서언
산업화와 인구의 도시 집중으로 인한 토양의 중금속 오염은 생태계 불균형을 초래하고(Wild, 1993), 다양한 동‧식물의 중금속 축적을 유발하여 인류 건강을 위협하고 있다(Allaway, 1968; Jung et al., 1993). 우리나라에서도 공단과 교통관련 시설을 비롯하여 주거지역, 어린이 놀이터까지 중금속 오염에 노출되어 있다. 폐기물 매립지, 유류 저장시설, 폐광지역 및 제철소 인근 지역에서는 대규모 중금속 오염으로 인해 심각한 사회적 문제가 되고 있다(Jung et al., 2001). 이러한 중금속 오염은 대기, 수질, 토양 등 환경전반에 걸쳐 나타나므로 일반 환경문제와는 달리 취급해야 하고 중금속 위험성에 대한 인식개선이 필요하다(Gang, 2002). 정부는 중금속 오염물질 관리를 위해 1994년에 토양환경보전법을 제정하여 중금속 오염 및 복원에 대한 관리를 시작하였다(Chung and Lee, 1997; Yun et al., 2010).
본 연구가 수행된 J 제련소 인근은 중금속 토양 오염이 심각한 곳으로 알려져 있으며(Heachun, 2011), 본 연구지는 환경부의 2009년 토양환경보전법 1지역의 비소 토양오염 우려수준인 25 ㎎·㎏-1 DW를 초과한 45.794 ㎎·㎏-1로 비소로 인한 토양오염이 심각하였다(Table 1). 이러한 오염토양의 중금속 정화 는 물리‧화학적 방법과 생물학적 방법이 있다. 물리‧화학적 정화방법에는 토양 세척법, 물리적 분리, 전기화학적 공정, 산 용출 등이 있으며, 대부분 Ex-situ 기술로 정화에 소요되는 시간이 짧다는 장점이 있다. 그러나 막대한 자금과 노동력이 소요되며, 2차 오염발생 등의 문제가 있으므로 최근에는 생물학적 처리기술의 필요성이 증가하고 있다(Kumino et al., 2001). 또한 최근 중금속 오염지 정화에 대한 관심 증가와 함께 친환경적이며 경관을 향상시킬 수 있는 식물상정화기법(phytoremediation)에 대한 관심이 높아지고 있다(Salt et al., 1995).
Table 1. Heavy metal contents of soil near the smelter in 2009
| Site | Heavy metals contents (㎎ · ㎏-1 DW) | ||||
| As | Cd | Cu | Pb | Zn | |
| Warning levelz | 25 | 4 | 150 | 200 | 300 |
| Countermeasure level | 75 | 12 | 450 | 600 | 900 |
| Experimental site | 45.8 | 0.3 | 13.2 | 32.5 | 75.2 |
식물상 정화기법은 물리화학적 방법에 비해 경제적일 뿐만 아니라 토양안정화, 오염물질 이동의 최소화 등의 장점이 있어 식물상 정화기법에 적용 가능한 식물소재의 개발에 대한 연구가 활발히 시도되고 있다(Kim and Lee, 1999; Kim et al., 1999; Krishnaraj et al., 2000; Kwon et al., 2014). 그러나 식물종은 중금속 내성에 대한 종간의 큰 차이가 있으며(Kang et al., 1996), 중금속 축적능은 토양의 pH 및 토성 등의 물리·화학적 특성(Von Endt et al., 1968)과 토양 이온의 종류와 농도에 영향을 많이 받아 현장 적용에 많은 어려움을 겪고 있다(Fitz and Wenzel, 2002; Han et al., 2014; Kwon et al., 2015). 이에 현장 적용실험을 통한 식물종의 생육 및 중금속 축적능 탐색과 선발이 매우 필요한 실정이다.
식물상 정화기법에서 토양의 정화효과는 식물의 생육과 밀접한 관계가 있어(Park et al., 2003), 생육이 우수하며, 환경 적응성이 높은 국화과(Compositae)는 중금속 오염토양의 정화에 유리할 것으로 판단되었다. 특히 국화과인 쑥(Artemisia princeps)은 카드뮴(26.35 ㎎·㎏-1), 아연(2,853 ㎎·㎏-1) 등의 중금속 축적능이 우수하며, 체내 중금속 함량, 건물생산량 등을 고려할 때 식물상 정화법 소재로서의 가치가 높은 종으로 보고된바 있다(Kim et al., 1999; Choi and Chaing, 2003; Kwon et al., 2017). 또한, 벌개미취(Aster koraiensis), 해바라기(Helianthus annuus), 코스모스(Cosmos bipinnatus) 등은 카드뮴과 구리의 축적능이 우수하며(Kang et al., 2003; Choi and Chaing, 2003; Ju et al., 2011), 국화과에서 Scariola orientalis, Gundelia tournefortii는 카드뮴, 구리, 철, 니켈, 납, 아연 등의 중금속 축적능이 우수한 종으로 알려져 있다(Nouri et al., 2011; Chehregani and Malayeri, 2007). 이처럼 국화과에는 다양한 중금속의 축적능이 우수한 식물종이 많으며, 관상가치가 우수하여 식물상 정화기법 소재로써 가치가 매우 높다.
따라서, 본 연구는 관상가치가 높고, 중금속 축적능이 우수할 것으로 판단되는 자생 국화과 식물 15종을 선발하여, 중금속 오염이 심각한 곳으로 알려진 J 제련소 주변지역에서 현장 적용 연구를 실시하였다. 이를 통해 식물상 정화기법에 적용 가능한 식물소재를 선발하고자 연구를 수행하였다.
재료 및 방법
실험에 이용된 식물종은 문헌조사(Lee, 2010)를 토대로 환경 적응성이 높고, 생육이 우수하여 중금속 축적에 유리할 것으로 판단되는 국화과 15종을 선택하였다. 선정된 대상 식물은 톱풀(Achillea alpina), 더위지기(Artemisia gmelini), 눈갯쑥부쟁이(Aster hayatae), 가새쑥부쟁이(Aster incisus), 왕갯쑥부쟁이(Aster magnus), 참취(Aster scaber), 쑥부쟁이(Aster yomena), 금계국(Coreopsis drumondii), 한라구절초(Dendranthema coreanum), 감국(Dendranthema indicum), 울릉구절초(Dendranthema littorale), 바위구절초(Dendranthema sichotense), 각시취(Saussurea pulchella), 수리취(Synurus deltoides)로 무가온 비닐하우스에서 육묘하여 동일한 생육 단계 식물을 사용하였다(Table 2).
Table 2. Growth characteristics of fifteen Compositae plants measured just before planting into paddy soil contaminated with heavy metals
yValues are mean±SE (n=10).
시험 토양은 비소 오염이 심각한 곳으로 알려진 J 제련소 인근에서 8주간 수행하였다. 시험구는 1.4×1.4 m로 조성한 다음 잡초 방지를 위해 시험구를 제외한 부분은 부직포를 깔아 멀칭을 하였다. 식물은 8월 하순에 식재 간격을 20×20 ㎝로 하여 완전임의배치 3반복으로 식재하였다. 또한 식물의 활착을 돕기 위해 2주간 70% 차광막 설치 및 분수호수를 이용하여 20분씩 관수를 실시하였다. 잡초에 의한 오차 발생을 막기 위해 실험 기간 중 3주 간격으로 2회 잡초 제거를 하였다.
생육 조사는 중금속 오염토양에서 8주간 재배한 후 10주씩 3반복으로 초장, 초폭, 엽장, 엽폭, 엽수, 근장을 조사하였다. 줄기, 잎, 꽃 모두를 포함한 전체 지상부와 지하부의 생체중를 측정하였고 각 부위를 열풍건조(60℃, 72시간)한 후 건물중을 실험용 저울(ML4002/02, Mettler Toledo, USA)를 이용하여 측정하였다. 중금속은 식물의 지상부와 지하부로 나눈 후 열풍건조(60℃, 72시간)한 후 분쇄하였다. 분쇄된 시료는 0.5g 정량하여 삼각플라스크에 황산(H2SO4) 1 ㎖과 50%의 과염소산(HClO4) 9 ㎖를 첨가하여 310℃~410℃에서 분해시켜 전처리하였다. 전처리된 시료는 유도결합플라즈마분광도계(Perkin Elmer Optima 5300DV ICP-AES, Perkine Elmer, Germany)를 이용하여 유도결합플라스마-원자발광분광법(KME, 2009)으로 As, Cd, Cu, Pb, Zn를 3회 3반복으로 분석하였다. 또한 식물이 축적한 중금속이 지하부에서 지상부로 이동되는 이동계수(translocation factor, TF)를 아래의 식을 이용하여 구하였다(Oh et al., 2006).
$$\mathrm{이동계수}(\mathrm{TF})=\frac{\mathrm{지상부의}\;\mathrm{중금속}\;축\mathrm{적량}(\mathrm ㎎\cdot\mathrm ㎏^{-1}\;\mathrm{DW})}{지하\mathrm{부의}\;\mathrm{중금속}\;축\mathrm{적량}(\mathrm ㎎\cdot\mathrm ㎏^{-1}\;\mathrm{DW})}$$통계처리는 SAS version 9.1(SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)를 이용하여 통계처리 하였으며, 각 처리구의 평균을 구하고 처리구간의 유의성은 던컨의 다중검정방법(Duncan's multiple range test)을 이용하여 p < 0.05 수준에서 검정하였다.
결과 및 고찰
생육 반응
중금속으로 오염된 토양에서 8주 동안 재배한 국화과 15종의 생육은 토양에 오염된 중금속과 배수성과 통기성이 부족한 논토양의 특성으로 식물 종에 따라 생육 정도가 크게 달랐다(Table 3). 초장은 감국이 43.28 ㎝로 가장 컸으며, 가새쑥부쟁이(38.2 ㎝), 각시취(22.7 ㎝), 쑥부쟁이(22.5 ㎝) 등의 순이었으나, 식재 전에 비해 초장의 증가는 가새쑥부쟁이가 10.6 ㎝로 가장 많았다. 대체로 초장은 참취를 제외한 Aster속의 눈갯쑥부쟁이, 가새쑥부쟁이, 왕갯쑥부쟁이, 쑥부쟁이가 많이 증가되었다. 초폭은 더위지기, 울릉국화, 금계국, 각시취를 제외한 국화과 11종은 증가하였다. 지상부 생체중은 각시취에서 5.0 g으로 가장 많았으며, 건물중은 감국과 각시취에서 각각 1.7, 1.5 g으로 가장 높았다.
Table 3. Growth characteristics of fifteen Compositae plants cultivated in paddy soil contaminated with heavy metals for 8 weeks
yValues are mean±SE (n=10).
국화과 15종의 생육은 자생지의 생육특성과 비교하였을 때 모두 감소된 경향을 보였다(Song et al., 1996; Lee, 2010). 연구를 수행한 J 제련소는 다양한 중금속으로 오염되어 있으며, 특히 비소의 오염이 45.8 ㎎·㎏-1로 매우 심각한 지역이었다. 또한 논 토양의 특성상 토양의 배수성과 통기성이 부족하여 국화과 15종의 생육이 전반적으로 감소된 것으로 생각된다. 국화과 15종 중 Aster 속은 대체로 생육이 양호한 경향을 보였다. Aster속은 다양한 생육환경에서 적응성이 우수하여, 우리나라 산과 들 등 다양한 곳에서 자생하고 있는 것으로 알려져 있다(Lee, 2010). 또한 Aster속의 벌개미취는 중금속으로 오염된 토양이용형태별 연구에서 논, 밭, 수림지 등 다양한 토양조건에서 생육 및 중금속 흡수능이 우수한 종으로 보고된바 있다(Ju et al., 2011). 본 연구에서도 국화과 15종 중 Aster속이 중금속으로 오염된 논토양에서 생육이 우수한 경향을 보였다.
중금속 축적능
중금속으로 오염된 제련소 주변의 논토양에서 재배한 국화과 15종의 부위별 비소, 카드뮴, 구리의 함량은 Table 4와 같다. 지상부의 비소 축적능은 바위구절초에서 3.35 ㎎·㎏-1로 가장 높았고, 다음으로 울릉국화가 3.13 ㎎·㎏-1이었다. 지하부의 비소 축적능은 더위지기가 25.25 ㎎·㎏-1으로 가장 많았다. 이동계수는 갯쑥부쟁이(1.84)와 금계국(1.17)을 제외한 국화과 13종이 0.06∼0.97로 지상부에 비해 지하부의 비소 축적능이 우수하였다.
Table 4. Arsenic, cadmium and copper accumulation contained in fifteen Compositae plants cultivated in soil contaminated with heavy metals for 8 weeks
yTF: Translocation factor (Ratio of arsenic, cadmium and copper in aerial parts to underground parts).
xMean separation within columns by Duncan´s multiple range test, p＜0.05.
지상부의 카드뮴 축적능은 왕갯쑥부쟁이가 2.50 ㎎·㎏-1으로 가장 높았으며, 눈갯쑥부쟁이(2.02 ㎎·㎏-1), 갯쑥부쟁이(1.95 ㎎·㎏-1), 금계국(1.52 ㎎·㎏-1), 톱풀(1.14㎎·㎏-1) 순이었다. 지하부는 더위지기가 1.08 ㎎·㎏-1으로 가장 우수하였다. 카드뮴 축적능은 국화과 10종이 1 이상이었으며, 왕갯쑥부쟁이와 눈갯쑥부쟁이가 각 4.39, 3.50으로 흡수한 대부분의 카드뮴을 지상부에 축적하는 것으로 분석되었다.
대표적인 구리 축적종은 Ipomoea alpina (12,300 ㎎·㎏-1), Minuartia verna (1,074 ㎎·㎏-1)으로 세계적으로 약 20 여종이 알려져 있다(Baker and Brooks, 1989; Wenzel and Jockwer, 1999). 본 연구에서 국화과 15종의 지상부 구리 축적능은 한라구절초가 24.07 ㎎·㎏-1로 가장 높았고 지하부의 축적능은 수리취가 91.80㎎·㎏-1였다. 또한 TF는 모두 1이하로 흡수된 구리는 대부분 지하에 보관되는 것으로 확인되었다.
국화과 15종의 지상부 납 축적능은 1.45∼5.00 ㎎·㎏-1로 분석되어 다소 저조하였다(Table 5). 일반적으로 카드뮴 및 아연은 지상부로 전이가 용이한데 비해 납과 구리는 지하부 축적능이 높은 것으로 알려져 있다(Brown et al., 1994; Muller et al., 2000). 본 연구에서도 같은 경향으로 국화과 11종에서 납 축적능이 지상부에 비해 지하부에서 높았다. 아연 축적능도 감국과 수리취를 제외한 국화과 13종이 지상부의 축적능이 높았다.
Table 5. Lead and zinc accumulation contained in fifteen Compositae plants cultivated in soil contaminated with heavy metals for 8 weeks
yTF: Translocation factor (Ratio of lead and zinc in aerial parts to underground parts).
xMean separation within columns by Duncan´s multiple range test, p＜0.05.
아연 축적능은 눈갯쑥부쟁이 지상부에서 140.09 ㎎·㎏-1으로 가장 높았고, 이동계수도 3.95로 매우 우수하였다. 또한 각시취의 이동계수는 4.62로 흡수한 아연의 지상부 전이도가 매우 높았다. 식물의 아연 흡수능은 1,000 ㎎·㎏-1 이하의 토양 오염 범위에서 오염농도에 비례하여 증가하며, 1,000 ㎎·㎏-1 이상에서는 감소하는 것으로 알려있다(Jeong et al., 2010). 본 연구지의 아연 오염농도는 75.18 ㎎·㎏-1으로 낮음에도 불구하고 국화과 15종의 지상부 아연 축적능은 41.42∼140.09 ㎎·㎏-1의 축적능을 보였다. 특히, 눈갯쑥부쟁이(140.09 ㎎·㎏-1), 쑥부쟁이(109.07 ㎎·㎏-1), 왕갯쑥부쟁이(100.21 ㎎·㎏-1) 등은 100 ㎎·㎏-1 이상의 아연을 축적하였다.
중금속에 대한 고축적 식물종(hyperaccumulators)은 카드뮴 100 ㎎·㎏-1, 구리, 납과 비소는 1,000 ㎎·㎏-1, 아연은 10,000 ㎎·㎏-1 이상의 축적능을 가진 종으로 정의한다(Baker and Brooks, 1989;, Cunningham and Ow, 1996; Kim et al., 1999; Wantanbe, 1997). 본 연구의 국화과 15종에서 확인된 고축적종은 없었다.
오염토의 중금속 함량이 적으면 식물체의 중금속 축적량 또한 적은 것으로 알려져 있다(Cui et al., 2004; Lee et al., 2005). 특히 카드뮴, 납, 아연의 경우에는 토양의 오염농도에 따라 식물체의 축적량이 비례적으로 증가한다(Jeong et al., 2010). 반면, 본 연구지의 아연 오염정도는 토양환경보전법 1지역 답의 토양오염 우려수준인 300 ㎎·㎏-1에 비해 낮은 75.18 ㎎·㎏-1이었다. 그럼에도 불구하고 눈갯쑥부쟁이(140.09 ㎎·㎏-1), 쑥부쟁이(109.07 ㎎·㎏-1), 왕갯쑥부쟁이(100.21 ㎎·㎏-1) 등의 아연 축적능 우수하였으며, 비소, 카드뮴, 납 및 구리에 대한 축적능도 확인되었다.
본 연구를 통해 눈갯쑥부쟁이, 쑥부쟁이, 왕갯쑥부쟁이는 아연의 축적능를 비롯한 다양한 중금속 축적능이 확인되었다. 특히 눈갯쑥부쟁이는 우리나라 고유종으로 보존·원예적 가치가 매우 높은 종으로 활용가치가 매우 높다. 쑥부쟁이와 왕갯쑥부쟁이 또한 우리나라 전역에서 생육이 가능하고 관상가치가 우수하여 주거지역 및 교통관련 지역 등 실생활과 밀접한 지역에서 식물상 정화법 소재로 활용가치가 매우 높다.
다만, 식물상 정화법에서 식물의 생육과 건물중 생산량은 토양정화 효과와 가장 밀접한 관계가 있다(Park et al., 2003; Ju, 2011). 특히 경제적인 식물상 정화법을 위해서는 식물소재 지상부의 건물중 생산량이 우수할 때 효과적이다. 따라서 향후 눈갯쑥부쟁이, 쑥부쟁이, 왕갯쑥부쟁이 등 식물상 정화법 소재로 활용가치가 높은 식물 종의 생육 증대를 위한 다양한 연구가 필요할 것으로 생각되었다
적요
본 연구는 중금속 오염지역의 토양정화에 적합한 식물을 선발하기 위해 국화과 15종을 중금속으로 오염된 토양에 8주 동안 재배한 다음 생육반응과 부위별 비소, 카드뮴, 구리, 납, 아연 등의 중금속의 축적능을 분석하였다. 톱풀을 제외한 가새쑥부쟁이, 금계국, 감국, 각시취 등의 생육은 비교적 양호하였다. 비소 축적능은 더위지기 지하부(25.52 ㎎·㎏-1)에서 가장 높았고 지상부는 바위구절초(3.35 ㎎·㎏-1)가 가장 우수하였다. 카드뮴은 왕갯쑥부쟁이 지상부(2.50 ㎎·㎏-1)에서 가장 높았다. 구리 축적능은 지상부와 지하부 모두 각시취(24.29, 99.92 ㎎·㎏-1)가 가장 높은 경향을 보였다. 국화과 15종의 지상부는 1.43(왕갯쑥부쟁이)∼5.00 ㎎·㎏-1(수리취)의 납이 축적되었다. 눈갯쑥부쟁이(140.09 ㎎·㎏-1), 쑥부쟁이(109.07 ㎎·㎏-1), 왕갯쑥부쟁이(100.21 ㎎·㎏-1) 등의 아연 축적능은 100 ㎎·㎏-1 이상으로 아연 오염 지역의 식물상 정화 기법 소재로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
