중금속 오염토양 복원을 위한 내성 식물 종 선별 및 자귀풀(Aeschynomene indica)의 Cd 흡수능에 관한 연구

Abstract

본 연구는 토양의 중금속 오염도와 식물을 이용한 토양 복원을 위해 국내 자생종을 선별하는데 목적이 있다. 경기도 일대의 휴·폐광산 및 포사격장의 토양과 우점종의 중금속 함량 분석 및 발아 실험을 통한 카드뮴 내성 실험을 통해 식물을 선별하였다. 토양 중금속은 포사격장은 카드뮴, 아연, 구리 함량이 높았으며 철광산은 철, 아연, 망간이 높게 나타났다. 특히 포사격장의 nonvegetated spot의 토양 내 카드뮴 농도는 2.21μg/g으로 대조군인 지장산 토양의 0.06μg/g에 비해 약 38배 높게 나타났다. 국내에 널리 자생하는 쑥, 억새, 빗자루국화, 실새풀 등이 우점하고 있으며 중금속 함량은 일반 식물체 함량보다 높지 않았다. 그러나 카드뮴 농도가 비교적 높은 포사격장의 우점종은 0.61 - 9.11 μg/g 으로 다른 지역보다 8배에서 100배 높게 나타났다. 중금속 축적량과 생체량을 고려할 경우 조사지 우점종 중 쑥이 가장 효율적인 종으로 사료되나 현장 적용 시 파종의 어려움이 있다. 따라서 카드뮴에 내성이 강하면서 파종이 손쉬운 종을 선별하기 위하여 0, 2.5, 5, 10, 25, 50, 100, 250 mg CdSO₄/L의 배지를 이용하여 중금속에 내성이 있다고 알려진 콩과, 벼과에 속하는 자귀풀, 매듭풀, 차풀, 바랭이, 물피, 강아지풀의 발아 독성 실험을 수행하였다. 강아지풀을 제외하고 모든 종이 250 mg CdSO₄/L의 높은 농도에서도 50 % 이상의 높은 발아율을 보였다. 그러나 카드뮴의 독성에 의해 뿌리 길이 > 뿌리 생체량 > 지상부 길이 > 지상부 생체량 순으로 seedling의 성장 저해가 관찰되었다. 콩과인 차풀이 카드뮴에 가장 높은 내성을 보였고 그 다음으로 물피와 자귀풀이었다. 카드뮴에 대한 내성과 생체량을 고려하여 자귀풀을 선별, 카드뮴 흡수능을 실험하였다. 토양에서 키운 자귀풀을 7일간 0, 1, 3, 5, 10, 30, 50 mg CdSO₄/L 배지에 노출하였다. 30 mg CdSO₄/L에 노출했을 때 뿌리의 카드뮴 양이 줄기의 5배, 잎의 10배로, 뿌리 건조 중량의 약 0.1%에 해당하는 양의 카드뮴이 뿌리에 흡수·축적되었다. 이 결과는 자귀풀이 중금속을 뿌리에 흡수·저장 전략을 지닌 종임을 시사하는 것이다. 카드뮴 내성 기작을 규명하기 위해 카드뮴에 노출된 자귀풀의 뿌리를 DEAE-anion exchange column과 Sephacryl S-100 HR column 2번의 정제과정을 거쳐 3.5 kDa 크기의 Cd-binding peptide(Cd-BP)가 분리되었다. 이 peptide는 control에서는 나타나지 않는, 자귀풀 체내로 카드뮴이 유입되어 유도된 물질로 이는 카드뮴의 흡수·축적과 독성 해독에 peptide가 관여한다는 간접적인 증거이다. 본 연구 결과 자귀풀을 중금속 오염 복원에 사용할 경우 뿌리를 이용하여 중금속을 제거하는 rhizofiltration에 적합한 종으로 사료된다.;This research was performed to measure a pollution level of heavy metals in soils and to screen native heavy metal tolerant plant species for the remediation using plants. We collected soils and dominant plants at mines and the military shooting range in Kyunggi-do. To select plant, it was conducted to analyze heavy metal content in collected soil and plants and to test Cd tolerance with germination test. The levels of Cd, Zn, Cu and Pb are higher at the military shooting range but at iron mines, those of Zn, Mn, Fe are higher than typical background metal concentration of soils. Especially the concentration of Cd at the nonvegetated spot soil of the Military Shooting Range was 2.21 μg/g. This was 38 fold higher than that at the reference site, Mt. Jijang which was 0.06 μg/g. Dominant species are A. princeps var. orientalis, M. sinensis, A. subulatus, A. artemisiifolia, and C. arundinacea which grow widely in our country. Heavy metal contents in the part of plant species were lower than the normal compos itions but the Cd contents of plants were higher at the Military Shooting Range where the Cd level of soil was higher. These species accumulated Cd ranged 0.61 to 9.11 μg/g and 8 - 10 times more than those at the other site. To be compared the metal concentrations and biomass, it is supposed that A. princeps var. orientalis was the most effective heavy metal absorbing plant for remediation but had a problem of sowing. So we conducted germination test and toxicty test to screen species, tolerant to Cd and easy handled at sowing, The tested plants were C. mimosoides var. nomame, K. striata, S. viridis, D. sanguinalis, A. indica, E. crus-galli var. frumentacea. They belong to Fabaceae or Poaceae noted to have tolerance to heavy metals. Except S. viridis, the others had high germination rates, over 50%, exposed to high level of Cd at 250 mg CdSO₄/L. But seedlings were observed inhibited growth, which sensitivity was ordered as root growth > root biomass > shoot length > shoot biomass. C. mimosoides var. nomame in Fabaceae was the most tolerant species and next to were A. indica, and E. crus-galli var. frumentacea. To be considered metal tolerance and biomass, A. indica was selected and tested to accumulate Cd. A. indica, grown in no t-contaminated soil, was exposed to hydroponic medium contained 0, 1, 3, 5, 10, 30, 50 mg CdSO₄/L for 7 days. At 30 mg CdSO₄/L, A. indica accumulated 0.1% Cd of dry weight in root part, 5 times more than in stem and 3 times more than leaf. This result suggested A. indica had a strategy of accumulating Cd in roots. For investigating tolerance mechanism, root parts of A. indica were purified by DEAE-anion exchange chromatography and Sephacryl S-100 HR chromatography. Cd-BP, which size was 3.5 kDa, isolated only from roots of A. indica exposed to Cd, not from control. So this Cd-BP was induced by Cd and indirect evidence that this molecule involved the Cd-accmulating and detoxifing mechanisms. As these results, A. indica was suitable for rhizofiltration which use plant roots to remove heavy metals from contaminated site for remediation.