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ISSN : 2508-7673(Print)
ISSN : 2508-7681(Online)
Journal of People Plants and Environment Vol.15 No.5 pp.357-362
DOI :

수변녹화용 자생식물의 수질정화능력 평가

김재순, 정명일, 한승원, 장하경, 이상미, 정현환*
농촌진흥청 국립원예특작과학원 도시농업연구팀

Evaluation of Water Purification Ability of Marginal Water Plants Native to Korea

Hyun Hwan Jung*, Jae Soon Kim, Myeong Il Jeong, Seung Won Han, Ha Kyung Jang, Sang Mi Lee
Urban Agriculture Research Division, National Institute of Horticultural and Herbal Science, Rural Development Administration
Received on August 18, 2012. Revised on October 17, 2012. Accepted on October 24, 2012

Abstract

Due to intensive industrialization, industrial wastewater has caused severe water pollution in marginal water. In this study, native plants of Korea, which were selected based on local vegetation in watershed were used to determine the potential of landscape restoration andwater quality improvement in stream watershed. Nineteen species of native plants of Korea were selected as plant materials, planted inWagner pots, and grown for five months. Standard Sonneveld nutrient solution was used for fertigation. At 3 and 5 days after planting,root parts in plant species grown under fertigation were sampled to assess the levels of total nitrogen(T-N) and total phosphorus(T-P).For uptake rate of total nitrogen, T50 in Miscanthus sacchariflorus BENTH., Carex doniana SPRENG., Carex dimorpholepis STEUD.,Calamagrostis pseudophragmites (HALLERF.) KOELER, Carex dispalata BOOTT. were 2.00, 2.13, 2.18, 2.21, 2.29 days, whereas those inMazus miquelii MAKINO., Salix koreensis ANDERSS., Equisetum hyemale L., Phalaris arundinacea L., Juncus effusus var. decipiens BUCHEN.were 3.13, 3.54, 4.17, 4.51, and 7.55 days, respectively. For uptake rate of T-P, T50 in Carex doniana SPRENG., Miscanthus sacchariflorusBENTH., Carex dimorpholepis STEUD., Carex dispalata BOOTT., Calamagrostis pseudophragmites (HALLERF.) KOELER. were 1.85, 1.90, 1.90,1.90, 1.92days, where T50 in Salix koreensis ANDERSS., Phalaris arundinacea L., Acorus gramineus SOLAND., Juncus effusus var. decipiensBUCHEN., Equisetum hyemale L. were 2.24, 2.25, 2.25, 2.27, and 2.30 days, respectively. It was found that there were differences in uptakerate for pollutants depending on plant species. In conclusion, it was suggested that the uptake rate for various pollutants in plants shouldbe considered for effective water purification once planting in watershed.

357-362 수변녹화용_자생식물의_수질정화능력_평가.pdf763.3KB

Ⅰ. 서론

 도시인구의 증가로 생활하수가 늘어나고 아울러 산업화와 연관되어 공장폐수의 방출량이 늘어남에 따라서 하천의 수질오염 문제는 갈수록 심화되고 있다(Kim and Kwak, 1997). 하천으로 유입되는 부영양화 물질은 자연상태뿐만 아니라 인간의 활동에 의해 인위적으로 발생되는 질소와 인이 주된 수질 오염원으로 작용하고 있다. 또한 수질의 부영양화로 인한 플랑크톤의 번식과 생장은 수질악화로 이어지며 이는 경제가 급속히 발전하는 지역에서 더욱 심각하게 나타난다(Kim and Na, 1997).

 선진국에서는 무방류(zero discharge)라는 목적 하에 기계적 처리 시스템을 이용하여 왔으나 운영에 따른 경제적인 어려움과 투여된 약품을 회수해야 하는 기술적인 문제를 가지고 있다(Jun and Kim, 1999). 오염된 물을 정화하기 위해서 대규모 시설이나 에너지가 소요되는 방법에 의존한다면 이것은 결과적으로 또 다른 오염을 유발할 가능성도 있다(Rogers and Davis, 1972).

 따라서 수생식물을 이용한 정화방법이 건설비 및 유지비가 적게 들고 생물농축이나 생태계 파괴와 같은 2차 오염의 우려가 적어 꾸준히 연구되고 있다(EPA, 1999; Kadlec and Knight, 1996). 국내에서의 관련연구는 1980년에 시작되어, 1990년대부터 수생식물의 질소와 인의 제거능력에 관한 연구들이 활발히 진행되었다(Cho, 1992; Kwon et al, 1996; Lee, 1999, 2003). 특히 수생식물을 이용한 생태습지 설계 시 유속을 고려하지 않는다면 큰 오류가 생길 수 있으며(Levenspiel, 1972), 자생 수생식물의 이용이 외래종을 이용하는 보다 환경충격에 대한 내성이 높기 때문에 자생식물을 이용한 phytoremediation 연구가 활발하다(Ebbs et al., 1997). 이와 관련된 연구로는 물상추의 질소 및 인 흡수 및 제거능력에 관한 연구(Lee and Lee, 2009), 부레옥잠의 배양액에서 인 제거에 관한 연구(Lee and Lee, 2006), 노랑꽃창포와 창포의 카드뮴 정화능력에 관한 연구(Lee and Kim, 2011), 미나리 체내의 카드뮴 축적에 관한 연구(Kwon et al., 1996). 국내 자생 수변식물의 T-N, T-P의 정화능력에 관한 연구(Hong and Yun, 2001)가 진행되었다.

 지금까지 연구된 수질정화식물은 10여종에 불과하여 수질정화를 고려한 수변경관을 조성하기에는 소재의 한계가 있다. 또한 수변식물의 수질정화능력은 오염물질의 총 흡수량으로 대부분 측정되었다. 하지만 총 흡수량이 아닌 생체중 당 흡수량으로 계산되어야 식물의 정확한 정화능력이 측정될 수 있을 것이며 수변환경에서는 수변의 구배에 따른 유속이 달라지므로 식물의 정화속도 역시 고려되어야 할 중요한 인자이다. 따라서 본 연구에서는 수변화단조성에 사용될 수 있는 자생식물 19종의 생체중 당 오염물질 정화능력과 흡수속도를 구명하였다.

Ⅱ. 연구방법

1. 식물재료

 실험재료로는 조경용으로 사용가능한 자생식물 중심의 수변식물 19종을 선발하였다.

Table 1. Marginal water plants native to Korea used in this study.

2. 처리내용

 실험은 국립원예특작과학원 유리온실에서 2010년 5~9월까지 진행하였다. 수변식물을 높이 20cm, 둘레 50cm Wagner pot를 이용하여 재배하였다. 배지로는 균일한 입자의 모래를 사용했으며 1.12인치 체로 모래를 걸러 균일한 크기의 사경배지를 만든 후 이물질을 제거하기 위해 수돗물로 세척하여 건조시키고 1500g씩 포트에 담은 후 무게를 측정하였다.

 그리고 19종의 수변식물을 포트 당 1개체씩 5반복으로 식재하여 완전임의배치하였다. 식재 후 포트의 수위를 15cm로 일정하게 유지하기 위하여 1주에 1회씩 관수하였으며, 월 1회 하이포넥스(N-P-K, 7:6:17, Hyponex Japan) 를 시비하면서 5개월간 생육시켰다. 그 후 Sonneveld(Ca(NO3)2 1.062, KNO3 303, EDTA-Fe 10.7, MgSO4·6H2O 307.5, (NH4)3PO4 142.5, KH2PO4 67.5, K2SO4 43.5, MgSO4 1.69, H3BO3 1.545, CuSO4 0.184, ZnSO4 1.147, Na2MoO4·H2O 0.118 g/1000L) 1배액을 pot 당 2L씩 관수하고 3일차 및 5일차에 각 500mL를 채취하여 T-N(total nitrogen), T-P(total phosphate)를 측정하였다.

3. 수질정화능력 분석

 분석방법은 농촌진흥청 국립농업과학원에서 발간한 농업용수 수질분석 이론과 실무에 있는 분석법을 활용하였다. 총 T-N의 측정방법은 흡광광도법을 사용하였고(Rural Development Administration, 2006), 시험방법은 Wagner pot에서 채취한 시료의 상등액을 취하여 유리섬유 거름종이로 여과하고 처음 여액 5~10mL는 버린 다음 여액 25mL를 정확히 취하여 50mL 비커 또는 비색관으로 옮겼다. 여기에 염산(1+16) 5mL를 넣어 pH 2~3으로 하고 이용액의 일부를 층장 10mm 흡수셀에 옮겨 시료로 사용하였다. 바탕시험액을 대조액으로 하여 220nm에서 시료용액의 흡광도를 측정하고 검량선으로부터 질소의 양을 구하여 시료 중의 T-N(mg·L-1)를 산출하였다. T-N 산출에 사용된 식은 다음과 같다.

 T-N(mg N·L-1) = a × 60/25 × 1,000/V

 a : 검량선으로부터 구한 질소의 양(mg)
 V : 전처리에 사용한 시료량(mL)

 T-P의 측정방법은 아스코르빈산 환원법을 사용하였다(Rural Development Administration, 2006). 시험방법은 Wagner pot에서 시료를 취하여 50mL 플라스크에 넣고 증류수를 넣어 약 40mL로 만든 후, 몰리브덴산암모늄-아스코르빈산 혼합액 4mL를 넣어 채운 다음, 흔들어 섞고 20~40℃에서 약 15분 방치하였다. 이액을 층장 10nm 흡수셀에 옮겨 시료용액으로 하고, 따로 증류수를 40mL를 취하여 시료의 시험방법에 따라 시험하여 바탕시험액으로 한다. 바탕시험액을 대조액으로 하여 880nm에서 흡광도를 측정하고 작성한 검량선으로부터 인산염 인의 양을 구하고 농도(mg·L-1)를 산출하였다.

 식물체 단위 생체중당 T-N 및 T-P의 흡수량을 계산하기 위하여, Sonneveld 양액의 처리 후 Wagner pot에서 식물체 전체를 채취하여 전자저울(XS32001LV, Mettler Toledo, Switzerland)로 생체중을 측정하였다. T50은 3일차 및 5일차 그래프에서 엑셀의 추세선 기능을 이용하여 함수식을 구하였으며 함수식에서 T-N 및 T-P 흡수량이 50%가 되는 구간의 시점(T50)을 구하였다. 생체중 1g당 흡수량은 T-N 및 T-P의 흡수량을 식물의 생체중으로 나누어 구하였다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

 Sonneveld 양액의 분석 결과, T-N 및 T-P는 지속적으로 감소하였으며 식물종에 따라 g당 흡수량과 흡수속도는 다른 결과를 보였다. 3일차에 T-N의 50% 이상을 흡수한 식물은 물억새였고 80% 이상 흡수한 식물은 없었다(Fig. 1). 5일차에 T-N의 총량의 50% 이상을 흡수한 식물은 물억새, 흰사초, 이삭사초, 삿갓사초, 갯조풀, 줄, 갈대, 창포, 무늬미나리, 부채붓꽃, 벌개미취, 매자기, 흑삼릉, 석창포 등 14종이었으며 그 중 80% 이상 흡수한 식물은 물억새, 흰사초, 이삭사초, 삿갓사초, 갯조풀 등 5종이었다.

Fig. 1. Total nitrogen absorption of 3day, 5day by marginal water plants native to Korea.

 T50은 물억새, 흰사초, 이삭사초, 갯조풀, 삿갓사초, 줄, 갈대, 억새, 미나리, 벌개미취, 창포, 부채붓꽃, 매자기, 흑삼릉, 석창포, 눈주름잎, 버드나무, 속새, 흰갈풀, 골풀의 순으로 나타났다(Fig. 2).

Fig. 2. 50% absorption time(T50) of total nitrogen in marginal water plants native to Korea.

 수변식물의 g당 T-N의 흡수량은 벌개미취, 버드나무, 물억새, 억새, 창포, 흰갈풀, 갈대, 미나리, 흑삼릉, 눈주름잎, 흰사초, 갯조풀, 석창포, 이삭사초, 부채붓꽃, 속새, 줄, 삿갓사초, 매자기, 골풀순으로 나타났다(Fig. 3).

Fig. 3. Total nitrogen absorption per gram of fresh weight in marginal water plants native to Korea.

 T-P 흡수량에 있어서는 3일차에 속새를 제외한 모든 식물이 양액 내 50% 이상의 T-N을 흡수하였으나 80% 이상 흡수한 식물은 없었다. 5일차에는 T-P의 총량의 50% 이상은 모든 식물들이 흡수하였고 80% 이상 흡수한 식물은 물억새, 흰사초, 삿갓사초, 흑삼릉, 이삭사초, 갯조풀, 줄, 매자기, 미나리였다(Fig. 4).

Fig. 4. Total phosphate absorption by marginal water plants native to Korea.

 T-P의 T50은 흰사초, 물억새, 이삭사초, 삿갓사초, 갯조물, 흑삼릉, 줄, 매자기, 벌개미취, 부채붓꽃, 눈주름잎, 미나리, 박하, 창포, 갈대, 버드나무, 흰갈풀, 석창포, 골풀, 속새의 순으로 나타났다(Fig. 5).

Fig. 5. 50% absorption time(T50) of total phosphate in marginal water plants native to Korea.

 뿌리의 단위 생체중당 T-P의 흡수량은 흰갈풀, 버드나무, 벌개미취, 골풀, 흑삼릉, 눈주름잎, 속새, 물억새, 창포, 미나리, 석창포, 갈대, 흰사초, 갯조풀, 부채붓꽃, 이삭사초, 줄, 매자기, 삿갓사초 순으로 나타났다(Fig. 6).

Fig. 6. Total phosphate absorption per gram of fresh weight in marginal water plants native to Korea.

 질소는 단백질·핵산·엽록소 등의 구성원소이다. 고등식물의 대부분이 토양으로부터 NO3의 형태로 질소를 흡수하다. 그러나 질산태질소(NO3-N)는 식물에 의하여 직접 이용되는 것이 아니고 식물의 질소화합물로 결합되기 전에 암모니아(NH3)로 환원되어야한다(Byeon et al., 1996). 인은 핵산의 구성성분으로 세포분열과 생장에 필수적인 성분이며, 세포막을 구성하고 있는 인지질에도 들어 있다. 그리고 호흡에 의한 당 분해와 전분합성에서 당 인산을 형성하고, 또 ATP, NADP 등의 구성성분으로 모든 대사 작용에서 에너지 공급과 수소전달에 관여한다(Byeon et al., 1996). 인은 주로 1가 인산이온(H2PO4)의 형태로 흡수되며 2가 이온(H2PO4)의 흡수보다는 느리게 일어난다. 이 현상은 배지의 pH에 의하여 조절되는데 pH7 이하에서는 H2PO4, pH 7 이상에서는 HPO42-  많게 된다(Cho, 2007).

 T-N의 총 흡수량은 물억새, 흰사초, 이삭사초, 삿갓사초, 갯조풀이 120.95, 116.98, 115.05, 107.59, 101.79g로 흡수량이 높았으며 눈주름잎, 버드나무, 속새, 흰갈풀, 골풀은 59.26, 54.74, 40.78, 37.35, 19.14g로 나타났다. T-P의 총 흡수량은 물억새, 흰사초, 삿갓사초, 흑삼릉, 이삭사초는 23.05, 23.05, 21.63, 21.55, 20.18g으로 높았으며 버드나무, 흰갈풀, 속새, 석창포, 골풀은 16.75, 16.73, 16.55, 16.53, 16.40g으로 낮았다. 이는 식물 종에 따른 단위면적당 생체량이 영양염류의 흡수량에 영향을 주기(Kim et al., 1989; Cho, 1992) 때문인 것으로 보인다. 또한 생체량이 큰 식물은 수변에 식재되었을 경우 유속을 10%까지 감소시켜(Kadlec, 1989) 오염물질에 대한 수질정화효율을 향상시킬 수 있으며 생체량이 커서 근계가 발달 할수록 유기물질 분해를 위한 박테리아군이 대량 부착할 수 있고 충분히 성장한 식물뿌리는 부유 고형물질의 여과 및 흡착을 용이하게 한다(Lee and Kim, 2005). 하지만 생체량이 높은 식물체는 잔재물을 정기적으로 제거해 주지 않을 경우 식물체 잔재물이 용출되어 tubidity, TSS, COD, DO 등이 다시 상승되는 원인이 되기도 한다(Lee and Lee, 2006).

 T-N의 흡수 속도는 물억새, 흰사초, 이삭사초, 갯조풀, 삿갓사초는 T50이 각각 2.00, 2.13, 2.18, 2.21, 2.29일로 매우 짧은 시간동안 T-N 총량의 50%를 흡수한 반면, 눈주름잎, 버드나무, 속새, 흰갈풀, 골풀은 T50까지 3.13, 3.54, 4.17, 4.51, 7.55일이 걸려 많은 시간이 필요한 것으로 나타났다(Fig. 3). 질소 흡수의 경우 T50까지의 흡수평균속도는 상위 5개 식물은 4.58일, 하위 5개 식물은 2.16으로 약 2.12배의 차이를 보였다. T-P의 흡수 속도는 흰사초, 물억새, 이삭사초, 삿갓사초, 갯조풀은 T50까지 1.85, 1.90, 1.90, 1.90, 1.92일로 인(P)의 흡수 속도가 빨랐던 반면, 버드나무, 흰갈풀, 석창포, 골풀, 속새는 T50까지 2.24, 2.25, 2.25, 2.27, 2.30일 비교적 흡수 속도가 느렸다. 인산의 흡수력에서는 상위 5개 식물의 평균속도는 2.26, 하위 5개 식물은 1.89로 약 1.19배 차이를 보였다. T-N, T-P의 흡수 속도가 빠른 식물과 느린 식물은 T-N, T-P의 흡수량이 많은 식물과 적은 식물과 유사하였다. 따라서 흡수 속도는 식물체의 생체중과 밀접한 연관이 되어 있는 것으로 생각되며 관련 연구로 식물의 개체 밀도에 따른 영양염류의 흡수속도와의 관계에서 적정수준까지 개체 밀도가 높을수록 T-N과 T-P의 흡수속도가 높아졌다는 사례(Ra et al., 1996)와 유사한 경향을 보였다.

 T-N의 g당 흡수량은 벌개미취, 버드나무, 물억새, 억새, 창포가 1.42, 1.03, 0.97, 0.95, 0.91g로 흡수량이 높았으며 속새, 줄, 삿갓사초, 매자기, 골풀은 0.46, 0.43, 0.43, 0.37, 0.33g으로 흡수량이 저조하였다. T-P g당 흡수량은 흰갈풀, 버드나무, 벌개미취, 골풀, 흑삼릉으로 0.40, 0.32, 0.30, 0.28, 0.21g으로 높았으며 부채붓꽃, 이삭사초, 줄, 매자기, 삿갓사초로 0.10, 0.09, 0.09, 0.09, 0.09g으로 저조하였다. 총 흡수량 상위 5개 식물과 g당 흡수량 상위 5개 식물은 다른 식물인 것으로 보아 식물 세포에 동화된 N과 P의 양은 차이가 있는 것으로 보인다. T-N, T-P의 g당 흡수량이 많은 종과 적은 종은 T-N, T-P의 총 흡수량이 많은 종과 적은 종과 차이가 나타났다. 이는 식물 종에 따른 질소 동화에 관련된 질산환원효소(NRA)의 차이에 의한 것으로 보이며 식물의 질산환원효소의 양이 많을수록 질소의 흡수능이 높을 것으로 평가되고 있다(Scott, 1989; Ihm and Lee, 1992).

 수변식물은 식물 종에 따라 T-N과 T-P를 흡수하는 양과 속도에 있어 차이가 나타났다. 때문에 수질정화를 고려한 수변화단 조성시 식물의 식재는 수변공간의 오염정도, 유속 등을 고려하여 식재하여야 효율적으로 수질을 정화시킬 수 있을 것으로 생각되어 진다. 연구는 유속이 없는 포트에서 식물체의 오염물질의 흡수속도를 계산한 것으로 실제 유속이 있는 현장 적용 시 식물의 정화능력이 정확히 발휘될 지는 미지수이다. 따라서 유속 수준에 따른 식물의 정화능력에 관한 추가 시험을 진행해야 할 것이다. 또한 수변식물의 수질정화능력의 한계는 계절의 변화로 인하여 식물체가 고사·분해될 것이고 질소와 인산은 다시 호소나 하천으로 흘러들어갈 것이므로, 근본적인 수질 정화를 위해서는 오염물질을 흡수한 수질정화식물을 수확하여 호소나 하천 밖으로 내보낼 수 있는 시스템이 필요하며 수확물의 경제적 활용 역시 고려해 보아야 할 것이다.

Ⅳ. 적요

 본 연구는 산업화에 따른 폐수발생으로 하천의 악화된 수질환경에 대해 지역수종 중심으로 선발된 자생식물을 통하여 하천주변의 경관을 복원하는 동시에 하천의 수질을 정화하기 위하여 수행하였다. 시험재료는 자생지 및 재배농가에서 물억새, 흰사초, 이삭사초, 삿갓사초, 갯조풀, 줄, 갈대, 창포, 미나리, 부채붓꽃, 벌개미취, 매자기, 흑삼릉, 석창포, 눈주름잎, 버드나무, 속새, 흰갈풀, 골풀을 수집하였으며 식물을 와그너 포트에서 식물체의 뿌리부분까지 침수되도록 식재하여 5개월간 생육시켰다. 그 후 Sonneveld 양액(장미양액)을 1배액으로 관주하여 3일차, 5일차에 식물의 뿌리의 부위에서 시료를 채취하여 T-N, T-P를 측정하였다. T-N을 흡수하는 속도는 물억새, 흰사초, 이삭사초, 갯조풀, 삿갓사초는 T50까지 2.00, 2.13, 2.18, 2.21, 2.29일로 짧은 시간동안 T-N 총량의 50%를 흡수하였으며 눈주름잎, 버드나무, 속새, 흰갈풀, 골풀은 T50까지 3.13, 3.54, 4.17, 4.51, 7.55일로 상대적으로 많은 시간이 필요하였다. T-P를 흡수하는 속도는 흰사초, 물억새, 이삭사초, 삿갓사초, 갯조풀은 T50까지 1.85, 1.90, 1.90, 1.90, 1.92일로 짧은 시간동안 T-P 총량의 50%를 흡수하였으며 버드나무, 흰갈풀, 석창포, 골풀, 속새는 T50 까지 2.24, 2.25, 2.25, 2.27, 2.30일 비교적 흡수속도가 느렸다. 식물의 종에 따라 오염물질을 흡수하는 속도에는 차이가 있었다. 따라서 수변에 수질정화를 위하여 식물을 식재할 경우 효율적인 수질정화를 위하여 식물의 오염물질의 흡수속도를 고려하여 설계하여야 할 것이다.

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