포사격장의 중금속 오염도 조사 및 피(Echinochloa crusgalli var. Frumentacea)와 해바라기(Helianthus annuus)를 이용한 납의 phytoextraction에 관한 연구

Abstract

본 연구는 포 사격장의 토양 중금속 오염도 및 토양 미생물 활성도 분석을 통한 중금속 오염지역 조사와 납으로 오염된 토양을 식물을 이용하여 복원하기 위해 납 내성종 선별 및 납 축적에 킬레이트가 미치는 효과와 식물체의 납 내성기작을 알아보기 위해 이루어졌다. 국내 포사격장 토양은 카드뮴, 아연, 구리, 납으로 오염되어 있었고 우점종인 쑥, 빗자루국화, 억새의 중금속 함량은 봄과 가을에 모두 높았으며 Zn > Cu > Cd > Pb 순으로 나타났다. 포사격장 토양내 여러 미생물 활성도는 토양의 중금속 농도가 높아질수록 감소하였다. 11종의 식물 종자를 대상으로 Pb 500, 1000 mg/kg으로 오염시킨 토양에서의 납 내성종을 선별한 결과 피와 해바라기가 발아율과 생체량에서 다른 종들보다 높게 나타났다. 피와 해바라기를 대상으로 petri dish에서 여러 농도의 납 용액에 14일간 발아 실험을 하여 발아율, EC_50(Effective Concentration 50%), 납 축적량을 측정하였다. 그 결과 두 식물 모두 납 노출 농도가 높아질수록 발아율이 감소하여 1000 mg Pb/L에서 각각65%, 20%의 발아율을 보였다. 또한 EC_50측정 결과는 식물 모두 지하부가 지상부보다 납에 대해 더 민감하다는 것을 시사하였다. 14일간의 노출 실험 후 식물체내에 축적된 납 농도를 분석한 결과 1000 mg/L 납용액에서 해바라기는 29,200 μg/g, 피는 89,100 μg/g로 피가 해바라기보다 약 3배 높은 농도로 납을 축적하였다. 1000 mg Pb/kg의 농도로 오염된 토양에 EDTA, DTPA, NTA, malic acid를 각각 1 mmol/kg soil 첨가한 결과 수용성 납의 농도가 EDTA를 첨가한 구에서 108-124 mg/kg으로 다른 킬레이트보다 높았다. 식물 납의 축적농도 조사에서도 EDTA에 의한 효과가 가장 큰 것으로 나타나 피는 지상부에 0.1%이상의 납을 축적하였고 해바라기는 대조구보다 4배 정도 더 높은 축적율을 보였다. 피를 종자때부터 납에 노출시킨 결과 뿌리, 지상부 모두 EDTA를 첨가하였을 때 더 많이 납을 흡수하여 지상부의 경우 종자상태에서 EDTA를 첨가하지 않았을 때보다 EDTA를 첨가했을 시 약 2-4배의 증가하였다. 해바라기는 유식물일 경우 EDTA첨가 시 뿌리, 지상부 모두 EDTA를 첨가하지 않을 때보다 각각 약 3-5배, 7-20배의 식물체내 납 농도가 증가하였다. 해바라기는 종자때부터 노출된 경우EDTA를 첨가하지 않았을 때 유식물일 때보다 뿌리, 지상부의 납 축적량은 매우 높아져 둘 다 2-3배의 증가를 보였다. 그러나 어린 해바라기일수록 EDTA에 의한 저해를 심하게 받아 phytoextraction에 있어서는 비 효율적임을 나타냈다. 피의 납 축적 기작을 알아보기 위해 Gel-filtration chromatography (Sephadex G-75)을 이용하여 Pb-binding protein의 분리 실험을 한 결과 약 1-2 kDa, 66 kDa의 ligand가 납 축적 및 내성 기작에 관여하는 것으로 나타났다.;This research was performed to investigate the heavy metal contaminated site through analyzing heavy metals and microbial enzyme activities in soil at a general shooting range and to select plant for cleaning up pollutant from the Pb-contaminated soil by using plant and to investigate the influence of chelates on uptake of Pb by plant. The military shooting range were polluted by Cd, Zn, Cu, Pb and dominated plants such as A. princeps var. orientalis, A. subulatus, M. sinesis accumulated high concentrations of heavy metals (ordered as Zn > Cu > Cd > Pb) in spring and autumn. Soil enzyme activities correlated negatively with soil heavy metal concentrations. In consequence of screening lead tolerant plant in Pb 500, 1000 ppm contaminated soil, E. C. var. frumentacea and H. annuus had higher germination rate and biomass among than 11 plant species. Germination rate, EC_50 (Effective Concentration 50 %) and Pb concentration of E. C. var. frumentacea and H. annuus were measured after germination test for 14 days in a petri dish added Pb. The higher Pb concentration, the smaller germination rate in two plants and it showed results that germination rate were 65 %, 20 % in 1000 mg Pb/L respectively. As a result of EC_50, sensitivity to Pb showed that two plants were inhibited in shoots than roots. After exposed to Pb for 14 days, Pb concentrations of plants were in proportion to the concentration in growth media and accumulated Pb concentrations in E. C. var. frumentacea and H. annuus were 89100 μg/g, 29200 μg/g at 1000 mg/L media individually. 1 mmol/kg soil EDTA, DTPA, NTA and malic acid were applied to a 1000 mg/kg Pb contaminated soil and as a result EDTA was significantly increased soil soluble Pb concentration of 108-124 mg/kg more than other chelates. Besides concentrations of Pb in plants showed that EDTA was the most efficient in increasing shoot Pb concentrations. E. C. var. frumentacea accumulated greater than 0.1% Pb in shoot and H. annuus absorbed 4-fold compared to the control. When E. C. var. frumentacea was exposed to Pb from the seed, EDTA inceresed Pb concentrations in root and shoot and shoot Pb concentration was higher 2-4 times than no EDTA applied. EDTA increased Pb concentrations in root and shoot of H. annuus seedling 3-5 fold, 7-20 fold compared to those without EDTA respectively. When H. annuus was exposed to Pb from the seed without EDTA, Pb concentrations in root and shoot were increased 2-3 fold as compared to seedling without EDTA. But younger H. annuus, more toxicity of EDTA, therefore it was showed that EDTA was not efficient for phytoextraction. For investigating tolerance mechanism of E. C. var. frumentacea, it was performed experiment of isolateing Pb-binding protein using Gel-filtration chtomatography (Sephadex G-75). As a result it showed that 1-2 kDa, 66 kDa ligand were involved the Pb-accumulating and detoxifying mechanism.