The response of the freshwater microalga, Chlorella vulgaris, to heavy metal stress was examined based on chlorophyll fluorescence analysis to assess the toxic effects of heavy metals in freshwater ecosystems. When toxic effects were analyzed using regular chlorophyll fluorescence analysis, photosystem II activity($F_v/F_m$) decreased significantly when exposed to $Cu^{2+}$ and $Hg^{2+}$ for 12 h, and decreased in the order of $Hg^{2+}>Cu^{2+}>Cd^{2+}>Ni^{2+}$ when exposed for 24h. The effective photochemical quantum yield(${\phi}{\prime}_{PSII}$), chlorophyll fluorescence decrease ratio($R_{Fd}$), minimal fluorescence yield($F_o$), and non-photochemical quenching(NPQ), but not photochemical quenching(qP), responded sensitively to $Hg^{2+}$, $Cu^{2+}$, and $Cd^{2+}$. These results suggest that $F_v/F_m$, as well as ${\phi}{\prime}_{PSII}$, $R_{Fd}$, $F_o$, and NPQ could be used to assess the effects of heavy metal ions in freshwater ecosystems. However, because many types of heavy metal ions and toxic compounds co-occur under natural conditions, it is difficult to assess heavy metal toxicity in freshwater ecosystems. When Chlorella was exposed to heavy metal ions for 12 or 24h, $F_v/F_m$ and maximal fluorescence yield($F_m$) changed in response to $Hg^{2+}$ and $Cu^{2+}$ based on image analysis. However, assessing quantitatively the toxic effects of several heavy metal ions is challenging.
This research investigates how using algae as an ecotoxicological test species is easier than using daphnia for identifying toxic causative substances. From the results of the ecotoxicity measurements on the Shihwa lake and its tributaries, heavy metals were considered as one of major factors in causing toxicity. The algae ecotoxicity value was 9.6 while the daphnia ecotoxicity value was 0.8 in the Jeongwang stream. By using algae as the test species, we could identify the toxicity that causes heavy metals which might otherwise have been missed with only daphnia. The results from the EDTA addition test showed that zinc and copper were the main toxic causative substances in the Jeongwang stream and Gunja stream.
Park, Byeong-Yong;Lee, Jae-Kook;Ro, Hee-Myong;Kim, Young-Ho
The Plant Pathology Journal
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제27권3호
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pp.266-271
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2011
Physicochemical characteristics and heavy metal content of soils located along the drainage way of an abandoned mine at Busan, Korea ($35^{\circ}31'N$, $129^{\circ}22'E$) (contaminated soil; CS) and uncontaminated soils (50-70 m apart from the drainage way) (NS) were examined. Growth of tomato plants (Solanum lycopersicom cv. Rutgers) in CS and NS, development of the root-knot nematode (Meloidogyne incognita) as root-knot gall formation on tomato plants, and non-parasitic nematode populations in soil were also examined. Growth of tomato plants, root-knot gall formation, and non-parasitic nematode populations were significantly reduced in CS with higher As content, lower pH, higher electrical conductivity (EC), and lower available phosphate (av. $P_2O_5$) than in NS. None of the other physicochemical characters examined differed significantly between CS and NS (low and no significance) and were above or below the critical levels detrimental to plant growth and nematode development, suggesting that As may be the primary hazardous heavy metal in CS. The toxicity of As might be enhanced at low pH in CS because exchangeable forms of some heavy metals increase with the decrease of soil pH. The heavy metals, especially As, may have contributed to increasing EC and decreasing av. $P_2O_5$. Therefore, the effects of mine drainage contamination from the abandoned mine were derived primarily from contamination by heavy metals such as As. These may have been enhanced in toxicity (solubility) by the lowered pH, increased soil salinity (EC) and decreased av. $P_2O_5$. Our results suggest synergistic adverse effects on the plant and the nematode by decreasing osmotic potential and nutrient availability.
In this study, we investigated the inhibition effects of single and mixed heavy metal ions ($Zn^{2+},\;Ni^{2+},\;Cu^{2+},\;and\;Cd^{2+}$) on iron oxidation by Acidithiobacillus ferrooxidans. Effects of metals on the iron oxidation activity of A. ferrooxidans are categorized into four types of patterns according to its oxidation behavior. The results indicated that the inhibition effects of the metals on the iron oxidation activity were noncompetitive inhibitions. We proposed a reduced inhibition model, along with the reduced inhibition constant ($\alpha_i$), which was derived from the inhibition constant ($K_I$) of individual metals and represented the tolerance of a given inhibitor relative to that of a reference inhibitor. This model was used to evaluate the toxicity effect (inhibition effect) of metals on the iron oxidation activity of A. ferrooxidans. The model revealed that the iron oxidation behavior of the metals, regardless of metal systems (single, binary, ternary, or quaternary), is closely matched to that of any reference inhibitor at the same reduced inhibition concentration, $[I]_{reduced}$, which defines the ratio of the inhibitor concentration to the reduced inhibition constant. The model demonstrated that single metal systems and mixed metal systems with the same reduced inhibitor concentrations have similar toxic effects on microbial activity.
유해한 중금속을 다량 함유하는 EAF(electric arc furnace) 더스트를 세라믹 원료로 재활용하기 위해서 EAF 더스트, EAF 더스트-점토에 대해서 pH와 혼합비에 따른 중금속 용출농도의 변화를 분석하였다. 소성과정 중에서 발생하는 중금속의 휘발량을 소지 내의 중금속 이온의 총량을 측정하여 평가하였으며 TCLP(toxicity characteristic leaching procedure)분석을 통해 중금속 이온의 안정화 정도를 평가하였다. EAF 더스트-점토 슬러리의 pH를 10으로 조절하였을 경우에 습식혼합 여액중의 중금속 이온의 농도가 가장 낮은 값을 가졌다. pH 10의 슬러리에 대해서 혼합비와 소성온도에 따른 소지내 중금속 이온의 총량을 측정한 결과 소성온도와 EAF 더스트의 함량이 증가할수록 중금속의 휘발이 증가하였으며, 점토의 혼합비가 증가할수록 중금속 이온의 휘발이 억제되었다. TCLP 분석결과 점토의 혼합비와 소성온도가 증가할수록 중금속의 용출은 감소하였으며 중금속의 용출농도는 기준치 이하로 안정화되었음을 확인할 수 있었다.
The contaminated soil at abandoned smelter areas present challenge for remediation, as the degraded materials are typically deficient in nutrients, and rich in toxic heavy metals and metalloids. Bioremediation technique is to isolate new strains of microorganisms and develop successful protocols for reducing metal toxicity with heavy metal tolerant species. The present study collected metal contaminated soil and characterized for pH and EC values, and heavy metal contents. The pH value was 5.80, representing slightly acidic soil, and EC value was 13.47 mS/m. ICP-AES analytical results showed that the collected soil samples were highly contaminated with various heavy metals and metalloids such as lead (183.0 mg/kg), copper (98.6 mg/kg), zinc (91.6 mg/kg), and arsenic (48.1 mg/kg), respectively. In this study, a bacterial strain, Bacillus cereus KM-15, capable of adsorbing the heavy metals was isolated from the contaminated soils by selective enrichment and characterized to apply for the bioremediation. The effects of heavy metal on the growth of the Bacillus cereus KM-15 was determined in liquid cultures. The results showed that 100 mg/L arsenic, lead, and zinc did not affect the growth of KM-15, while the bacterial growth was strongly inhibited by copper at the same concentration. Further, the ability of the bacteria to adsorb heavy metals was evaluated.
중금속은 다양한 경로를 통해 환경 중 배출되어 서식 생물에 노출되며 체내 다양한 생리학적 불균형을 유도한다. 본 연구에서는 수서생물지표종으로 이용되는 깔따구(Chironomus riparius)를 이용하여 야외 중금속(Al, Aluminum; Cr, Chromium; Cu, copper; Mn, Manganese; Zn, Zinc) 농도 노출에 따른 다양한 분자발현 반응과 상관성을 분석하였다. 생물 체내 분자 반응을 관찰하기 위해 heat shock protein 40, 70, 90 (HSP40, 70, 90), cytochrome 450(CYP450), Glutathione S-transferase (GST) and Serine-type endopeptidase (SP)를 이용하였다. 그 결과, 스트레스 분자마커로 이용되는 HSPs 유전자들은 중금속 노출된 개체들에서 대조군보다 높은 경향을 보였으며 Cu 노출 시 가장 높은 발현을 나타냈다. 해독에 관여하는 CYP450과 GST 유전자 발현 결과, Cr과 Cu에서는 다른 노출군에 비해 높은 발현 경향을 나타냈다. SP 유전자 발현 결과 Al을 제외한 모든 노출군이 대조군과 유사한 발현 패턴을 보였다. 이와 같은 연구 결과는 실내에서 환경 중 존재하는 실제 농도를 반영한 독성실험을 통해 노출물질과 농도에 따라 특이적으로 발현하는 분자마커 패턴을 보고하였다. 또한, 수생태계로 유입되는 중금속이 하천에 서식하는 생물에 주는 유해 영향에 대한 정보와 분자 지표 유전자들의 현장 적용 가능성을 보여준다.
This research was performed to evaluate heavy metal leaching characteristics of the sludge from paper mill process with sintering temperature. Heavy metal leaching of the sludge was characterized with Korean Leaching Test and Toxicity Characteristic Leaching Procedure. The test sludge was composed of 70.72% of moisture, 9.5% of volatile solids and 9.76% of fixed solids. As a result of XRF analysis, Fe was the highest inorganic element in approximately 83%, which implies the recycling possibility of the sludge in reuse of Fenton chemicals and artificial lightweight aggregate. Leaching of heavy metals from sintered sludge was lower than the dry ones. However, there was no significant difference in leaching characteristics between the sludges sintered at $350^{\circ}C$ and $650^{\circ}C$. Zn and Fe were leached more greatly in TCLP and KLT methods respectively.
Mining activity in the Gubong gold mine started in 1908 and lasted up to recent days. Heavy metals derived from the activity may be porentially toxic to human life and envirinment of this area. Because metal toxicity depends on chemical associations into five operationally defined groups: exchangeable, carbonate, reducible, oxidizable, and residual fractions, and the Most of heavy metals have significant little significance (alomost<1%). And Cu is mainly associated with the oxidizable from. Total concentration of heavy metals, pH, and mineralogy affect the chemical forms of the metals. Heavy metal concentrations. Significant amounts of metal elements (5∼65.1% in Pb, 6.2∼39.7% in Zn, 8.7∼54.7% in Cd, and 3.6∼24.7% in Cu) were present in carbonate form from mine wastes, contaminated soils and sediments. High pH value and cerussite (Pb bearing carbonate mineral) in mine wastes, contaminated soils and sediments. High pH value and cerussite (Pb beraring varbonate mineral) in mine waste support this result. Areas with high corbonate bound from would have higher potentoal conamination, however, because elements of carbonate bound forms are easily mobilized under lower pH conditions in the surface envionments due to acid to rain soil acidification.
Stabilization treatment is one of processes for wastes and their components to reduce their toxicity and migration rates to surroundings. Inorganic binders such as calcium hydroxide, blast furnace slag and red mud were tested for their potential applicability to in-situ stabilization of heavy metal contaminated tailings in the abandoned metal mines. Columns(150mm dia. ${\times}$ 450mm length) filled with mixtures of inorganic binders and tailing from the Geumjang mine with various mixing ratios of binders to tailings, 5%, 7% and 9% were applied artificial rainfall tests for 28 days. Effluents from columns filled with calcium hydroxide and tailing showed high pH's of ~12.5 and a increasing trend of concentration in Pb and Zn with a significant decrease in permeability in terms of elapsed days. Those with burning slag and tailing showed pH's of ~8.5 and significantly low concentrations in heavy metals with a stable permeability. In case of red mud, effluents showed significantly low concentrations in heavy metals but a decreased permeability with pH's of ~10.5. Conclusively, this basic study suggests burning furnace slag be a potential stabilizer for effective treatment of heavy metal contaminated mine tailings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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