O2)로 인하여 높은 pH를 가진다. 하지만, 높은 pH를 가지더라도 비소와 철의 용출이 적은 것은 산소방출화합물(ORC)을 사용하면, 방출된 산소로 인하여 산화환경이 유지되기 때문이다. 상기 산화환경은 철산화물과 비소간의 결합유지를 통해 철의 용출을 방지하여 비소의 용출을 막아서, 비소가 벼로 흡수되지 않도록 한다.
한편, 농경지에서 살아가는 호기성 미생물은 산소를 소모한다. 침수기 동안에 미생물이 산소를 소모하면, 환원환경을 더욱 가속된다. 그런데, 본 발명의 실시예와 같이 산소방출화합물(ORC)을 공급하면, 미생물에 의해 소모된 산소를 충분하게 벌충할 수 있다. 미생물이 왕성하게 활동하는 침수기 농경지임에도 산소방출화합물(ORC)으로 산화환경을 유지할 수 있다. 다시 말해, 비교예는 미생물로 인하여 환원환경이 가속되고, 철의 환원으로 인한 비소의 용출이 증가되어 비소의 흡수가 증가된다. 하지만, 산소방출화합물(ORC)은 미생물의 활동이 왕성함에도, 산소가 지속적으로 공급되어 철의 환원을 막아 비소의 용출을 지속적으로 차단한다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (6)

  1. 벼를 재배하는 농경지의 침수기 동안 존재하는 비소와 결합된 철산화물의 비소-철산화물에 대하여, 상기 농경지에 상기 철산화물의 환원을 방지하는 산소를 공급하는 산소방출화합물(ORC)을 투입하여 상기 비소-철산화물의 결합상태를 유지하도록 하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 벼는 상기 농경지에서 규소 및 인을 흡수하고, 상기 비소는 상기 규소 및 상기 인과 화학구조가 유사하여 상기 벼에 흡수되는 것을 특징으로 하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소방출화합물은 상기 논경지의 물과 만나면 수산화물이 생성되고, 상기 수산화물은 물과 산소를 생성시키는 것을 특징으로 하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산소방출화합물은 이산화칼슘(CaO2) 또는 이산화마그네슘(MgO2) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 철산화물인 페리하이드라이트에 비소를 흡착시켜 바다모래에 혼합한 비소오염토양을 상기 산소방출화합물과 100:1로 혼합하고, 상기 비소오염토양과 물을 1:2로 혼합하였을 때, 상기 농경지에서 철 및 비소의 농도는 적어도 2주 이상 초기농도를 유지하는 것을 특징으로 하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 농경지에는 호기성 미생물이 존재하는 것을 특징으로 하는 비소 축적을 억제하는 벼 재배방법.
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