Plant growth-promoting (PGP) bacteria can be used as bioresources to enhance phytoremediation through their PGP traits and pollutant removal capacity. In this study, 49 rhizobacteria were primarily isolated from the rhizosphere of tall fescue grown in diesel- and heavy metal-contaminated soil. Their biosurfactant production, phosphate (P) solubilization, and siderophore production were qualitatively and quantitatively evaluated to identify superior PGP bacteria. The optimal conditions for the growth of PGP bacteria and the stability of their PGP traits were a temperature of 35℃, a pH of 7, and 2 days of cultivation time. Four superior PGP bacteria (Pseudomonas sp. NL3, Bacillus sp. NL6, Bacillus sp. LBY14, and Priestia sp. TSY6) were finally selected. Pseudomonas sp. NL3 exhibited superior biosurfactant production and P solubilization. Bacillus sp. NL6 showed the highest P solubilization and superior production of biosurfactants and siderophores. Bacillus sp. LBY14 offered the best siderophore production and impressive P solubilization. Priestia sp. TSY6 had superior capacity for all three PGP traits. Through their secretion of beneficial PGP metabolites, the four bacteria isolated in this study have the potential for use in the phytoremediation of contaminated soil.
We evaluated the interaction between Cd and Zn in the bioaccumulation of seven clones of Salix caprea, which were exposed both to Cd and Zn alone and to a combination of Cd and Zn. Cadmium (Cd) and Zn concentration in the four treatments were administered in the following order: root > leaf > stem, and obvious differences were noted among the treatments and clones. The leaf Cd concentration of clone BH2 and stem Cd concentration of clone BH5 in the combined Cd and Zn treatment group was increased by 62% and 110%, respectively, relative of that of the Cd alone treatment group. On the other hand, the leaf and stem Zn concentration of clone BH8 in the combined Cd and Zn treatment group was reduced by 66% and 61%, respectively, relative to that of the Zn alone treatment group. Translocation of Cd and Zn from the root was higher in the leaf than in the stem, and the combined Cd and Zn treatment stimulated the translocation of Cd from the root to the leaf and stem, whereas it suppressed the translocation of Zn from the root to the leaf and stem. Therefore, the interaction effects were considered strongly synergistic with Cd in the presence of Zn, but proved antagonistic to Zn in the presence of Cd in the combined Cd and Zn treatment group. The phytoremediation potentials of the seven clones, which were estimated from standard indices of Cd and Zn concentration in Cd and Zn alone and the combined Cd and Zn treatment groups, were highest in clone BH3, and lowest in clone BH5. Therefore, we recognize S. caprea as an appropriate material for phytoremediation, and this is particularly the case with clone BH3. However, further research will be required to evaluate the effects of Cd and Zn on the physiological changes as well as tolerance mechanisms against metal toxicity in S. caprea clones.
중금속 오염에 대한 식물복원법(phytoremediation)에 적합한 식물종의 탐색과 확립에 필요한 기초자료를 얻기 위하여 본 연구를 수행하였다. 공시 식물은 단풍잎돼지풀, 갓, 소리쟁이, 어저귀와 같은 야생식물을 이용하였다. 이들 종에 중금속으로 카드뮴과 구리를 처리하여 유묘의 출현과 유묘시기의 생육의 변화 및 양액재배를 통해 중금속이 이들 종에 미치는 영향과 축적되는 정도를 알아보았다. 공시종을 모래에 파종 후 중금속을 토양내 위험 수준으로 처리하고 pH를 6.5, 5.5, 4.5 조절하였을 때 pH가 낮아질수록 출현율 및 유묘의 생육은 저하되었으며 카드뮴에 비해 구리의 피해가 좀더 심하였다. 공시종 중 phy-toremediation에 가장 적합한 종은 단풍잎돼지풀이었으며 이종은 중금속에 의한 유묘의 출현과 초기 생육의 영향이 다른 종에 비해 적었으며, 양액 재배에 있어서도 $20{\mu}mol/L$Cd와 $80{\mu}mol/L$ Cu정도의 농도 처리에 의한 피해 정도가 미약하였다. 미국돼지풀은 중금속 축적량이 유묘의 카드뮴 311mg/kg, 구리 369mg/kg 정도가 축적되어 양호한 결과를 나타냈다.
Phytoextraction, one type of phytoremediation processes, has been widely used in the removal of heavy metals from polluted soil. This paper reviewed literature on metal uptake by plants and characterized the metal uptake by types of metals (Zn, Cu, Pb, Cd, and As), plant species, initial metal concentrations in soil and the distribution of metals in different parts of plants. The potential of metal accumulation and transport by plants was closely related to plants species, types of metals, and initial metal concentrations in soil. The plants belonging to Brassicaceae, Solanaceae, Poaceae, and Convolvulaceae families have shown the high potential capacity of Cd accumulation. The Gentianaceae, Euphorbiaceae, and Polygonaceae families have exhibited relatively high Pb uptake potential while the Pteridaceae and Cyperaceae families have shown relatively high Zn uptake potential. The Pteridaceae family could uptake a remarkably high amount of As compared with other plant families. The potential metal accumulation per plant biomass has increased with increasing initial metal concentration in soil up to a certain level and then decreased for Cd and Zn. For As, only Pteris vittata had a linear relationship between initial concentration in soil and potential of metal uptake. However, a meaningful relationship for Pb was not found in this study. Generally, the plants having high metal uptake potential for Cd or Pb mainly accumulated the metal in their roots. However, the Euphorbiaceae family has accumulated more than 80% of Pb in shoot. Zn has evenly accumulated in roots and stems except for the plants belonging to the Polygonaceae and Rosaceae families which accumulated Zn in their leaves. The Pteridaceae family has accumulated a higher amount of As in leaves than roots. The types of metals, plant species, and initial metal concentration in soil influence the metal uptake by plants. It is important to select site-specific plant species for effective removal of metals in soil. Therefore, this study may provide useful and beneficial information on metal accumulation by plants for the in situ phytoremediation.
본 연구는 어저귀(Abutilon avicennae)를 이용한 식물상 복원공법의 가능성과 카드뮴이 식물의 성장에 미치는 독성효과, 오염물과 식물유무에 따른 토양미생물의 활성변화, 카드뮴의 식물체내와 토양에서의 거동에 관한 연구를 실시하였다. 뿌리의 생체량은 90일 후 대조구에 비해 약 4배정도 저해를 받았으며, 지상부의 길이 생장 또한 대조구에 비해 약 3배정도 저해를 받은 것으로 나타났다. 식물내 카드뮴의 축적은 50일째 뿌리> 줄기> 잎의 순서로 축적을 나타냈으나, 90일이 경과된 후 카드뮴 축적은 뿌리>줄기>종자>잎으로 지상부 부분의 카드뮴이 잎에서 종자로 전이가 일어난 것을 볼 수 있다. 카드뮴 오염 유무에 상관없이 식물구는 무식물 구에 비해 미생물 활성도가 높게 나타났고 컬럼 하층부로 내려갈수록 감소하였다. 토양에서의 카드뮴 이동은 관찰되지 않았으며, 초기 가용성 카드뮴의 3.5%가 식물체내로 이동하였음이 관찰되었다.
To investigate the possible applications of plants to remediate heavy-metal-contaminated soil, a pilot experiment was performed for four years in a reclaimed dredging area using two Alnus species, i.e., Alnus firma and Alnus hirsuta. In a comparison of phytomass of the two species at two different planting densities, the phytomass of Alnus planted at low density was twice as high as that of Alnus planted at high density after four years. The Alnus species showed active acclimation to the heavy-metal-contaminated soil in a reclaimed dredging area. A. hirsuta showed greater accumulation of phytomass than A. firma, indicating that it is the better candidate for the phytoremediation of heavy-metal-contaminated soils. In the pilot system, Alnus plants took metals up from the soil in the following order; Pb > Zn > Cu > Cr > As > Cd. Uptake rates of heavy metals per individual phytomass was higher for Alnus spp. planted at low density than those planted at high density in the pilot system. Low plant density resulted in higher heavy metal uptake per plant, but the total heavy metal concentration was not different for plants planted at low and high density, suggesting that the plant density effect might not be important with regard to total uptake by plants. The quantity of leached heavy metals below ground was far in excess of that taken up by plants, indicating that an alternative measurement is required for the removal of heavy metals that have leached into ground water and deeper soil. We conclude that Alnus species are potential candidates for phytoremediation of heavy-metal- contaminated surface soil in a reclaimed dredging area.
Cd 처리에 대한 박달나무의 반형매 차대간의 Cd 흡수 및 이동 패턴을 알아보고자 수행한 결과, 잎의 주간내 위치에 따른 Cd농도는 지제부에서 높게 나타나고 정단부로 올라 갈수록 농도가 낮아지는 경향을 보였다. 대체로 식물체내에서 Cd의 농도 분포는 뿌리>줄기>잎의 순으로 나타났지만, 가계별, 처리별로 상이한 결과가 나타나 가계간 유전적인 요인이 크게 작용한 것으로 판단된다. 모든 가계의 처리구에서 지상부와 지하부의 Cd 농도 비율이 1.26으로 나타나 박달나무는 Cd을 흡수하여 지상부로 보내는 축적종의 경향을 갖고 있는 것으로 판단된다. 또한 토양 중금속 농도와 식물체내 중금속 농도의 비도 가계간 차이는 있지만, Cd을 능동적으로 흡수하여 지상부로 이동시키는 Cd 정화 수종으로 판단된다. 하지만 박달나무는 Cd에 대한 반응이 가계간 다양하므로 토양 중 Cd정화를 위해 이용할 경우, 정화 능력이 우수한 수종을 선발하는 것뿐만 아니라, 같은 수종 내에서도 내성 능력과 정화능력이 차이가 있으므로 가계 선발이 필요할 것이다.
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.
Phytoremediation presents a low-carbon and eco-friendly solution for heavy metal-contaminated soils, which pose great health and environmental risks to humans and ecosystems. A hydroponic culture was used to quantitatively assess the phytoremediation potential of plant species to remediate As or Cd-contaminated soil in field application. This study examined the growth, uptake, and distribution of Cd in the roots and shoots of Phalaris arundinacea and Brassica juncea in hydroponic conditions with Cd concentrations ranging from 0 to 20 mg/L for 10 days. Additionally, Aster koraiensis and Pteris multifida were cultivated in hydroponic conditions containing As concentrations ranging from 0 to 40 mg/L for 10 days. The concentrations of Cd in the above-ground part and root tissues of P. arundinacea and B. juncea reached a maximum of 147.7 and 1926.7 mg/kg-D.W.(Dry Weight), and 351.6 and 11305.5 mg/kg-D.W., respectively. Bioconcentration factor (BCF) for P. arundinacea and B. juncea were 68.9 and 122.3, respectively. Both species exhibited a translocation factor (TF) of less than 0.1, indicating their eligibility for phytostabilization. Aster koraiensis exhibited significant As accumulation of 155.1 and 1306.7 mg/kg D.W. in the above-ground part and root, respectively. However, this accumulation resulted with substantial weight loss and the manifestation of toxic symptoms. P. multifida exhibited higher accumulation of As (345.1 mg/kg-D.W.) in the fronds than in the roots (255.4 mg/kg-D.W.), corresponding to BCF values of 18.6 and 7.6, respectively, and a TF greater than 1.2. A TF value greater than 1.0 indicates that P. multifida is a viable option for phytoextraction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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