[논문]스와넬라균(Shewanella p.)에 의한 용존우라늄 제거 특성 및 방사성폐기물 처분에의 응용

이승엽; 백민훈; 송준규

스와넬라균(Shewanella p.)에 의한 용존우라늄 제거 특성 및 방사성폐기물 처분에의 응용
Removal Characteristics of Dissolved Uranium by Shewanella p. and Application to Radioactive Waste Disposal 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.42 no.5, 2009년, pp.471 - 477

이승엽 (한국원자력연구원 방사성폐기물기술개발부) , 백민훈 (한국원자력연구원 방사성폐기물기술개발부) , 송준규 ((주)영사이언스)

초록
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물속에 우라닐이온(${UO_2}^{2+}$) 형태로 존재하는 산화우라늄을 철환원세균인 스와넬라균(Shewanella p.)을 이용하여 제거하는 실험을 수행하였다. 용액상의 우라늄 초기농도는 $50{\mu}M$ 이었으며 미생물과의 반응에 의해 점차 그 농도가 감소하였고, 약 2주 후에 거의 대부분의 우라늄이 제거되었다. 우라늄이 제거된 기작은 대부분 미생물 표면에 대한 흡착, 침전 및 광물화에 의한 것이었다. 투과전자현미경으로 관찰한 결과로는 미생물 표면에 흡착되어 점차 결정화되어가는 우라늄이 큰 광물로 성장하고 여러 미생물개체 및 유기분비물과의 결합을 통해 그 크기가 수 ${\mu}m$ 이상으로 커져가는 것을 확인하였다. 이러한 미생물에 의한 우라늄 광물의 성장 및 결합은 방사성폐기물처분장의 우라늄 거동에 큰 영향을 끼칠 수 있으며, 특별히 본 실험에서 관찰한 생지화학적인 금속환원미생물의 역할에 의해 지하 우라늄의 이동이 상당히 지연되는 효과를 거둘 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental removal of dissolved uranium (U) exsiting as uranyl ion (${UO_2}^{2+}$) was carried out using Shewanella p., iron-reducing bacterium. By the microbial reductive reaction, initial U concentration ($50{\mu}M$) was constantly decreased, and most U were removed from solution after 2 weeks. Major mechanism that U was removed from the solution was adsorption, precipitation and mineralization on the microbe surface. Under the transmission electron microscopy, the U adsorbed on the microbe was observed as being crystallized and eventually enlarged to several ${\mu}m$ sizes of minerals by combining with individual microbes and organic exudates. It seems that such U growth and mineralization on the microbial surface could affect the U behavior in a radioactive waste disposal site. Thus, the biogechemical reaction of metal-reducing bacteria observed in this experiment could give an affirmative measure that the microbial activity may retard U movement in subsurface environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

물리적 인공방벽은 주로 벤토나이트 재료로 구성되어 있으며 폐기물로부터 용출되어 나올 수 있는 방사성핵종들을 흡착 및 확산 저지하는데 주 목적이 있다. 인공방벽을 통과한 핵종들은 주위의 천연방벽인암석 및 광물과 접촉하면서 흡착 및 침전 등의 반응이 일어난다.
본 연구에서는 지하미생물 중 흔하게 관찰되는철환원세균인 스와넬라균을 우라늄과 반응시켜 일어나는 기작을 살펴 보았다. 스와넬라균은 50 용존 산화우라늄을 2주 안에 대부분 용액으로부터 제거하였으며, 대부분의 우라늄은 미생물 표면에 흡착되거나 광물화되었다.
이렇게 만들어진 블록을 다이아몬드 칼(Diatome 35°)로 50-70 run 크기로 절단하였으며, 잘려진 시편을 Cu Grid 위에 올려놓았다. 우라닐아세테이트(uranyl acetate)로 염색하는 과정은 생략하였는데, 이는 이차적인 우라늄의 시료 교란을 방지하고자 하였다. 투과전자현미경은 JEOL JEM 2100F 모델로 200 kV의 가속전압으로 관찰하였으며, 화학분석 및 표면분석을 위해 EDS(energy dispersive X-ray spectrometer)를 사용하였다.
이에 본 실험은 바다, 지표 혹은 지하심부 등 광범위하게 생존하고 있는 철환원세균인 스와넬라균(Sputrefaciens) 을 실험실에서 배양하여 우라늄과의 반응을 통해 핵종 원소와 미생물과의 상호반응 및 용존핵종 제거 기작을조사 하였다. 이를 통해 방사성폐기물처분에서의 미생물의 중요성을 새롭게 인식하고 향후 이들의 효과적인 이용방안을 도출하는 것을 목표로 하고 있다.

제안 방법

50 pM 농도의 우라늄과 스와넬라균이 공존할 때, 스와넬라균에 의한 우라늄 농도의 변화를 관찰하였다(Fig. 3). 미생물이 존재하지 않은 경우, 우라늄의 농도변화는 아주 미약 하였지만, 미생물이 존재하는 경우에는 대부분의 용존우라늄이 2주 안에 거의 제거됨을 관찰하였다.
Cu Grid는 탄소막으로 코팅되어 있는 2 mesh 제품을 사용하였다. Cu Grid에 올라온 시료를 건조시킨 후 곧바로 투과전자현미경으로 시료를 관찰하였다.
표면에 흡착된 우라늄을 관찰하였다. 관찰을 위한 샘플준비는 크게 두 가지로 하였는데, 먼저 전처리과정을 거치지 않고 미생물 표면을 관찰하기 위해 증류수로 한 번 세척한 후 미생물을 증류수에 분산시키고 Cu Grid로 건져 올렸다. Cu Grid는 탄소막으로 코팅되어 있는 2 mesh 제품을 사용하였다.
실험 용액은 약 120 rpm 으로 흔들어 주었으며, 온도는 25℃로 설정하였다. 모든 실험은 환원조건에서 수행하였으며, 주기적 0.2 필터 주사기를 이용하여 약 2mL21 용액을 채취 우라늄을 비롯한 무기성분들의 농도 변화를 유도결합플라스마 질량분광분석기 (ICP-MS>를 이용하여 측정하였다.
미생물과 우라늄 핵종과의 반응 실험이 끝난 후 투과전자현미경을 이용하여 일부 광물화된 우라늄과 미생물 표면에 흡착된 우라늄을 관찰하였다. 관찰을 위한 샘플준비는 크게 두 가지로 하였는데, 먼저 전처리과정을 거치지 않고 미생물 표면을 관찰하기 위해 증류수로 한 번 세척한 후 미생물을 증류수에 분산시키고 Cu Grid로 건져 올렸다.
최종적으로 스와넬라균을 약 8mg/L 세포단백질량 만큼 주입하였다. 미생물의 영향을 관찰하기 위해 미생물이 주입되지 않은 동일한 농도의 우라늄이 들어있는 비교(control) 용액도 만들어 비교실험 하였다. 실험 용액은 약 120 rpm 으로 흔들어 주었으며, 온도는 25℃로 설정하였다.
이는 고준위폐기물의 장기안전성과 매우 밀접한 관련성이 있다. 이에 본 실험은 바다, 지표 혹은 지하심부 등 광범위하게 생존하고 있는 철환원세균인 스와넬라균(Sputrefaciens) 을 실험실에서 배양하여 우라늄과의 반응을 통해 핵종 원소와 미생물과의 상호반응 및 용존핵종 제거 기작을조사 하였다. 이를 통해 방사성폐기물처분에서의 미생물의 중요성을 새롭게 인식하고 향후 이들의 효과적인 이용방안을 도출하는 것을 목표로 하고 있다.

대상 데이터

관찰을 위한 샘플준비는 크게 두 가지로 하였는데, 먼저 전처리과정을 거치지 않고 미생물 표면을 관찰하기 위해 증류수로 한 번 세척한 후 미생물을 증류수에 분산시키고 Cu Grid로 건져 올렸다. Cu Grid는 탄소막으로 코팅되어 있는 2 mesh 제품을 사용하였다. Cu Grid에 올라온 시료를 건조시킨 후 곧바로 투과전자현미경으로 시료를 관찰하였다.
D로써국 ATCC(American Type Culture Collection) 로부터 구입하였다. 스와넬라균은 분말상태로 작은 유리 캡슐에 담겨 있으며, 유리칼을 이용하여 캡슐을 절단하고 핀셋으로 조심스럽게 솜덮개를 제거한 후, 곧바로 세균분말을 배양액에 털어 넣었다.
스와넬라균은 분말상태로 작은 유리 캡슐에 담겨 있으며, 유리칼을 이용하여 캡슐을 절단하고 핀셋으로 조심스럽게 솜덮개를 제거한 후, 곧바로 세균분말을 배양액에 털어 넣었다. 실험 배양액은 TSB(tryptic soy broth (Difco Laboratories, Detroit, MI, USA)) 성분으로 증류수 IL에 30g의 TSB를 첨가하여 만들었다. 세균분말이 포함된 배양액은 곧바로 교반기에 장착하여 120rpm의 속도로 24시간 흔들어 주었다.
실험에 사용된 미생물은 스와넬라균(S putrefaciens CN₃₂ (ATCC BAA-1097))(Fig. D로써국 ATCC(American Type Culture Collection) 로부터 구입하였다.
2 nm 필터 주사기를 이용하여 주입하였다. 주입된 우라늄은 U(VI)의 산화된 형태로, 산화우라늄은 용해성이 크고 이동성이 있는 우라늄이온이다. 최종적으로 스와넬라균을 약 8mg/L 세포단백질량 만큼 주입하였다.

이론/모형

우라닐아세테이트(uranyl acetate)로 염색하는 과정은 생략하였는데, 이는 이차적인 우라늄의 시료 교란을 방지하고자 하였다. 투과전자현미경은 JEOL JEM 2100F 모델로 200 kV의 가속전압으로 관찰하였으며, 화학분석 및 표면분석을 위해 EDS(energy dispersive X-ray spectrometer)를 사용하였다.

성능/효과

4b는 미생물의 일부분을 EDS로 스캔하여 화학분포를 살펴본 이미지로 미생물의 표면에 다량의 우라늄이 침전 및 광물화되어 분포되어 있는 모습을 볼 수 있다. 그리고, 일부 무기이온성분들(철, 망간, 인)도 미생물 표면에 공침되어 존재하는 것을 확인할 수 있었다(자료 미제시). 우라늄의 경우 미생물 표면 대부분에 우라늄이 존재하며, 특히 미생물 가장자리에 부분적으로 높은 농도의 우라늄 분포를 보여주고 있다.
사진에 보이는 것처럼 우라늄의 미생물 표면 흡착 뿐만 아니라 우라늄이 광물화되면서 성장하는 모습이 관찰되고 있다. 또한, 미생물의 세포벽을 통과한 우라늄 이온 들이 미생물 내부에서 환원되어 점차 우라늄광물로 성장하는 것을 확인할 수 있다.
미생물 표면에 흡착된 우라늄은 계속적인 성장을 보여주었고, 작은 구형의 우라늄광물들로 성장하였다. 미생물간의 응집 및 유기분비물 등의 영향에 의해 형성된 우라늄광물들의 크기가 점차 커졌고, 이러한 사실들은 지하수를 따라 이동할 수 있는 우라늄이 홉착 및 침전되면서 핵종 이동 지연효과가 분명하게 나타날 수 있을 것을 암시한다. 향후, 금속환원미생물을 활용한 방사성폐기물 핵종이동 지연시스템 개발은 매우 중요할 뿐만 아니라, 미래 처분장의 안전성 향상에 크게 이바지할 수 있을 것으로 사료된다.
따라서, 방사성폐기물처분장 주변에서 혐기성세균에 의해 형성되는 핵종광물들은 그 크기가 클 수록 폐기물 안전성 측면에서 매우 유리하다. 본 실험 결과에서 확인한 바로는 환원 및 표면 흡착된 우라늄 광물들이 미생물들의 상호 응집 및 유기 분비물들의 결합에 의해 수 p.m 이상으로 성장하면서 침전되고, 따라서 핵종의 이동성이 현격히 감소됨을 확인하였다(Fig. 8). 이는 스와넬라균과 같은 철환원세균 등에의 해 방사성폐기물 처분장의 핵종 거동이 크게 영향을 받을 수 있으며, 본 실험의 결과를 바탕으로 처분장의 환경에 맞는 미생물학적 핵종이동 지연시스템 개념이 마련될 수 있을 것으로 보인다.
본 실험에서도 스와넬라균이 우라늄을 횐원시키고더불어 흡착 및 침전/광물화를 진행시키면서 용 존 우라늄의 농도를 획기적으로 감소시킬 수 있음이 확인되었다. 이러한 사실로부터 스와넬라균을 이용하여 방사성폐기물로부터 용출되어 이동할 수 있는 산회 핵종들의 지하 이동을 상당히 감소시킬 수 있다.

후속연구

8). 이는 스와넬라균과 같은 철환원세균 등에의 해 방사성폐기물 처분장의 핵종 거동이 크게 영향을 받을 수 있으며, 본 실험의 결과를 바탕으로 처분장의 환경에 맞는 미생물학적 핵종이동 지연시스템 개념이 마련될 수 있을 것으로 보인다.
미생물간의 응집 및 유기분비물 등의 영향에 의해 형성된 우라늄광물들의 크기가 점차 커졌고, 이러한 사실들은 지하수를 따라 이동할 수 있는 우라늄이 홉착 및 침전되면서 핵종 이동 지연효과가 분명하게 나타날 수 있을 것을 암시한다. 향후, 금속환원미생물을 활용한 방사성폐기물 핵종이동 지연시스템 개발은 매우 중요할 뿐만 아니라, 미래 처분장의 안전성 향상에 크게 이바지할 수 있을 것으로 사료된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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