우리 지구의 생태계는 오염을 스스로 정화할 수 있는 물리적, 화학적, 생물학적인 과정이 복합적으로 작용되는 자정작용을 가지고 있습니다. 지구 상의 많은 인공시설물이 그렇듯이 폐수처리장과 같은 인위적인 오염정화시설은 이러한 자연의 자정작용을 흉내낸 것입니다. 그런데 이러한 인위적인 자정작용은 막대한 전기에너지 등 비용을 발생시키는 것이 문제점으로 나타납니다. 그리고 에너지를 생산하기 위해서는 또다른 환경문제가 유발됩니다.
그렇다면 이러한 부작용을 최소화하면서 환경 정화를 달성할 수 있는 방법은 없을까요?
그 중 하나가 식물에 의한 환경정화방법인 phytoremediation입니다.
Phytoremediation 이란 식물을 이용하여 오염된 물과 토양에 존재하는 유해물질의 농도를 낮추거나 제거하는 환경정화과정을 의미하는데 다음과 같은 메카니즘으로 정화과정이 진행됩니다.
- 식물체의 뿌리, 줄기, 잎에 오염물질을 저장한 후 그 식물체를 제거하는 방식
- 식물체로 흡수된 물질이 식물의 체내나 뿌리에서 오염물질을 좀 더 덜 유해하게 변환
- 흡수된 오염물질을 증산작용을 통해 가스상태로 대기 중으로 날려보냄
- 식물의 뿌리 부근(근계)에 서식하는 미생물에 의해 오염물질 분해가 활성화되는 과정
하지만 식물체를 활용한 환경정화방법은 효율이 낮으며 실제로 시행에 있어 많은 제한이 있습니다.
그래서 광범위한 토양오염 정화 등에 한정되어 사용되는 경우가 많습니다.
Phytoremediation의 장점을 기존의 물리화학적 처리방법과 비교하면 아래와 같습니다.
- 오염정화에 필요한 에너지나 원료 비용이 적게 소요됩니다.
- 넓은 지역의 오염 정화에 적용이 가능합니다. 예를 들어 폐광산 지역이나 방사능 오염지역 등입니다.
- 오염정화로 인한 환경파괴, 생물서식지 파괴가 적습니다.
- 식물 식재로 인해 경관이 향상됩니다.
하지만 이러한 Phytoremediation은 그 적용에 있어 많은 한계가 있습니다. Phytoremediation의 한계점을 예를 들어 보면 아래와 같습니다.
- 식물에 의한 장기간의 처리이므로 오염 정화에 긴 시간이 필요합니다.
- 또한 오염처리에 활용한 식물을 수확할 경우 수확식물을 처리해야하는 문제가 발생합니다.
- 식물을 식재할 아주 넓은 부지가 필요합니다.
- 고농도 오염물을 정화한다면 식물에 미치는 독성 영향을 고려해야만 합니다.
그러면 Phytoremediation은 어떤 오염물질에 적용할 수 있을까요?
Phytoremediation은 다양한 중금속류, 유류, 휘발성유기화합물(VOCs), 방사능 원소, 살충제, 계면활성제 등 다양한 오염물질에 적용이 가능합니다. 다만 너무 농도가 높은 오염물질에 대해서는 식물체에 독성이 유발되므로 어느정도 농도가 낮은 상태가 필요합니다. 유기물도 어느정도 처리가 가능하나 약간 소수성인 물질에 적용이 더 쉽습니다. 오염물질의 처리가능성을 확인하기 위해서는 처리대상 지역의 토양 등을 직접 채취해 처리가능성을 사전에 평가할 필요성이 있습니다.
그러면 Phytoremediation에 적용 가능한 식물에는 어떤 조건이 필요할까요? 몇가지 조건을 정리하면 아래와 같습니다.
- 오염물질을 식물체의 조직에 축적할 수 있고, 또한 수확하여 제거할 수 있을 것
- 성장률이 높고, 병충해·가뭄·염분 저항성이 높을 것
- 환경에의 적응성이 높고 기존생태계에 악영향이 없는 식물, 가능한 한 자생종을 선택
- 흡수한 오염물질의 유해성을 저감, 무해화 할 수 있는 식물
대상이 되는 부지에 따라 다양한 후보의 식물이 선택될 수 있지만 포플러, 버드나무, 사시나무, 미루나무, 계피나무, 해바라기, 자주개나리(알팔파), 유채꽃, 쑥, 민들레 등이 많이 연구되고 있습니다. 이 때 Phytoremediation 적용에 있어 오염정화기간이 2~3년으로 짧은 경우에는 단일종의 식물에 의한 처리를 고려할 수 있으나 이보다 장기간의 정화기간이 필요할 경우 병충해에 의한 처리장애가 발생할 수 있으므로 몇 종류의 식물을 선정하여, 윤작을 실시할 필요성이 있습니다. 또한 phytoremediation에 사용된 식물의 야생동물 등에 의한 섭취로 인한 먹이사슬 단계에 따라 인간에 위해를 유발할 가능성 존재하므로 이에 대한 검토도 필요합니다.
식물체에 의한 Phytoremediation 의 메카니즘을 좀 더 상세히 살펴보면 아래와 같이 정리할 수 있습니다.
- Phytoextraction(식물추출) : 식물의 체내에 오염물질을 흡수 및 축적시킨 후 식물체를 수확하여 제거하는 방식으로 주로 토양, 폐기물 내 중금속, 방사성물질 제거 등에 많이 이용됩니다.
- Rhizofiltration(근권여과) : 식물 뿌리 범위(근권)에서 수용성 오염물질이 생물학적 및 비생물학적으로 흡수되는 과정이며 주로 수질오염을 저감하는 방법으로 활용되며 갈대, 부들 등 수생식물들이 이용됩니다.
- Phytostabilization(식물안정화) : 식물 뿌리 범위(근권)에서 오염물질을 비활성상태로 축적 및 고정시켜 침식이나 풍화로 인한 확산을 막는 기작으로 뿌리 부근에서 pH 변화 등에 의해 중금속 등 오염물질이 불용화 되는 현상을 이용하는 방법입니다.
- Rhizodegradation(근권분해) : 식물 뿌리 범위(근권)에서 활성화된 미생물에 의해 토양 내 유기화합물이분해되는 기작으로 뿌리가 잘 발달한 식물을 이용해야 합니다.
- Phytodegradation (식물분해) : 식물이 흡수한 오염물질을 식물 자체의 대사과정이나 효소를 이용해 분해하는 과정을 말합니다.
- Phytovolatilization (식물휘발) : 식물이 흡수한 오염물질을 식물 자체의 대사과정이나 효소를 이용해 저독성 또는 무독성 물질로 변환하여 증산작용으로 대기로 방출하는 기작으로, 지하수의 염소계 유기용제, 수은, 비소 등의 오염물 제거에 이용되는 기작입니다.
Phytoremediation에 의한 환경정화는 널리 쓰이는 기술은 아니지만 최근의 탄소 중립 등 기후변화 등의 이슈와 함께 다각도로 검토될 필요성이 있으며 유전공학 기술 등을 활용한 품종 개발 등 연구가 필요하다고 생각됩니다. Phytoremediation은 주로 폐광산 등 오염토양의 정화에 활용되고 있으여 일본 후쿠시마나 과거 체르노빌과 같은 방사성오염물질 저감을 위해 적용된 해바라기 등의 사례가 유명합니다.
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