Heavy Metal and Amino Acid Contents of Soybean by Application of Sewage and Industrial Sludge

(1)

생활하수 및 산업폐수 슬러지 처리에 따른 콩의 중금속 및 아미노산 함량

문광현^1*․김재영^2*․장문익²․김운성³․김성조⁴․백승화^5†

1

순창군청 건강장수과,

²

식품의약품안전청 식품의약품안전평가원 식품위해평가부 화학물질과

3

한국보건산업진흥원 품질향상평가팀,

⁴

원광대학교 생물환경화학과

5

충북도립대학교 바이오식품생명과학과

Heavy Metal and Amino Acid Contents of Soybean by Application of Sewage and Industrial Sludge

Kwang-Hyun Moon^1*, Jae-Young Kim^2*, Moon-Ik Chang², Un-Sung Kim³, Seong-Jo Kim⁴, and Seung-Hwa Baek^5†

1Dept. of Health and Longevity, Sunchang County office, Jeonbuk 595-805, Korea

2Division of Food Chemical Residues, Dept. Food Safety Evaluation, National Institute of Food &

Drug Safety Evaluation, Korea Food & Drug Adminstration, Chungbuk 363-700, Korea

3Quality Improvement Evaluation Team, Korea Health Industry Development Institute, Chungbuk 363-700, Korea

4Dept. of Bio-Environmental Chemistry, Wonkwang University, Jeonbuk 570-749, Korea

5Dept. of Biofood Science and Biotechnology, Chungbuk Provincial University, Chungbuk 373-806, Korea

Abstract

This study investigates the effects of accumulated levels of heavy metals and nutrients of cultivated soybean plant tissues, after the continuous application of sewage sludge (SS) and industrial sludge (IS). SS and IS were applied to soybean plants at loading of 0, 11.25, 22.50, and 45.00 Mg/ha, and the contents of heavy metals (Cd, Pb, Ni, Cu, and Zn), proteins, and amino acids in the cultivated soybean plants were measured. The Cd content in the soybean was 0.02～0.05 mg/kg, which is within the safety level set in the standard, and that of Pb was 0.02～0.15 mg/kg, which is also within the safety level except for IS 45 Mg/ha. The soybean harvest quantity was higher in the treatment groups than the control group in the first year. However, in the second year, SS had lower harvest and IS had the same level or a decreasing tendency, compared with the control group. In the first year, the content of amino acid which followed handling of SS was increased in the sludge groups more than in the control group in the case of glutamate. However, the influence of continuous application was increased in the sludge groups in the case of amino acids of 12 types. In conclusions, the accumulation in soybean of heavy metals by sludge treatment is not a problem, but the decreased yields needs to be considered. In addition, the most appropriate level of sludge treatment was 11.25 Mg/ha.

Key words: soybean, heavy metals, amino acids, sludge

*

The first two authors contributed equally to this work.

†

Corresponding author. E-mail: [email protected]

†

Phone: 82-43-730-6381, Fax: 82-43-731-8337

서 론

산업의 발달과 인구 증가로 인한 도시의 거대화 및 집중화 는 하수 처리량의 증가 원인이 되고 있으며, 이를 처리하는 과정에서 생성되는 최종 산물인 슬러지 또한 발생량이 현저 히 증가하고 있다. 환경부 통계 자료에 의하면 국내 하수 처리를 통해 최종 산물로 발생되는 하수 슬러지의 양은 2007 년 기준으로 약 274만톤이 발생되었고, 해양투기 68%, 재활 용 14%, 소각 13%, 육상매립 4%, 기타 1%로 처리되어진다 보고된 바 있다(1). 하지만 최근 자료에 의하면 2010년 기준 으로 하수 슬러지의 양이 약 308만 톤 발생되어 증가된 반면,

해양투기는 43%로 감소되었고, 재활용, 소각 및 육상매립이 각각 20, 18 및 11%로 증가되었으며, 새로운 자연 순화 방식 인 연료화가 8%로 처리되어지고 있어(2) 점차 환경 친화적 인 처리방법이 모색되고 있다.

이처럼 환경 친화적인 처리방법은 고도로 성장한 과학적

인 방법, 즉 물리, 화학 및 생물학적인 처리방법과 더불어

점차 개선되고 있는 실정이며(3-6), 환경 보전 차원에서 제

2의 환경오염원의 결과가 될 수 있는 해양 투기 등을 최대한

줄이려 노력하고 있다. 그의 일환으로 해양 환경 보호를 위

한 국제 협약인 런던 협약이 1972년에 체결되었으며, 1996년

에는 런던 협약 의정서가 채택됨에 따라 해양 투기에 관해서

(2)

Table 1. Chemical properties of used sludge Sludges

¹⁾

pH OM

²⁾

(%) T-N

³⁾

(%) CEC

⁴⁾

(me/100 g)

Av. P

2

O

55)

Cd Pb Ni Cu Zn

mg/kg SS IS 6.4

6.9 26.46

21.05 3.17

4.05 30.72

66.90 484.13

434.64 1.40

1.66 37.05

102.02 128.62

242.63 180.77

424.45 106.76 102.04

1)

SS: Sewage sludge, IS: Industrial sludge.

²⁾

OM: Organic matter.

³⁾

T-N: Total nitrogen.

4)

CEC: Cation exchange capacity.

⁵⁾

Av. P

2

O

5

: Available phosphate.

는 전 세계적으로 제한하고 있다(2-5). 국내에서는 런던협약 의정서가 2006년부터 발효됨에 따라 해양 배출 처리방법에 대한 합리적인 대책 방안 연구가 진행되고 있으며(3-5), 나 아가 2012년에는 유해성이 있는 넓은 범위의 오염물질에 관 하여 해양 투기가 전면 금지될 예정이다(4). 따라서 슬러지 처리 방법으로서 큰 비중을 차지하는 해양 투기는 점차 어려 워지고, 상대적으로 발생하는 하수 슬러지양은 현재보다 더 증가함은 당연하기 때문에 이에 대한 대책 방안이 시급하게 필요한 시점이다.

이러한 슬러지의 기존 처리 방법은 토양개량제, 유기물 및 미량원소의 보급원 등의 농업적 이용 방법(7,8), 육지의 일정한 곳에 매몰, 바다에 투기 및 소각 등 여러 방법(1,2)이 이용되고 있지만, 중금속 및 여러 화학물질 등의 오염물질을 발생하는 제 2의 환경 오염원 중 하나로 여겨지고 있다. 이의 자원화 방법으로 비료화 및 토양개량제로의 이용을 생각할 수 있으나 슬러지에 함유된 잠재적인 유해원소들(PTEs, po- tentially toxic elements)의 이동으로 작물에 축적되어 식품 연쇄(food chain)에 의한 인축에 피해를 야기할 수 있다. 그 러므로 슬러지를 농업분야에 활용하고자 할 때 자연에 노출 되어지는 오염물질의 수준, 즉 재배되는 농작물에 대한 중금 속 축적 수준 및 안전성 그리고 생산성을 검증하여야 할 것 이다.

따라서 본 연구는 생활하수 및 산업폐수 슬러지를 농업에 이용하는 방식으로, 이를 연차적으로 경작지에 적정량 처리 하고 콩을 재배한 후, 콩 식물체에 이행되는 중금속 흡수량 과 콩 종실의 수확량, 단백질 및 아미노산 함량에 미치는 영향을 조사하였다.

재료 및 방법

슬러지 제조 및 처리 방법

토양에 처리한 슬러지는 전북 전주시 전미동에 소재한 하 수종말처리장에서 배출된 생활하수 슬러지와 전북 익산시 환경관리사업소에서 배출되어 나온 산업폐수 슬러지를 사 용하였으며, 이를 풍건하여 2 mm 체를 통과시킨 후 사용하 였다. 슬러지는 원광대학교 생명자원과학대학 내에 소재한 실습 포장 내에 처리하였으며, 시험군당 면적 5 m

²

(1×5 m) 로 하여 대두를 30 cm 간격으로 파종하여 재배하였고, 풍건 된 슬러지를 토양에 무처리(0 Mg/ha), 생활하수 슬러지 및 산업폐수 슬러지를 각각 11.25, 22.50 및 45.00 Mg/ha 되게

처리하여 총 7개 군으로 임의 배치 3반복 처리하였으며, 각 군마다 20 cm의 깊이로 토양에 골고루 혼화 처리하였다. 슬 러지는 1년차에 이어 2년 연속 시용하였고 연마다 파종은 5월 10일, 수확은 9월 20일에 하였다.

슬러지 및 재배 포장 토양 분석

시험에 사용한 슬러지와 처리 전 토양의 화학적 특성 및 중금속 함량은 토양 및 식물체 분석법(9)에 준하여 분석하였 으며, 슬러지의 화학적 조성은 Table 1, 처리 전후 토양의 화학적 특성은 Table 2에 나타내었다. 즉, 포장 내 토양의 표토를 채취하여 음건한 토양을 시료로 사용하여 pH는 초자 전극법(토양/증류수, 1:5), 유기물은 Tyurin법, 전질소는 Kjeldahl 증류법, 유효인산은 Lancaster법, 치환성양이온 및 염기치환용량(CEC)은 1 N ammonium acetate(pH 7.0) 침출 법을 이용하였다. 슬러지의 pH는 초자전극법(슬러지/증류 수, 1:5), 유기물은 회화법, 질소는 micro-Kjeldahl법, 인산은 H

2

SO

4

-HClO

4

습식분해법을 이용해 Vanadate법으로 침출 하여 분광광도계(V-560, Jasco, Tokyo, Japan)로 비색 정량 하였다. 토양 및 슬러지의 중금속 분석은 Cao 등(10) 및 Gange와 Page의 방법(11)에 의해 추출하여 원자흡광분광광 도계(FS-220, Varian, Mulgrave, Australia)를 이용하여 Cd, Pb, Ni, Cu 및 Zn을 분석하였다.

시료 조제

콩 식물체는 지상부와 뿌리가 상하지 않게 채취하였으며, 채취 후 뿌리에 묻은 토양을 1차 증류수로 제거한 후, 3차 증류수로 헹구어 생 중량을 측정하였다. 생 중량을 측정한 식물체는 뿌리, 줄기, 잎, 콩깍지 및 콩으로 나누어 50

^o

C로 조절된 열풍 건조기 내에서 건조하고 이를 분쇄하여 시료로 사용하였다.

중금속 분석

콩 식물체 및 종실의 Cd, Pb, Ni, Cu 및 Zn 함량은 Gange 와 Page의 방법(11)에 준하여 분석하였다. HNO

3

과 HClO

4

(2:1, v/v) 혼합용액을 조제한 후, 이를 시료에 대한 10배량을

가하여 hot plate 상에서 단계적으로 100

^o

C까지 등온 시켰으

며, 이 온도를 유지하면서 용액의 색이 미색 또는 투명해질

때까지 분해를 진행하였다. 분해가 완료된 용액은 수욕 상에

서 3시간 중탕 및 휘산 시켰으며, 이를 적정량 정용하여 시험

용액으로 사용하였다. 중금속의 분석은 원자흡광분광광도

계(Varian)를 사용하였으며, 분석에 사용된 표준물질은 1,000

ppm 농도의 Cd, Pb, Ni, Cu 및 Zn 표준 용액(Wako Chem-

(3)

Table 2. Chemical properties of used soil Treatment

groups

¹⁾

AST

²⁾

(Mg/ha) pH OM

³⁾

(%) T-N

⁴⁾

(%) CEC

⁵⁾

(me/100 g)

Av. P

2

O

56)

Cd Pb Ni Cu Zn Exchangeable cations

K Ca Mg Na

mg/kg me/100 g

year 1

Control 0 6.4 3.05 0.12 19.54 158.99 0.55 19.49 20.52 15.93 45.29 0.45 3.38 1.88 0.22

SS 11.25 22.50 45.00

6.3 6.2 6.2

3.12 3.15 3.24

0.13 0.15 0.18

21.68 22.01 22.49

168.25 170.90 177.80

0.59 0.75 0.77

20.53 21.27 22.28

21.60 26.69 29.85

20.05 20.20 20.50

57.08 57.74 60.19

0.63 0.67 0.74

3.77 3.78 3.85

1.91 1.94 1.96

0.24 0.28 0.31

IS 11.25 22.50 45.00

6.3 6.2 6.0

3.22 3.24 3.27

0.15 0.16 0.17

21.95 22.48 23.26

169.20 177.20 181.77

0.57 0.68 0.75

22.55 24.95 25.27

23.26 25.48 28.25

16.05 19.90 20.63

49.25 55.32 69.55

0.71 0.72 0.75

3.78 3.85 3.89

1.90 1.94 1.96

0.27 0.32 0.35

2 year

Control 0 5.4 2.59 0.11 21.85 149.02 0.59 21.26 22.53 16.54 47.52 0.39 3.23 1.72 0.23

SS 11.25 22.50 45.00

5.1 4.8 4.9

2.35 3.31 3.31

0.12 0.13 0.15

21.97 22.86 23.25

180.24 181.05 182.38

0.65 0.69 0.78

22.78 23.95 24.43

28.27 29.05 30.13

18.59 19.07 21.85

49.99 52.13 78.63

0.60 0.64 0.70

3.67 3.76 3.87

1.77 1.80 1.90

0.26 0.29 0.34

IS 11.25 22.50 45.00

5.2 5.1 4.9

3.00 3.05 3.36

0.14 0.17 0.22

22.28 23.77 24.02

194.53 195.88 197.59

0.62 0.69 0.82

22.77 23.70 25.99

28.40 29.87 30.04

20.02 22.30 23.91

49.68 51.24 57.28

0.57 0.71 0.75

3.78 3.92 4.00

1.81 1.85 1.87

0.25 0.30 0.33

1)

SS: Sewage sludge, IS: Industrial sludge.

²⁾

AST: Amount of sludge treatment.

³⁾

OM: Organic matter.

4)

T-N: Total nitrogen.

⁵⁾

CEC: Cation exchange capacity.

⁶⁾

Av. P

2

O

5

: Available phosphate.

ical, Tokyo, Japan)을 적당한 농도로 조제하여 사용하였다.

단백질 및 아미노산 분석

콩의 단백질 분석은 AOAC 방법(12)에 준하여 Kjeldahl 방법으로 측정하였다. 콩의 아미노산 함량은 AccQ-Tag법 (13)에 따라 분석하였다. 시료 0.3 g을 정확히 칭량하여 바이 알에 넣고 6 N HCl 용액 5 mL를 가한 후 산화 방지를 위해 질소 가스를 5분간 충진시켜 밀봉하였다. 이 용액을 110

^o

C로 조절된 heating block 상에서 24시간 가수분해 시킨 다음 실온에서 냉각하였고, 이 중 약 100 μL를 취하여 135

^o

C로 조절된 heating block 상에서 염산을 날려 보냈다. 그 다음 0.2 M sodium citrate buffer(pH 2.2) 용액으로 4 mL가 되게 정용한 후 시험 용액으로 사용하였다. 분석기기는 auto ami- no acid analyzer(SYKAM, Eresing, Germany)를 이용하였 으며, 이때 칼럼은 LCA K07(150×4.6 mm, SYKAM)을 사 용하였고 자외부 흡광 검출기를 사용하여 570 nm에서 분석 하였다.

통계처리

분석항목에 대한 실험은 3회 반복하였고, 얻은 결과들은 excel software를 사용하여 평균 및 표준오차를 작성하였다.

또한 SPSS 통계 프로그램(Ver. 12, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용해 One way ANOVA에 의해 p<0.05에서 Dun- can's multiple test로 군간 유의차를 검증하였다.

결과 및 고찰

콩의 부위별 중금속 함량

생활하수 및 산업폐수 슬러지의 처리량을 달리하여 연차 별로 처리한 후 재배된 콩의 중금속 흡수 정도와 축적량을 부위별로 조사한 결과는 Table 3 및 4와 같다.

식물체 부위별 Cd 함량은 생활하수 및 산업폐수 슬러지 모두 처리량이 많을수록 높아지는 경향이었다. 이는 잎과 뿌리에서 확연하게 나타나고 있었으며, 식물체 부위별 Cd 함량은 뿌리가 가장 높은 경향이었다. 하지만 전반적으로 슬러지 중 Cd 함량이 낮은 관계로 식물체 부위 중 함량 또한 낮았고, 특히 식용 대상이 되는 콩 종실이 가장 낮은 경향을 나타내었다. 한편 Cd은 주로 식품으로부터 인체에 이행되고 FAO/WHO에서 설정한 잠정주간섭취허용량인 PTWI(pro- visional tolerable weekly intake)는 7 μg/kg b.w/week로 보고되고 있으며(14), Won 등(15)이 연구한 결과를 보면 국 내산 대두 중 Cd 함량은 0.009～0.073 mg/kg(평균 0.035 mg/kg)의 수준이라 하였고, Kim 등(16)이 보고한 국내 유통 중인 농산물 중 대두의 Cd 함량은 0.006～0.081 mg/kg(평균 0.020 mg/kg) 수준이라 보고한 결과와 비교하면 본 연구의 결과는 0.02～0.05 mg/kg으로 그 수준 내에 있음을 확인하 였다. 또한, 국내[0.1 mg/kg 이하(대두의 경우 0.2 mg/kg 이 하)], Codex(0.1 mg/kg) 및 EU(0.2 mg/kg)의 기준치(17-19) 와 비교하여 낮은 수준임을 확인하였다. 이와 같은 결과로 미루어 본 바, 슬러지를 이용하여 재배된 콩의 식물체 부위 및 콩에 함유된 수준이 비오염지에서 생산된 콩 종실의 수준 과 유사한 것으로 나타나 생활하수 및 산업폐수 슬러지를 유기질 퇴비 자원으로서 이용 가능한 것으로 판단되었다.

또한 2년차에 연용 처리하고 콩을 재배한 결과, 식물체 중 Cd 농도가 1년차와 유사한 경향을 나타내어 슬러지 연용에 따른 Cd 축적 우려는 낮은 것으로 나타났다.

식물체 부위별 Pb의 축적량은 생활하수 및 산업폐수 슬러

지 모두 처리량이 많아질수록 Pb 함량 역시 증가하였는데,

이 현상은 콩의 모든 식물체 부위에서 나타나고 있었다. 식

물체 부위별 Pb 함량은 Cd과 동일하게 뿌리에서 가장 높았

으며, 식용대상이 되는 콩 중의 농도는 0.03～0.28 mg/kg으

(4)

(5)

(6)

Table 5. Contents of protein of soybean cultivated in soil treated with sewage and industrial sludge in 1 and 2 year

Treatment

¹⁾

AST

²⁾

(Mg/ha) 1 year (%) 2 year (%)

1)

SS: Sewage sludge, IS: Industrial sludge.

2)

AST: Amount of sludge treatment.

3)

Means with the same letter superscript in a column are not significantly different at the 5% level by Duncan's multiple range test.

로 다른 식물체 부위에 비해 낮았다. 또한 연용 처리에 따른 Pb 함량은 1년차보다 증가하는 경향을 나타내었는데, 이는 슬러지의 연용 처리가 토양 중의 Pb 농도를 상대적으로 높 게 하여 콩 식물체의 Pb 흡수 기회를 높인 것으로 판단되었 다. 한편 Pb에 대한 FAO/WHO에서 설정한 PTWI는 25 μg/

kg b.w/week로 보고되고 있으며(14), Won 등(15)이 보고한 대두의 Pb 함량은 0.007～0.213 mg/kg(평균 0.092 mg/kg) 수준임을 보고한 사실과 Kim 등(16)이 보고한 국내 유통 농 산물 중 대두의 Pb 함량이 0.002～0.051 mg/kg(평균 0.028 mg/kg)이라 보고한 결과와 비교하면 슬러지 처리 후 수확한 콩 중의 Pb 함량이 0.06～0.28 mg/kg으로 생활하수 45.00 Mg/

ha 처리군에서 0.28 mg/kg인 경우를 제외하면 그 수준 내 있음을 확인하였고, 국내, Codex 및 EU의 기준치인 0.2 mg/

kg에 비해 낮아 위험성이 크지 않음을 확인하였다(17,19,20).

식물체 부위별 Ni의 축적량 역시 생활하수 및 산업폐수 슬러지 모두 처리량이 많아질수록 증가되었는데, 이 현상은 콩의 모든 부위에서 동일한 경향을 나타내고 있었다. 식물체 부위별 Ni 함량은 다른 중금속과 동일하게 뿌리에서 높았고, 식용대상이 되는 콩 중의 함량은 0.05～0.17 mg/kg으로 나 타나 다른 부위에 비해 함량이 낮아 식용으로써의 안전성이 높았다. 2년 연용 처리에 따른 콩 종실의 Ni 함량은 1년차에 비해 소폭 증가되는 경향이었다.

식물체 부위별 Cu의 축적량은 생활하수 및 산업폐수 슬러 지 모두 처리량이 많아질수록 Cu 함량 역시 증가하였는데, 이 현상은 콩 중의 Cu 농도를 제외하고 뿌리, 잎, 줄기, 미숙 콩 종실 및 콩깍지 등에서 확연히 나타나고 있었다. 식물체 부위별 Cu 함량 또한 뿌리에서 가장 높았고, 식용대상이 되 는 콩 중의 Cu 농도는 다른 식물체 부위보다 낮은 경향이었 다. Won 등(15)이 보고한 국내산 대두의 Cu 함량은 0.46～

5.56 mg/kg(평균 3.12 mg/kg)의 수준을 보고하고 있어 슬러 지를 유기질 비료원으로 이용할 경우 Cu 오염은 크게 우려 하지 않아도 될 것으로 판단되었다. 한편 2년 연용 처리 시 콩 식물체 뿌리 중의 Cu 농도가 1년차보다 오히려 낮아졌는 데 이는 Zn과 Mo의 함량이 많을 경우 길항작용에 의하여 흡수가 억제되거나 토양 중 유기물과 결합하여 Cu의 이동성 이 감소되어 흡수량이 감소한 결과로 생각되며, 상대적으로 Cu를 적게 흡수하였거나 흡수된 Cu를 식물체의 다른 부위 로 쉽게 이행하였기 때문으로 생각할 수 있었다. 한편 Table 1, 2, 3의 공시토양 및 슬러지, 도시하수 및 산업폐수 슬러지 처리 토양의 Zn 함량이 Cu 함량보다 높았던 결과로 전술한 내용과 연관이 있을 것으로 추측된다.

식물체 부위별 Zn의 축적량 또한 다른 중금속과 동일하게 생활하수 및 산업폐수 슬러지 모두 처리량이 많아질수록 증 가하였고, 콩의 모든 식물체 부위에서 나타나고 있었다. 식 물체 부위별 Zn 함량은 잎에서 가장 높은 것으로 나타나 Cd, Pb, Ni 및 Cu의 축적량과는 다른 경향이었다. Zn 역시 식용대상이 되는 콩 중의 농도가 11.2～16.9 mg/kg으로 줄

기의 함량보다는 높았지만 잎과 뿌리 중의 농도보다는 낮은 분포를 보였다. 2년 연용 처리에 따른 식물체 중의 Zn 농도 는 1년차의 결과에 비해 차이가 거의 없었다. 한편 Won 등 (15)이 보고한 국내산 대두의 Zn 함량은 3.69～40.18 mg/kg (평균 18.48 mg/kg)이었던 사실과 비교하면 슬러지 처리 후 수확한 콩 중의 Zn 함량이 15.5～16.9 mg/kg의 수준으로 산 업폐수 슬러지 45.00 Mg/ha에서 16.9 mg/kg으로 가장 높았 으나, 이는 비오염지 두류의 Zn 함량 범위 내에 있음을 확인 하였다.

슬러지를 밭 토양에 처리하면 토양 중의 중금속 함량 증가 로 인해 작물을 재배할 때 식물체 중의 중금속 함량 또한 증가하는 것으로 알려져 있다(7). 따라서 본 연구에서도 슬 러지 처리량이 많을수록 식물체 모든 부위에서 중금속 함량 이 증가하고 있었다. 하지만 그 정도는 미약한 수준이었고, 특히 식용부위인 콩 중의 함량은 잎 및 뿌리 등의 축적량에 비해 아주 적었으며, 슬러지 처리량의 증가에도 불구하고 함량 변화가 적어 슬러지 처리에 의해 생산된 콩이 안전하다 는 것을 확인하였다.

콩의 단백질 함량

Table 5는 재배한 콩 종실 중의 단백질 함량을 나타낸 결과이다. 단백질 함량은 1년차의 경우 무처리군보다 생활 하수 및 산업폐수 슬러지 처리군에서 모두 증가하는 경향을 나타냈으나 2년차의 경우 생활하수 슬러지는 무처리군보다 감소하는 경향이었고 산업폐수 슬러지는 11.25 및 22.50 Mg/

ha에서 높았으나 처리량이 많을수록 낮은 경향을 나타내었다.

1년차 슬러지 처리 토양에서 수확된 콩보다 2년차에 수확

된 콩 중의 단백질 함량이 45.00 Mg/ha를 제외하면 증가하

는 경향을 나타내었다. 이는 토양 중 중금속 함량이 1년차보

다 2년차에서 더 높다는 결과에서 그 원인을 추측할 수 있는

데, 콩 식물체가 생육 과정 중에 중금속의 영향을 받아 생육

저해를 일으키기 때문에 이를 방지하기 위하여 상대적으로

단백질을 더 생산했을 것으로 판단된다. 이러한 결과를 예측

할 수 있는 보고는 Song과 Yu(21)가 보고한 Cd 이온 함유배

(7)

1 year Sewage sludge

a2)

b b

c

b b

a

b a

b b

a

b b

b a

a a

a

c a

a

a a

a b

a

a a

a

a c

c c

b

c c

b

d b

d c

b

d c

c c

c b

b b

a

b a

c c

c a

b

c b

c

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Asp1) Thr Ser Glu Pro Gly Ala Cys Val Met Ile Leu Tyr Phe His Lys Arg

Amino acid

A m in o a c id c o n te n t in s o y b e a n g ra in (m g /1 0 0 g ) .

0Mg/ha 11.25Mg/ha 22.50Mg/ha 45.00Mg/ha

2 year Sewage sludge

b ab

c c

c b

b

b c

c bc

c c b

a a

bc a

b a

a

b ab

a a

a

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b bc ab

b bc

a b a a

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b a

a

a a

b b

b ab a

a a a

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Asp Thr Ser Glu Pro Gly Ala Cys Val Met Ile Leu Tyr Phe His Lys Arg

Amino acid

A m in o a c id c o n te n t in s o y b e a n g ra in . (m g /1 0 0 g ) . Fig. 1. Amino acid contents of soybean culti- vated on cropland treated with sewage sludge in 1 and 2 year.

¹⁾

Asp: aspartic acid, Thr:

threonine, Ser: serine, Glu: glutamic acid, Pro:

proline, Gly: glycine, Ala: alanine, Cys: cysteine, Val: valine, Met: methionine, Ile: isoleucine, Leu:

leucine, Tyr: tyrosine, Phe: phenylalanine, His:

histidine, Lys: lysine, Arg: arginine.

²⁾

Means with the same letter superscript in the same amino acid are not significantly different at the 5% lev- el by Duncan's multiple range test.

지에서 생육된

Hansenula anomoala

B-7 균체 세포벽의 구 성 성분 중 glucan 및 mannan의 함량이 감소되나 단백질과 총지질 함량에서 증가한 결과에서 확인할 수 있다. 또한, 산 업폐수 슬러지를 처리한 토양에서 수확된 콩이 생활하수 슬 러지군보다 높았는데 이는 슬러지에 함유된 중금속 함량 수 준이 생활하수 슬러지보다 많았으나 생육저해가 일어나지 않는 수준이었기 때문으로 판단되며 슬러지 중 여러 영양분 을 흡수하여 단백질 합성에 이용한 것이 아닌가 생각되었다.

콩의 아미노산 함량

생활하수 슬러지를 경작지에 처리하고 수확한 대두 중 aspartate, threonine, serine, glutamate, proline, glycine, alanine, cysteine, valine, methionine, isoleucine, leucine, tyrosine, phenylalanine, histidine, lysine 및 arginine 등 17 종의 아미노산을 분석하여 슬러지 처리량 수준별 함량 차이 를 비교한 결과는 Fig. 1과 같다.

조사된 17종 아미노산 중 aspartate를 비롯한 threonine, serine, glutamate, glycine, cysteine, valine, methionine, ty- rosine, phenylalanine, histidine, lysine 및 arginine 등 13종

이 11.25 Mg/ha 처리군에서 가장 높은 수치를 나타냈던 1년 차의 결과와는 달리 2년차에서는 glycine을 비롯한 alanine, cysteine, leucine, phenylalanine, lysine 및 arginine 등 7종 의 amino acid만이 11.25 Mg/ha에서 가장 높은 수치를 나타 냈고, aspartate 등을 비롯한 threonine, serine, glutamate, valine, methionine 및 isoleucine 등 7종의 아미노산은 처리 량이 가장 많았던 45.00 Mg/ha에서 가장 높은 함량을 나타 내었다. 또한, 12종의 amino acid(aspartate, threonine, ser- ine, glutamate, glycine, cysteine, valine, isoleucine, leucine, tyrosine, phenylalanine 및 histidine)에 대해서 모든 슬러지 처리군이 무처리군보다 증가하고 있어 1차년도 결과에서 glutamate의 경우에서만 모든 슬러지 처리군이 증가한 결과 와는 다른 양상을 나타내어 차이가 있었다. 따라서 슬러지의 경작지 처리로 인한 식물체의 아미노산 변화 연구는 지속적 으로 검토해 볼 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 2는 산업폐수 슬러지에 대하여 Fig. 1과 같은 방법으

로 대두 중의 아미노산 함량을 조사한 것이다. 1년차에서 조

사된 17종 아미노산 중 15종(threonine, serine, glycine, ala-

(8)

1 year Industrial sludge

a2)

a a

b

a a

a

a a

a

a a

a b

b b

a

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a

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0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Asp1) Thr Ser Glu Pro Gly Ala Cys Val Met Ile Leu Tyr Phe His Lys Arg

Amino acid

A m in o a c id c o n te n t in s o y b e a n g ra in . (m g /1 0 0 g ) .

2 year Industrial sludge

b

b b

b

c b

b

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b b

b a

a a

a

a a

a

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c d

b c

c

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c b

c

d

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Asp Thr Ser Glu Pro Gly Ala Cys Val Met Ile Leu Tyr Phe His Lys Arg

Amino acid

A m in o a c id c o n te n t in s o y b e a n g ra in . (m g /1 0 0 g ) . Fig. 2. Amino acid contents of soybean culti- vated on cropland treated with industrial sludge in 1 and 2 year.

¹⁾

Asp: aspartic acid, Thr: threonine, Ser: serine, Glu: glutamic acid, Pro: proline, Gly: glycine, Ala: alanine, Cys: cys- teine, Val: valine, Met: methionine, Ile: iso- leucine, Leu: leucine, Tyr: tyrosine, Phe: phenyl- alanine, His: histidine, Lys: lysine, Arg: arginine.

2)

Means with the same letter superscript in the same amino acid are not significantly different at the 5% level by Duncan's multiple range test.

nine, cysteine, valine, methionine, isoleucine, leucine, ty- rosine, phenylalanine, histidine, lysine 및 arginine)에서 생 활하수 슬러지 결과와는 다르게 무처리군에서 가장 높은 수 치를 나타냈고, glutamate는 11.25 Mg/ha 수준, proline은 45.00 Mg/ha 수준에서 각각 가장 높은 수치를 나타내고 있 었다. 또한, 2년차의 경우는 11.25 Mg/ha 수준에서 17종 모 두가 가장 높은 함량을 나타내었다. 이는 1년차의 17종 중 15종이 무처리군에서 가장 높은 함량을 나타냈던 것과는 차 이가 있었는데, 특히 proline, cysteine, methionine, tyrosine 및 histidine에서 무처리군보다 2배 이상의 함량 증가를 나타 나는 경향이었다. 또한 무처리군을 제외한 슬러지 처리군 만을 가지고 비교할 경우, serine의 22.50 Mg/ha 처리군에서 의 예외적인 경향을 제외하면, 11.25>22.50>45.00 Mg/ha 순 으로 처리량이 증가하면 각 아미노산 함량이 적어지는 경향 이 뚜렷하였다. 이는 대두 중의 아미노산 함량을 높이는데 있어 토양 중 슬러지 처리의 적정량에 대한 연구가 추가적으 로 필요함을 보여 주는 결과였다. 따라서 생활하수 및 산업 폐수 슬러지의 적정량 연용 처리가 콩의 아미노산 함량을 증진시킬 수 있는 가능성을 보여주고 있어 이에 대한 지속적 인 검토와 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

한편, 콩의 아미노산에 대한 기존 연구에 따르면, Kim 등 (22)은 콩의 총 아미노산 함량이 7,461～8,160 mg/100 g 수 준, Wei 등(23)은 6,013.2～6,741.8 mg/100 g 수준이라 보고 하여 본 연구의 결과인 6,451.15～14,248.59 mg/100 g이 유 사한 수준임을 알 수 있었다. 하지만 Moon 등(24)이 보고한 2,655 mg/100 g 수준, Kim 등(25)이 보고한 38,938.7 mg/

100 g 수준과는 상당한 차이가 있었다. 이는 콩의 품종에 따라 차이를 나타낸다는 결과들(22,26)에서 그 원인을 찾을 수 있으며, 슬러지 처리로 인한 재배 환경의 변화 또한 그 원인으로 볼 수 있다.

식물의 생육 및 체 구성성분의 합성을 위하여 일반적으로

양이온과 음이온들에 의하여 대사반응이 촉진 또는 저해작

용을 수반하는 경우를 확인할 수 있다. 이러한 사실에 비추

어 살펴보면 1가 양이온에 의해 활성화되는 효소는 주로

synthetase, oxidoreductase, dehydrogenase, transferase,

kinase 등이나(27,28) 2가 이상의 중금속 이온들에 의하여

기능을 지닌 거대분자의 subunit의 분리, 효소의 구조 또는

작용부위를 약화 또는 파괴시켜 효소작용이 저해되고 세균,

균류 및 조류 등에 폭넓게 독성을 나타내며 카드뮴은 물질의

수송계 변화, 효소 단백질의 생합성 및 효소활성의 변화 등

(9)

c ns b1) ns2)

a

a ab

a b

a

0 200 400 600

1 year sewage 2 year sewage 1 year Industrial 2 year Industrial

Years and sludges

S o y b e a n y ie ld ( k g /h a ) .

Fig. 3. Yields of soybean cultivated on soil treated with sewage and industrial sludge in 1 and 2 year.

¹⁾

Means with the same letter su- perscript in the same year and sludge are not significantly different at the 5% level by Dun- can's multiple range test.

²⁾

ns: not significant.

을 야기시켜 독성을 발현한다는 사실이 밝혀져 있다(29). 따 라서 다량 및 미량원소 그리고 중금속 원소들의 기능을 조사 하여 아미노산 함량 증가 원인을 구명하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

콩의 수량

연차별로 생활하수 및 산업폐수 슬러지를 처리하고 파종 135일째에 수확한 대두 종실의 수량은 Fig. 3과 같다. 종실의 수량은 1년차에 모든 슬러지 처리군이 무처리군보다 높은 수확량을 나타내었고, 특히 11.25 Mg/ha 수준에서 가장 높 은 증가를 나타내었다. 이에 반해 2년차에는 생활하수의 경 우 모든 처리군이 무처리군보다 낮았으며, 무처리군과 유사 한 수확량을 얻은 군은 11.25 Mg/ha 수준이었다. 산업폐수 의 경우 11.25 및 22.50 Mg/ha 수준에서 무처리군보다 약간 증가하는 경향을 나타내었고, 45.00 Mg/ha 수준에서는 감소 하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 결과로 미루어 본 바, 2년 연용처리를 할 경우 수확량을 감소시키는 경향을 나타 내었다. 하지만 콩 중의 Cd, Pb, Ni, Cu 및 Zn 함량 측면에서 는 식품 허용 기준치에 미달되는 수준으로 나타나 대두 생산 에는 안전한 수준이므로 모든 슬러지 처리군이 활용 가능할 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구에서 진행한 처리 수준까 지는 콩 종실 중 중금속 함량은 문제가 되지 않으나 수량이 감소되는 점을 감안한다면, 가장 적합한 슬러지의 처리 수준 은 11.25 Mg/ha가 적당함을 알 수 있었다.

요 약

본 연구는 생활하수 및 산업폐수 슬러지를 연차적으로 경 작지에 처리한 후, 재배된 콩 식물체의 중금속 흡수 정도와 영양성분에 미치는 영향을 조사하였다. 처리량은 무처리, 11.25, 22.50 및 45.00 Mg/ha로 하였으며, 재배된 콩 식물체 의 부위별 Cd, Pb, Ni, Cu 및 Zn 함량과 콩 종실의 수확량, 단백질 및 아미노산 함량을 조사하였다. 콩 종실 중의 Cd 함량은 0.02～0.05 mg/kg으로 기준치에 안전한 수준이었고,

Pb 함량은 산업폐수 슬러지 45 Mg/ha를 제외하고 0.02～

0.15 mg/kg으로 기준치에 적합하였다. 또한, 모든 중금속 축적률은 잎 또는 뿌리보다 식용부위인 콩 종실에서 상대적 으로 낮았고, 슬러지 처리량의 증가에도 함량 변화는 적어 식용으로서 안전함을 확인하였다. 종실의 수확량은 1년차에 슬러지 처리군이 무처리군보다 높았지만 2년차에는 생활하 수 슬러지의 경우 낮은 수확량을 보였고, 산업폐수 슬러지의 경우 유사한 수준 또는 감소하는 경향이었다. 생활하수 슬러 지 처리에 따른 아미노산 함량은 glutamate 경우에만 슬러 지 처리군이 무처리군보다 증가하는 경향이었다. 하지만 연 용에 따른 변화는 12종에서만 무처리군보다 증가하고 있었 다. 산업폐수 슬러지는 1년차의 경우 15종이 무처리군에서 가장 높았고, 2년차에서는 11.25 Mg/ha에서 17종 모두가 가 장 높은 결과를 나타내었다. 결론적으로 콩 종실 중 중금속 축적량은 문제가 되지 않았으나 수량이 감소되는 점을 감안 할 때 가장 적합한 슬러지 처리 수준은 11.25 Mg/ha임을 확인하였다.

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