실리카 인캡슐레이션 작용을 통한 농경지 토양 내 중금속의 이동성 저감 평가 = Reduction of Heavy Metals Mobility by Encapsulation with Silica in Agricultural Land

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Heavy metals released into environments through human activities including mining, transportation, pesticide, and fertilizer can be introduced to agricultural land, and threaten seriously human health and food security by translocating to crops. Stabilization has been considered a promising process for reducing the mobility and bioavailability of heavy metals in agricultural soil. But chemical stabilizers negatively affect plant growth by changing the physicochemical properties of the soil. Silica (Si) is abundant in natural soil and can reduce the toxicity of heavy metals in plants. Therefore, in this study, silica encapsulation was proposed as a new stabilization process to prevent heavy metal translocation from soil to crops.
As the amorphous silica layer was generated on the soil surface, the FT-IR peak of the soil surface was converted similarly to the peak pattern of the silica gel, and the peak intensity of the XRD decreased because of the amorphous characteristics of the silica layer. The SEM-EDS analysis shows that the intensity of heavy metals (Pb, Zn, and Cu) on the surface of the silica-encapsulated soil decreased. The results show the formation of silica layer on the soil surface. Silica encapsulation reduced the TCLP-leachable as well as the bioaccessible concentration of heavy metals, which is expected to lower the translocation of heavy metals to crops from the soil. The silica encapsulation showed the effect on the decrease of mobility even in accelerated aging (wet-dry aging). In addition, silica encapsulation promoted the germination of Lactuca Sativa and Hordeum vulgare in heavy metals-contaminated soil and reduced the concentration of heavy metals deposited in barley roots. Furthermore, silica encapsulation is effective in reducing the mobility of heavy metals regardless of the physicochemical properties of the soil and the contamination level of heavy metals. These results suggest that silica encapsulation is an effective stabilization process to prevent the translocation of heavy metals from the contaminated soil to crops while maintaining the soil environment in agricultural land.

국문 초록 (Abstract)

광업, 제련업, 운송업, 농약과 비료 등 인간의 활동으로 발행한 중금속은 대기나 지하수에 의해 농경지로 유입된다. 농경지 내 중금속은 작물로 전이되어 인간의 건강과 식량 안보에 심각한 결함을 초래한다. 안정화는 농경지 토양에서 중금속의 이동성과 생물학적 가용성을 줄이는 유망한 공법으로 간주되었지만, 화학적 안정화제는 토양의 물리화학적 특성을 변화시켜 작물 생장에 부정적인 영향을 미친다는 문제가 있다. 실리카(Si)는 토양에 풍부하게 존재하고 식물에서 중금속 독성을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 중금속이 농작물로 전이되는 것을 예방하기 위해 새로운 안정화 공법으로 실리카 인캡슐레이션(Silica Encapsulation)을 평가하였다.
토양 표면에 생성된 실리카층은 토양 표면의 FT-IR 피크 스펙트럼을 실리카겔과 유사하게 만들었고, 실리카층의 비정질 구조가 결정질 물질의 XRD 피크 세기를 감소시켰다. 또한, SEM-EDS 분석 결과, 실리카 인캡슐레이션된 토양 표면의 중금속(Pb, Zn, Cu) 비율이 감소하였으며, 이는 토양 표면이 실리카 인캡슐레이션되었다는 것을 의미한다. 실리카 인캡슐레이션은 중금속의 TCLP-용출성 및 생체 접근성을 감소시켰고, Wet-Dry aging 이후에도 중금속의 이동성을 감소시키는 효과를 유지하였다. 또한, 중금속 오염토양에서 상추와 보리로의 중금속 전이를 억제하였다. 이러한 실리카 인캡슐레이션의 효과는 중금속으로 오염된 토양에서 상추와 보리의 발아를 촉진하였다. 또한 실리카 인캡슐레이션은 토양의 물리화학적 특성과 중금속 농도에 관계없이 토양 입자를 캡슐화하였으며, 중금속의 이동성을 감소시켰다. 이러한 결과는 실리카 인캡슐레이션이 농경지의 토양 생태계를 유지하면서 중금속이 농작물로 전이되는 것을 방지하는 환경친화적인 안정화 공정임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Heavy metals accumulation in crops 1
• 1.2 Remediation of heavy metals-contaminated agricultural soil 4
• 1.3 Encapsulation techniques 7
• 1.4 Characteristic of silica and silica treatment in the contaminated soil 8
• 1.5 Mechanisms of silica encapsulation 10
• 1.6 Research objectives 12
• Chapter 2. Materials and Methods 14
• 2.1 Materials and reagent 14
• 2.2 Encapsulation of soil using silica 15
• 2.3 Leachability and bioaccessibility of heavy metals 16
• 2.4 Germination test 17
• 2.5 Stability of silica encapsulation 19
• 2.6 Silica Encapsulation of various HMs-contaminated soil 19
• Chapter 3. Results and Discussion 21
• 3.1 Soil analysis 21
• 3.2 Silica encapsulation on soil particles 23
• 3.3 Mobility of HMs after silica encapsulation 29
• 3.4 Effects of silica encapsulation on crop growth 31
• 3.5 Stability of silica encapsulation 35
• 3.6 Application of silica encapsulation in various heavy metals-contaminated soils 38
• Chapter 4. Conclusions 42
• References 44