국내 일부 오염 토양 및 퇴적물 내 토착 미생물에 의한 중금속의 지구화학적 거동 연구 Study on Geochemical Behavior of Heavy Metals by Indigenous Bacteria in Contaminated Soil and Sediment원문보기
지하 심부 토양 및 퇴적물 내 토착 미생물의 활성화에 따른 중금속 거동을 이해하기 위하여, 독성 중금속으로 오염된 국내 일부 지역의 시료를 대상으로 혐기적 환경에서 유산염(lactate)을 탄소원으로 투입한 후 약 25일간에 걸친 비소 및 중금속(카드뮴, 구리, 납, 아연) 함량 변화를 관찰하였다. 실험 결과, 미생물이 투입된 시료의 경우 미생물이 투입되지 않은 비교시료에 비하여 용존 카드뮴, 납, 아연이 효과적으로 제거되었으며, 이는 토착 황산염 환원(sulfate-reducing) 박테리아의 활성화로 인해 생성된 환원상태의 황이 이들 중금속과 황화물을 형성하며 침전시켰기 때문으로 여겨진다. 비소의 경우, 미생물을 투입한 시료 중 황산염의 함량이 높은 덕음 토양에서는 제거율이 높은 반면 황산염의 함량이 상대적으로 낮은 화북 토양, 동두천 퇴적물에서는 지속적으로 그 함량이 증가하였다. 적절한 탄소원 및 황산염을 투입해 독성 중금속으로 오염된 지질 매체 내의 토착 미생물을 활성화시킨다면 이들 중금속의 원위치(in situ) 고정화를 통한 이동도 감소의 효과를 볼 수 있을 것으로 여겨지나, 비소로 동시에 오염된 경우 발생할 수 있는 비소 용출 가능성에 대한 고려가 필요하다.
지하 심부 토양 및 퇴적물 내 토착 미생물의 활성화에 따른 중금속 거동을 이해하기 위하여, 독성 중금속으로 오염된 국내 일부 지역의 시료를 대상으로 혐기적 환경에서 유산염(lactate)을 탄소원으로 투입한 후 약 25일간에 걸친 비소 및 중금속(카드뮴, 구리, 납, 아연) 함량 변화를 관찰하였다. 실험 결과, 미생물이 투입된 시료의 경우 미생물이 투입되지 않은 비교시료에 비하여 용존 카드뮴, 납, 아연이 효과적으로 제거되었으며, 이는 토착 황산염 환원(sulfate-reducing) 박테리아의 활성화로 인해 생성된 환원상태의 황이 이들 중금속과 황화물을 형성하며 침전시켰기 때문으로 여겨진다. 비소의 경우, 미생물을 투입한 시료 중 황산염의 함량이 높은 덕음 토양에서는 제거율이 높은 반면 황산염의 함량이 상대적으로 낮은 화북 토양, 동두천 퇴적물에서는 지속적으로 그 함량이 증가하였다. 적절한 탄소원 및 황산염을 투입해 독성 중금속으로 오염된 지질 매체 내의 토착 미생물을 활성화시킨다면 이들 중금속의 원위치(in situ) 고정화를 통한 이동도 감소의 효과를 볼 수 있을 것으로 여겨지나, 비소로 동시에 오염된 경우 발생할 수 있는 비소 용출 가능성에 대한 고려가 필요하다.
Microbial control of the geochemical behavior of heavy metals (Cd, Cu, Pb, and Zn) and As in contaminated subsurface soil and sediment was investigated through activation of indigenous bacteria with lactate under anaerobic condition for 25 days. The results indicated that dissolved Cd, Pb and Zn wer...
Microbial control of the geochemical behavior of heavy metals (Cd, Cu, Pb, and Zn) and As in contaminated subsurface soil and sediment was investigated through activation of indigenous bacteria with lactate under anaerobic condition for 25 days. The results indicated that dissolved Cd, Pb and Zn were microbially removed from solutions, which was likely due to the formation of metal sulfides after reduction of sulfate by indigenous sulfate-reducing bacteria. Soils from the Dukeum mine containing a large amount of sulfate resulted in complete removal of dissolved As after 25 days by microbial activities, while there were gradual increases in dissolved As concentration in soils from the Hwabuk mine and sediments from the Dongducheon industrial area which showed low $SO_4{^2-}$ concentrations. Addition of appropriate carbon sources and sulfate to contaminated geological media may lead to activation of indigenous bacteria and thus in situ stabilization of the heavy metals; however, potential of As release into solution after the amendment should be preferentially investigated.
Microbial control of the geochemical behavior of heavy metals (Cd, Cu, Pb, and Zn) and As in contaminated subsurface soil and sediment was investigated through activation of indigenous bacteria with lactate under anaerobic condition for 25 days. The results indicated that dissolved Cd, Pb and Zn were microbially removed from solutions, which was likely due to the formation of metal sulfides after reduction of sulfate by indigenous sulfate-reducing bacteria. Soils from the Dukeum mine containing a large amount of sulfate resulted in complete removal of dissolved As after 25 days by microbial activities, while there were gradual increases in dissolved As concentration in soils from the Hwabuk mine and sediments from the Dongducheon industrial area which showed low $SO_4{^2-}$ concentrations. Addition of appropriate carbon sources and sulfate to contaminated geological media may lead to activation of indigenous bacteria and thus in situ stabilization of the heavy metals; however, potential of As release into solution after the amendment should be preferentially investigated.
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문제 정의
, 2002). 따라서 이 실험에서는 특정 기능을 가진 박테리아를 분리하여 이용하기 보다는 집단구조(community structure)를 이루고 있는 다양한 토착 박테리아 자체를 활성화시킴으로써 이들이 중금속의 거동에 미치는 영향을 파악하려고 하였다(Grandlic et al., 2006). 공통적이지 않은 오염원으로 오염된 다양한 지역을 대상으로 한 실험이므로 이러한 접근방법이 더욱 현실에 근접한 결과를 얻을 수 있을 것으로사료된다.
이 실험에서는 오염된 토양 및 퇴적물 내에 집단구조를 이루고 있는 다양한 토착 미생물 자체를 배양하여 독성 중금속 제거 여부를 확인하였다. 실험 결과 오염지역에 적절한 탄소원을 주입하여 토착 미생물을 활성화시키면 토양수 및 지하수 내 주성분 이온으로 함유되어 있는 황산염의 환원으로 독성 금속과의 결합을 통해 원위치에 고정화하여 생물권 내 유입을 방지할 수 있음을 관찰하였다.
이 연구에서는 중금속으로 오염된 다양한 지역의 토양 및 퇴적물 내의 토착 미생물을 활성화함으로써 독성 중금속의 거동을 이해하고 장기간에 걸친 지구미생물학적 중금속 거동에 미치는 황산염의 영향에 대한기본 정보를 구하고자 하였다.
토양 및 퇴적물 내 존재하는 토착미생물 집단의 활성화가 독성 중금속의 거동에 어떠한 영향을 미치는지 여부를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다. 건조된 토양과 퇴적물 시료(-10 mesh) 18 g을 각각 serum bottle에 담아 고압멸균기를 통해 멸균한 후 (121℃, 15분) 멸균 증류수를 540 mL씩 채웠다.
가설 설정
2. Variation in dissolved total (a) Fe and (b) Mn concentrations in the studied soil and sediment slurries over time.
제안 방법
1 M (NH4)2HPO4 완충용액을 토양과 10:1의 비율로 혼합하고 1시간 동안 150rpin으로 교반한 후 자연 침강시키고 그 상등액 10mL를 접종물로 이용, 위의 준비된 용기에 접종하였다. 또한 미생물의 영향에 따른 효과를 파악하기 위하여 미생물을 접종하지 않은 비교시료(control)도 포함시켜 그 결과를 비교하였다. 미생물을 접종하지 않은 비교시료에는 동일한 양의 멸균된증류수를 접종하였다.
화학적인 특성을 측정하였다. 또한 채취된 시료에 자연적으로 함유되어 있는 중금속의 함량을 알아보기 위해서 중복시료(duplicate)를 마련한 후 왕수로 분해하여 용 존 알루미늄, 비소, 카드뮴, 크롬, 구리, 철, 망간, 납, 아연 등을 정량하였다.
미생물을 접종하지 않은 비교시료에는 동일한 양의 멸균된증류수를 접종하였다. 미생물 접종 실험과 무생물적 실험은 각각 중복실험(duplicate)을 수행하여 정확도와 정밀도를 확보하였다.
약 25일간의 반응 기간 중 일정한 간격으로 멸균된 주사기와 바늘을 이용하여 시료를 채취한 후 pH, 용존 철, AsOII), 양이온 및 음이온을 측정하였다. 이 때 As(IU)는 음이온교환카트리지 (anion exchange cartridge; LC-SAX, Supelco, USA)를 통과시킴으로써 분리하였다(Le et al.
지하 심부에서의 오염을 가정하기 위해 혐기성 조건에서 실험하였으며 혐기 조건은 멸균된 N2:CO2(4:1) 혼합가스를 멸균 바늘을 이용해 주입, purging하여 유지하였다. 약 25일간의 반응 기간 중 일정한 간격으로 멸균된 주사기와 바늘을 이용하여 시료를 채취한 후 pH, 용존 철, AsOII), 양이온 및 음이온을 측정하였다.
토착미생물을 접종물(inoculum)로 이용흐)기 위해 0.1 M (NH4)2HPO4 완충용액을 토양과 10:1의 비율로 혼합하고 1시간 동안 150rpin으로 교반한 후 자연 침강시키고 그 상등액 10mL를 접종물로 이용, 위의 준비된 용기에 접종하였다. 또한 미생물의 영향에 따른 효과를 파악하기 위하여 미생물을 접종하지 않은 비교시료(control)도 포함시켜 그 결과를 비교하였다.
측정하였다(Stookey, 1970). 한편 용존 알루미뉴 비소, 카드뮴, 크롬, 구리, 철, 망간, 납, 아연 함량은 ICP-MS(7500ce, Agilent, USA)를 이용하여 측정하였으며 용액 중의 음이온은 IC GCS-2000 AS 40 with autosampler, Dionex, USA)를 이용하여 정량하였다.
건조된 시료(-80 mesh)에 대하여 pH, 작열감량(LOI; loss-on-ignition), 양이온교환능력 (CEC; cation exchange capacity) 등의 물리 . 화학적인 특성을 측정하였다. 또한 채취된 시료에 자연적으로 함유되어 있는 중금속의 함량을 알아보기 위해서 중복시료(duplicate)를 마련한 후 왕수로 분해하여 용 존 알루미늄, 비소, 카드뮴, 크롬, 구리, 철, 망간, 납, 아연 등을 정량하였다.
대상 데이터
국내 토양오염과 관련되어 오염 대표성을 갖는 지역 및 기존 자료의 접근이 가능한 지역을 고려, 다음의 3 개 지역을 선정하여 시료를 채취하였다.
이론/모형
토양 및 퇴적물 시료에 대해 왕수를 이용해 추출한중금속 함량은 한국기초과학지원연구원 광주센터에 의뢰하여 ICP-AES(OPTIMA 4300 DV Perkin Elmei; USA)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
2), 이는 앞에서도 기술했듯이 철(수)산화물과 망간산화물의 환원성 용해에 기인한 것으로 판단된다. Ferrozine 착색법에 의해 용존 철의 산화상태를 조사한 결과, 15 일 경과 후 총 용존 철에 대한 Fe2+의 비는 화북71.6%, 덕음 100%, 동두천 38.6%로서 동두천 퇴적물을 제외하고는 대부분 Fe2+ 형태로 존재하는 것으로 나타났다. 특히 미생물을 주입한 덕음 토양의 경우, 15 일 경과시까지 무생물적 비교시료에 비하여 많은 철이 용액 중으로 공급되고 있는 것이 관찰되었다.
정리하였다. pH는 모두 중성(6.9-7.5>의 범위를 나타내었고 덕음 토양에서 가장 낮은 CEC 및 LOI 값을 보였다. 화북 및 덕음 토양의 원소 함량을 살펴본 결과, 크롬과 구리를 제외한 모든 중금속이 일반 토양의 평균 함량 및 범위에 비하여 높게 나타났으며, 특히 덕음 토양(비소 23 mg/kg)에 비교하여 화북 토양(비소 373㎎/㎏) 에서비소의 함량이 16배나 더 높게 나타나는 등 분석된 모든 중금속 함량에 있어 수 배 이상의 높은 함량을 보여 오염이 심각함을 보였다.
특히 화북 토양 및 동두천 퇴적물에서 이러한 비소 용출이 뚜렷이 관찰되고 있다. 그러나 두 시료에서 용존 철의 함량 차이가 크지 않은 반면(Fig. 2 참조), 용존 비소의 함량은 무생물적 비교 시료에 비하여 미생물을 접종한 시료에서 한층 높은 값을 보였다. 따라서 단순히 철(수)산화물의 용해로 인하여 이들에 공침전 또는 흡착되어 있던 비소가 용출된 것 이외의 다른 메커니즘이 존재하고 있을 가능성이 크다고 할 수 있으며, 이러한 원인의 일부는 용 존 비소의 산화 상태를 조사한 결과로서 설명할 수 있다.
그러나 황산염이 결핍된 상태에서 탄소원을 주입하여 미생물을 활성화시킨다면 오히려 비소의 독성과 이동도가 증가함을 알 수 있었으며, 반면 황산염이 충분히 존재할 경우(예를 들면 덕음 토양) 비소의 용출량은감소하여 기대한 제거 효과를 얻을 수 있었다. 이러한결과는 미생물에 의한 독성 원소의 원위치 고정화를위해서는 반드시 해당 오염 부지에 대한 지구화학적 .
예를 들면, 화북 토양의 경우 25일의 반응 기간 후 비교 실험에서는 41 카드뮴 농도가 관찰된 반면 미생물을 투입한 실험에서는 2 μl만이 검출됨으로써 약 20배의 차이를 보이기도 하였다. 미생물을 투입한 실험에서는 급격한 SO)의 환원성 제거가 관찰된 것으로 미루어 볼 때(Fig. 6 참조), 실험 결과 나타난 중금속의 제거는 미생물에 의한 황산염 환원 산물인 HS에 의한 황화물 형성 및 후속적인 침전에 의한 제거인 것으로 판단된다.
중금속 제거 여부를 확인하였다. 실험 결과 오염지역에 적절한 탄소원을 주입하여 토착 미생물을 활성화시키면 토양수 및 지하수 내 주성분 이온으로 함유되어 있는 황산염의 환원으로 독성 금속과의 결합을 통해 원위치에 고정화하여 생물권 내 유입을 방지할 수 있음을 관찰하였다.
가장 중요한 요인 중의 하나이다. 실험 시작후, 초기 pH는 모든 시료에 걸쳐 4.8-55의 범위를 보였으나 시간의 경과에 따라 점진적으로 증가하여 5.5- 59의 범위를 나타내었다(Fig. 1). 이러한 특징은 미생물을 접종한 시료와 접종하지 않은 비교시료에서 함께나타난 결과이며 약 25일 경과 후 최종 pH는 두 조건에서 유사한 값을 나타내었다.
용존 철 및 망간의 함량 변화를 관찰한 결과, 시간에 따라 그 함량이 증가함을 알 수 있었으며 (Fig. 2), 이는 앞에서도 기술했듯이 철(수)산화물과 망간산화물의 환원성 용해에 기인한 것으로 판단된다. Ferrozine 착색법에 의해 용존 철의 산화상태를 조사한 결과, 15 일 경과 후 총 용존 철에 대한 Fe2+의 비는 화북71.
다른 양상을 보였다. 즉 덕음 토양을 제외한 나머지 시료에서의 비소 함량은 시간에 따라 지속적으로증가하였으며 또한 미생물을 투입한 시료가 그렇지 않은 시료에 비해 월등히 많은 양이 용출되었다(Fig. 4).
5). 즉 화북 토양의 경우, 미생물을 접종한 시료에서는 반응 시작 5일만에 용존 비소의 88%가 As(m)상태로 환원된 반면, 무생물적 비교 시료에서는 매우 느린 속도로 환원된 결과를 보였다. 환원상태인 As(IU)는 As(V)에 비해 그 이동도가 매우 크다는 점을감안할 때(Kim et al, 2005; Williams and Silver, 1984; Chatain et al.
혐기적 조건에서 미생물의 활성화에 따른 용존 중금속의 시간에 따른 함량 변화를 관찰한 결과, 용존 상태에서 대부분 +2가로 존재하는 카드뮴, 구리, 납, 아연 중 구리를 제외한 나머지 금속의 용존 함량은 무생물적 비교 시료에 비해 미생물을 투입한 시료에서 월등하게 많은 양이 용액으로부터 제거됨을 알 수 있었다(Fig. 3). 예를 들면, 화북 토양의 경우 25일의 반응 기간 후 비교 실험에서는 41 카드뮴 농도가 관찰된 반면 미생물을 투입한 실험에서는 2 μl만이 검출됨으로써 약 20배의 차이를 보이기도 하였다.
5>의 범위를 나타내었고 덕음 토양에서 가장 낮은 CEC 및 LOI 값을 보였다. 화북 및 덕음 토양의 원소 함량을 살펴본 결과, 크롬과 구리를 제외한 모든 중금속이 일반 토양의 평균 함량 및 범위에 비하여 높게 나타났으며, 특히 덕음 토양(비소 23 mg/kg)에 비교하여 화북 토양(비소 373㎎/㎏) 에서비소의 함량이 16배나 더 높게 나타나는 등 분석된 모든 중금속 함량에 있어 수 배 이상의 높은 함량을 보여 오염이 심각함을 보였다. 환경부 토양오염공정시험법에 의해 왕수 분해한 시료를 대상으로 기준 값이 설정되어 있는 아연의 경우, , 대책기준 나' 값은 2, 000 ㎎/㎏인데 반해 화북 토양은 2, 665 ㎎/㎏으로써 이를 초과하는 것으로 나타났다.
4. 황산염 (SO4)) 함량 변화
화북 토양, 덕음 토양, 동두천 퇴적물 시료 모두에서 황산염(SCV)은 미생물 시료와 무생물적 비교시료 모두 일정 기간까지 그 함량이 증가하다 시간의 경과에따라 함량이 유지되거나 대폭 감소하였다(Fig. 6)
. 특히미생물이 접종된 경우 그 환원속도가 무생물적 비교시료에 비하여 월등히 빨랐으며 이는 토착 황산염 환원박테리아의 활동에 기인한 것이다.
후속연구
, 2006). 공통적이지 않은 오염원으로 오염된 다양한 지역을 대상으로 한 실험이므로 이러한 접근방법이 더욱 현실에 근접한 결과를 얻을 수 있을 것으로사료된다.
황산염 및 철은 지질 매체 중에 가장 많이 분포하고 있는 성분 중 하나이다. 따라서 미생물의 활성도를 증진시킬 경우 심부의 오염된 토양 및 지하수에 존재하는 철산화물 및 황산염이 먼저 환원된 후 환원된 철 및 황이 연속적으로 다양한 독성 원소와 결합하거나 환원시킴으로써 금속을 원위치에 침전시키는 것이 기대된다. 특히 토양 및 대수층에 주성분으로 분포하는 철의 양(일반 토양 중 0.
, 2004). 반면 이 실험에서 나타난 구리의 거동은 미생물학적 실험과 무생물적 비교 실험 간의 차이가 없어 이에 대한 구체적인 연구가 필요하다.
비금속(@ase metals) 및 산화환원전위 변화에 민감한원소의 거동에 중요한 영향을 미치는 황산염 환원 박테리아의 특성을 환경지구화학적으로 이용함으로써 오염된 지하 심부 토양 및 대수층을 지구미생물학적 원위치고정화 방법으로 처리할 수 있을 것이다. 이러한 방법은생태계에 미치는 영향을 최소화하는 효율적, 경제적, 자연친화적인 처리방법으로서, 토착 박테리아에 의한 금속의 산화.
심도있는 추가 연구 수행이 요구된다. 이러한 연구의 성공적 수행을 통해 지하 심부의 혐기적 환경에 복합적으로 오염된 독성 원소에 대한 고효율, 저비용, 환경친화적인 기술개발과 미생물지구화학 연구 분야와 연계된 다양한 환경복원 사업에 필수적인 정보를 획득할 수 있을 것이다.
이상의 결과로 미루어 볼 때, 토착 박테리아의 활성화를 통하여 카드뮴, 납, 아연 등의 독성 중금속을 침전시켜 원위치에 고정화 시키는 기술의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 중금속의 독성, 이동도, 생물학적 이용 가능성 등은 중금속의 화학종에 따라 좌우되며, 이러한 특징은 특히 산화환원전위에 민감한 원소에서 잘 나타난다.
중금속에 의한 지하 심부 오염을 처리하기 위해서는 적절한 탄 소원 및 황산염 등을 인위적으로 주입하여 토착 황산염 환원 박테리아를 활성화시켜야 하며, 이를 통해 독성 중금속을 침전시켜 원위치에 고정화시킬 수 있을 것으로 판단된다. 추가적으로 유전자 분석 등을 통하여 토양 및 퇴적물 내 생존하는 토착 박테리아를 확인하고, 이중 오염지역에서 특징적으로(site-specific) 황산염 환원 반응을 주도적으로 유도하는 박테리아를 규명하는 절차가 수행된다면 한층 효과적인 원위치 고정화 결과를 볼 수 있을 것으로 예상된다.
토착 미생물에 의한 중금속의 지구화학적 거동을 이해하고 이를 오염 환경 복원에 적용하기 위해서는 위에서 언급한 여러 연구결과를 정리할 뿐만 아니라 보다 심도있는 추가 연구 수행이 요구된다. 이러한 연구의 성공적 수행을 통해 지하 심부의 혐기적 환경에 복합적으로 오염된 독성 원소에 대한 고효율, 저비용, 환경친화적인 기술개발과 미생물지구화학 연구 분야와 연계된 다양한 환경복원 사업에 필수적인 정보를 획득할 수 있을 것이다.
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