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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 토양 및 수계에 흔히 존재하는 호기성 박테리아인 Pseudomonas aeruginosa를 이용하여 산성 및 중성 pH 조건에서 과연 비소가 박테리아 표면에 흡착되는지, 또한 EPS의 존재가 비소의 흡착 및 전기화학적 변화에 영향을 미칠 수 있는지를 파악하고자 하였다.
- , 1997) 등을 포함한다. 이러한 연구들은 박테리아가 성장에 필요한 에너지를 얻기 위하여 (dissimilation) 또는 비소의 독성을 해독하기 위하여 (detoxification) 효소가 관여된 대사작용을 수행할 때 수반되는 비소의 산화상태 변환에 초점을 둔 것이다. 국내의 경우, 고농도의 비소가 함유된 폐광산 또는 흑색 셰일 주변 지역의 광미, 토양, 퇴적물 내에 존재하는 토착 박테리아의 활동이 비소의 산화 및 환원 거동에 미치는 영향을 파악하려는 일련의 연구가 수행된 바 있다(이지민 등, 2005; Lee et al.
제안 방법
- 3을 유지 하였다. As(V) 용액 투입 실험은 총 96시간에 걸쳐 수행하였으며 각각 0.5, 6, 12, 48, 72, 96시간 경과 후 용액을 채취하였다. As(m)용액 투입 실험은 총 108시간에 걸쳐 수행하였으며 약 12시간 주기로 용액(3mL)을 채취하였다.
- 8 g/L(젖은 상태)씩 투입하였다. pH에 따른 흡착 정도의 차이를 보기 위하여 용액을 각각 pH 4와 7로 조절한 후 교반, 반응시켰다. 동일한 pH를 유지하기 위하여 주기적으로 pH를 측정, 차이가 발생할 경우 0.
- 1 M NaCl04에 용해하였다. 각 비소용액 250 mL에 위의 방법으로 표면 세척한 박테리아와 세척과정을 거치지 않은 박테리 아를 10.4 g/L(젖은 상태>씩 투입하였다. 이때 세척하 지 않은 박테리아에는 EPS가 다량 존재하는 것이 육안으로 확인되었다.
- 이를 위하여 세척과정을 거치지 않은 R aeeginosa어) 5 mg As(V)와 As(HI)을 가하여 동일한 흡착실험을 수행하였다. 반응은 pH 7 조건 하에서 약 100시간에 걸쳐 수행하였으며 10.4g/L(젖은 상태)의 박테리아를 투입하였다.
- 반응은 총 84간에 걸쳐 수행하였으며, 반응 후 6시간 까지는 매 1시간 간격, 12시간 후부터는 매 12 시간 간격으로 용액(3mL)을 채취하였다. 채취된 시료는 0.
- )에 접종한 후 37℃, 16시간, 200 rpm조건으로 배양시킨 후 이를 다시 2L의 TSB에 접종하여 동일 조건하에서 정지 (stationary) 성장단계(36시간 경과}까지 대량 배양하였다. 배양된 박테리아는 고속원심분리기(xl0000 RCE 60분; VS-21SM1; Vision,Korea)를 사용하여 분리, 회수하였다. 표면세척을 위하여 회수된 박테리아는 0.
- 05를 유지하였다. 실험은 총 40시간에 걸쳐서 수행하였으며, 각각 0.5, 1, 6, 12, 24, 40시간 경과 후 용액을 3mL 채취하여 위에 기술한 방법으로 총 비소 함량을 측정하였다.
- 1 M NaClQ에 용해하여 제조하였다. 이때 표면 세척된 박테리아를 각 비소 용액 250 mL에 각각 8.4g/L (젖은 상태)씩 투입하였다. pH를 7로 조절한 후 주기적으로 pH를 측정, 차이가 발생할 경우 조정하였으며 실험 기간 내내 원하는 pH±0.
- 이는 박테리아 표면과 용존 비소가 모두 음전하를 띠거나 또는 전하를 띠지 않음으로 해서 다른 용존 중금속과 같은 정전기적 인력(attraction)이 작용하지 않기 때문이다. 이를 실험적으로 확인해보기 위하여 지질 매체에서 흔하게 발견되는 호기성 박테리아인 P 에 대하여 pH와 표면 세척에 따른 As(V) 및 As(IU)의 흡착실험을 수행하였다.
- 따라서 현실적으로 자연 상태에서 발생하는 박테리아의 영향을 규명하려면 바이오 필름 상태의 박테리아가 비소의 지구화학적 과정에 미치는 효과를 조사하는 것이 필수적이라고 할 수 있다. 이를 위하여 세척과정을 거치지 않은 R aeeginosa어) 5 mg As(V)와 As(HI)을 가하여 동일한 흡착실험을 수행하였다. 반응은 pH 7 조건 하에서 약 100시간에 걸쳐 수행하였으며 10.
- 이온교환카트리지(anion exchange cartridge; LC- SAX, Supelco, USA) 통과시킴으로서 용액 중의 As(Ⅲ)만 분리한 후 정량하였으며, As(V) 함량은 총 비소 함량과 As(in)함량 간의 차이로 계산하였다. 한편 채취한 시료의 경우, 용액뿐만 아니라 교반에 의해 균일한 농도로 부유하고 있는 박테리아도 채취하였으므로 전체 용액의 감량에 따른 비소함량 보정은 수행 하지 않았다.
- 자연 상태의 지하수에서 발생 가능한 비소오염을 현실적으로 모사하기 위하여 용존 As(V) 및 As(m)함량을 각각 100 ㎍/L 저농도로 제조한 후 위와 동일한 조건에서 총 40시간에 걸쳐 흡착실험을 수행하였다. 이때 3.
- 자연적인 지하수 시료에서 발생할 수 있는 비소 오염 농도를 100㎍/L로 설정하여, As(V)와 As(m)용액을 각각 제조, 위의 것과 동일한 방법으로 흡착 및 산화상태 변화 여부를 파악하는 실험을 수행하였다. As(Ⅲ)용액은 NaAsO2 (Aldrich, USA)를 0.
- 1 절의 결과에서 보듯이 pH 별로 흡착량의 차이를 보이지 않았으므로 pH는 모두 7S. 조절하였으며, 박테리아는 표면 세척한 후 8.4g/L(젖은 상태)을 투입하였다.
- 반응은 총 84간에 걸쳐 수행하였으며, 반응 후 6시간 까지는 매 1시간 간격, 12시간 후부터는 매 12 시간 간격으로 용액(3mL)을 채취하였다. 채취된 시료는 0.2 ㎛ 필터를 통과시켜 박테리아와 용액을 완전분리한 후 용존 비소의 총 함량을 측정하였다. 또한 음
- As(m)용액 투입 실험은 총 108시간에 걸쳐 수행하였으며 약 12시간 주기로 용액(3mL)을 채취하였다. 채취한 용액에 대하여 위에 기술한 방법으로 총 용존 비소함량과 As(m)함량을 측정하였다.
대상 데이터
- 자연적인 지하수 시료에서 발생할 수 있는 비소 오염 농도를 100㎍/L로 설정하여, As(V)와 As(m)용액을 각각 제조, 위의 것과 동일한 방법으로 흡착 및 산화상태 변화 여부를 파악하는 실험을 수행하였다. As(Ⅲ)용액은 NaAsO2 (Aldrich, USA)를 0.1 M NaClQ에 용해하여 제조하였다. 이때 표면 세척된 박테리아를 각 비소 용액 250 mL에 각각 8.
- 실험에 사용된 P aeruginosa FAO1은 캐나다 Guelph 대학의 Beveridge 교수에게 분양받은 것으로 현재 37℃의 TSA (trypticase soy agar; Difco, U.SA.)상에서 일주일 주기로 계대배양하고 있는 것이다. TSA상의 균체를 5mL의 TSB (trypticase soy broth; Difco, U.
성능/효과
- As(Ⅲ)를 투입했을 때, 표면을 세척한 경우는 비교시료에 비해 약 12시간 경과 후부터 최대 0.6 m&L 정도의 용존 비소가 추가로 제거되었음을 관찰할 수 있었다(Fig. 5(a)).
- P aeruginosa와 As(V)를 반응시킨 후 시간에 따른 총 용존 비소 함량에 대한 변화를 보면, 비교시료 및 박테리아 용액 모두 3.1 절의 결과와 흡사하게 반응 초기에 함량이 약 20% 가량 감소한 후 실험기간 내 유지되는 모습을 보였으며, 박테리아가 투입된 경우 미세한 흡착량 증가(약 2-6 μg/L)가 보이긴 하나 크게 두드러지지 않았다(Fig. 3(a)).
- 이때 구리, 납, 아연처럼 수용액 상태에서 양이온으로 존재하는 원소들은 미생물 벽체에 쉽게 흡착될 것으로 예상된다. 그러나 이 실험의 결과로 미루어 보아 비소처럼 수용액 상태에서 산화음이온으로 존재하는 원소는 미생물 벽체에 흡착되지 않고 통과하여 하부 대수층을 여전히 오염시킬 가능성이 있는 것으로 여겨진다. 따라서 비소로 오염된 자연수 및 토양을 미생물 벽체 등의 방법을 통해 흡착에 의해 복원하려고 할 경우 음전하를 띠는 오염물에 대한 다른 방법의 적용이 필요할 것이다.
- , 2005), 용존 상태에서 산화음이온으로 존재하는 As(V)가 동일하게 음전하를 띠는 박테리아 표면과는 효과적인 흡착이 발생하지 않을 것이라는 예상과 잘 부합하는 것이다. 또한 Fein et 0.(2002)이 대사작용을 수행하지 않는 박테리아의 표면을 이용하여 관찰한 Cr(VI) 환원을 통한 제거가 As(V)에는 적용되지 않음을 알 수 있었다.
- 박테리아를 투입한 경우, pH 4 및 7 모든 경우에 있어 비교시료와 매우 흡사한 변화양상 및 용존 함량을 보임으로써 박테리아에 의한 두드러진 비소 흡착 증가는 발생하지 않은 것으로 나타났다(Fig. 1). 이러한 결과는 용존 상태에서 양전하를 띠는 다른 중금속 이 온의 경우 박테리아 표면에 의하여 효과적으로 흡착, 제거되는 것과는 매우 대조적인 것으로서(예를 들면,Vecchio et al.
- 실험 결과, 바이오필름을 형성하고 있는 EPS는 비소 흡착에 어떠한 영향도 미치지 못할 뿐만 아니라 오히려 많은 양의 용존 As(V)를 As(HI)로 환원하는 것으로 나타났다. 실지로 토양이나 대수층에 존재하는 대부분의 박테리아는 바이오필름을 형성하고 있고, 미생물 벽체의 구축 자체가 바이오필름 형성임을 감안할 때, EPS 또는 EPS와 수반된 박테리아가 비소 환원을 촉진시킨다는 연구 결과는 시사하는 바가 크다.
- 실험 결과, 주로 환원환경에서 존재하는 As(Ⅲ)의 경우 P aerugimsa에 의한 소규모의 흡착이 관찰된 반면, 산화환경에서 존재하는 As(V)fe 기타 용존 양이온의 생물학적 흡착에서 흔히 관찰되는 것과 같은 효과적인 흡착이 적용되지 않음을 확인할 수 있었다. 위에서 말했듯이 이론적으로 As(V)는 수용액 상태에서 음전하 화합물로 존재하고 박테리아 표면 역시 음전하를 띠고 있기 때문에 상호 인력이 작용하지 않기 때문인 것으로 파악된다.
- 실지로 토양이나 대수층에 존재하는 대부분의 박테리아는 바이오필름을 형성하고 있고, 미생물 벽체의 구축 자체가 바이오필름 형성임을 감안할 때, EPS 또는 EPS와 수반된 박테리아가 비소 환원을 촉진시킨다는 연구 결과는 시사하는 바가 크다. 이 실험 결과에 의하면 바이오필름은 비소 흡착을 촉진하는 것이 아니라 오히려 독성과 이동도를 증가시키는 부의 효과를 유도할 수도 있다.
- 박테리아는 고농도의 중금속 조건 하에서도 생존할 수 있으므로 이러한 미생물 벽체 방법의 효율성을 기대할 수 있다. 이 실험에서 사용한 P aeruginosa도 독성이 매우 높은 As(IH) 5mg/L에 약 100시간 노출시킨 후에도 여전히 생존하고 있음을 확인할 수 있었다. 이때 구리, 납, 아연처럼 수용액 상태에서 양이온으로 존재하는 원소들은 미생물 벽체에 쉽게 흡착될 것으로 예상된다.
- 그러나 세척하지 않은 박테리아는 용존 비소 의 산화상태에 큰 변화를 유도하였다. 즉 비교시료의 경우 6시간 경과하며 평균 약 0.4 mg/L 정도의 As(Ⅴ)가 As(Ⅲ)로 환원되었으며, 표면을 세척한 박테리아의 경우 평균 0.7 mg/L이 환원된데 반해, 표면을 세척하지 않아 EPS가 보존되어 있는 박테리아의 경우 시간에 따라 As(ffl) 생성이 증가하여 최대 3.2mgL (총 ( 용존 함량의 87%)까지 환원된 것이다(Fig. 4(b)).
- As(Ⅲ)의 경우 박테리아에 의하여 용액으로부터 제거되는 결과를 보였다. 즉 6시간 경과 후 비교시료는 95㎍/L의 총 용존 비소 함량을 보인데 반해 박테리아 시료는 약 60㎍/L까지 감소하는 결과를 나타내었다(Fig. 3(b)).
- As(V)와 세척하지 않은 박테리아 간의 반응에서 매우 흥미로운 결과가 관찰되었다. 총 용존 비소 함량은 비교시료와 박테리아 시료 간에 또한 박테리아 표면 세척 여부에 관계없이 실험 기간 동안 평균 3.6mg/L 정도로 유사하게 나타났다(Fig. 4(a)).
- 한편 박테리아의 표면 특성으로 인하여 용존 비소가 As(V)에서 As(Ⅲ)로 환원될 수 있는지의 여부를 파악하기 위해 As(Ⅲ)의 함량을 측정하여 본 결과, 측정된 As(Ⅲ) 함량이 대부분 0.5 mg/L 이하의 값으로 미미하게 나타나며 각 pH에 따른 비교시료와 박테리아 용액 간에 큰 차이를 보이지 않아, 대사작용과 관계없이 단지 세포 표면 특성에 의해서 비소가 환원되지는 않은 것으로 나타났다(Fig. 2).
- 따라서 100gg/L2] As(V)가 NH4+ 반응기에 의하여 흡착되었다면 용액 중에 잔류하는 경우 없이 모두 흡착에 의해 제거되었을 것이다. 한편 반응 후 1시간 및 40시간 경과 후 As(IU) 함량을 측정한 결과에 의하면 As(HI)로의 환원은 거의 발생하지 않아, 비교시료의 경우 모두 검출한계 이하였고 박테리아 시료의 경우 3 ㎍/L 정도였다.
- 가능한 원인으로는 세포 표면에 COO; PO43; OH' 등의 반 응기와 함께 분포하는 NH4+ 기에 의한 정전기적 결합이 될 수 없으므로 이에 대해서는 추가의 연구가 필요하다. 한편, 비교시료 및 박테리아 용액 모두에서 pH4와 7조건에서의 흡착량 차이는 관찰되지 않음으로써 주어진 조건에서의 pH 변화는 화학적 또는 미생물학적 비소 흡착량 조절에 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다(Fig. 1).
후속연구
- 현재로서는 이러한 박테리아에 의한 추가 흡착현상을 설명하기 어렵다. 가능한 원인으로는 세포 표면에 COO; PO43; OH' 등의 반 응기와 함께 분포하는 NH4+ 기에 의한 정전기적 결합이 될 수 없으므로 이에 대해서는 추가의 연구가 필요하다. 한편, 비교시료 및 박테리아 용액 모두에서 pH4와 7조건에서의 흡착량 차이는 관찰되지 않음으로써 주어진 조건에서의 pH 변화는 화학적 또는 미생물학적 비소 흡착량 조절에 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다(Fig.
- 그러나 이 실험의 결과로 미루어 보아 비소처럼 수용액 상태에서 산화음이온으로 존재하는 원소는 미생물 벽체에 흡착되지 않고 통과하여 하부 대수층을 여전히 오염시킬 가능성이 있는 것으로 여겨진다. 따라서 비소로 오염된 자연수 및 토양을 미생물 벽체 등의 방법을 통해 흡착에 의해 복원하려고 할 경우 음전하를 띠는 오염물에 대한 다른 방법의 적용이 필요할 것이다.
- (2002)은 이러한 결과를 박테리아의 대사작용과 관련 없이 단지 세포벽에 존재하는 Cr환원 효소 또는 시토크롬(cytochromes)을 산화시키며 발생하는 것으로 제안하였다. 따라서 일반적인 정전기적 결합에 의해 세포벽에 흡착되지 않는 비소에 대해서도 박테리아 표면 흡착 가능성을 실험적으로 확인할 필요가 있으며, 또한 대사작용과 관련 없는 박테리아의 표면특성이 혹시 비소의 산화상태 변화에 영향을 미치는지에 관한 실험적 확인 역시 필요하다.
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