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문제 정의
- 계면활성제는 PAHs의 용해도를 향상 시키므로1,2)PAHs로 오염된 토양의 정화에 이용 가능성이 크다고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 계면활성제가 미생물에 미치는 독성을 평가하고 PAHs의 생분해 등에 미치는 영향에 대해 조사하여 유류 등의 유기화합물에 오염된 토양 정화에 있어서 계면활성제의 활용방안을 모색하였다 .
제안 방법
- MLSS. MLVSS 등을 측정하였고 모든 실험은 MCR이 steady-state상태에 있 을 때 실시하였다.
- 점토질 토양에서 추출 효율이 낮온 것 온 점토의 유기물 함량 때문인 것으로 사료된다. Solid phase와 liquid phase의 phenanthrene 외에 슬러리 반 웅기에서 phenanthrene의 생분해반옹을 위해 DO(DO meter, YSU model), pH(pH meter, Fisher Scientific), TOC (TOC analyzer, Rosemount Inc.) 등을 분석하였다. 모든 실험은 둑번 이 상 반복 실험하였다.
- 계면활성제의 독성 실험과 수용액상에서의 분해 실험을 통해서 가장 높은 효율을 보였던 Brij 30을 사용하여 토양 슬러리 상에서 phenanthrene의 분해 실험을 하였다. Fig.
- 계면활성제의 생분해와 독성 실험 온 respiro- meter(Challenge Environment Sys., Aer-200,USA)을 이용해 산소 섭취량을 측정함으로써 행해졌다. 여러 범위의 각계면활성제의 농도(0.
- 2 pm 멤브레인 필터를 사용해서 고액 분리하였고 점토의 경우 centrifuge 후에 필터로 분리하였다. 그 다음 액상 중 phenanthrene을 HPLC를 사용하여 농도를 분석하였다. 토양에 흅착된 PAHs의 추출에는 sonication 방법인 EPA Method # 3550A을 사용하였다.
- 모든 생분해 실험은 master culture reactor (MCR)에서 phenanthrene에 순화된 mixed cul- ture를 사용하였다. Culture는 약 6개월 동안 순화시켰으며 MCRe 부피 10L.
- 미생물에 독성효과가 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 비록 비이온계 계면활성제가 이온성계면활 성제보다는 독성을 덜 가진다고 알려져 있지만 고농도에서의 독성효과를 알아보기 위해서 respiro- meter를 이용하여 실험하였다. Fig.
- , Aer-200,USA)을 이용해 산소 섭취량을 측정함으로써 행해졌다. 여러 범위의 각계면활성제의 농도(0.25. 0.5, 1, 1.5 g/L) 를 nutrient/mineral/buffer(NMB) 용액과 함께 200 mL serum bottle안에 넣은 다음 master culture를 시종하였다. 반옹 중에 발생하는 이산화탄소는 serum bottle 위 부분에 있는 50% KOH용액에 의해 흡수되도록 하였다.
- 2 pm filter paper 를 사용하여 용해되지 않은 PAHs를 제거한 다음, 즉시 NMB용액과 순화된 culture를 넣어 휘발로 인한 PAHs의 손실을 막았다. 일정한 시간에 따라 sampling 하였고 각 samplee 다시 Altering한 다음 HPLC를 이용하여 남아 있는 PAHs의 농도롤 측정하였다. Naphthalene과 phenanthrene 분석을 위해사용한 HPLC는 C18 NovaPak 컬럼을 사용했으며 용리액으로 acetonitrile과 초순수를 75:25로 섞어 사용하였다.
대상 데이터
- 사용한 PAH, 계면활성제 분자식과 분자량은 Table 1에 나타내었다. Aceto- nitrilee HPLC-grade 시약을 사용하였으며 모든 시약 제조를 위해 초순 수 (ultrapure system, Barnsterd, USA)를 사용하였다.
- Phenanthrene, naphthalene과 비이온계 계면 활성제인 Brij 30은 Aldrich의 시약을 사용하였고, Tween 80과 Triton XT 00은 Sigma 사에서 reagent-grade 시약을 사용하였다. 본 연구에서 사용한 모래와 점토는 유기물을 각각 0.
- Naphthalene과 phenanthrene 분석을 위해사용한 HPLC는 C18 NovaPak 컬럼을 사용했으며 용리액으로 acetonitrile과 초순수를 75:25로 섞어 사용하였다. 측정흡광도는 naphthalene의 경우 274 nm에서, phenanthrene의 경우는 254 nm를 사용하였다.
이론/모형
- 그 다음 액상 중 phenanthrene을 HPLC를 사용하여 농도를 분석하였다. 토양에 흅착된 PAHs의 추출에는 sonication 방법인 EPA Method # 3550A을 사용하였다.3) 추출 효을 온 모래의 경우 79(±2.
성능/효과
- 1) 본 실험에 사용한 세 가지 계면활성제 중에서 Brij 30이 PAH에 순화된 미생물에 의한 respirometer 실험에서 가장 높은 산소소비 속 도를 보였고 lag phase가 거의 없었기 때문에 가장 생분해가 잘 되는 것으로 나타났다. 이에 반해 Triton X-100의 경우 낮은 산소소비 속 도와 긴 lag phase로 미생물에 inhibition 효과를 가지는 것으로 나타났는데 이는 Triton XT00의 높은 분자량과 benzene ring-fr 가지는 구조 때문인 것으로 사료된다.
- 같은 양의 phenanthrene을 모래와 점토질 토양에 흡착시켰지만 점토 슬러리의 초기 TOC가 모래슬러리에 비해 상대적으로 낮게 나타난 것은 점토질 토양의 유기물 함유량이 많아 용해된 계면활성제를 흡착했기 때문이다. 14일 이후에 반응기는 미생물과 토양을 침전시켰을 때 완전 투명해짐을 관찰할 수 있었는데 Brij 30의 용액이 혼탁한 횐 색 상태를 나타내는 것과 비교해보면 Brij 30이완전 분해됨을 알 수 있었다. pH외 경우 반옹동안 감소했다가 대부분의 유기물이 분해뵈었을 때 다시 처음 pH로 회복되었다.
- 2) 수용액상에서 각각의 계면활성제 농도에 녹을 수 있는 최대의 naphthalene3} phenan- threne의 모든 양이 각각 60 hrs. 80 hrs 안에 모두 분해되었다.
- 토양에 흅착된 PAHs의 추출에는 sonication 방법인 EPA Method # 3550A을 사용하였다.3) 추출 효을 온 모래의 경우 79(±2.9)% 정도의 효율을 보였으며 점토의 경우 약 50(±3.5)% 정도의 효율 을 보였다. 점토질 토양에서 추출 효율이 낮온 것 온 점토의 유기물 함량 때문인 것으로 사료된다.
- 3) 토양에 흡착된 phenanthrene을 처리하는 슬러리 실험에서 모래슬러리의 경우 미생물에 의한 분해 속도가 전체 반옹 속도를 지배하고, 점토 슬러리의 경우 토양으로부터 phenanth- rene의 탈착 이 전체 반응 속도를 지배하는 것으로 나타났다. TOC 분석 결과 PAH에 순화된 미생물은 phenanthrene 뿐만 아니라 계면활성제인 Brij 30까지 완전분해하는 것으로 나타났다.
- 3) 토양에 흡착된 phenanthrene을 처리하는 슬러리 실험에서 모래슬러리의 경우 미생물에 의한 분해 속도가 전체 반옹 속도를 지배하고, 점토 슬러리의 경우 토양으로부터 phenanth- rene의 탈착 이 전체 반응 속도를 지배하는 것으로 나타났다. TOC 분석 결과 PAH에 순화된 미생물은 phenanthrene 뿐만 아니라 계면활성제인 Brij 30까지 완전분해하는 것으로 나타났다. 또한 pH와 반응기의 색을 통해서 phenanthrene°l 산의 작용기를 가지는 중간산물로 형성되었다가 분해되는 것을 알 수 있었다.
- 세 가지 계면활성제 중에서 Brij 30이 미생물에 의해 가장 높은 산소섭취 속 도를 보였고 분해가 어려운 탄소원에서 적응하는 데 걸리는 lag phase도 보이지 않았다. 따라서, 본 실험에서 사용한 세 가지 비이온계 계면활성제 중에서 Brij 30°1 가장 생분해가 잘 되고 독성효과도 전혀 보이지 않았다. Tween 80의 경우, 상당한 산소 소비 량을 보이고 그 경향도 Brij 30과 비 숫하지만 섭취 속도는 Brij 30에 비해 약간 낮게 나타났다.
- TOC 분석 결과 PAH에 순화된 미생물은 phenanthrene 뿐만 아니라 계면활성제인 Brij 30까지 완전분해하는 것으로 나타났다. 또한 pH와 반응기의 색을 통해서 phenanthrene°l 산의 작용기를 가지는 중간산물로 형성되었다가 분해되는 것을 알 수 있었다.
- 6은 반응 중의 TOC 변화를 나타낸 것으로 탄소원으로 phenanthrene, Brij 30뿐만 아니라 각각의 중간 생성물도 포함된 것이다. 모래와 점토 슬러리 모두 비슷한 TOC 변화를 보였는데 처음 60 hrs 동안은 증가하다가 그 이후 급격히 감소하는 경향을 보였다. 처음에 TOC가 증가한 것은 UV pro- moted-KaSzCte을 산화제로 사용하는 TOC analyzer 가 구조적으로 매우 안정한 phenanthrene을 산화시키지 못했다가 미생물에 의해 중간 생성물로 변화됨에 따라 측정할 수 있게 되었기 때문이다.
- 사용한 세 가지 계면활성제 중에서 Brij 30이 이전 실험 결과에서는 가장 높은 용해도 효율과 토양에 흡착된 PAH의 탈착효을을 보였고 본 실험에서 가장 높온 생분해 효과를 보였기 때문에 slurry 상에서 토양에 흅착된 PAH를 처리하기에 가장 적합하다고 할 수 있다. 이러한 계면활성제를 이용한 토 양 슬러리 반옹은 지금까지의 실험 결과를 통해서 고농도 PAH로 오염된 토양을 ex-situ 처리에 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다.
- Triton X-100을 유일한 탄소원으로 했을 때 PAH에 순화된 미생물에 의해서 소비되는 산소의 양을 나타낸 것이다. 세 가지 계면활성제 중에서 Brij 30이 미생물에 의해 가장 높은 산소섭취 속 도를 보였고 분해가 어려운 탄소원에서 적응하는 데 걸리는 lag phase도 보이지 않았다. 따라서, 본 실험에서 사용한 세 가지 비이온계 계면활성제 중에서 Brij 30°1 가장 생분해가 잘 되고 독성효과도 전혀 보이지 않았다.
- 미생물에 의한 분해저해효과는 Triton XT00의 benzene ring을 포함하는 구조와 높은 분자량 때문인 것으로 사료된다. 이전 연구에서는 9.7의 낮은 HLB(Hydrophile-Lipopile Bal- ance)'값를 갖는 Brij 30의 경우 PAHs의 용해도에서 가장 높은 효율을 보였고 l;10(w/v)의 토양과 물의 슬러리 상태에서 phenanthrene을 흡착한 고체 상으로부터 수용액상으로의 탈착 실험에서 도 가장 높은 효율을 보였기 때문에 본 연구에서 사용한 세 가지 비이온계 계면활성제 중에서 Brij 30이 slurry 상에서 토양에 흡착된 PAH를 처리하기에 가장 적합한 것으로 사료되었다.
- 2~4에 나타내었다. 휘발이나 abiotic 분해에 의한 PAH의 손실을 측정하기 위하여 control 실험도 병행했는데 phe- nanthrene의 경우 비생물적 손실이 거의 없는데 반해 naphthalene의 경우 휘발로 인한 손실이 상당한 것으로 나타났다. 따라서, naphthalene과 같은 휘발성이 강한 PAH룔 처리할 경우 휘발되는 부분에 대한 처리도 필요한 것으로 사료된다.
후속연구
- 80 hrs 안에 모두 분해되었다. Control 실험에서 naph- thalene의 경우 상당한 양의 휘발이 측정되었는데 따라서 실제 처리의 경우 휘발되는 부분에 대한 처리도 병행되어야 할 것으로 사료된다. Brij 30에서 PAH의 가장 높은 분해 효율 을 보였고 Triton XT00의 경우 respirometer 실험의 lag phase와 비숫한 시간 동안 낮은 분해 효율을 보였다.
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