1. 서 론

석탄사업의 사양화로 개발되었던 국내 탄광들이 폐광 후 충분한 보호 조치를 받지 않고 방치되어 주변 경관을 해칠 뿐만 아니라 환경오염문제로 인하여 사회적 관심이 크게 대두되고 있다 (Min et al. 2005). 국내에는 전국적으로 394개의 폐석탄광산이 존재하며, 그 중 강원도 지역에 151개소가 분포하고 있고, 오랫동안 방치되어 지반침하, 산성광산배수 유출, 폐석탄적치 및 산림훼손, 폐 시설물 등과 같은 피해를 유발하고 있다 (MIRECO 2018). 환경부에서 시행한 강원도 5개 시·군에 위치한 151개 폐석탄광산 토양오염실태 조사 결과에 의하면 폐석탄광산 38개소가 토양오염우려기준을 초과하였으며, 9개 폐석탄광산은 대책기준을 초과하는 수준으로 나타났다. 또한 토양오염 중금속 비소의 농도는 토양오염우려기준 1지역 (25 mg kg^-1) 대비 12.5배 (311 mg kg^-1), 납은 토양오염우려기준 (200 mg kg^-1) 대비 4.5배 (891 mg kg^-1)로 나타나 심각한 토양오염 수준을 보였다 (MOE 2010). 이러한 폐광산지에서 발생하는 광산폐기물은 유실, 비산 등의 과정을 거쳐 주변 토양과 하천이 중금속에 오염될 수 있고, 중금속 오염 및 농도 증가는 토양 미생물의 활동을 억제하여 토양이 가진 정화능력을 저하시키며 (Park and Seo 2005), 생물의 폐사, 농작물 수확량 감소, 질병 등 다양한 생태·환경적 문제를 초래한다 (Ok et al. 2003).

미국 환경청 (US EPA) 및 국제 암 연구기관 (IARC)에 따르면 카드뮴, 크롬, 납 및 수은 등은 특히 낮은 농도의 노출에도 높은 수준의 독성으로 여러 장기 손상을 유발하는 인체 발암물질로 분류하고 있다 (Tchounwou et al. 2012).

중금속 성분이 동물이나 인간에게 각종 질병을 야기하는 등 심각한 위협이 되고 있음은 익히 알려진 사실이다 (Jeong 2007, Ali and Khan 2019).

중금속 오염 토양에 대한 정화 및 복원 방법 중 식물정화법 (Phytoremediation)은 대표적인 환경친화형 정화기술로서 (Kang et al. 1998, Reeves and Baker 2000, Park and Seo 2005) 기존의 물리·화학적 처리 방법보다 1/5 이상의 비용 절감이 가능하고 환경 교란을 최소한으로 할 수 있어 국내 다수의 오염지역에 도입할 수 있는 유용한 기술이다 (Cunningham and Ow 1996). 식물정화법에 가장 대표적인 방법으로 중금속을 흡수하여 지상부로 이동시켜 식물체내에 중금속을 축적하여 제거하는 식물추출 (Phytoextration)방법이 있다 (Jung et al. 2002, Jeong et al. 2010). 식물추출을 위한 식물재료는 수확이 가능한 조직 내에 고농도의 중금속을 축적하고 이에 대한 내성이 있어야 하며, 성장률과 생체량이 높아 개체 당 중금속의 제거량이 많아야 한다 (KSSGE 2007). 또한 식물은 기후와 토성 등 주변 환경에 의하여 생육이 크게 달라지고, 이에 따라 중금속 흡수능이 달라질 수 있으므로 (Park and Park 2002) 중금속 오염토양을 복원하기 위한 식물 선정에는 현장에서 생육이 가능하며, 중금속 흡수능이 우수한 식물을 선발해야 한다. 이를 위해서는 식물 추출을 위한 축적종과 식물안정화를 위한 중금속 내성종의 발굴이 우선적으로 이루어져야 한다. 이에 더하여 복원 작업시 식재 수종은 우리나라 자연환경에 적합하며 자연생태계의 교란을 주지 않는 자생 자연수종이 가장 적절할 것이다.

이와 관련된 연구로, 폐광산 주변 농경지를 대상으로 환원제를 이용한 중금속의 용출특성 및 안정화에 대한 연구 (Lee and Cho 2009, Yun et al. 2011, Hong et al. 2013, Oh et al. 2015, Seo et al. 2018, Ryu et al. 2011, Oa 2011)와 작물의 중금속 축적과 관련된 비료의 역할에 대한 연구 (Sterrett et al. 1996, Gupta et al. 2014), 중금속 오염토양에서의 토양 미생물 활성과 관련된 유기물 등의 연구와 같이 농업과 관련된 분야에서의 연구는 활발하게 진행되고 있다.

또한 국내에서 중금속을 축적하는 고축적 식물과 중금속 내성 식물종의 탐색, 식물종의 축적능 평가, 토양개량제 연구 등이 수행되고 있으나 (Kang et al. 1998, Jung et al. 2000, Choi and Chiang 2003, Ok et al. 2003, Jeong et al. 2010) 우리나라 자생 식물종의 중금속 내성종의 식별이나 과축적종을 찾기 위한 기본 연구는 많지 않은 실정이다. 따라서 중금속 오염물질을 유발하는 오염지역 토양의 중금속을 효율적으로 제거 및 안정화하기 위한 기술의 개발이 필요하며 중금속으로 오염된 토양의 개선을 위해 연구지역에 자생하는 식물 종을 탐색하고, 선정된 식물을 현장에 적용하기 전 중금속 종류 및 농도에 따른 흡수능을 분석하여 정화기술에 대한 기초자료를 제공하는 것이 본 연구의 목표이다.

2. 연구 방법

2.1 연구지역의 자생식물 조사

본 연구지역은 강원 정선군 사북읍 사북리 화절령 (N 37° 11’ 53.2”, E 128° 48’ 29.2”)에 위치한 폐석탄광산인 동원탄좌의 폐석매립지역으로 2004년 폐광 이후 별도의 처리 없이 폐석이 적재되어 있는 곳이다 (MIRECO 2018). 자생식물 조사는 폐석적재지 상부부터 시작하여 강우에 의해 생성된 수로나 웅덩이에 중금속 용출이 많을 것으로 예상되는 경로를 따라 2018년 4월에 실시하였다. 조사 식물상은 애괭이사초, 골풀, 김의털, 호랑버들, 자작나무, 거제수나무 등이다.

2.2 식물체의 중금속 분석

식물체 시료는 지상부와 지하부로 나누어 60˚C 에서 건조 후 분쇄하여 Microwave-digestion법 (Model: MARS-6)으로 전처리 하였다 (USEPA 1990). 전처리가 완료된 식물의 중금속 함량은 유도결합플라스마–원자발광분광법을 사용하여 토양은 구리 (Cu), 납 (Pb), 아연 (Zn), 철 (Fe), 망간 (Mn), 비소 (As), 니켈 (Ni), 카드뮴 (Cd)을 분석하였고, 식물은 구리 (Cu), 납 (Pb), 아연 (Zn), 철 (Fe), 망간 (Mn), 비소 (As)를 분석하였다.

2.3 재배 실험

온실 제작: 재배실험을 위해 가로 7 m × 세로 10 m의 양문 개폐형 비닐하우스를 설치하였다.

중금속 구배 실험 오염토양의 제조: 비오염토양인 마사토를 3 mm 체로 통과시켜 원예용 상토와 약 66 : 33 부피 비율로 혼합하여 제조하였다. 중금속 오염토양 제조에 사용 된 표준 시약인 비소와 납은 Sigma사의 Na₂HAsO₄·7H₂O와 Pb(NO₃)₂를 사용하였다. 재배토양의 비소 농도구배는 토양오염우려기준 (1지역)에 근거하여 각 25 (1배), 62.5 (2.5배), 125 (5배), 250 (10배) mg kg^-1로, 납의 농도구배는 각 200 (1배), 500 (2.5배), 1,000 (5배), 2,000 (10배) mg kg^-1로 처리하였다. 모든 처리는 중금속이 토양에 균일하게 오염되도록 약 10일 동안 안정화 시켰다.

식물종 선정 및 식재: 온실 재배실험에 선정된 식물종은 총 5종으로 이들 중 폐석탄매립지 자생종인 애괭이사초와 호랑버들은 종자채집의 어려움으로 같은 속 (Genus)에 청사초 (Carex breviculmis R. Br.)와 키버들 (Salix koriyanagi Kimura ex Goerz)로 대체하여 선정 실험하였다. 또한 한반도에서 가장 분포지가 넓은 일반종으로 국화과의 제비쑥 (Artemisia japonica Thunb.), 각시취 (Saussurea pulchella (Fisch.) Fisch.) 및 백합과의 백운산원추리 (Hemerocallis hakuunensis Nakai)를 추가 선정하였다. 온실 재배실험에 사용된 화분은 높이 205 mm, 지름 210 mm 크기의 플라스틱 재질의 화분이며 각 화분 당 중금속이 처리된 토양을 4.0 kg씩 정량 분배 하였다. 식물은 육묘재배용 포트에서 생육시킨 후 뿌리 부분에 묻어있는 상토를 물로 씻어 제거하여 각 화분에 식재 하였다. 모든 처리는 1 종, 1 중금속, 1 구배 당 5개의 화분을 종별로 배치하였다. 관수는 토양의 포화수분량을 산정하여 식재 직후에는 500 ml를, 그 후 3일에 한번씩 300 ml의 일반 수돗물을 관수하였다.

2.4 식물체내 중금속 이동 및 축적계수 평가

식물에 축적된 중금속이 지하부에서 지상부로 이동하는 비율을 나타내는 이동계수 (Translocation factor, TF)와 토양 중금속 함량 대비 지상부의 축적량을 나타내는 생물축적계수 (Bioaccumulation factor, BF)는 아래의 식을 이용하여 분석 하였다.

이동계수 (TF) = 지상부의 중금속축적량 (mg kg^-1) / 지하부의 중금속축적량 (mg kg^-1)

생물축적계수 (BF) = 지상부의 중금속축적량 (mg kg^-1) / 토양의 중금속 함량 (mg kg^-1)

3. 결 과

3.1 식물의 비소 축적 특성

비소 처리구에서 12주 동안 재배한 식물 중 비소 고농도 처리구 (125, 250 mg kg^-1)에서는 5 종의 식물이 모두 고사했다. 식재 전 식물의 비소 함량과 식재 12주 후 함량을 비교한 결과, 1배 처리구에서는 청사초가 지상부 37, 지하부 287.11 mg kg^-1, 키버들은 지상부 14.7, 지하부 263.3 mg kg^-1, 제비쑥은 지상부 47.8, 지하부 335.3 mg kg^-1, 백운산원추리는 지상부 66.5, 지하부 188.8 mg kg^-1을 보여 총 비소 함량은 제비쑥에서 가장 높았다. 2.5배 처리구에서 키버들은 지상부 59.6, 지하부는 410.8 mg kg^-1, 백운산원추리는 지상부 512.7, 지하부 159.3 mg kg^-1을 보여 총 비소 함량은 백운산원추리에서 가장 높았다.

비소 처리구 식물의 이동계수 (TF)를 조사한 결과, 1배 처리구의 백운산원추리는 이동계수가 0.35로 나타나 흡수한 비소를 지하부에 축적하는 것으로 나타났지만, 2.5배 처리구의 백운산추리에서 3.22의 이동계수를 보여 지하부의 비소를 지상부로 빠르게 이동시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그 외 처리구의 식물에서는 이동계수가 1 미만으로 나타나 비소 처리구의 식물은 토양에서 흡수한 비소를 지하부에 저장해 두는 것으로 나타났다 (Table 1).

비소 처리구에서 재배한 식물 개체당 흡수한 중금속 함량은 1배 처리구에서 지상부의 함량은 백운산원추리가 0.076 mg/individual로 가장 높았으며 지하부의 함량은 제비쑥이 0.878 mg/individual로 가장 높았다. 지상부와 지하부의 총 비소 함량은 제비쑥이 0.940 mg/individual을 축적하여 가장 높게 나타났다. 2.5배 처리구에서 지상부의 함량은 백운산원추리에서 0.399 mg/individual 로 가장 높았으며 지하부의 함량 또한 0.210 mg/individual 로 가장 높았고 총 비소 함량 0.609 mg/individual로 백운산원추리에서 총 중금속 함량이 가장 높았다. 따라서 비소 처리구의 개체당 흡수량은 제비쑥에서 가장 높은 것으로 나타났다 (Table 1).

3.2 식물의 납 축적 특성

식재 전 식물의 납 함량과 식재 12주후 납 함량을 비교한 결과, 1배 처리구에서는 청사초가 지상부 25.3, 지하부 69.1 mg kg^-1, 키버들은 지상부 4.7, 지하부 130.6 mg kg^-1, 제비쑥은 지상부 12.6, 지하부 46.3 mg kg^-1, 백운산원추리는 지상부 18.1, 지하부 61.5 mg kg^-1, 각시취는 지상부 16.9, 지하부 162.0 mg kg^-1을 보여 총 납 함량은 각시취에서 가장 높았다. 2.5배 처리구에서 청사초는 지상부 114.1, 지하부 170.4 mg kg^-1, 키버들은 지상부 6.7, 지하부 343.1 mg kg^-1, 제비쑥은 지상부 26.8, 지하부 108.3 mg kg^-1, 백운산원추리는 지상부 38.0, 지하부 159.9 mg kg^-1, 각시취는 지상부 41.3, 지하부 533.4 mg kg^-1을 보여 총 납 함량은 각시취에서 가장 높았다. 5배 처리구에서는 청사초가 지상부 110.4, 지하부 278.0 mg kg^-1, 키버들이 지상부 19.0, 지하부 1820.2 mg kg^-1, 제비쑥이 지상부 138.4, 지하부 213.2 mg kg^-1, 백운산원추리는 지상부 34.7, 지하부 306.3 mg kg^-1, 각시취는 지상부 98.8, 지하부 1132.9 mg kg^-1을 보여 총 납 함량은 키버들에서 가장 높았다. 10배 처리구에서 청사초는 지상부 132.0, 지하부 953.7 mg kg^-1, 키버들은 지상부 27.1, 지하부 2567.6 mg kg^-1, 제비쑥은 지상부 1132.0, 지하부 832.9 mg kg^-1, 백운산원추리는 지상부 84.8, 지하부 779.3 mg kg^-1, 각시취는 지상부 786.2, 지하부 2651.2 mg kg^-1을 보여 총 납 함량은 각시취에서 가장 높았다.

납 처리구 식물의 이동계수 (TF)는 제비쑥의 1배, 2.5배, 5배 처리구에서는 이동계수가 1미만으로 나타나 대부분의 납을 지하부에 축적하는 것으로 나타났지만 10배 처리구에서 이동계수가 1.36으로 나타나 지하부의 납을 지상부로 이동시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그 외 처리구의 식물에서는 이동계수가 1 미만으로 나타나 납 처리구의 식물은 토양에서 흡수한 납을 지하부에 저장해 두는 것으로 나타났다 (Table 2).

납 처리구에서 재배한 식물 건중량 대비 흡수한 중금속 함량은 1배 처리구에서 지상부의 함량은 각시취가 0.102 mg/individual 로 가장 높았으며 지하부의 함량은 0.440 mg/individual로 키버들의 농도가 가장 높았다. 지상부와 지하부의 총 납 함량은 키버들이 0.484 mg/individual을 축적하여 가장 높게 나타났다. 2.5배 처리구에서 지상부의 함량은 각시취가 0.255 mg/individual로 가장 높았으며 지하부는 키버들이 1.140 mg/individual로 가장 높게 나타났다. 지상부와 지하부의 총 납 함량은 키버들이 1.194 mg/individual을 축적하여 가장 높게 나타났다. 5배 처리구에서 지상부 함량은 제비쑥이 0.647 mg/individual로 가장 높았으며 지하부는 4.035 mg/individual로 키버들에서 가장 높게 나타났다. 지상부와 지하부의 총 납 함량은 키버들이 4.171 mg/individual로 가장 높게 나타났다. 10배 처리구에서 지상부의 함량은 각시취가 0.721 mg/individual로 가장 높았으며 지하부의 함량은 3.694 mg/individual로 키버들의 농도가 가장 높았다. 지상부와 지하부의 총 납 함량은 키버들이 3.768 mg/individual을 축적하여 가장 높게 나타났다. 따라서 납 처리구의 건중량 대비 흡수능은 모든 농도에서 키버들이 가장 높은 것으로 나타났다 (Table 2).

3.3 식물의 중금속 축적능

식물체의 토양 오염정도에 대한 식물 지상부의 축적능을 보여주는 생물축적계수 (Bioaccumulation factor, BF)는 1 이상일 때 식물정화기법의 소재로 활용가치가 높다고 알려져 있다 (Watanbe 1997). 비소 항목의 경우 1배 처리구에서 각시취를 제외한 모든 종의 BF가 1 이상으로 매우 높았으며, 특히 청사초, 제비쑥, 백운산원추리에서 각각 2.6, 3.3, 4.6로 토양오염 농도 대비 높은 비소 흡수량을 보였다. 62.5 mg kg^-1 농도에서도 키버들과 백운산원추리가 각각 1.3, 11.0 으로 매우 높았으며 농도가 증가함에 따라 축적계수도 높아지는 경향을 보였다. 납 항목의 경우에는 0.02 - 0.65로 1 미만의 수준을 보여 높은 축적능을 보이진 않았지만, 제비쑥과 각시취에서 농도가 증가할수록 축적계수가 높아지는 경향을 보였다 (Table 3).

4. 고 찰

본 연구에서 폐석탄매립지의 중금속 농도는 환경부의 조사 결과와 비교 하였을때 비소와 납 모두 낮게 나타났으나 여전히 심각한 수준을 보였다 (MOE 2010).

재배한 5종 식물의 중금속 축적량을 평가 하였을때 비소 1배 처리구에서는 제비쑥의 흡수량이 가장 우수하였으며 2.5배 처리구에서는 백운산원추리의 흡수능이 가장 우수하였다. 2.5배 처리구에서 키버들과 백운산원추리는 전 단계 처리구보다 약 1.7배, 2.6배 더 흡수하는 것으로 나타나 비소 처리구의 식물은 토양 내 중금속 농도가 높아질수록 더 많은 중금속을 흡수하는 경향을 보였다. 한편 폐석탄광산 토양이 토양오염기준 대비 최대 12.5배 까지 오염되어 있다는 보고 (MOE 2010)와 본 실험의 토양오염기준 대비 5배 처리구에서 모든 식물이 고사한 결과는 시험 식물종들이 고농도의 비소오염 토양정화에는 적절하지 않은 식물종임을 의미한다고 볼 수 있다.

백운산원추리는 다른 종과는 다르게 지하부보다 지상부에 더 많은 비소를 축적하여 TF (이동계수)가 3.22로 나타나 지하부의 중금속을 지상부로 빠르게 이동시키는 것으로 나타났다. 하지만 백운산원추리를 제외한 식물의 이동계수는 모든 종에서 1 이하로 나타나 대부분의 중금속을 지하부에 축적하는 것으로 나타났다.

납 처리구의 평가 결과 1배, 2.5배, 10배 처리구에서 각시취의 흡수능이 가장 우수하였고, 5배 처리구에서는 키버들의 흡수능이 가장 우수하였다. 1배 처리구와 10배 처리구의 흡수량을 비교 하였을 때 청사초, 키버들, 제비쑥, 백운산원추리, 각시취 순으로 12배, 19배, 33배, 11배, 19배 더 흡수하는 것으로 나타나 납 처리구의 식물 또한 토양 내 중금속 농도가 높아질수록 더 많은 중금속을 흡수하는 경향을 보였다. TF (이동계수)는 제비쑥을 제외한 나머지 종에서는 모든 농도에서 1 이하로 나타나 대부분의 중금속을 지하부에 축적하는 것으로 나타났으나, 제비쑥은 농도 구배가 증가 할수록 이동계수가 높아져 10배 처리구에서 1.36을 나타내 납을 지상부에 축적 하는 것으로 나타났다.

5종 식물들의 개체당 중금속 축적능을 평가하여 식물 개체와 중금속 축적능 간의 유의한 관련성을 찾기 위해 조사하였다. 비소처리구의 경우 1배 처리구에서 개채당 제비쑥이 가장 많은 비소를 함유하고 있었고 대부분이 지하부에 되어 있었다. 2.5배 처리구에서는 개체당 백운산원추리가 가장 많은 비소를 함유하고 있었으며 지상부에 더 많은 비소를 흡수하였다. 납 처리구의 경우 모든 농도에서 개체당 키버들이 가장 많은 납을 함유하고 있었다.

연구 결과를 종합한 결과 키버들, 제비쑥, 백운산원추리는 토양 내 중금속 흡수능이 우수한 것으로 나타났다. 제비쑥과 백운산원추리는 비소의 흡수능이 우수하였고, 키버들은 납 흡수능이 우수하였다. 축적능이 우수한 상기 3종의 식물은 대부분의 중금속을 지하부에 축적하는 것으로 나타났다. 비소 처리구의 경우 식물의 중금속 흡수능이 높은 반면 고농도에서 고사율이 높고 생체량 또한 떨어지기 때문에 광미매립지 자생식물의 현장 적용을 위해서는 식물의 생존율 및 생체량을 높이기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단되며, 납 처리구의 식물은 대체로 생육 상태가 우수하고 흡수능 또한 높아 납 농도가 높은 지역의 식생정화 소재로 활용 가치가 높을 것으로 판단된다.

5. 결론 및 제언

본 연구는 장기간 오염된 폐석탄매립지의 중금속 오염토양을 대상으로 중금속 저감식물의 현장적용 가능성을 평가하기 위해 실시하였다. 비소와 납 두 가지의 중금속을 비 오염 토양에 섞어 인위적으로 농도 구배 (25 (1배), 62.5 (2.5배), 125 (5배), 250 (10배) mg kg^-1 / 납 : 200 (1배), 500 (2.5배), 1000 (5배), 2000 (10배) mg kg^-1)가 있는 오염 토양을 만들고, 폐석탄매립지 자생식물 유사종 2종 (청사초, 키버들)과 국내 자생종 3종 (제비쑥, 각시취 및 백운산원추리)을 식재하여 12주 동안 재배한 뒤 식물의 생육, 식물체의 중금속 축적량 및 개체 건중량 대비 중금속 흡수능을 분석하였다.

또한, 온실 실험 토양과 현장토양의 토성이 달라 실제 적용 시 연구결과와는 다른 양상을 보일 수 있어 현장토양을 통한 실험이 필요하며, 현장 토양의 중금속 이온화 농도 (Exchangeable concentration)조사를 통해 식물이 직접적으로 이용 할 수 있는 중금속 농도 파악 및 온실 실험 시 고사한 종에 대한 중금속 분석을 통해 실험식물의 중금속 치사량 정도를 파악하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.