세균처리에 의한 금속의 토양 내 고정화 효과 및 생물 이용도 평가
박진희1)*
Assessment of Metal Immobilization and Bioavailability Affected by Bacteria in Soil
Jin Hee Park
*
(Received 22 September 2016; Final version Received 19 October 2016; Accepted 21 October 2016)
Abstract : Bacteria that adsorb Cd were isolated from metal contaminated soil and identified as Exiguobacterium species. The effect of the isolated bacteria on metal immobilization was evaluated by pot experiment using heavy metal contaminated soils collected from abandoned mine sites. The Exiguobacterium sp. reduced the uptake of Cd by 30% in lettuce leaves, and Pb and Zn by 61% and 54% in lettuce roots, respectively, in the case of extremely high metal concentrations in soil. Bacteria decreased the mobile heavy metal contents and increased the organic bound metal fraction in bulk soil. In the case of extremely high soil metal concentration, bacterial treatment did not lead to significant differences in the heavy metal speciation within the soil. Nevertheless, immobilization of heavy metals by biosorption in the soil can facilitate the establishment of vegetation in mine soil, thereby mitigating the potential risk of distribution and leaching of heavy metals.
Key words : Biosorption, Bacteria, Heavy metal, Immobilization, Mine soil
요 약 : 중금속으로 오염된 토양에서 분리된 카드뮴을 흡착할 수 있는 세균인 Exiguobacterium sp.를 이용하여 폐광 지역에서 채취한 중금속 오염 토양에서 세균에 의한 중금속의 고정화를 식물 생육 실험을 통해 평가하였다.
Exiguobacterium sp. 를 토양에 처리했을 때 오염 정도가 심한 토양에서 세균은 상추 잎의 카드뮴 함량을 약 30% 감소 시켰으며 납과 아연의 함량을 뿌리에서 각각 61%, 54% 감소시켰다. 연속 추출 결과 세균 처리는 벌크토양에서 이동도 가 높은 중금속의 함량을 감소시켰으며 유기물과 결합된 형태의 중금속 함량을 증가시켰다. 그러나 그 결과는 토양의 총 중금속 함량에 따라 다르게 나타났으며 오염 정도가 심한 토양에서 세균의 처리는 토양 내 중금속의 존재 형태에 크게 영향을 미치지 않았다. 그럼에도 불구하고 토양에서 생물흡착에 의한 중금속의 고정화는 광산 토양에서 식생 형 성을 가능하게 하여 중금속의 분산이나 용출의 잠재적인 위험을 완화시킬 수 있다.
주요어 : 생물흡착, 세균, 중금속, 고정화, 광산 토양
1) 한국지질자원연구원 지질환경연구본부
*Corresponding Author( 박진희) E-mail; [email protected]
Address; Geologic Environment Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
서 론
토양 오염은 주로 인간의 활동에 의해 영향을 받는데 중 금속의 주된 인위적 오염원은 광업과 제련을 포함 한다 (Becker et al., 2001). 광산 활동 후, 다량의 광산 폐기물과 광물 찌꺼기가 남아 있으면 주변 환경을 오염시킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 물리 화학적 및 생물학적 복 원 등 다양한 복원 기술들이 중금속 오염 토양에 적용되고 있다. 중금속 오염 토양에 적용될 수 있는 복원 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫 번째는 오염 지역에서 전기화
학적 방법, 세척, 혹은 식물 추출을 통해 중금속을 제거하는 것이고 다른 방법은 화학적으로 중금속을 안정화시키거나 식물을 이용한 안정화를 통해 중금속을 생물학적으로 이용 하기 어려운 형태로 고정시키는 방법이다(Shi et al., 2009).
오염 토양에서 phytoextraction이나 토양세척 등을 통해 중 금속을 제거하는 방법은 향후 추가적인 처리 없이 토양 이 용을 가능하게 하고 식물이나 지하수로의 오염을 막을 수 있기 때문에 선호되는 복원 방법이다. 그러나 처리 비용이 많이 들고 오염 물질에 대한 접근성이 좋지 않기 때문에 중 금속을 토양에서 제거하는 것이 항상 가능한 것은 아니다 (Chander and Joergensen, 2002).
토양 환경에서는 이동성이 높은 중금속의 함량이 생태계
와 농업 생산성, 수질에 영향을 미치기 때문에 중금속의 총
농도보다 더 중요하다(Beesley et al., 2010). 따라서 토양에
연구논문
서 중금속을 이동성이 낮은 상태로 고정시키는 것이 중요 하며 이를 통해 오염 토양의 식생 형성을 가능하게 할 수 있 다. 오염 토양에서 식생의 복원은 중금속이 용출되는 것을 막을 뿐만 아니라 중금속을 포함한 입자가 바람에 의해 침 식되는 것을 방지한다. 그러나 오염 토양의 중금속 농도가 높을 경우 식물에 대한 독성으로 식물이 잘 자라지 못해 식 생 복원이 어려울 수 있다. 이런 경우 중금속 농도가 높은 광 산 토양에서 중금속을 고정화시키는 토양 개량제를 처리하 면 식생의 복원을 촉진시킬 수 있다(Park et al., 2011).
토양 중 중금속은 복잡한 화학적 및 생물학적 상호 작용 을 통해 존재 형태가 변화한다. 이러한 반응은 산화, 환원, 침전, 용해, 휘발, 복합체 형성 등의 과정을 포함하는데 이 를 중금속을 고정화시키는데 적용할 수 있다(Bolan et al., 2014; Selim et al., 1995). 미생물흡착은 수용액상에서 중 금속을 고정하는데 사용하는 방법 중 하나로 살아있거나 혹 은 죽은 생체를 중금속 흡착에 사용한다(Lovley and Coates, 1997). 세균, 조류, 효모, 곰팡이 등 다양한 종류의 생체 물 질들이 생물 흡착제로 연구되었는데 이들은 높은 중금속 제거 효율과 저비용, 다량의 생체를 얻을 수 있다는 이점이 있다(Kumar et al., 2015; Wang and Chen, 2009). 생물 흡 착제는 카르복시기(carboxyl), 이미다졸기(imidazole), 메 르캅토기(sulfhydryl), 아민기(amino), 인산기(phosphate), 황산기(sulfate), 페놀기(phenol), 카르보닐기(carbonyl), 아미드기(amide), 수산기(hydroxyl) 등 중금속과 결합할 수 있는 다양한 기능기를 포함하고 있으며 이를 통해 중금 속을 고정시킬 수 있다(Ko et al., 2010; Wang and Chen, 2009).
이전까지의 연구는 생물 흡착을 통해 수용액상에서 중금 속을 제거하는 연구가 주를 이뤘으며 토양에서 중금속을 고정하는데 세균을 이용한 생물 흡착을 적용한 경우는 거 의 없었다. 따라서 본 연구에서는 중금속으로 오염된 토양 에서 분리한 Exiguobacterium sp.를 이용해 토양에서 카드 뮴, 납, 아연의 고정화 정도를 생물 이용도로 평가하였다.
세균이 처리된 토양에서 카드뮴, 납, 아연의 생물 이용도는 식물 생육 실험과 토양의 중금속 연속추출을 통해 평가하 였다.
연구방법
토양 시료 채취 및 특성 분석
토양 시료는 한국의 A와 B 폐광산에서 채취하였으며 상 온에서 건조 후 2 mm 체에 통과시키고 사용하였다. 총 유기 탄소와 토양의 질소 함량은 원소분석기(CNS-2000, LECO) 를 이용해 분석하였다. 토양의 총 중금속 함량은 reflux condenser 를 이용하여 토양을 왕수(21 mL 염산과 7 mL 질
산)로 60도에서 30분간, 140도에서 90분간 가열하여 분해 하고 용액 내 중금속의 함량을 유도결합플라즈마발광분석 기(ICP-AES, Perkin Elmer)를 이용하여 분석하였다.
오염 토양에서 카드뮴 흡착 세균의 분리
Cu-Pb-Zn 광산이었던 B광산 근처 토양에서 카드뮴, 납, 아연을 흡착할 수 있는 세균을 분리하였으며 이전 연구에 서 수용액에서 중금속의 흡착 특성을 평가하였고 본 연구 에서는 토양에서 중금속 고정화에 미치는 영향을 확인하기 위하여 사용하였다(Park and Chon, 2016). 카드뮴에 내성 을 가진 세균을 분리하기 위해 토양 5 g을 50 mL의 초순수 와 섞은 후 희석액을 50 mg/L의 카드뮴을 포함한 Luria Bertani 한천 배지(LB: trypton 10 g/L, yeast extract 5 g/L, NaCl 5 g/L, Agar 15 g/L) 에 도말하고 25도에서 24시간 배 양하였다. 배양 후 형태적으로 다른 콜로니들을 선택해 한 천 배지에서 계대배양 하였으며 순수 분리된 콜로니의 대 량 배양을 위해 200 mL Luria Bertani 액체 배지(LB:
trypton 10 g/L, yeast extract 5 g/L, NaCl 5 g/L) 에 접종하 고 25도 150 rpm의 교반기에서 배양하였다. 배양된 세균은 24 시간 후에 5,000 rpm에서 10분간 원심 분리하여 회수하 였으며 멸균된 초순수로 2번 세척하고 다시 10% 설탕 용액 100 mL 에 분산시켰다. 분리된 세균은 Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ, Braunschweig, Germany) 에 의뢰해 16rDNA 분석을 통해 Exiguobacterium sp. 로 동정되었다.
카드뮴, 아연, 납의 생물 이용도 평가
중금속의 생물 이용도를 평가하기 위해 식물 생육 실험
을 실시하였다. 세 개의 화분에 다른 처리를 하였는데 첫 번
째 화분에는 400 g의 오염 토양만 첨가(A 혹은 B)하였고 두
번째 화분에는 400 g의 오염토양과 7 g의 발포펄라이트를
섞어서 채웠고(AP 혹은 BP) 마지막 화분은 400 g의 오염토
양과 30 mL의 세균이 분산된 용액을 접종한 7 g의 발포펄
라이트를 첨가(APB 혹은 BPB)하였다. 발포펄라이트(부
피밀도: 0.115 g/mL, 공극율: 85.2%)는 121도에서 40분간
멸균하여 세균의 담체로 사용하였다. 상추(Lactuca sative)
모종을 각각의 화분에 심고 저면관수를 통해 수분을 공급
하면서 20일간 생육시켰다. 식물 분석을 위해 식물을 토양
에서 조심스럽게 제거한 후 초순수로 세척하고 60도의 오
븐에서 건조시켰다. 잎과 뿌리 부분을 분리하여 볼밀로 분
쇄한 후 100 mL의 삼각플라스크에 넣고 16 mL 질산(65%)
과 4 mL 과염소산(60%)을 넣어 80도 핫플레이트에서 170
도까지 올려주면서 분해하였다. 남아있는 용액을 식힌 후
25 mL 의 초순수를 첨가하고 초음파로 처리한 후 필터하여
용액 중 총 금속의 함량을 ICP-AES를 이용하여 분석하였
Table 2. Properties of soil samples collected from A and B mines
A mine soil B mine soil
pH 6.58 7.42
Organic C content (%) 0.29 0.00
Total N content (%) 0.09 0.05
Cd (mg/kg) 98 27
Cr (mg/kg) 32 23
Cu (mg/kg) 3727 490
Pb (mg/kg) 9977 1209
Zn (mg/kg) 13500 6836
Table 1. Fraction, reagents and extraction methods of modified sequential extraction
Extraction step Phase Reagents and extraction methods
I Easilyexchangeable 20 mL 0.5 M MgCl
2(pH7), shaking for 2 at 180 rpm
II Carbonates 20 mL 0.16 M CH
3COOH (pH5), shaking overnight at 180 rpm III Mn oxide 20 mL 0.5 M NH
2OH·HCl,HNO
3(pH2), shaking overnight IV Fe oxide 20 mL 0.2 M (NH
4)
2C
2O
4+H
2C
2O
4(pH3), shaking overnight
V Organic 2 mL 0.16 M HNO
3and 2×3 mL H
2O
2at 85°C, 20 mL 0.16 M CH
3COOH (pH5), shaking overnight
VI Residual 21 mL HNO
3and 7 mL HCl, heating for 30 min at 60°C and for 90 min at 140°C
다(Jones, 2001). 얻어진 데이터는 SPSS 17을 이용하여 통 계적으로 분석하였다. 데이터 사이의 상관계수는 단순선 형회귀분석을 통해 얻었으며 Duncan의 다중범위검정을 통해 세균과 발포펄라이트 처리에 따른 평균의 차이를 비 교하였다.
토양의 중금속 연속 추출
근권부 토양과 벌크 토양(뿌리와 접촉하지 않은 토양)을 따로 채취하여 상온에서 건조하였다. 각각 2 g의 토양을 왕 수로 분해하고 총 중금속의 함량을 분석하였다. 세균을 처 리한 후 토양에 존재하는 중금속의 형태를 평가하기 위해 연속추출을 실시하였다. 연속추출 방법은 Tessier 등 (1979) 이 제안한 방법을 기본으로 실험 조건에 따라 수정 하였는데 그 방법을 Table 1에 제시하였다.
결과 및 해석
토양 특성 평가 및 식물 생육
폐광산에서 채취한 토양의 특성을 Table 2에 정리하였 다. A광산 토양의 pH는 약산성이었으며 B광산 토양은 약 알카리성이었으나 두 토양 모두 식물 생육에는 적합한 것 으로 판단되었다. A광산 토양은 중금속 함량이 매우 높았 으며 B광산 토양은 A광산에 비해 오염 정도가 심하지 않았 다. A광산 토양에서는 카드뮴과 구리 함량이 B광산 토양에 서는 납 함량이 토양오염 우려기준(Korean Ministry of Environment, 2014) 을 초과하였으며 A광산에서 납과 아 연, B광산에서 아연의 함량이 토양오염 대책기준(Korean Ministry of Environment, 2014) 을 초과하였다. 오염토양 은 중금속 함량이 높고 영양분의 함량이 낮았기 때문에 식 물의 생육은 저해 받았으나 발포펄라이트의 첨가는 A와 B 광산 토양 모두에서 상추의 생육을 증가시켰다 (Table 3).
발포펄라이트는 구조적으로 작은 공극들을 가지고 있으며 이는 토양의 물리적 특성을 향상시켜 식물의 생육을 증대 시켰을 것이다. Vázquez와 Carpena-Ruiz (2005)는 펄라이
트가 카드뮴의 독성을 완화시켜 펄라이트가 없는 경우에 비해 식물 생육을 증대시켰다고 보고했다. Sager 등(2007) 은 펄라이트와 세균의 처리가 영양원소를 포함한 다양한 원소들의 거동에 미치는 영향에 대해 발표하였으며 본 연 구는 중금속의 거동을 주로 분석하였다.
세균의 처리는 식물 생육을 크게 증가시키지 않았으나 A
광산 토양에서 자란 식물의 뿌리 성장을 촉진시켰다(Table
3). 카드뮴으로 오염된 토양에서 자란 Indian mustard 근권
부에서 분리된 카드뮴 내성균에 의해 뿌리의 신장이 나타
났으며 이는 세균에 의해 생성된 1-aminocyclopropane-1-
carboxylate (ACC) deaminase 의 활성과 관련이 있다는 보
고가 있다(Belimov et al., 2005). 세균은 불용성의 영양분
을 증가시켜 식물에 제공하거나 식물호르몬의 분비를 통해
식물 생육을 증대시킬 수 있다(Ullah et al., 2015). 이 외에
도 siderophore를 생성하는 세균은 중금속의 독성을 완화
시키면서 식물 정화 효율을 증대시킬 수 있다(Rajkumar et
al., 2010). 따라서 세균의 처리는 중금속의 독성을 완화시
킬 뿐 아니라 식물 생육의 증대를 통해 식생 형성에 도움을
줄 수 있을 것이다.
(a) (b)
(c)
Fig. 1. Heavy metal (Cd, Pb, and Zn) uptake by lettuce leaves (above zero) and roots (below zero) in A and B mine soils treated with expanded perlite and bacteria. Vertical bars represent the standard deviation of means. Values with the same letter in the same soil and the same plant part are not significantly different at p<0.05 according to Duncan’s multiple range test using SPSS 17.
Table 3. Dry weight of lettuce after harvest
Soil treatments Lettuce dry weight (g) Root dry weight (g) Leaf dry weight (g)
A 0.121±0.015 0.0124±0.002 0.108±0.013
AP 0.200±0.018 0.0196±0.001 0.181±0.017
APB 0.173±0.019 0.0296±0.003 0.143±0.019
B 0.100±0.021 0.013±0.001 0.0873±0.020
BP 0.159±0.015 0.0168±0.002 0.143±0.013
BPB 0.150±0.018 0.0161±0.001 0.134±0.017
Exiguobacterium sp.가 식물의 카드뮴, 납, 아연 함량에 미치는 영향
상추 잎의 카드뮴 함량 분석 결과에서 세균을 처리한 경 우 상추 잎에서의 카드뮴 함량이 가장 낮게 나타났다(Fig.
1(a)). A 광산 토양 시료의 경우 처리하지 않은 토양과 비교 하여 잎에서의 카드뮴 함량이 약 30% 감소하였다. 이전 연
구에서 Exiguobacterium sp.가 중금속을 다량 흡착할 수
있음을 확인하였으며 잎에서의 카드뮴 함량 감소는 카드
뮴의 생물흡착에 의한 것으로 판단된다(Park and Chon,
2016). Madhaiyan 등(2007)도 오염토양에서 재배한 토마
토(Lycopersicon esculentum L.)에서 카드뮴 농도가
Methylobacterium oryzae strain CBMB20 을 처리했을 때
감소했음을 보였다. 이 세균은 세포에 카드뮴을 상당량 결 합시킬 수 있었으며 식물호르몬과 ACC deaminase를 생성 하였다.
B 광산 토양의 경우 Exiguobacterium sp.는 잎에서의 카 드뮴 함량을 감소시키지 않았으나 상추에 흡수된 총 카드 뮴 함량을 감소시켰다. 뿌리에서의 카드뮴 함량은 세균 처 리에 의해 크게 차이가 나타나지 않았다. 뿌리 대비 잎의 카 드뮴 함량비는 다른 원소에 비해 높았으며 이는 납과 아연 에 비해 카드뮴이 뿌리에서 잎으로 잘 이동한다는 것을 보 여준다. 카드뮴은 뿌리에서 흡수된 후 잎으로 쉽게 이동하 는 원소로 알려져 있으며 뿌리에서 잎으로의 이동은 물관 을 통해 일어난다(Uraguchi et al., 2009). 뿌리에서 잎으로 이동하는 정도는 중금속의 함량, 토양 개량제, 식물 종류에 따라 다르다. Garate 등(1993)은 약 50%의 카드뮴이 상추 뿌리에서 발견된다고 보고하였으며 다른 식물에서는 총 카 드뮴의 65-90%가 식물 뿌리에 축적된다고 설명하였다. 카 드뮴이 식물 뿌리에서 잎으로 쉽게 이동하기 때문에 세균에 의한 고정화 효과는 주로 잎에서 나타난 것으로 판단된다.
A 광산 토양에서 잎의 납 농도는 세균 접종으로 인해 약간 증가(28%)하였으나 뿌리의 납 함량은 처리하지 않은 경우 와 대비해 세균 처리에 의해 약 60% 감소하였다(Fig. 1(b)).
B 광산 토양에서는 세균 처리가 뿌리의 납 함량에 큰 영향 을 미치지 않았다. 납은 토양에 존재하는 유기물과 산화물, 점토 등과 결합력이 강하고 탄산염, 수산화물, 인산염의 형 태로 침전하기 때문에 생물 이용도가 높지 않은 것으로 알 려져 있다(Cui et al., 2004). Liu 등(2000)은 납이 주로 Brassica juncea 의 뿌리에 축적되었으며 상부로 이동한 납 의 함량이 매우 적었다는 결과를 보였다. 납은 뿌리에 chloropyromorphite 의 형태로 축적이 되며 대부분 세포벽 에 격리된다(Kopittke et al., 2008). 따라서 본 연구에서도 대부분의 납은 뿌리에 축적되었으며 납의 고정화 효과는 카드뮴과 달리 뿌리에서 더 확실하게 나타난 것으로 판단 된다.
잎의 아연 함량은 납과 유사한 경향을 보였다(Fig. 1(c)).
세균을 처리하지 않은 토양에서 아연 함량이 잎에서보다 뿌리에서 약 9배 더 높게 나타났으며 뿌리에서는 세균의 처 리가 아연 함량을 감소(27%)시켰다. 뿌리는 종종 상부보다 많은 양의 아연을 포함하며 이러한 경향은 아연으로 오염 된 토양에서 식물이 자랄 경우 더 확실히 나타난다(Kabata- Pendias, 1992). Exigubacterium sp. 는 잎에서 아연 함량의 감소에 효과가 없었으나 식물 뿌리로 아연이 유입하는 것 은 감소시켰다. 유사한 결과로 근권부에서 분리한 카드뮴 과 아연을 고정화시키는 Burkholderia sp.는 Salix caprea 의 뿌리에서 아연의 농도를 감소시켰으나 식물 상부로 이 동하는 금속에는 영향을 미치지 않았다(Kuffner et al., 2010).
이 미생물은 ACC deaminase 활성을 보였으며 siderophore 를 생성하고 카드뮴을 고정시킬 수 있었다. 본 연구에서 Exiguobacterium sp. 는 주로 생물 흡착에 의해 잎과 뿌리로 의 카드뮴과 아연 흡수를 감소시켰다.
카드뮴, 납, 아연의 연속추출 결과
토양 내 총 카드뮴, 납, 아연의 함량은 식물 생육 전후 큰 차이가 없었기 때문에 중금속의 존재 형태를 총 중금속 함 량에 대한 비율(%)로 나타냈다(Fig. 2). 연속추출법은 금속 의 분포, 이동도, 생물 이용도에 대한 정보를 제공한다 (Achiba et al., 2009; Perez et al., 2007). 연속 추출은 6단계 로 진행하였는데 1단계는 이온교환상, 2단계는 탄산염, 3 단계는 망간산화물, 4단계는 철산화물, 5단계는 유기물과 결합된 형태의 중금속을 의미하며 6단계는 잔류상의 중금 속 함량을 나타낸다. 세균의 처리는 주로 이온교환상으로 존재하는 중금속과 반응을 통해 중금속의 형태를 변화시키 며 다른 형태로 존재하는 중금속의 함량에 영향을 미쳤다.
연속 추출 결과 세균의 처리는 근권부 토양과 벌크 토양에 서 중금속의 존재 형태를 변화시켰다(Fig. 2). 그 결과는 토 양 내 총 카드뮴 함량에 따라 다르게 나타났으며 카드뮴 함 량이 매우 높았던 A광산 토양의 경우 세균 처리는 벌크 토 양에서 중금속의 화학적 존재 형태에 큰 영향을 미치지 않 았다(Fig. 2(a)). 이는 토양 내 카드뮴 함량이 처리한 세균 함 량에 비해 너무 높아 처리된 세균에 의한 중금속의 고정화 효과가 미미하게 나타났기 때문인 것으로 판단된다. A광산 토양에서 카드뮴은 납과 아연에 비해 더 많은 양이 이온교 환상(25%)으로 존재하고 있었으며 이는 토양 내 카드뮴이 생물 이용도가 높은 형태로 존재함을 의미한다. A광산 근 권부 토양에서 세균의 처리는 이온교환상으로 존재하는 카 드뮴의 함량(33%)을 증가시켰으나 이는 세균에 의한 영향 보다는 식물 생육에 따른 뿌리의 영향으로 보인다(Fig.
2(a)). B 광산 토양에서는 세균의 처리가 이온교환상으로 존재하는 카드뮴의 함량을 벌크토양에서 18%에서 11%로, 근권부에서 45%에서 6.8%로 감소시켰으며 근권부 및 벌 크 토양 모두 잔류상으로 존재하는 카드뮴의 함량을 증가 시켰다(Fig. 2(b)). 이는 식물 생육 실험에서 B광산 토양에 세균 처리 시 식물 잎과 뿌리에서 카드뮴의 함량이 감소한 결과와 일치한다.
세균의 처리는 벌크토양에서 이온교환상으로 존재하는 납의 함량을 약간 감소시켰으며 근권부에서는 반대의 경향 을 보였다. 그러나 세균은 근권부와 벌크토양 모두 유기물 과 결합된 형태의 납을 처리하지 않은 토양의 경우 12%에 서 세균으로 처리한 토양의 경우 25%로 증가시켰다(Fig.
2(c)). 유기물과 결합된 형태의 납 함량 증가와 이온교환상
의 납 함량 감소는 상추 뿌리에서 납의 합량을 감소시키는
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Fig. 2. Distribution of Cd, Pb, and Zn among different phases obtained using the six-step sequential extraction procedure in treated A mine and B mine soils (A; A mine soil, AP; A mine soil+perlite, APB; A mine soil+perlite+bacteria, B; B mine soil, BP; B mine soil+perlite, BPB; B mine soil+perlite+bacteria, ‘r’ indicates rhizosphere soil.)
결과를 가져왔다(Fig. 1(b)). 마찬가지로 세균을 처리한 B 광산의 근권부 토양에서 유기물과 결합된 형태의 납 함량 이 4%에서 6%로 약간 증가하였으며 이온교환상의 납 함 량은 약간 감소하였다(Fig. 2(d)). Wu 등(2006)도 세균의
처리가 세포벽에 중금속을 흡착하거나 인산염이나 다른 음 이온과의 침전을 통해 수용액에 존재하는 납의 함량을 감 소시켜 토양에서 납의 이동도를 감소시켰음을 보고하였다.
A 광산 토양에서 아연의 화학적 결합 형태 변화는 납과 비
Table 4. Coefficient of correlation between bioavailable heavy metal fraction (I+II) and metal concentrations in lettuce leaves and roots
Plant part Soil part Cd Pb Zn
Leaves Bulk soil 0.92** 0.17 0.94**
Rhizosphere soil 0.73* 0.06 0.92**
Roots Bulk soil 0.96*** 0.00 0.78*
Rhizosphere soil 0.68* 0.06 0.73*
*, **, and *** indicate significant correlation at p<0.05, p<0.01, and p<0.001 levels, respectively.
슷한 결과를 보였다. 세균의 처리는 근권부에서 이온교환 상의 아연 함량을 약간 증가시켰으며 벌크토양에서 유기물 과 결합된 아연의 함량을 처리하지 않은 경우와 비교해 14% 에서 21%로 증가시켰다(Fig. 2(e)). B광산 토양에서 세균의 처리는 이온교환상의 아연 함량에 큰 영향을 미치 지 않았으며 근권부 토양에서 잔류상의 아연 함량을 증가 시켰다(Fig. 2(f)). 그러나 유기물과 결합된 형태와 잔류상 의 합은 변하지 않았으며 이는 Exiguobacterium sp.가 식물 의 아연 흡수에 영향을 미치지 않았음을 의미한다.
근권부 토양은 주로 세균보다는 식물 뿌리에 의한 영향 을 받아 세균에 의한 금속의 고정화 효과보다 식물에 의한 효과가 더 크게 나타났다. Illera 등(2000)은 pH에 의한 영 향으로 이온교환상의 아연 함량이 증가했다고 설명하였는 데 이는 토양 개량제를 첨가한 토양에서 아연의 이동도와 생물 이용도와 관련해 매우 중요한 인자로 여겨진다. 뿌리 분비물에 의해 근권부는 산성화되며 금속과 결합할 수 있 는 리간드를 제공하여 뿌리는 처리한 세균보다 금속의 이 동도와 생물 이용도에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된 다(Luo et al., 2008; Tao et al., 2004).
이동도가 높은 중금속 함량(연속추출 I, II 단계)과 상추 잎과 뿌리의 중금속 농도간의 상관계수를 계산한 결과 상 추에 의한 중금속의 흡수는 근권부 보다 벌크 토양에 존재 하는 이동도가 높은 중금속 함량과 더 관련이 있는 것으로 나타났다(Table 4). 이는 근권부 토양에 존재하는 중금속의 형태는 식물이 분비하는 물질에 의해 낮아진 pH의 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다. 상추에서의 카드뮴과 아연 함량은 토양 내 이동도가 높은 형태로 존재하는 카드뮴 및 아연과 매우 상관관계가 높게 나타났다(p<0.05). 그러나 상추의 납 함량은 토양 내 이동도가 높은 납의 함량과 관련 이 없었으며 이는 생물 이용도가 낮은 납의 특성 때문인 것 으로 판단된다.
결 론
세균은 토양에서 중금속의 화학적 존재 형태와 농도에
따라 금속의 이동도를 증가시키기도 하고 감소시키기도 한 다. 세균을 토양에 처리했을 때 중금속의 식물 흡수에 미치 는 영향은 중금속의 종류, 토양 내 존재하는 중금속의 농도 에 따라 다르게 나타났다. 중금속을 흡착할 수 있는 Exiguobacterium sp. 는 일반적으로 상추 잎에서 카드뮴의 농도를 감소시켰으며 뿌리에서는 납과 아연의 함량을 감소 시켰다. 이는 카드뮴은 이동도가 높아 생물흡착의 효과가 주로 잎에서 나타났으며 납과 아연의 경우 뿌리에서 나타 났기 때문인 것으로 판단된다. 연속추출 결과 B광산 토양 에서 Exiguobacterium sp.는 이온교환상의 금속 함량을 감 소시키고 유기물과 결합한 금속의 함량을 증가시켰다. 그 러나 오염 정도가 심한 토양에서는 세균의 처리가 중금속 의 존재 형태에 큰 영향을 미치지 못했으며 근권부는 세균 처리에 의한 영향 보다 뿌리에 의한 영향을 더 크게 받았다.
따라서 오염 지역의 특성에 따라 적절한 복원 방법이 적용 되어야 하며 중금속의 거동을 평가해야 한다. 본 연구 결과 는 세균이 토양에서 생물흡착을 통해 중금속을 고정화시킬 수 있으며 phytostabilization을 통해 오염토양에서 중금속 의 식생 형성을 촉진시킬 수 있다는 가능성을 보여준다. 광 산 폐기물에서 중금속이 바람에 의해 분산되거나 수계로 용출될 위험은 표면에 식생을 형성함으로써 상당히 감소될 수 있으며 생물 흡착을 통한 중금속의 고정화는 식생 형성 을 가속화시킬 수 있다.
사 사
본 연구는 한국지질자원연구원 주요사업(16-3414)의 지 원으로 작성되었으며 이에 감사드립니다.
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박 진 희
2000년 서울대학교 응용생물화학부 농학사 2003년 서울대학교 대학원 지구환경시스템
공학부 공학석사
2010년 University of South Australia Centre for Environmental Research and Remediation 공학박사
현재 한국지질자원연구원 선임연구원 (E-mail; [email protected])
