퇴적물 내 황화물(acid volatile sulfide, AVS)이 저서 생물의 금속 생물 축적 및 독성 반응에 어떠한 영향을 미치는 지를 이해하기 위해서 해양 다모류인 Neanthes arenaceodentata를 이용한 퇴적물 노출실험을 수행하였다. 이를 위해서 세 개의 다른 AVS 농도군에 대조구를 포함한 다섯 개의 농도 구배로 Cd, Ni, Zn를 오염시킨 퇴적물에서 N. arenaceodentata를 20일간 배양한 후 실험생물의 체내 금속 축적량과 그에 따른 사망률 및 성장률을 조사하였다. N. arenaceodentata에 의한 금속의 생물축적은 Cd과 Zn의 경우 AVS 농도의 영향을 받아서 해수(overlying water, OW)내 용존 금속 농도에 비례해서 증가했다. Ni은 AVS농도에 영향을 받지 않고 퇴적물 내 금속(simultaneously extracted metals. SEM)농도에 비례해서 증가했다. N. arenaceodentata의 사망과 성장률 저해현상은 SEM과 AVS 간의 몰농도차가 영보다 큰 조건([SEM-AVS]>0)에서만 관찰되었는데 용존 Zn에 의한 결과로 추정되었다. OW-Zn의 20-d LC50값은 9.3(8.0$\pm$11.0) $\mu$M이었다. 사망률에 대한 체내 Zn 농도의 최소영향농도(LOEC)는 7.8 $\mu$mol/g이었고, 최대무영향농도(NOEC)는 6.2$\mu$mol/g이었다. 성장률 저해에 대한 체내 Zn 농도의 LOEC는 5.9$\mu$mol/g이었고, NOEC은5.1 $\mu$mol/g토이었다. 본 실험에서는 실험실 조건에서 인위적으로 오염시킨 퇴적물 내 Zn의 입자상 Zn 농도와 용존 Zn농도의 비 (K$_{d}$ )가 현장 퇴적물에 비해서 10배 정도 감소함으로써 결국 용존 Zn에 의한 독성이 과대평가된 것으로 보인다.
Benthic organisms dwell in sediment-water interface that contains significant amount of organic and inorganic contaminants. Their feeding behavior is highly related with sediment itself and pore water in the sediments, especially in ease of deposit feeder (i.e. polychaete, amphipod). The acid volatile sulfide (AVS) is one of the important binding phases of sediment-bound metals in addition to organic matter and Fe and Mn oxide fractions in sediments, particularly in anoxic sediments. The AVS model is a powerful tool to predict metal bioavailability and bioaccumulation in benthic organisms considering SEM/AVS mole ratios in surficial sediments. However, several biogeochemical factors must be considered to use AVS model in the sediment-bound metal bioavailability.
This study was carried out to investigate the concentrations of Cu, Pb, Zn and in seawater, sediments and Mytilus edulis at Masan Bay, Onsan Bay, Daesan industrial complex and unpolluted area for the degree of contamination on the coast of Korea. The concentrations of dissolved Cu, Pb, Zn and Cd in seawater the ranges of 0.29~0.79 ${\mu}g/l$, 0.03~0.08 ${\mu}g/l$, 0.19~2.01 ${\mu}g/l$ and 0.01~0.05 ${\mu}g/l$, respectively. The concentrations of Pb(p<0.001) and Zn(p<0.01) showed the significant differences between the contaminated and unpolluted area. There were the ranges of 13~55 ${\mu}g/l$, 26~101 ${\mu}g/l$, 51~263 ${\mu}g/l$ and 0.8~2.2 ${\mu}g/l$ in the concentration of Cu, Pb, Zn and contaminated and unpolluted area. The concentration of Cu, Pb, Zn and Cd in the Mytilus edulis showed the ranges of 0.69~2.77 ${\mu}g/l$, 0.29~1.50 ${\mu}g/l$, 13.57~52.90 ${\mu}g/l$ and 0.09~0.85 ${\mu}g/l$ respectively. These concentrations of four trace metal in Mytilus edulis were not significantly different with sites. Trace metal contents of Mytilus edulis in the contaminated site were similar to those in the unpolluted area. This is thought that metal concentration in coastal seawater were not relatively serious.
The heavy metal concentrations of seawater collected from the Onsan coastal zone in February and July 1996 and mussels(Mytilus edulis) in February 1997 were analysed. The concentrations of cadmium in seawater were in the range of 0.008-2.988 ${\mu}g/L$, while the ranges of copper and zinc concentrations were 0.08-2.55, and 0.21-35.12 ${\mu}g/L$, respectively. The metal concentrations decreased gradually with increasing distances from Daejeong stream, indicating that this stream was the major source of heavy metal input into the Onsan coastal zone. The concentrations of cadmium, copper and zinc in mussels were in the ranges of 1.40-25.09, 8.5-64.5, and 46.8-291.2 ${\mu}g/g$, respectively. The metal concentrations decreased gradually with increasing distances from Daejeong stream. Among organs of mussels, gill showed the highest concentrations of cadmium and the digestive gland showed the highest concentrations of copper and for zine the kidney showed the highest concentrations. The digestive gland and kidney revealed high proportion of cadmium in cytosolic fraction and the percentage of copper was high in the kidney and that of zine was high in the digestive gland. Metal-binding protein of mussels collected from the mouth of Daejeong stream was separated, using gel-filtration chromatography. In the kidney and gill of mussels, most of cadmium was associated with metal-binding protein. In contrast, most of the metal in the digestive gland and remaining tissues is bound to high molecular weight protein rather than metal-binding protein.
본 연구에서는 방사성동위원소 추적자 실험을 통해서 산화아연 또는 두 종류의 은나노물질로 오염시킨 토양에서 지렁이(Eisenia fetida)의 금속축적과 제거율을 비교하였고, 이들을 이온상의 Ag와 Zn으로 처리한 대조구와 비교하였다. 추가적으로 토양의 금속을 다단계추출법(sequential extraction method)을 이용하여 금속의 결합 형태로부터 생물이용도(bioavailability)를 예측하고 실제 생물축적(BAF, bioaccumulation factor)과 비교하였다. ZnO 처리구의 BAF (0.06)는 아연이온 처리구 BAF (1.86)보다 31배 낮았는데, 이는 토양에서 ZnO의 생물전이가 매우 낮음을 제시해 준다. 한편, 은의 BAF는 금속의 오염 형태에에 무관하게 0.11~0.17의 범위를 보였다. 다단계추출법을 통해서 아연이온 처리구의 아연은 토양에 비교적 약한 결합을 하는 형태(mobile fraction)에 35% 분포하여 아연이온처리구 값(<20%)보다 높았고, 이는 전자의 더 높은 BAF와 일치한다. 하지만, ZnO 처리구의 다단계추출은 생물이용도나 BAF를 잘 예측하지 못했으며 이는 ZnO가 토양에서 아연이온과 지화학적으로 다른 거동을 하기 때문으로 추정된다. 지렁이 체내에 축적된 은의 제거율(3.2~3.8% d-1)은 아연의 제거율(1.2~1.7% d-1)보다 2~3배 더 높았다.
도시 내 중금속 오염지에 대한 정화방법의 하나인 식물정화재배(phytoremediation)의 효용성을 검증하기 위해 자생 지피식물인 비비추를 대상으로 실험을 수행하였다. 카드뮴(Cd), 납(Pb), 아연(Zn)의 중금속을 중심으로 각각 네가지 농도로(0, 100, 250, $500mg{\cdot}kg^{-1}$) 처리한 무배수용기에 비비추를 식재한 후 7개월간 식물과 토양 내 중금속 변화량을 살펴보았다. 비비추 지상부에서의 카드뮴(Cd)과 납(Pb)은 처리농도가 증가할수록 검출량도 증가하였으나, 아연(Zn)은 감소되었다. 지하부에서는 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb)처리가 고농도일수록 검출량도 높아지는 경향을 보였다. 식물체 지상부와 지하부간의 축적률인 TF(transportation factor)의 경우, 대부분 중금속 처리에서 80% 이상을 지하부에서 축적하는 것으로 나타났다. 토양 내 중금속의 제거량은 세 가지 중금속 모두 처리농도가 높을수록 비례적으로 증가하였다. 식물체와 토양 내 중금속 농도비인 BF(bioaccumulation factor)의 경우 아연(Zn)이 낮은 반면, 카드뮴(Cd), 납(Pb)의 경우 토양에서 식물체에 의한 축적률이 30% 이상인 것으로 나타났다. 이러한 반응은 오염된 토양에서 식물은 생육이 가능한 한계까지만 활성화할 수 있는 낮은 농도의 중금속을 선택적으로 축적하려는 것으로 판단되며, 지속적인 정화효과를 위해서는 생육과 축적이 가능한 저농도 중금속 오염지를 정화방법으로 적용될 수 있으리라 본다.
Plants grown in metal-contaminated sites have to be managed and disposed of safely even in phytoremediation because heavy metals can be transferred to other organisms through the food chain, which could result in bioaccumulation in organisms of a higher trophic level. However, if the harvested plants could be used for bioenergy, the ecological risk is reduced and phytoremediation improves economic feasibility. This study researched the effects of EDDS (Ethylenediamine disuccinate) on the heavy metal uptake performance of Brassica campetris and Sorghum biocolor, both of which have potential as bioenergy plants. The results showed that EDDS could increase Pb, Cu, Ni, Cd, and Zn concentrations in the roots and shoots of both of these plants. Furthermore, EDDS reduced the metal inhibition of the S. bicolor length growth. The translocation factors (TF) of S. bicolor and B. campestris are smaller than one for all five heavy metals tested and decreased by the following order: heavy metal + EDDS > heavy metals only > uncontaminated soil. The results suggest that with regard to plant growth and metal accumulation, S. bicolor treated with EDDS is more suitable than is B. campestris for the phytoremediation of soils contaminated with multiple metal species.
Recombinant E. coli JM109(pZH3-5/pMT) harboring manganese transport gene(mntA) and metal sequestering protein, metallothionein(MT), was cultivated to accumulate cadmium in aqueous phase. Bioaccumulation followed Michaelis-Menten type kinetics. Equilibrium isotherm showed Langmuir type isotherm. The optimum pH for $Cd^{2+}$ uptake was 7-7.5.
Heavy metal contamination has been increased in aqueous environments near many industrial facilities, such as metal plating facilities, mining operations, and tanneries. The soils in the vicinity of many military bases are also reported to be contaminated and pose a risk of groundwater and surface water contamination with heavy metals. The biological removal of metals through bioaccumulation has distinct advantages over conventional methods; the process rarely produces undesirable or deleterious chemical byproducts, it is highly efficient, easy to operate and cost-effective in the treatment of large volumes of wastewater containing toxic heavy metals. In addition, a recent development of molecular biology shed light on the enhancing the microorganism's natural remediation capability as well as improving the current biological treatment. In this study, characteristics of the cell growth and heavy metal accumulation by Saccharomyces cerevisiae strains expressing phytochelatin syntahse (PCS) gene were studied in batch cultures. The AtCRFI gene was demonstrated to confer substantial increases in metal tolerance in yeast. PCS-expressing cells tolerated more Cd$^{2+}$ than controls.
Jin Yoo;Eun-Ji Oh;Ji-Su Park;Deok-Won Kim;Jin-Hyeok Moon;Deok-Hyun Kim;Daniel Obrist;Keun-Yook Chung
공업화학
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제34권6호
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pp.640-648
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2023
The purpose of this study was to determine the inhibitory effect of heavy metals [Cd(II), Ni(II), and Zn(II)] on the growth of Rhodobacter species (Rhodobacter blasticus, Rhodobacter sphaeroides, and Rhodobacter capsulatus) and their potential use for Cd(II), Ni(II), and Zn(II) bioremoval from liquid media. The presence of toxic heavy metals prolonged the lag phase in growth and reduced biomass growth for all three Rhodobacter species at concentrations of Cd, Ni, and Zn above 10 mg/L. However, all three Rhodobacter species also had a relatively high specific growth rate against each toxic heavy metal stress test for concentrations below 20 mg/L and possessed a potential bioaccumulation ability. The removal efficiency by all strains was highest for Cd(II), followed by Ni(II), and lowest for Zn(II), with the removal efficiency of Cd(II) by Rhodobacter species being 66% or more. Among the three strains, R. blasticus showed a higher removal efficiency of Cd(II) and Ni(II) than R. capsulatus and R. sphaeroides. Results also suggest that the bio-removal processes of toxic heavy metal ions by Rhodobacter species involve both bioaccumulation (intracellular uptake) and biosorption (surface binding).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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