광산 활동에 의해 발생된 광물 찌꺼기(광미, 폐석, 광산배수 등)는 무방비로 유기되어 주변 토양, 지하수 등을 오염시키는 심각한 중금속 오염원으로 작용하여 인간을 비롯한 생태계에 치명적인 피해를 미치고 있다. 이에 중금속으로 오염된 광산 지역 주변 토양에 대해 바이오필름(biofilm)형성을 통한 중금속 흡착 및 미생물학적 산화환원전위(redox potential) 변화에 의한 중금속 침전 기술을 이용하여 중금속의 미생물학적 원위치 고정화(in-situ ...
광산 활동에 의해 발생된 광물 찌꺼기(광미, 폐석, 광산배수 등)는 무방비로 유기되어 주변 토양, 지하수 등을 오염시키는 심각한 중금속 오염원으로 작용하여 인간을 비롯한 생태계에 치명적인 피해를 미치고 있다. 이에 중금속으로 오염된 광산 지역 주변 토양에 대해 바이오필름(biofilm)형성을 통한 중금속 흡착 및 미생물학적 산화환원전위(redox potential) 변화에 의한 중금속 침전 기술을 이용하여 중금속의 미생물학적 원위치 고정화(in-situ stabilization) 가능성을 확인하고 이를 실제 오염토양 현장에 적용하여 결과를 확인하였다. 연구지역의 토양 pH는 5.86으로 나타났고 LOI는 4.7%로 확인되었다. CEC는 10.3 meq/100 g 이었고 입도분석 결과 토양은 양질사토에 해당하였다. 총 2회에 걸쳐 채취한 토양을 왕수분석을 통해 중금속의 평균 함량을 확인한 결과 As 50 mg/kg, Cd 3.7 mg/kg으로 확인 되었고 토양오염공정시험법에 의한 중금속의 평균함량은 As 21 mg/kg, Cd 2.1 mg/kg으로 나타났다. 토양에 인위적으로 바이오필름을 형성시키기 위해 TSB, LB, yeast extract의 농도를 달리하여 바이오필름의 형성량을 확인해 본 결과, LB 50% > TSB 100% > TSB 10% > TSB 50% > LB 100% ≥ LB 10% > yeast extract 순으로 확인되었다. 바이오필름을 인위적으로 형성시킨 토양에 중금속 혼합액(Cu 45, Zn 55, Ni 60, Cr 55, Cd 55, As 30; 단위는 모두 mg/L)을 주입한 후 제거율을 확인한 결과 As와 Cr을 제외한 나머지 중금속들이 12시간 만에 약 90% 이상 제거되는 것을 확인하였다. 이는 미생물 표면이 carboxyl, phosphoryl, hydroxyl 등 반응기에 의해 음전하를 띠어 양전하를 띤 용존 비(卑)금속들과 정전기적으로 결합하기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 As와 Cr은 용존상태에서 산화음이온으로 존재하므로 음전하를 띠는 미생물 표면과 정전기적 척력이 발생하여 바이오필름에 흡착이 되지 않은 것으로 여겨진다. 미생물학적 산화환원 전위변화에 따른 중금속 침전을 유도한 실험에서는 반응초기 6.0으로 조정한 pH가 반응종료 후, lactate가 주입된 경우 비교시료와 미생물 시료 모두 pH 8까지 증가하였고 glucose가 주입된 경우는 비교시료에서 pH가 5.5인 반면 미생물을 접종한 시료에서는 7.3으로 나타났다. 용출 중금속의 변화를 살펴본 결과 lactate가 주입된 미생물 시료에서 20일이 경과하며 용출된 Fe가 감소하는 것 외에는 비교시료와 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 황산염이 투입된 후, 미생물이 접종된 시료에서 Cr이 0.4 ㎍/L까지 감소하여 비교시료와 차이를 나타냈다. Glucose가 주입된 미생물 시료에서는 반응 후 20일이 경과하면서 Fe, Zn, Ni, Pb의 용출량에서 비교시료와 차이를 보였다. 실험 진행 후 60일이 경과하였을 때 황산염을 투입하자 Fe를 제외한 나머지 금속들은 반응 초기 나타났던 용출량의 차이가 점차 감소하였다. 특히 황산염이 투입된 이후 미생물을 주입한 시료에서 용출되었던 Cr의 양이 감소하였고, 비교시료에서는 용출되었던 As가 감소하였다. 또한 검은색 침전물이 생성되었는데 이는 silicon sulfide (SiS₂)와 violirite (FeNi₂S₄)로 확인되었다. 상기 배치실험을 컬럼실험에 적용한 결과 LB 50 %를 주입한 컬럼에서는 배치실험에서와는 달리 비교컬럼에 비해 더 많은 중금속을 용출 시키는 결과를 보였다. 또한 산화환원전위변화에 의한 중금속 침전 컬럼에서는 토착미생물을 활성화 시켜준 컬럼에서 황산염 주입이후 컬럼 내부에 검은색 침전물이 생성 되었고 이러한 침전물을 확인한 결과 arsenopyrite (FeA_(s)S)가 확인되었다. 최초 시료를 채취한 산양광산 주변 논에 6개의 셀을 만들어 미생물에 의한 중금속 고정화기술을 현장에 적용하였다. 현장에 설치한 계측기를 통해 측정된 토양수분, 온도, 전기전도도의 값은 각 셀마다 특이점을 찾기 어려웠다. 하지만 각 심도별로 토양을 채취하여 생물량을 확인한 결과 탄소원을 주입한 셀에서 훨씬 높은 생물량을 보였고, 토양오염공정시험을 통해 중금속의 용출 여부를 확인해 본 결과 비교 셀에 비하여 탄소원을 주입하여 토착 미생물을 활성화시킨 셀에서 As 함량이 더 낮게 나타났다. 특히 왕수분석을 통한 전함량은 미생물 셀과 비교 셀간에 큰 차이를 보이지 않아 탄소원을 주입하여 미생물을 활성화시킨 셀에서 중금속의 고정화가 일어난 것으로 판단되었다. 이상의 결과로 보아 인위적으로 탄소원을 주입하여 토착박테리아를 활성화 함으로써 토양내 중금속의 원위치 고정화가 가능할 것으로 판단된다.
광산 활동에 의해 발생된 광물 찌꺼기(광미, 폐석, 광산배수 등)는 무방비로 유기되어 주변 토양, 지하수 등을 오염시키는 심각한 중금속 오염원으로 작용하여 인간을 비롯한 생태계에 치명적인 피해를 미치고 있다. 이에 중금속으로 오염된 광산 지역 주변 토양에 대해 바이오필름(biofilm)형성을 통한 중금속 흡착 및 미생물학적 산화환원전위(redox potential) 변화에 의한 중금속 침전 기술을 이용하여 중금속의 미생물학적 원위치 고정화(in-situ stabilization) 가능성을 확인하고 이를 실제 오염토양 현장에 적용하여 결과를 확인하였다. 연구지역의 토양 pH는 5.86으로 나타났고 LOI는 4.7%로 확인되었다. CEC는 10.3 meq/100 g 이었고 입도분석 결과 토양은 양질사토에 해당하였다. 총 2회에 걸쳐 채취한 토양을 왕수분석을 통해 중금속의 평균 함량을 확인한 결과 As 50 mg/kg, Cd 3.7 mg/kg으로 확인 되었고 토양오염공정시험법에 의한 중금속의 평균함량은 As 21 mg/kg, Cd 2.1 mg/kg으로 나타났다. 토양에 인위적으로 바이오필름을 형성시키기 위해 TSB, LB, yeast extract의 농도를 달리하여 바이오필름의 형성량을 확인해 본 결과, LB 50% > TSB 100% > TSB 10% > TSB 50% > LB 100% ≥ LB 10% > yeast extract 순으로 확인되었다. 바이오필름을 인위적으로 형성시킨 토양에 중금속 혼합액(Cu 45, Zn 55, Ni 60, Cr 55, Cd 55, As 30; 단위는 모두 mg/L)을 주입한 후 제거율을 확인한 결과 As와 Cr을 제외한 나머지 중금속들이 12시간 만에 약 90% 이상 제거되는 것을 확인하였다. 이는 미생물 표면이 carboxyl, phosphoryl, hydroxyl 등 반응기에 의해 음전하를 띠어 양전하를 띤 용존 비(卑)금속들과 정전기적으로 결합하기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 As와 Cr은 용존상태에서 산화음이온으로 존재하므로 음전하를 띠는 미생물 표면과 정전기적 척력이 발생하여 바이오필름에 흡착이 되지 않은 것으로 여겨진다. 미생물학적 산화환원 전위변화에 따른 중금속 침전을 유도한 실험에서는 반응초기 6.0으로 조정한 pH가 반응종료 후, lactate가 주입된 경우 비교시료와 미생물 시료 모두 pH 8까지 증가하였고 glucose가 주입된 경우는 비교시료에서 pH가 5.5인 반면 미생물을 접종한 시료에서는 7.3으로 나타났다. 용출 중금속의 변화를 살펴본 결과 lactate가 주입된 미생물 시료에서 20일이 경과하며 용출된 Fe가 감소하는 것 외에는 비교시료와 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 황산염이 투입된 후, 미생물이 접종된 시료에서 Cr이 0.4 ㎍/L까지 감소하여 비교시료와 차이를 나타냈다. Glucose가 주입된 미생물 시료에서는 반응 후 20일이 경과하면서 Fe, Zn, Ni, Pb의 용출량에서 비교시료와 차이를 보였다. 실험 진행 후 60일이 경과하였을 때 황산염을 투입하자 Fe를 제외한 나머지 금속들은 반응 초기 나타났던 용출량의 차이가 점차 감소하였다. 특히 황산염이 투입된 이후 미생물을 주입한 시료에서 용출되었던 Cr의 양이 감소하였고, 비교시료에서는 용출되었던 As가 감소하였다. 또한 검은색 침전물이 생성되었는데 이는 silicon sulfide (SiS₂)와 violirite (FeNi₂S₄)로 확인되었다. 상기 배치실험을 컬럼실험에 적용한 결과 LB 50 %를 주입한 컬럼에서는 배치실험에서와는 달리 비교컬럼에 비해 더 많은 중금속을 용출 시키는 결과를 보였다. 또한 산화환원전위변화에 의한 중금속 침전 컬럼에서는 토착미생물을 활성화 시켜준 컬럼에서 황산염 주입이후 컬럼 내부에 검은색 침전물이 생성 되었고 이러한 침전물을 확인한 결과 arsenopyrite (FeA_(s)S)가 확인되었다. 최초 시료를 채취한 산양광산 주변 논에 6개의 셀을 만들어 미생물에 의한 중금속 고정화기술을 현장에 적용하였다. 현장에 설치한 계측기를 통해 측정된 토양수분, 온도, 전기전도도의 값은 각 셀마다 특이점을 찾기 어려웠다. 하지만 각 심도별로 토양을 채취하여 생물량을 확인한 결과 탄소원을 주입한 셀에서 훨씬 높은 생물량을 보였고, 토양오염공정시험을 통해 중금속의 용출 여부를 확인해 본 결과 비교 셀에 비하여 탄소원을 주입하여 토착 미생물을 활성화시킨 셀에서 As 함량이 더 낮게 나타났다. 특히 왕수분석을 통한 전함량은 미생물 셀과 비교 셀간에 큰 차이를 보이지 않아 탄소원을 주입하여 미생물을 활성화시킨 셀에서 중금속의 고정화가 일어난 것으로 판단되었다. 이상의 결과로 보아 인위적으로 탄소원을 주입하여 토착박테리아를 활성화 함으로써 토양내 중금속의 원위치 고정화가 가능할 것으로 판단된다.
Mining activities have increased the discharge of tailings, rock wastes, and mine drainage, which still contain high level of heavy metals and arsenic. The mining wastes dumped without proper protection can serve as a potential source of heavy metals pollution to nearby ecosystems. The objective of ...
Mining activities have increased the discharge of tailings, rock wastes, and mine drainage, which still contain high level of heavy metals and arsenic. The mining wastes dumped without proper protection can serve as a potential source of heavy metals pollution to nearby ecosystems. The objective of this study was to investigate the effects of bacterial biofilms, which were artificially developed onto soil surfaces, on mobility of heavy metals and As. Batch experiments on artificial development of indigenous bacterial biofilm and adsorption of heavy metals and arsenic on the biofilm were performed with the soil samples in the vicinity of an abandoned Au mine. Diluted and concentrated TSB and LB mediums, yeast extract and sterile distilled water were employed for the biofilm formation onto soil particles. As a result, 50%-diluted LB medium appeared to result in proper development of biofilm for the soil. Biosorption experiments were conducted with the biofilm developed on soil particles with 50%-diluted and concentrated LB medium using mixture of Cu (45 mg/L), Zn (55 mg/L), Ni (60 mg/L), Cr (55 mg/L), Cd (55 mg/L), and As (30 mg/L). Although As and Cr were not adsorbed onto the biofilm formed on soils, biofilm led to 90 % removal of the other aqueous heavy metals during 12 hours. Electrostatic complexation between As and Cr and negatively-charged cell wall and EPS seemed not to occur because As and Cr in aqueous state form oxyanions under circumneutral pH conditions. The results indicated that biofilm developed onto soil particles may in-situ stabilize dissolved heavy metals except for As and Cr. Also the experiments on microbial reductive precipitation of heavy metals were performed in batch and column scale with lactate and glucose as a carbon source under anaerobic condition for 100 days. Sulfate was injected at 61days after onset of the experiments. Indigenous bacteria effectively reduced the amounts of aqueous heavy metals except As with both glucose and lactate. The results of lab scale experiments were applied to the field site. As a result, heavy metals and arsenic were more stabilized in the field soil injected with carbon sources for stimulating indigenous bacteria than in abiotic soil.
Mining activities have increased the discharge of tailings, rock wastes, and mine drainage, which still contain high level of heavy metals and arsenic. The mining wastes dumped without proper protection can serve as a potential source of heavy metals pollution to nearby ecosystems. The objective of this study was to investigate the effects of bacterial biofilms, which were artificially developed onto soil surfaces, on mobility of heavy metals and As. Batch experiments on artificial development of indigenous bacterial biofilm and adsorption of heavy metals and arsenic on the biofilm were performed with the soil samples in the vicinity of an abandoned Au mine. Diluted and concentrated TSB and LB mediums, yeast extract and sterile distilled water were employed for the biofilm formation onto soil particles. As a result, 50%-diluted LB medium appeared to result in proper development of biofilm for the soil. Biosorption experiments were conducted with the biofilm developed on soil particles with 50%-diluted and concentrated LB medium using mixture of Cu (45 mg/L), Zn (55 mg/L), Ni (60 mg/L), Cr (55 mg/L), Cd (55 mg/L), and As (30 mg/L). Although As and Cr were not adsorbed onto the biofilm formed on soils, biofilm led to 90 % removal of the other aqueous heavy metals during 12 hours. Electrostatic complexation between As and Cr and negatively-charged cell wall and EPS seemed not to occur because As and Cr in aqueous state form oxyanions under circumneutral pH conditions. The results indicated that biofilm developed onto soil particles may in-situ stabilize dissolved heavy metals except for As and Cr. Also the experiments on microbial reductive precipitation of heavy metals were performed in batch and column scale with lactate and glucose as a carbon source under anaerobic condition for 100 days. Sulfate was injected at 61days after onset of the experiments. Indigenous bacteria effectively reduced the amounts of aqueous heavy metals except As with both glucose and lactate. The results of lab scale experiments were applied to the field site. As a result, heavy metals and arsenic were more stabilized in the field soil injected with carbon sources for stimulating indigenous bacteria than in abiotic soil.
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