Heavy metal contamination in agricultural soils poses a serious threat to ecosystem stability and human health. Biochar, with its porous structure and diverse surface functional groups, has great potential for adsorbing and immobilizing heavy metals in soils. This review summarizes recent studies on biochar-based remediation of heavy metal-contaminated soils and identifies key factors influencing its efficiency. A review of 355 studies published between 2009 and September 2025 revealed that feedstock type, pyrolysis temperature, and surface modification were identified as the main determinants of biochar performance in soil. Most previous studies have focused on single-metal systems, while limited research has addressed complex contamination where heavy metals coexist with pollutants such as pesticides, antibiotics, and microplastics. To advance biochar as a sustainable remediation technology, future research should elucidate removal mechanisms under co-contaminated conditions, improve efficiency through surface modification, and examine interactions with soil microorganisms and plants. Long-term stability assessments and economic evaluations are also required to verify field applicability. These efforts will promote the practical use of biochar as an environmentally friendly and sustainable soil remediation technology.

Keywords: Biochar, Heavy metals, Soil remediation, Co-contamination, Sustainable technology

농업 토양의 중금속 오염은 생태계의 안정성, 식량 안보, 인류 건강을 직접적으로 위협하고 있다(Hou et al., 2025; Xie et al., 2016). 중금속 오염은 주로 공장 및 산업 활동에서의 배출뿐만 아니라, 비료와 농약의 과다 사용, 오염된 관개수 및 슬러지 퇴비의 이용, 농업 폐기물의 부적절한 처리 등 다양한 농업 활동으로부터 발생한다(Chon et al., 2011; Hussain et al., 2025). 중금속은 토양 미생물 군집의 교란을 통해 토양 비옥도를 저하시켜, 농작물의 정상적인 생육을 저해하고, 그 결과 수확량 감소를 초래한다(Deng et al., 2025; Rashid et al., 2023). 더 나아가, 중금속은 농작물에 축적되어 먹이사슬을 통해 인체로 전이됨으로써 다양한 건강 문제를 유발할 수 있다(Gupta et al., 2022). 최근 연구에서는 농업토양 내에서 중금속이 단독으로 존재하기보다, 항생제, 잔류농약, 미세플라스틱 등과 함께 공존하는 사례가 보고되고 있다. 이러한 오염물질들은 중금속과 상호작용하여 중금속의 이동성, 흡착거동 및 생물학적 이용가능성에 영향을 미칠 수 있다(Alengebawy et al., 2021; Liu et al., 2024; Shu et al., 2025). 따라서 농업 토양 내 중금속과 다른 오염물질이 공존하는 환경을 고려한 중금속 저감 방법이 필요하다.
토양 중 중금속 저감을 위해 토양세척, 고형화·안정화와 같은 물리·화학적 방법과 식물 기반 정화 기법 등이 적용되어 왔다(Kumar et al., 2024; Xu et al., 2024). 그러나 이러한 방법들은 높은 처리 비용과 에너지 소모, 그리고 처리과정에서 발생하는 2차 오염물질들로 인해 환경적 부담이 크다는 한계를 가진다(Kumar et al., 2024; Xu et al., 2024). 이에 대한 대안으로 최근 다양한 유기성 폐기물로부터 생산할 수 있는 바이오차 활용이 주목받고 있다(Dong et al., 2024; Visser et al., 2024; Yaashikaa et al., 2020). 바이오차는 풍부한 다공성 구조와 넓은 비표면적을 가져 중금속의 이동성과 생물학적 이용 가능성 저감에 효과적이며(Liang et al., 2021), 생산 단가는 $1.06/kg로 흡착제로 널리 활용되고 있는 활성탄($1.34/kg)보다 저렴하지만, 흡착 성능은 비슷하다(Shaheen et al., 2022; Viotti et al., 2024). 또한, 바이오차의 중금속 흡착능력은 바이오차의 물리·화학적 특성에 따라 달라지며, 이러한 특성은 원료, 열분해 온도, 표면 개질 방법 등의 요인에 의해 결정된다(Tomczyk et al., 2020; Zhang et al., 2024). 지금까지 다양한 조건에서 바이오차의 중금속 저감 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 그 결과 바이오차의 우수한 저감 성능과 농업 환경에서의 활용 가능성이 입증되었다. 그러나 기존 리뷰들은 주로 단일 오염물질 환경에서의 흡착 효율 비교에 초점을 맞추었으며, 실제 농업토양에 존재하는 항생제, 잔류농약, 미세플라스틱 등 다른 오염물질이 공존하는 환경을 고려한 연구는 부족하다. 따라서 본 리뷰는 원료, 열분해 온도, 표면 개질에 따른 바이오차의 중금속 저감 특성을 정리하고, 다양한 오염물질이 공존하는 환경에서 바이오차의 적용성과 향후 연구 방향을 제시함으로써 기존 리뷰의 한계를 보완하고자 한다.

본 논문은 바이오차를 활용한 토양 내 중금속 저감 연구를 조사하기 위해 Web of Science에서 “biochar*” AND “heavy metal*” AND (“adsorp*” OR “sorp*” OR “reme- diation*” OR “immobilization*”)의 키워드 조합으로 2009년부터 2025년 9월 사이에 출판된 article 유형의 문헌을 검색하였으며 총 4,568편의 문헌이 검색되었다. 1차 스크리닝 단계에서 초록을 검토하여 중금속(카드뮴(Cd), 납(Pb), 구리(Cu), 아연(Zn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 비소(As), 수은(Hg)), 바이오차, 저감(sorption, adsorption, removal, immobilization, remediation) 관련 용어가 모두 포함된 연구를 선별하였다. 이후 수계를 제외한 토양 관련 연구로 한정하고자 “soil*” 키워드로 추가 스크리닝 과정을 거쳐 총 355개의 연구를 최종 선정하여 리뷰에 활용하였다. 또한, 중금속이 다른 오염물질과 함께 존재하는 환경에서의 바이오차 적용 연구를 선별하고자 “microplastic*”, “pesticide*”, “antibiotic*”, “co-contaminant*”, “complex contaminant*” 등의 검색어를 이용하여 총 18편의 연구를 선별하였다. 선정된 문헌을 기반으로 VOSviewer를 활용해 2009-2025년 기간의 키워드 동시발생 네트워크를 구축하고, 연구 동향을 시각적으로 분석하였다.

2009년 이후 바이오차를 활용한 중금속 저감 연구는 수환경과 토양환경 모두에서 지속적으로 증가하는 경향을 보였으며, 토양환경(355편)보다 수환경(972편)에서 많은 연구가 수행되었다(Fig. 1). 2009년부터 2017년까지는 연구 초기 단계로, 누적 문헌 수가 93편에 불과하였다. 그러나 2018년 이후 연구가 급격히 증가하여, 2021년에는 누적 440편, 2025년 9월에는 1,103편으로 집계되었다. 이는 2021년 대비 2025년 약 2.5배 증가한 수준으로, 바이오차를 이용한 중금속 저감 연구가 빠르게 증가하고 있음을 보여준다. 토양 내 중금속 저감을 위한 바이오차 활용 연구의 시기별 동향을 살펴보기 위해, 2009년부터 2025년까지 발표된 연구를 대상으로 VOSviewer를 이용한 키워드 동시 출현 네트워크 분석을 수행하였다(Fig. 2). 전체 기간(2009-2025년) 데이터를 분석한 결과, 키워드 간 연결이 지나치게 밀집되어 시기별 연구 경향을 구분하기 어려웠다(Fig. 2(a)). 이에 연구시기를 세 단계로 구분하여(연구 초기: 2009-2017, 중반: 2018-2021, 최근: 2022-2025) 시기별 연구 동향을 비교하였다. 연구 초기에는 ‘biochar’, ‘heavy metals’, ‘adsorption’, ‘immobilization’ 등의 키워드가 중심을 이루었으며, 키워드 간 연결성이 낮았다(Fig. 2(b)). 이는 해당 시기의 연구가 주로 바이오차의 기본적인 흡착능력에 초점을 맞추어 진행되었기 때문으로 볼 수 있다. VOSviewer 분석에서 색상으로 구분된 키워드의 연도별 분포를 기준으로 볼 때, 2016년 이후에는 ‘fast pyrolysis’, ‘pyrolysis temperature’ 같은 키워드가 등장하면서, 단순 흡착 효율 평가에서 열분해 조건 변화에 따른 흡착 연구로 발전하는 경향을 보였다. 또한, ‘zeolite’, ‘activated carbon’, ‘economic analysis’ 등의 키워드는 바이오차와 다른 흡착제 간의 성능 및 경제성 비교 연구가 병행되었음을 알 수 있다. 연구 중반기에는 키워드 간 네트워크가 점차 복잡하게 연결되기 시작하였다(Fig. 2(c)). ‘mobility’, ‘adsorption-desorption’, ‘risk-assessment’, ‘bioavailability’ 등의 키워드가 등장하면서, 토양 내 중금속의 이동성과 생물학적 이용 가능성을 평가하는 연구가 진행되었으며, ‘microbial community’, ‘lettuce’, ‘accumulation’ 등을 통해 식물 생육과 토양 생태 안정성을 평가하는 연구로 확장됨을 알 수 있다. 색상으로 구분된 키워드의 연도별 출현 시점을 볼 때, 2020년 이후에는 ‘enhanced removal’, ‘mechanism’ 키워드가 등장하여 바이오차의 흡착 효율을 향상시키고 흡착 메커니즘을 이해하는 연구가 시작됨을 알 수 있다. 최근 연구에는 키워드간 연결이 늘어나면서 네트워크 연결의 복잡성이 증가하였다(Fig. 2(d)). 중반기의 연구에 이어서 ‘mechanism’ 키워드가 중심에 위치하여 흡착 메커니즘을 규명하는 연구가 활발히 진행되었음을 알 수 있고, ‘aging’, ‘stabilization’과 같은 키워드를 통해 바이오차의 장기 안정성 및 노화 특성을 평가하는 연구가 진행되었음을 알 수 있다. 특히, 흡착 효율을 높이기 위해 기존의 ‘feedstock’과 ‘temperature’ 변화 조건을 넘어 ‘modified biochar’ 키워드가 새로 등장하였으며, ‘microplastics’, ‘competitive adsorption’ 등의 키워드를 통해 중금속과 다른 오염물질이 공존하는 환경을 고려한 연구가 시작되고 있음을 알 수 있다. 이러한 시기별 분석 결과는 바이오차 연구가 단순한 흡착 실험 단계에서 출발하여, 제조 조건 및 개질 기술 개발을 거쳐, 실제 토양의 적용 연구로 확장되고 있음을 보여준다.

바이오차 표면의 다공성 구조와 풍부한 작용기는 중금속을 흡착·고정화 할 수 있으며, 이 과정에는 주로 기공 흡착(pore filling), 이온교환(ion exchange), 표면 복합화(complexation), 전자적 상호작용(electrostatic interaction) 그리고 침전(precipitation) 등과 같은 기작이 관여한다(Fig. 3) (Pathak et al., 2024). 바이오차의 흡착 효율은 제조 원료, 열분해 온도, 표면 개질 여부 등 제조 과정의 특성에 따라 달라지는 다공성, 비표면적, 표면 전하와 같은 물리·화학적 특성에 따라 달라진다(Tomczyk et al., 2020). 본 연구에서 조사한 중금속 오염 토양에서 수행된 바이오차 기반 저감 연구를 Table 1에 요약하였다.
4.1. 제조 원료가 바이오차 흡착 효율에 미치는 영향
바이오차의 중금속 저감 성능은 제조 원료의 화학적 조성과 구조적 특성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 리그닌 함량이 높은 원료(예: 목질계)는 열분해 시 방향족 고분자 구조가 형성되며, 휘발성 물질의 손실이 적어 높은 탄소함량과 안정적인 기공구조를 가지며, 이를 통해 기공에 의한 물리적 흡착을 촉진한다(Tomczyk et al., 2020). 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 함량이 높은 원료(예: 농업 부산물, 초본류)는 열분해 후에도 산소함유 작용기(-COOH, -OH)가 풍부하여, 높은 양이온 교환 능력(cation exchange capacity, CEC)을 보이며 금속 이온들과 표면복합화 및 이온교환 반응을 통해 중금속 고정에 효과적이다(Ippolito et al., 2020; Tomczyk et al., 2020). 무기질이 풍부한 원료(예: 가축분뇨, 슬러지)는 열분해 후 회분 비율이 높고, 높은 알칼리도와 CEC를 가진다. 이러한 회분 내 탄산염·인산염 이온은 금속 이온과 반응하여 안정한 침전물(예: Pb₃(PO₄)₂, CdCO₃ 등)을 형성하여 침전을 통한 중금속 고정화에 효과적이다(Ji et al., 2022). 이러한 원료 특성에 따른 차이는 이전 연구에서도 확인된다. 목재, 왕겨, 해바라기 껍질로 제조한 바이오차를 이용하여 토양 내 Cu, Zn, Pb의 제거 효율을 비교한 결과, 원료별 목재>왕겨>해바라기 껍질 순으로 나타났다. 목재 바이오차는 높은 비표면적과 방향족 탄소 구조에 의해 물리 흡착이 지배적인 반면, SiO₂ 함량이 높은 왕겨 바이오차는 정전기적 인력 및 Si-O-기 복합화에 의해 중금속이 흡착되었다. 해바라기 껍질 바이오차는 P 및 K 함량이 높아 이온교환 및 금속-인산염 침전이 주요 기작으로 나타났다. 또한, 바이오차의 원료에 따라 중금속 처리 효율이 달라질 수 있다. 예를 들어, 부레옥잠(수생식물), 옥수수대(농작물), 포플러 가지(목질계) 바이오차를 이용하여 Pb와 Zn의 제거 효율을 비교한 결과, 부레옥잠 바이오차의 흡착량은 각각 227.65 μg/g (Pb)과 363.76 μg/g (Zn)으로 높았다. 이는 칼슘(Ca), 칼륨(K), 마그네슘(Mg) 등 교환성 양이온이 풍부하고 산소함유 작용기에 의한 이온교환 및 복합화 반응이 활발하게 일어났기 때문이다(Wang et al., 2017). 반면, 옥수수대 바이오차와 포플러 가지 바이오차의 Zn 흡착량은 각각 360 μg/g와 216.9 μg/g으로 부레옥잠 바이오차보다 낮았으며, Pb에 대한 흡착은 거의 일어나지 않았다. 이는 옥수수대 바이오차의 회분과 무기이온의 함량이 낮아 Pb와 화학적 결합 및 침전 형성이 제한되었으며, 포플러 가지 바이오차는 비표면적은 크지만 활성 작용기가 적고 알칼리도가 낮아 흡착 효율이 낮았다(Wang et al., 2017). 이와 같이 바이오차의 중금속 처리 효율은 바이오차 원료 특성에 따라 달라질 수 있다(Zhou et al., 2022). 따라서 처리하고자 하는 중금속에 최적화된 바이오차를 선택하는 것이 중요하다.
4.2. 열분해 온도가 바이오차 흡착 효율에 미치는 영향
바이오차의 중금속 흡착은 바이오차 생산에 사용한 열분해 온도에 의해서도 영향을 받는다. 저온(200-400^oC)에서 제조된 바이오차는 산소 함유 작용기(-OH, -COOH 등)가 풍부하여 중금속과 이온 교환 및 착화합물 형성을 촉진하지만, 비표면적과 기공구조가 충분히 발달되지 않아 흡착 용량이 제한적이다(Gotore et al., 2024). 중온(400-600^oC)에서 제조된 바이오차는 비표면적과 기공 구조가 발달하고, 회분 함량이 증가하여 중금속의 침전 반응을 촉진한다(Hassan et al., 2020). 예를 들어, 500^oC에서 제조된 자몽껍질 바이오차는 토양 내 교환성 Pb와 Zn를 각각 64%, 58% 감소하여 300^oC에서 제조한 바이오차보다 높은 고정화 효과를 보였다(Nguyen et al., 2024). 고온(>700^oC)에서 제조된 바이오차는 비표면적은 크지만 산소 작용기의 소실로 인해 표면의 화학적 흡착 능력이 감소할 수 있다(Gotore et al., 2024). 예를 들어, 기능기 기반 흡착이 중요한 금속(예: Cd, Zn)의 경우 고온 처리시 효율이 떨어질 수 있지만, 침전 및 구조적 포획에 의존하는 금속(예: Cr, Ni)은 안정화 효과가 유지되거나 증가할 수 있다(Gotore et al., 2024). 이처럼 열분해 온도가 낮을수록 기능기 기반 흡착이 일어나고 높을수록 구조적 흡착 및 침전이 우세하게 일어난다. 대부분의 연구에서 400-500^oC 범위가 중금속 고정화에 가장 효과적이라고 제시하고 있지만, 대상 중금속 제거에 적절한 온도를 선택하여 바이오차를 제조하는 것이 중요하다(Table 1).
4.3. 표면 개질이 바이오차 흡착 효율에 미치는 영향
최근에는 바이오차의 중금속 저감 효율을 높이기 위해 다양한 표면 개질 방법이 연구되고 있다(Table 1). 특히 철 기반 개질을 통해 자성을 부여한 바이오차에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 철로 개질한 자화 바이오차는 자성을 가질 뿐 아니라 비표면적과 작용기가 향상되면서 중금속과 강한 결합을 형성하게 되어 자화하지 않은 바이오차에 비해 흡착능이 향상된다(Xiao et al., 2023). 예를 들어, 철로 개질한 볏짚 바이오차는 오염토에서 가용성 Cd 농도를 72.6% 감소시켜 개질 전 바이오차(48.8%)보다 우수한 저감 효과를 나타냈다(Wang et al., 2021). 자화 외에도 다양한 표면 개질 방법이 연구되고 있다. 예를 들어, 티오우레아(thiourea)로 개질된 바이오차는 중금속과의 결합력을 증가시키는 효과가 있으며, 이를 통해 오염토에서 중금속 고정화율을 향상시킬 수 있다(Saleem et al., 2024). 1% 티오우레아로 개질한 수박 바이오차를 중금속 오염토양에 적용한 결과, Pb는 90.28%, Cu는 93.98% 고정화 되었다. 이는 바이오차 표면에 도입된 -SH, -NH2, -C=O 등의 황, 질소, 산소 작용기가 금속 이온과 착화 및 이온교환 반응을 일으키고 티오우레아 유래 S²- 이온이 Pb²⁺ 또는 Cu²⁺와 반응하여 불용성 황화물(PbS, CuS 등)을 형성함으로써 중금속의 이동성을 감소시킨 것에 기인한 것으로 볼 수 있다(Saleem et al., 2024). 마찬가지로 산과 알칼리로 개질한 볏짚 바이오차는 일반 볏짚 바이오차보다 비표면적과 총 기공 부피가 증가한 것으로 나타났다(Liu et al., 2021). 알칼리 개질 바이오차는 pH 증가 효과를 가져 일반 바이오차보다 Zn 고정화율이 10% 더 높았으나, 산 개질 바이오차는 pH 증가 효과가 낮아 상대적으로 Zn 고정 능력이 낮았다(Liu et al., 2021). 이와 같이 다양한 바이오차 개질 방법이 사용될 수 있고, 이에 따라 중금속 처리 효율이 달라질 수 있으므로 대상 중금속에 맞는 적절한 개질 방법을 선택하는 것이 중요하다.

환경 중 오염물질은 다양한 오염물질이 혼합된 상태로 존재한다. 이러한 환경에서 중금속은 다른 오염물질과의 상호작용을 통해 이동성, 생물학적 이용성, 독성 등이 변할 수 있다(Meng et al., 2025). 또한, 농약과 항생제 같은 유기오염물질은 바이오차의 표면 흡착 부위를 중금속과 경쟁할 수 있으며, 미세플라스틱 또한 중금속 흡착에 경쟁적으로 작용하여 중금속 제거 효율에 영향을 미칠 수 있다(Fig. 4)(Rizwan et al., 2023). 그러나 지금까지의 대부분 연구는 단일 오염물질 조건에 초점을 맞추고 있기 때문에 다양한 오염물질이 공존하는 실제 환경 조건을 충분히 반영하지 못하고 있다(Meng et al., 2025). 본 리뷰에서 검토한 결과, 최종 선별된 355편 중 중금속과 다른 오염물질(농약, 항생제, 미세플라스틱)의 공존 조건을 다룬 연구는 단 18편에 불과하다. 이는 실제 토양 환경의 복잡성을 반영한 연구가 여전히 부족함을 의미한다. 따라서 오염물질 공존 환경에서 바이오차를 효과적으로 활용하기 위한 연구가 필요하며, 기존 연구 중 중금속이 다른 오염물질과 공존하는 환경에서 바이오차를 이용한 저감 연구를 Table 2에 정리하였다.
5.1. 농약·항생제와 중금속이 공존 토양에서의 바이오차 적용 연구
농업 토양에 잔류하는 항생제와 농약은 중금속과 결합하여 다양한 문제를 발생할 수 있다(Alengebawy et al., 2021). 저농도의 중금속은 미생물의 항생제 저항성을 촉진할 수 있으며, 고농도에서는 산화 스트레스와 세포 독성으로 인해 길항효과가 나타날 수 있다(Zhou et al., 2015). 또한, 농약은 분해 미생물과 효소 활성을 억제하여 농약의 반감기를 연장하고, 이로 인해 잔류 독성이 장기간 유지될 수 있다(Olaniran et al., 2013). 더불어, 토양의 유기물 구조나 미생물 군집 조성을 변화시켜 중금속의 이동성과 생물이용성을 증가시킬 수 있다(Alengebawy et al., 2021). 이러한 환경에서 바이오차는 흡착과 침전 메커니즘을 통해 중금속을 안정화 시키는 동시에 항생제와 농약을 흡착하여 저감효과를 보인다(Meng et al., 2025). 예를 들어, 인산 개질 밀짚 바이오차는 Cd을 Cd₃(PO₄)₂ 형태로 침전시켜 안정화하고, 항생제인 옥시테트라사이클린(OTC)을 59.7% 제거하였으며, 항생제 저항 유전자(antibiotic resistance genes; ARGs)의 풍부도도 감소시켰다(Qin et al., 2024). 한편, 광촉매 기능을 부여한 개질 바이오차는 활성 라디칼(·OH, ·O₂-, H⁺)을 생성하여 항생제나 농약의 분해를 촉진할 수 있다. 예를 들어, g-C₃N₄로 개질한 볏짚 바이오차를 논 토양에 적용한 뒤 UV를 조사하여 아트라진(atrazine)과 Pb의 동시제거를 평가한 결과, 아트라진은 14일 내 완전히 분해되었으며, Pb의 이동성은 65% 감소하였다(Qie, et al., 2023). 이는 g-C₃N₄에 의해 생성된 ·OH 및 ·O₂- 라디칼이 아트라진의 트리아진(triazine) 고리를 공격하여 아트라진을 분해 및 무기화시키고, 동시에 바이오차 표면 작용기에 의한 착물 형성과 Pb(OH)₂ 및 PbCO₃ 등의 불용성 침전물 생성으로 Pb의 이동성이 감소하였기 때문이다(Qie et al., 2023). 이와 같이 바이오차는 농약이나 항생제가 중금속과 함께 오염되어 있는 환경에서도 중금속 저감을 위해 활용 가능성이 있다.
5.2. 미세플라스틱과 중금속이 공존하는 토양에서의 바이오차 적용 연구
미세플라스틱은 농업 토양 환경에서 중금속의 이동성과 생물학적 이용성을 높여 환경에 부정적인 영향을 미친다(An et al., 2023; Feng et al., 2022). 예를 들어, Cd과 폴리스티렌(polystyrene; PS)이 공존하는 토양에서 PS는 Cd이 토양 표면에 고정되지 못하게 하고, 약한 결합의 형태로 PS 표면에 붙거나 토양 용액에 잔류하도록 하여 이동성을 높였으며, 특히 입자가 작을수록(10, 20 μm) 이러한 영향이 증가하였다(Wang et al., 2024). 하지만 바이오차 적용시, Cd이 바이오차에 흡착하여 불용화되었다. 반면, 입자가 큰(30 μm) PS는 자체적으로 Cd을 흡착할 수 있는 구조를 가지고 있어, Cd 흡착을 두고 바이오차와 경쟁적으로 작용하며, Cd이 PS 표면에 먼저 결합함으로써 바이오차의 Cd 고정화를 방해할 수 있다(Wang et al., 2024). 이와 유사하게 Pb와 PS가 공존할 때 이들의 상호작용으로 인해 이동성이 증가하였으나, 바이오차가 함께 존재하는 경우 Pb와 PS 모두 이동성이 저감되었다(Chang et al., 2024). 중금속과 미세플라스틱은 식물 뿌리를 통해 흡수되어 작물의 생장과 안정성에 유해한 영향을 미칠 수 있으나, 바이오차 적용을 통해 이를 저감할 수 있다(Kumar et al., 2022). 예를 들어, 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), PS와 Cd이 함께 존재할 때 색비름(Amaranthus tricolor)의 생장이 저해되고 Cd의 축적이 증가했으나, 목재 바이오차 처리 시 Cd의 흡수 및 이동성이 감소하고 영양분 흡수가 개선되어 식물 성장이 회복되었다(Roy et al., 2024). 또한, 폴리락틱산(polylactic acid; PLA)과 Cd이 함께 오염된 토양에서 사탕수수 바이오차는 중국 배추 뿌리와 줄기의 Cd 농도를 각각 47%, 22% 감소시켰고, 커피껍질 및 유채 줄기 바이오차는 상대적으로 낮은 성능을 보였다(Zhao et al., 2025). 종합적으로 미세플라스틱은 크기나 노화 정도에 따라 중금속의 거동을 변화시켜 위해성을 높이지만, 바이오차는 흡착, 이온교환, 침전 등 여러 메커니즘을 통해 이러한 영향을 완화할 수 있으며, 미세플라스틱 공존하는 환경에서 효과적인 관리 방안이 될 수 있다.

본 리뷰에서는 2009년부터 2025년까지 발표된 바이오차 기반 중금속 저감 연구를 분석한 결과, 바이오차가 토양 내 중금속의 이동성과 생물학적 이용 가능성을 효과적으로 감소시킬 수 있는 물질임을 확인하였다. 또한 바이오차를 활용한 연구의 수가 증가함과 동시에 연구 주제도 점차 다양화되고 있음을 확인하였다. 초기 연구는 주로 바이오차의 기본적인 흡착 특성 및 제거 효율 평가에 집중되었으나, 최근에는 제조 원료, 열분해 온도, 표면 개질 방법에 따른 성능 향상 연구와 더불어, 농약, 항생제, 미세플라스틱 등 중금속 외 다른 오염물질들이 공존하는 환경에서의 적용 연구가 등장하였다. 이러한 경향은 VOSviewer 기반 키워드 네트워크 분석 결과에서도 확인되었으며, 바이오차의 연구가 단순한 흡착제에서 복합 정화소재로 발전하고 있음을 시사한다. 그러나 다양한 오염물질이 공존하는 환경에서의 바이오차 적용 연구는 여전히 부족하며, 대부분 단기간의 제한된 조건에 수행되어 실제 적용에는 한계가 있다. 따라서 바이오차의 지속적인 오염물질 저감 기술로의 발전을 위해서는 다음과 같은 연구들이 필요하다. 첫째, 다양한 오염물질이 존재하는 환경에서 바이오차의 작용 메커니즘을 규명하는 것이 필요하다. 예를 들어, 오염물질간 경쟁적 흡착과 상호 보완적 작용을 구분하고, 이를 기반으로 최적화된 맞춤형 바이오차 개발이 필요하다. 둘째, 표면 개질을 넘어 미생물 및 식물과의 상호작용을 고려한 통합 연구가 필요하다. 실제 환경에서는 토양 미생물과 식물 뿌리의 생리적 반응이 중금속의 형태 및 이동성에 영향을 미치므로, 바이오차와 생물학적 요소를 병행하는 복합 연구가 필요하다. 셋째, 장기적 안정성과 현장 적용성을 검증하는 연구가 필수적이다. 바이오차는 오랜 기간 토양에 잔류하여 표면 산화나 풍화 등 물리·화학적 변화가 일어날 수 있기 때문에 장기적 성능 평가가 필요하며, 더불어 효율성에 대한 경제성 분석도 필요하다. 종합적으로 바이오차는 중금속 저감 뿐만 아니라 다양한 오염 물질이 존재하는 환경에서도 적용 가능한 친환경적인 토양 복원 기술로 발전할 가능성을 지닌다. 그러나 토양환경에 지속적인 적용을 위해서는 많은 후속 연구가 뒷받침 되어야 하며, 이를 통해 바이오차는 농업 환경의 중금속 오염을 완화하고 지속 가능한 농업을 위한 핵심 기술이 될 것이다.

이 논문은 전남대학교 학술연구비(과제번호: 2024-1102-01) 지원에 의하여 연구되었습니다. 또한, 본 연구는 한국연구재단(NRF-2021R1A2C4001746, RS-2025-16064561)의 지원으로 수행되었습니다.