Kim, Young-Nam;Kim, Jiseong;Lee, Jeongeun;Kim, Sujung;Lee, Keum-Ah;Kim, Sun-Hyung
Journal of Plant Biotechnology
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제47권4호
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pp.324-329
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2020
Reed (Phragmites spp.) is a rhizomatous plant of the Poaceae family and is known as high tolerant plant to heavy metal contaminants. This plant is widely recognized as a Cd root-accumulator, but improved heavy metal tolerance and uptake capacity are still required for phytoremediation efficiency. To enhance capacity of hyperaccumulator plants, ethyl methane sulfonate (EMS) as chemical mutagen has been introduced and applied to remediation approaches. This study aimed to select EMS-mutagenized reeds representing high Cd resistance and large biomass and to investigate their ability of Cd accumulation. After 6 months cultivation of M2 mutant reeds under Cd stress conditions (up to 1,500 µM), we discovered seven mutant individuals that showed good performances like survivorship, vitality, and high accumulation of Cd, particularly in their roots. Compared to wild type (WT) reeds as control, on average, dry weight of mutant type (MT) reeds was larger by 2 and 1.5 times in roots and shoots, respectively. In addition, these mutant plants accumulated 6 times more Cd, mostly in the roots. In particular, MT8 reeds showed the greatest ability to accumulate Cd. These results suggest that EMS mutagenesis could generate hyperaccumulator plants with enhanced Cd tolerance and biomass, thereby contributing to improvement of phytoremediation efficiency in Cd-contaminated soil or wastewater. Further studies should focus on identifying Cd tolerance mechanisms of such EMS-mutagenized plants, developing techniques for its biomass production, and investigating the practical potential of the EMS mutants for phytoremediation.
This study was performed to evaluate the remediation efficiency by Helianthus annuus, Brassica juncea and Brassica campestris on the soil contaminated with nickel, zinc and lead, respectively. The growth rates fell down under 60% in the condition of over 700 mg/kg of zinc for Brassica campestris, 300 mg/kg of lead for Helianthus annuus, and 150 mg/kg of nickel for Brassica juncea on the basis of heavy metal concentration in the soil, because of its toxicity. Also, the hyperaccumulators showed the maximum heavy metal contents in their biomass after 90 days of cultivation. The accumulated heavy metal content per kilogram of hyperaccumulator was 0.65 mg of nickel in Brassica juncea, 0.14 mg of zinc in Brassica campestris, and 0.06 mg of lead in Helianthus annuus, respectively. Additionally, 73.2% of nickel accumulated in Brassica juncea and 95.1% of zinc accumulated in Brassica campestris were concentrated in the upper site of crop like stem and leaves. However, in the case of Helianthus annuus, 83.7% of lead was accumulated in the root.
This study was carried out not only to identify the optimum concentrations of sulfur powder and citric acid treated for improving arsenic absorption of Pteris multifuda known as hyperaccumulator of arsenic, but also to develop arsenic purification model in the forest soil. After applying sulfur powder (0, 30, 45, $60g{\cdot}m^{-2}$) and citric acid (0, 200, 400, $800g{\cdot}m^{-2}$) in the forest soil contaminated with heavy metals, P. multifuda was planted and cultivated for 16 weeks. And then the growth and arsenic contents of plants were analyzed. In the result of research, the growth of P. mulifuda, except plant width, cultivated in soils treated with sulfur powder and citric acid was relatively lower than control. The accumulated amount of arsenic in aerial parts of P. multifuda ($1822.2mg{\cdot}kg^{-1}$) cultivated in soils treated with $200g{\cdot}m^{-2}$ citric acid was improved 62.5% against the control. And the accumulated amount of arsenic per 1 $m^2$ ($20.1mg{\cdot}m^{-2}$) was the greatest in $200g{\cdot}m^{-2}$ citric acid treatment. Translocation rate (TR) was higher in all acid treatment compare to control, and was the best in $200g{\cdot}m^{-2}$ citric acid treatment (0.95) especially. It showed that the arsenic absorbed in underground parts was transferred fast to aerial parts. Therefore, $200g{\cdot}m^{-2}$ citric acid treatment in the soil is recommended for arsenic purification using P. multifuda.
Current physical and chemical methodologies, conventionally used to clean up metal contaminated soils, are generally too expensive to apply in large hazardous waste sites including agricultural lands adjacent to closed or abandoned metal mines. Phytoremediation using plants to extract, sequester and detoxify environmental pollutants is one of the cost-effective and aesthetically-pleasing alternatives, compared with environmentally destructive remedial methods currently being practiced. But, phytoremediation has some limitations such as time consuming and low performance: in general, it is seasonally dependent and slower in removing metals than other methods, and metal accumulating plants are slow growers. Improvement of plants for metal tolerance, accumulation, and translocation using genetic engineering techniques recently opened up new possibilities for phytoremediation. In this paper, we have discussed about recent developments in conventional and genetically engineered phytoremediation. For the conventional phytoremediation, focuses are on the natural hyperaccumulator and the chemically assisted phytoremediation. Some pros and cons on the phytoremediation using transgenic plants, coupled with focusing on the mechanistic view points, are also discussed. It might be concluded that the transgenic plants will be effective tools in the practical application of phytoremediation especially for the highly contaminated soils but mechanisms involved should be deeply understood in advance.
Phytoremediation-the use of plants for the in situ treatment of contaminated soil and water-has recently emerged as an inexpensive and user-friendly alternative to traditional methods of environmental clean-up. The present article outlines the characteristics of phytoremediation based on accumulated research evidence, along with discussions on its advantages and disadvantages. It further reviews various mechanisms involved in the phytoremediation processes: phytoextraction, rhizofiltration, phytostabilization, phytovolatilization and phytodegradation. Along the way, the author summarizes examples of its applications to environmental pollution control. These include wastewater treatment, removal of heavy metals, and hydrocarbons, remediation of recalcitrant contaminants, phytoremediation of radionuclides, and application of transgenic plants for enhanced biodegradation and phytoremediation. The remainder of the article briefly concludes with directions for future research.
본 연구는 중금속으로 오염된 논토양에서 비소 흡수능이 우수한 봉의꼬리(Pteris multifuda)를 재배할 때 차광처리가 봉의꼬리의 생육과 토양 내 비소 흡수에 미치는 영향을 분석하기 위하여 수행하였다. 비소로 오염된 (구)장항제련소 인근의 논토양에서 수행하였으며, 각 실험구의 크기를 $2{\times}2m$로 조성하였고, 동일한 생육단계의 봉의꼬리를 $20{\times}20cm$ 간격으로 식재하여 24주간 재배하였다. 차광조건에 따른 봉의꼬리의 생육을 조사하였고, 식물체 내 비소 축적량 및 토양의 비소 변화량은 ICP를 이용하여 분석하였다. 연구의 결과, 중금속으로 오염된 논토양에서 차광에 의한 봉의꼬리의 생육은 무차광에 비해 차광 처리구에서 왕성하였다. 봉의꼬리 지상부의 비소 축적량은 차광($140.9mg{\cdot}kg^{-1}$)에 비해 무차광 처리구($169.8mg{\cdot}kg^{-1}$)에서 다소 높았으며, 지하부의 비소 축적량은 비슷한 경향을 보였다. 그러나 생육은 70% 차광 처리구에서 월등히 우수하여, 토양에서 흡수한 비소의 함량은 차광처리구에서 오히려 더 많았다. 봉의꼬리의 비소 이동계수(TR)는 차광처리에 관계없이 0.87~0.89로 매우 높아 흡수한 비소를 지상부로 빠르게 이동시키므로 생육 후 지상부의 제거처리에 의해 토양 내의 비소를 효과적으로 제거할 수 있으리라 생각된다.
The purpose of this study was in search of native plant species showing metal-resistant property and excessively accumulating heavy metals in metal-contaminated soil or abandoned mines as well as in evaluation of applicability of phytoremediation. In the study area, species showing excessively accumulating heavy metals were a shepherd´s purse, pampas grass, a Korean lettuce, a Hwansam vine, the Korean persicary, a foxtail, a goosefoot, and a water pepper. The first screened plant species in Sambo mine were as shepherd's purse, Korean lettuce and pampas grass Among them the shepherd´s purse can be excluded because it is a seasonal plant and has lower removal capacity for heavy metals. The Korean lettuce was also excluded because of having lower removal capacity for heavy metals. Pampas grass is a highly bionic plant species constantly growing from spring. However it has weak points such as little accumulation capacity for zinc as well as small values of an accumulation factor and a translocation factor. Another problem is regarded as removal of roots after the clean up if pampas grass is applied to a farmland. In Sanyang mine, wormwood and Sorijaengi were considered as adaptable species.
The transport systems for metals play crucial roles in both the physiological functions of essential metals and the toxic effects of hazardous metals in mammals and plants. In mammalian cells, Zn transporters such as ZIP8 and ZIP14 have been found to function as the transporters for Mn(II) and Cd(II), contributing to the maintenance of Mn homeostasis and metallothionein-independent transports of Cd, respectively. In rice, the Mn transporter OsNramp5 expressed in the root is used for the uptake of Cd from the soil. Japan began to cultivate OsNramp5 mutant rice, which was found to accumulate little Cd, to prevent Cd accumulation. Inorganic trivalent arsenic (As(III)) is absorbed into mammalian cells via aquaglyceroporin, a water and glycerol channel. The ortholog of aquaporin in rice, OsLsi1, was found to be an Si transporter expressed in rice root, and is responsible for the absorption of soil As(III) into the root. Since rice is a hyperaccumulator of Si, higher amounts of As(III) are incorporated into rice compared to other plants. Thus, the transporters of essential metals are also utilized to incorporate toxic metals in both mammals and plants, and understanding the mechanisms of metal transports is important for the development of mitigation strategies against food contamination.
현재까지 국내에서 탐색된 카드뮴 축적 식물 종은 월동이 불가능한 식물이므로 본 연구에서는 겨울기간 동안 phytoremediation에 이용하기 위한 카드뮴 축적 식물종을 탐색하고자 하였다. 월동 가능한 카드뮴 축적 식물을 이용할 경우 시간적 효율성을 제고할 수 있기 때문이다. 식물종은 중부 이북지역에서 월동이 가능하다고 판단되는 초본류 중에서 40종을 우선 선별하고 이중 야생식물종자은행으로부터 분양 가능한 7종 (큰이삭풀, Bromus catharticus: 괭이밥, Oxalis corniculata: 김의털, Festuca rubra: 말냉이, Thiaspi arvense: 배초향, Agastache rugosa: 서울제비꽃, Viola seoulensis: 돌마타리, Patnnia rupestris)의 식물을 실험 대상으로 선정하였다. 7종의 식물은 파종하여 발아시킨 후 사경재배하였다. 양액은 Epstein 1/2 배액을 이용하였으며, 카드뮴은 저면관수로 배양액에 직접 처리하였다. 실험 결과 큰이삭풀과 말냉이는 지상부에 각각 112.35 및 $86.69mg\;kg^{-1}$의 카드뮴을 축적하였고, 이 중에서 큰이삭풀은 생육에 매우 양호하였으므로 겨울기간 동안 카드뮴 축적 식물로서의 활용성이 가장 높을 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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