거풍광산 주변 밭의 오염된 중금속을 토양오염공정시험법과 TCLP를 이용하여 분석한 결과 비소, 납, 카드뮴, 구리, 아연과 같은 중금속의 농도가 전국 토양 평균치를 초과하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 중금속 오염된 토양의 안정화를 위해서 구연산칼슘인산염 용액을 이용하는 방안에 대한 기초연구를 실험실 조건과 현장 조건에서 수행하였다. 실험실 조건에서 구연산칼슘인산염 용액을 투여한 실험 결과, 고압멸균처리한 반응조에 비해 토착미생물 군집이 존재하는 반응조에서 용존 인산염의 농도가 현격히 감소하였으며, 중금속 안정화율도 높다는 것을 확인하였다. 현장 실험에서도 구연산칼슘인산염 용액 투여가 용존 인산염 감소와 중금속 안정화 결과를 가져왔다. 이는 미생물의 인산염 사용이 중금속 안정화 향상에 도움이 되었음을 의미한다. 현장 실험에서 미생물군집을 분석한 결과, 구연산칼슘인산염 용액 투여로 다양성이 증대되었으며, Anaerofilum과 Treponema 같은 혐기성 미생물 개체가 우점종으로 발현되는 결과를 얻었다. 이러한 결과들을 살펴볼 때, 구연산칼슘인산염의 투여로 인한 토착미생물 신진대사 활성화를 통해서 토양 내 혐기성 환원 조건을 제공하거나 토양미생물이 인산염을 중금속 안정화에 이용되기 쉽게 도와주는 미지의 기작을 통해서 해당 현장의 중금속 안정화에 기여한 것으로 해석된다.
거풍광산 주변 밭의 오염된 중금속을 토양오염공정시험법과 TCLP를 이용하여 분석한 결과 비소, 납, 카드뮴, 구리, 아연과 같은 중금속의 농도가 전국 토양 평균치를 초과하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 중금속 오염된 토양의 안정화를 위해서 구연산칼슘인산염 용액을 이용하는 방안에 대한 기초연구를 실험실 조건과 현장 조건에서 수행하였다. 실험실 조건에서 구연산칼슘인산염 용액을 투여한 실험 결과, 고압멸균처리한 반응조에 비해 토착미생물 군집이 존재하는 반응조에서 용존 인산염의 농도가 현격히 감소하였으며, 중금속 안정화율도 높다는 것을 확인하였다. 현장 실험에서도 구연산칼슘인산염 용액 투여가 용존 인산염 감소와 중금속 안정화 결과를 가져왔다. 이는 미생물의 인산염 사용이 중금속 안정화 향상에 도움이 되었음을 의미한다. 현장 실험에서 미생물군집을 분석한 결과, 구연산칼슘인산염 용액 투여로 다양성이 증대되었으며, Anaerofilum과 Treponema 같은 혐기성 미생물 개체가 우점종으로 발현되는 결과를 얻었다. 이러한 결과들을 살펴볼 때, 구연산칼슘인산염의 투여로 인한 토착미생물 신진대사 활성화를 통해서 토양 내 혐기성 환원 조건을 제공하거나 토양미생물이 인산염을 중금속 안정화에 이용되기 쉽게 도와주는 미지의 기작을 통해서 해당 현장의 중금속 안정화에 기여한 것으로 해석된다.
A farming area located near an abandoned copper mine in GuPo-ri, Choongchung province is heavily contaminated with heavy metals such as As, Pb, Cd, Cu and Zn of which concentrations are higher than the values typically detected in Korean soil environment. In this work, laboratory and field studies w...
A farming area located near an abandoned copper mine in GuPo-ri, Choongchung province is heavily contaminated with heavy metals such as As, Pb, Cd, Cu and Zn of which concentrations are higher than the values typically detected in Korean soil environment. In this work, laboratory and field studies were conducted to examine feasibility of using Ca-citrate-phosphate solution in stabilizing heavy metals in the polluted soils. In laboratory batch experiments with field soil, the addition of Ca-citrate-phosphate solution resulted in decrease of aqueous phase concentration of phosphate and improvement of heavy metal stabilization, compared to those for sterilized soil samples. This indicates that microbial uptake of phosphate may have provided positive effects on availability of phosphate toward heavy metal stabilization. According to microbial community analysis for the field experiment, the use of Ca-citrate-phosphate led to increased diversity of microbial populations, and strict anaerobic microorganisms such as Anaerofilum and Treponema became the most dominant populations in the solution-amended field experiments. These findings suggest that, when Ca-citrate-phosphate is used for heavy metal stabilization in soils, microbial processes may have important roles in improving the stabilization of heavy metals by providing reducing conditions to the treatment locations or/and by making phosphate available to heavy metal stabilization.
A farming area located near an abandoned copper mine in GuPo-ri, Choongchung province is heavily contaminated with heavy metals such as As, Pb, Cd, Cu and Zn of which concentrations are higher than the values typically detected in Korean soil environment. In this work, laboratory and field studies were conducted to examine feasibility of using Ca-citrate-phosphate solution in stabilizing heavy metals in the polluted soils. In laboratory batch experiments with field soil, the addition of Ca-citrate-phosphate solution resulted in decrease of aqueous phase concentration of phosphate and improvement of heavy metal stabilization, compared to those for sterilized soil samples. This indicates that microbial uptake of phosphate may have provided positive effects on availability of phosphate toward heavy metal stabilization. According to microbial community analysis for the field experiment, the use of Ca-citrate-phosphate led to increased diversity of microbial populations, and strict anaerobic microorganisms such as Anaerofilum and Treponema became the most dominant populations in the solution-amended field experiments. These findings suggest that, when Ca-citrate-phosphate is used for heavy metal stabilization in soils, microbial processes may have important roles in improving the stabilization of heavy metals by providing reducing conditions to the treatment locations or/and by making phosphate available to heavy metal stabilization.
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문제 정의
본 공정의 특징은 기존에 사용되고 있는 액상 인산염 용액과 달리 상대적으로 깊이 존재하는 오염토양까지 정화할 수 있고, 복합적인 화학반응으로 중금속의 안정화를 극대화 할 수 있으며, 광범위한 토양오염 지역에 적용할 수 있다는데 있다.1,7) 본 연구는 폐광산 주변의 오염토양을 이용한 실내실험과 현장실험을 통하여 하이드록시 아파타이트의 생성에 의한 중금속 안정화의 전체적인 효율성을 고찰하고 안정화 과정에서 토양 미생물이 미치는 영향에 대한 기초 연구에 그 목적이 있다.
거풍지역의 오염된 토양내에 존재하는 중금속의 안정화를 위하여, 친환경 반응 매질인 구연산칼슘인산염 용액을 중금속으로 오염된 토양에 적용 시 토양미생물이 미치는 영향에 대해서 실험실 및 현장 조건의 실험을 본 연구에서 수행하였다. 주요 연구결과는 다음과 같다.
본 연구에서 사용한 멸균방법에 의한 물리화학적 영향이 상기에 결론에 미칠 가능성에 대해서도 아래에서 고찰하여 보았다. 본 연구에서 사용한 고온가압(121℃, 1.
제안 방법
25 μL, template DNA 20 ng에 증류수를 포함하여 최종부피 25 μL로 실험하였다. 1000TM Thermal Cycler를 이용하여 PCR을 통해 증폭하였으며, 처음 94℃에서 3분, 그리고 30 cycle 동안 94℃에서 1분, 55℃에서 30초, 그리고 72℃에서 2분 동안 반응시켰고, 마지막 단계에서는 5분 동안 반응시켰다. 증폭한 16S rDNA 유전자를 QIAquick PCR purification Kit (Qiagen Inc.
3기압)로 1시간 동안 고압/고온 처리 등 전처리 과정을 거친 미생물이 존재하지 않는 반응조(GA)와 현장 토양상태를 그대로 유지한 미생물이 존재할 것으로 추정되는 반응조(GX)로 나누었다.8,9) 실험은 50 mL centrifuge tube에 각각 20 g씩 채워 넣어 총 56개 반응조를 구성하였고, 총 주입되는 시약들은 구연산나트륨(Sodium Citrate) 60중량%, 질산암모늄(Ammonium Nitrate) 1중량%, 인산나트륨(Sodium Phosphate) 25중량%의 분율로 조제하였으며, 혼합 몰비율은 칼슘 농도 30 mM, 구연산염 농도 30 mM, 인산염 농도 20 mM으로 조성하여 Ca : Citrate : Phosphate = 3 : 3 : 2가 되게 하였으며, 토양미생물의 성장을 돕는 영양분으로서 사용한 질산염 농도는 1 mM으로 조성하였다. 수중에서 칼슘과 구연산염이 만나 Ca-citrate 복합체를 형성하는 Ca/Citrate의 비는 3이지만, 칼슘이 인산염과 만나 침전물을 생성하기 전에 구연산 염과 반응하여 다량의 Ca-citrate 복합체를 조성해야 하기 때문에 구연산염의 비율을 높였으며, 중금속을 포함한 apatite의 Ca/P 최적비는 3/2(Ca10-xMx(PO4)6(OH)2)이므로 범위를 상기된 내용과 같이 설정하였다.
PCR (Polymerase Chain Reaction) 증폭을 위해, 10 μM의 27f-FAM과 1492r primer용액 0.5 μL, 5 U/μL Taqpolymerase(Fermentas, Germany)를 0.25 μL, template DNA 20 ng에 증류수를 포함하여 최종부피 25 μL로 실험하였다.
거풍광산에서 채취한 밭토양에 대한 심도별 온도, pH, 유기물 함량, 주요원소 분석등을 수행하였다. 심도별 온도와 pH는 현장에서 측정하였으며 유기물 함량은 작열감량(LOI, loss on ignition) 시험을 통하여 측정하였다.
미생물 존재 유무에 따른 중금속 안정화와 반응조 내의 화학적 변화에 대한 차이에 대해 알아보기 위하여, TCLP에 근거한 회분식 반응조 실험(batch test)을 수행하였다. 거풍지역의 토양시료의 존재하는 미생물을 제거하기 위하여 토양의 물리화학적 상태의 변화를 최소화하는 autoclave(121℃, 1.3기압)로 1시간 동안 고압/고온 처리 등 전처리 과정을 거친 미생물이 존재하지 않는 반응조(GA)와 현장 토양상태를 그대로 유지한 미생물이 존재할 것으로 추정되는 반응조(GX)로 나누었다.8,9) 실험은 50 mL centrifuge tube에 각각 20 g씩 채워 넣어 총 56개 반응조를 구성하였고, 총 주입되는 시약들은 구연산나트륨(Sodium Citrate) 60중량%, 질산암모늄(Ammonium Nitrate) 1중량%, 인산나트륨(Sodium Phosphate) 25중량%의 분율로 조제하였으며, 혼합 몰비율은 칼슘 농도 30 mM, 구연산염 농도 30 mM, 인산염 농도 20 mM으로 조성하여 Ca : Citrate : Phosphate = 3 : 3 : 2가 되게 하였으며, 토양미생물의 성장을 돕는 영양분으로서 사용한 질산염 농도는 1 mM으로 조성하였다.
구연산칼슘인산염 용액을 토양에 투입시킨 후 각 심도(1∼10 cm, 11∼20 cm, 21∼30 cm)에서 채취한 토양에서 용출된 인산염의 농도는 몇 시료를 제외하고 대체로 10 mg/kg 내에서 분포하였다(Fig. 4).
구연산칼슘인산염 용액의 현장 적용 평가를 위해 거풍광산 주변의 경작지 중 다양한 중금속 원소에 의해 오염된 지역(밭 토양)을 선정하여 현장토양을 대상으로 물리·화학·생물학적 조사 및 반응용액의 현장 적용시험을 수행하였다.
1 N HCl을 사용하여 약 4시간 동안 진탕한 후 ICP-AES를 사용하였다. 또한 토양에 존재하는 인산염의 농도와 미생물 군집 분석을 수행하였다. 실험기간동안의 평균기온은 8월 21.
미생물 존재 유무에 따른 중금속 안정화와 반응조 내의 화학적 변화에 대한 차이에 대해 알아보기 위하여, TCLP에 근거한 회분식 반응조 실험(batch test)을 수행하였다. 거풍지역의 토양시료의 존재하는 미생물을 제거하기 위하여 토양의 물리화학적 상태의 변화를 최소화하는 autoclave(121℃, 1.
3) 반응 비율은 20 g/20 mL = 1 : 1로 맞추었으며, 총 10일간 7개 포인트를 보는 것으로 구성하였다. 반응조는 섭씨 22도의 조건에서 교반기를 이용하여 50 rpm을 유지하면서 교반하여 반응 후 토양의 중금속과 인산염 농도를 분석하였다.
45 μm 여과지로 거른 뒤 분석을 수행하였다. 비소(As) 함량을 측정하기 위해서 전처리 시에 염산용액(1 N)과 진탕시간(30분)을 달리하였다.12) 아연(Zn)의 경우 왕수(aqua regia)를 이용하여 추출하였다.
8,9) 실험은 50 mL centrifuge tube에 각각 20 g씩 채워 넣어 총 56개 반응조를 구성하였고, 총 주입되는 시약들은 구연산나트륨(Sodium Citrate) 60중량%, 질산암모늄(Ammonium Nitrate) 1중량%, 인산나트륨(Sodium Phosphate) 25중량%의 분율로 조제하였으며, 혼합 몰비율은 칼슘 농도 30 mM, 구연산염 농도 30 mM, 인산염 농도 20 mM으로 조성하여 Ca : Citrate : Phosphate = 3 : 3 : 2가 되게 하였으며, 토양미생물의 성장을 돕는 영양분으로서 사용한 질산염 농도는 1 mM으로 조성하였다. 수중에서 칼슘과 구연산염이 만나 Ca-citrate 복합체를 형성하는 Ca/Citrate의 비는 3이지만, 칼슘이 인산염과 만나 침전물을 생성하기 전에 구연산 염과 반응하여 다량의 Ca-citrate 복합체를 조성해야 하기 때문에 구연산염의 비율을 높였으며, 중금속을 포함한 apatite의 Ca/P 최적비는 3/2(Ca10-xMx(PO4)6(OH)2)이므로 범위를 상기된 내용과 같이 설정하였다.3) 조제된 반응용액은 1 M NaOH를 사용하여 pH를 7.
시료 1 g을 50 mL의 centrifuge tube에 담아 각각 0.1 N의 염산용액 10 mL를 넣은 후, 항온 수평 진탕기(100회/분, 진폭 10 cm)를 사용하여 30℃를 유지하면서 1시간 동안 진탕시킨 다음 0.45 μm 여과지로 거른 뒤 분석을 수행하였다.
시료의 인산염 농도 분석을 위해 시료를 원심분리기를 이용하여 계층분리한 후, 0.45 μm 필터페이퍼(filter paper)로 여과시켰다.
거풍광산에서 채취한 밭토양에 대한 심도별 온도, pH, 유기물 함량, 주요원소 분석등을 수행하였다. 심도별 온도와 pH는 현장에서 측정하였으며 유기물 함량은 작열감량(LOI, loss on ignition) 시험을 통하여 측정하였다. 작열감량은 전기로에서 섭씨 450도로 4시간 동안 가열한 후 전후 질량 차이를 이용하여 계산하였다.
용출방법은 토양시료 5 g를 100 mL의 Nalgen bottle에 넣고 용출액을 40 mL를 넣은 후에 진동장치에 넣어 30±2 rpm으로 상온에서 약 18±2시간 동안 진탕시킨 다음 0.45μm Membrane Filter를 사용하여 여과한 후 분석하였다.
따라서 칼슘과 인산염이 별도의 처리없이 토양에 주입될 경우, 표토층이나 토양의 천부에서 빠르게 침전하여 심부에 있는 중금속 처리가 불가능하게 된다. 이 점을 보완하기 위해 본 연구에서는 칼슘용액에 구연산(citrate)을 첨가하여 Ca-citrate 복합체의 생성을 일차적으로 유도, 아파타이트가 토양의 표토층에서 침전하지 않게 하였다. Ca-citrate 복합체는 인산염 용액과 함께 지중으로 침투하게 되고 이 후 서서히 토착 토양미생물에 의한 구연산의 생분해가 이루어지면서 칼슘을 용출시키게 된다.
심도별 온도와 pH는 현장에서 측정하였으며 유기물 함량은 작열감량(LOI, loss on ignition) 시험을 통하여 측정하였다. 작열감량은 전기로에서 섭씨 450도로 4시간 동안 가열한 후 전후 질량 차이를 이용하여 계산하였다. 토양의 주원소는 XRF로 분석하였다.
현장토양시료는 총 62일 동안 5회에 걸쳐 타격식 비교란 시료 채취도구를 이용하여 지중 30 cm까지 투입한 후 제거하여 10 cm 간격으로 분리하여 분석하였다. 중금속 측정을 위해서, 시료는 0.1 N HCl을 사용하여 약 4시간 동안 진탕한 후 ICP-AES를 사용하였다. 또한 토양에 존재하는 인산염의 농도와 미생물 군집 분석을 수행하였다.
증폭한 16S rDNA 유전자를 QIAquick PCR purification Kit (Qiagen Inc.)를 이용하여 정제한 후, 정제한 DNA를 TangoTM buffer, 증류수, 10U의 제한효소 HhaI을 사용하여 20 μL로 맞추어 37℃에서 4시간 동안 반응시켰다.
적용되는 토양과 안정화 용액의 비율은 2 : 1의 부피 비를 사용하였으며, 600 L의 안정화 용액이 적용되었다. 토양에 Ca-citrate를 먼저 적용하고 24시간 후에 인산염 용액을 적용하였다. 현장토양시료는 총 62일 동안 5회에 걸쳐 타격식 비교란 시료 채취도구를 이용하여 지중 30 cm까지 투입한 후 제거하여 10 cm 간격으로 분리하여 분석하였다.
지역의 밭 토양시료는 광미야적장 하부에 위치한 밭의 중앙부에서 채취하였으며, 지표로부터 45 cm까지 15 cm 간격으로 3개의 구간으로 나눈 후 혼합하였다. 토양의 오염현황을 파악하기 위해 각 심도별 중금속 분석(토양오염공정시험법, Toxicity Characteristic Leaching Procedure)과 미생물 군집 분석을 수행하였다.
작열감량은 전기로에서 섭씨 450도로 4시간 동안 가열한 후 전후 질량 차이를 이용하여 계산하였다. 토양의 주원소는 XRF로 분석하였다.
현장실험에 사용된 토양오염공정시험법상의 시료 전처리 규정에 정해진 바와 같이 미량원소의 용출함량을 측정하기 위해 토양을 건조한 후, 2 mm(10번체)체질한 토양의 1/4을 파쇄하여 100 mesh 체질을 수행하여 나온 토양을 이용하였다. 시료 1 g을 50 mL의 centrifuge tube에 담아 각각 0.
현장실험에서 미생물의 영향 분석을 위해서 미생물군집 분석을 구연산칼슘인산염 투여 전과 후에 각각 수행하여서 비교하였다. 구연산칼슘인산염을 투여 전과 투여 후, 각각의 미생물 다양성을 측정한 결과, Shannon index, Richness, Evenness가 투여 후에 커진 것을 알 수 있다(Table 3).
토양에 Ca-citrate를 먼저 적용하고 24시간 후에 인산염 용액을 적용하였다. 현장토양시료는 총 62일 동안 5회에 걸쳐 타격식 비교란 시료 채취도구를 이용하여 지중 30 cm까지 투입한 후 제거하여 10 cm 간격으로 분리하여 분석하였다. 중금속 측정을 위해서, 시료는 0.
대상 데이터
1 N HCl을 쓰도록 각각 명시되어 있다. 안정화된 상태로 추정되는 결정이 왕수에 의해 깨져 안정화 유무를 판단하기 어려우므로 현장 실험에서는 왕수 대신 0.1 N HCl를 사용하였다. 62일 동안의 안정화율은 Zn 37∼47%, Cu 28∼55%, Pb 29∼40%로 나타났으나, As의 경우 측정치들이 불규칙한 진동을 보이고 있어 안정화의 유무를 판단하기 어렵다.
처리용액의 농도는 Batch Test와 동일한 칼슘 농도 30 mM, 인산염 농도 20 mM, 구연산염 농도 30 mM, 질산 농도는 1 mM을 사용하였다. 적용되는 토양과 안정화 용액의 비율은 2 : 1의 부피 비를 사용하였으며, 600 L의 안정화 용액이 적용되었다. 토양에 Ca-citrate를 먼저 적용하고 24시간 후에 인산염 용액을 적용하였다.
이러한 영향을 받아 거풍 밭지역에는 전반적으로 오염도가 높은 것으로 확인되었다. 지역의 밭 토양시료는 광미야적장 하부에 위치한 밭의 중앙부에서 채취하였으며, 지표로부터 45 cm까지 15 cm 간격으로 3개의 구간으로 나눈 후 혼합하였다. 토양의 오염현황을 파악하기 위해 각 심도별 중금속 분석(토양오염공정시험법, Toxicity Characteristic Leaching Procedure)과 미생물 군집 분석을 수행하였다.
토양미생물 종 다양성을 측정하기 위해서 다음과 같은 방법을 사용하였다. 채취한 토양 시료를 UltraCleanTM Soil Isolation Kit (MOBIO Laboratories, Inc., USA)를 이용하여 DNA를 추출하였고, 그 genomic DNA로부터 16S rDNA 유전자 증폭을 위한 bacterial universal primers 27f-FAM[fluorescence labeled](AGAGT TTGAT CATGG CTCAG)와 1492r(TACGG TTACC TTGTTA CGACTT)가 사용되었다. PCR (Polymerase Chain Reaction) 증폭을 위해, 10 μM의 27f-FAM과 1492r primer용액 0.
데이터처리
)를 이용하여 정제한 후, 정제한 DNA를 TangoTM buffer, 증류수, 10U의 제한효소 HhaI을 사용하여 20 μL로 맞추어 37℃에서 4시간 동안 반응시켰다. T-RFLP (terminal-restriction fragment length polymorphism) 분석을 위해 제한효소로 처리된 DNA는 서울대학교 농업과학공동기기센터(NICEM)에서 단편분석을 하였다(96-capillary 3730xl DNA Analyzer, ABI). 결과로 얻은 electropherogram은 Gene Mapper Software v4.
이론/모형
T-RFLP (terminal-restriction fragment length polymorphism) 분석을 위해 제한효소로 처리된 DNA는 서울대학교 농업과학공동기기센터(NICEM)에서 단편분석을 하였다(96-capillary 3730xl DNA Analyzer, ABI). 결과로 얻은 electropherogram은 Gene Mapper Software v4.0 (ABI)를 사용하였으며, 이것은 다양한 peak height로 나열된 미생물 군집에 해당하는 profile이다. Electropherogram의 peak들을 사용하여 미생물 종 다양성 지수인 Shannon index (H), Evenness (e), species richness (d)를 계산하였다.
성능/효과
1) 본 연구의 실험실 결과, 용존 인산염 농도가 낮은 경우인 비멸균된 토양시료에서 중금속 안정화가 더 진행되었다. 이는 토양미생물이 아파타이트 생성을 통한 중금속 고정화에 영향을 준다는 것을 보여주는 결과이다.
2) 심도별로 큰 차이 없이 중금속 농도가 감소하는 경향을 보인 현장 실험 결과를 통해 구연산칼슘인산염 용액은 천부에서 심부(∼30 cm)까지 중금속 안정화에 효과가 있다는 것을 확인하였다.
5로 조정하였다.3) 반응 비율은 20 g/20 mL = 1 : 1로 맞추었으며, 총 10일간 7개 포인트를 보는 것으로 구성하였다. 반응조는 섭씨 22도의 조건에서 교반기를 이용하여 50 rpm을 유지하면서 교반하여 반응 후 토양의 중금속과 인산염 농도를 분석하였다.
3) 현장실험에서 구연산칼슘인산염 용액을 투여한 토양시료내 미생물 군집을 분석한 결과 종의 다양성이 증대되었고, Anaerofilum이나 Treponema과 같은 절대 혐기성 미생물 개체들이 성장할 수 있는 환원적 혐기성 조건이 조성되었음을 알 수 있었다. 이러한 환원조건에서 중금속이 안정화되기 쉬운 화학적 형태로 전환되었을 것으로 판단된다.
4) 상기의 실험실 조건과 현장조건에서 도출된 결과에 의하면 구연산칼슘인산염 용액을 중금속으로 오염된 토양에 적용하는 경우, 토양미생물이 중금속 안정화에 순기능적인 영향을 주는 것으로 사료된다.
즉, 토양 미생물의 종 다양성이 증대되었다고 판단된다. Ca-citrate solution과 phosphate solution을 적용하기 전과 적용 후의 미생물 군집 분석 결과(Fig. 6), 통기성 및 호기성 Azoarcus, Hyphomonas, Rhodobacter, Vibrio는 거의 사라진데 반해 혐기성 세균인 Anaerofilum, Treponema의 발현이 두드러지게 나타난 것을 볼 수 있다. 이 두 미생물 개체는 혐기성 조건에서 성장하는 특징이 있는데17,18) 구연산칼슘인산염에 의해서 호기성 세균들에 의해서 산소가 고갈되고 이러한 혐기성 미생물들이 구연산을 탄소에너지 기질로 해서 성장한 것으로, 구연산칼슘인산염의 투여로 표토층이 보다 더 혐기조건으로 전환한 것으로 판단된다.
구연산칼슘인산염을 투여 전과 투여 후, 각각의 미생물 다양성을 측정한 결과, Shannon index, Richness, Evenness가 투여 후에 커진 것을 알 수 있다(Table 3). Richness의 증가보다 Evenness의 증가가 두드러진 점을 감안할 때 개체의 개수의 증가보다 균등분포의 정도가 커짐으로써 Shannon index가 커졌다는 것을 알 수 있다. 즉, 토양 미생물의 종 다양성이 증대되었다고 판단된다.
가장 낮은 심도(1∼10 cm)에서 일시적으로(35 days) 용출된 인산염이 10 mg/kg 이상의 농도로 검출되었으나 그 이후에 안정화됨을 보였다.
거풍지역의 밭토양의 중금속 농도를 토양오염공정시험법(KST, 0.1 N HCl)으로 분석한 결과(Table 2), 비소, 카드뮴, 아연의 경우 토양오염우려기준치 가 지역을 초과하고 있다. 납의 경우 우려기준치보다는 낮으나 전국평균치의 약 8배로 측정이 되었으며 구리의 경우 우려기준치에 근접하는 것으로 나타났다.
현장실험에서 미생물의 영향 분석을 위해서 미생물군집 분석을 구연산칼슘인산염 투여 전과 후에 각각 수행하여서 비교하였다. 구연산칼슘인산염을 투여 전과 투여 후, 각각의 미생물 다양성을 측정한 결과, Shannon index, Richness, Evenness가 투여 후에 커진 것을 알 수 있다(Table 3). Richness의 증가보다 Evenness의 증가가 두드러진 점을 감안할 때 개체의 개수의 증가보다 균등분포의 정도가 커짐으로써 Shannon index가 커졌다는 것을 알 수 있다.
1 N HCl)으로 분석한 결과(Table 2), 비소, 카드뮴, 아연의 경우 토양오염우려기준치 가 지역을 초과하고 있다. 납의 경우 우려기준치보다는 낮으나 전국평균치의 약 8배로 측정이 되었으며 구리의 경우 우려기준치에 근접하는 것으로 나타났다.16) TCLP로 분석한 결과 또한 Table 2에 함께 나타내었다.
이는 미생물에 의해 중금속 안정화가 증가했을 가능성을 반증한다. 따라서 본 연구에서 사용한 멸균 공시료 실험과 대조함으로서 미생물의 영향을 구체적이고 체계적으로 보이었다고 할 수 있다.
용출된 칼슘은 인산염과 반응하여 아파타이트를 생성하게 되고 그 과정에서 주변에 존재하는 토양 중금속을 흡착/흡수하거나 공침시켜 중금속의 안정화를 유도하게 된다. 본 공정의 특징은 기존에 사용되고 있는 액상 인산염 용액과 달리 상대적으로 깊이 존재하는 오염토양까지 정화할 수 있고, 복합적인 화학반응으로 중금속의 안정화를 극대화 할 수 있으며, 광범위한 토양오염 지역에 적용할 수 있다는데 있다.1,7) 본 연구는 폐광산 주변의 오염토양을 이용한 실내실험과 현장실험을 통하여 하이드록시 아파타이트의 생성에 의한 중금속 안정화의 전체적인 효율성을 고찰하고 안정화 과정에서 토양 미생물이 미치는 영향에 대한 기초 연구에 그 목적이 있다.
본 연구에서 사용한 멸균방법에 의한 물리화학적 영향이 상기에 결론에 미칠 가능성에 대해서도 아래에서 고찰하여 보았다. 본 연구에서 사용한 고온가압(121℃, 1.3기압) 조건에서 미생물들은 효과적으로 멸균되지만 토양의 물리적 특성은 변하지 않으며, 인의 흡착 거동에는 변화가 없는 것으로 판단된다.8,9) 단 고온처리 의해서 중금속의 침전이 생길 수 있는데, 만약 이러한 변화가 심각한 영향을 주었다면 멸균처리한 시료에서 중금속의 용출농도가 감소해야 한다.
토양시료에서 멸균 처리된 토양시료보다 구리와 아연 용출가능의 정도가 감소하였다. 이 결과는 미생물의 성장 및 신진대사가 중금속 고정화에 순기능이 있다는 것을 의미한다. 미생물의 영향에 대한 가능한 설명은 첫째, 미생물이 칼슘구연산의 구연산염을 소모해서 칼슘이 가용하게 되었을 가능성이다.
미생물의 영향에 대한 가능한 설명은 첫째, 미생물이 칼슘구연산의 구연산염을 소모해서 칼슘이 가용하게 되었을 가능성이다. 일반적인 화학적 이론으로 보면 아파타이트의 생성은 높은 인산염 농도와 높은 칼슘이온 농도에 의해서 증가하고 이에 의해서 중금속 고정화가 증가되는 것인데 본 연구의 결과에서는 용존 인산염 농도가 낮은 경우인 비 멸균된 토양시료에서 중금속 고정화가 더 진행되었다. 이는 아파타이트 생성을 통한 중금속 고정화에 토양미생물이 어떠한 영향을 주는 것을 보여주는 결과이다.
3에 나타내었다. 토양시료에서 멸균 처리된 토양시료보다 구리와 아연 용출가능의 정도가 감소하였다. 이 결과는 미생물의 성장 및 신진대사가 중금속 고정화에 순기능이 있다는 것을 의미한다.
15) 이는 토양 pH를 낮추는 광산 폐석이나 광미가 심부에 존재하고 있음을 추측할 수 있다. 토양의 유기물 함량은 평균 4.5%였으며 역시 심도에 따라 감소하는 특성을 보여주었고 이는 지표의 유기물이 지하로 용이하게 침투되지 못하고 있음을 나타낸다. 토양의 주성분은 Fig.
1에 나타내었다. 토양의 주성분 중 실리카와 알루미늄, 철, 포타슘의 함량이 높은 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재까지 토양세척법의 한계는 무엇인가?
오염된 토양 내 중금속 정화를 위해 많은 연구가 진행되고 있으나, 토양 내 중금속 성분은 화학적으로 분해되지 않는 특성 때문에 효과적인 처리기술이 제시되지 않고 있다. 토양세척법(Soil Washing)은 중금속 정화에 비교적 효과적이나 비용이 높은 문제점을 가지고 있으며, 광범위한 오염부지에 적용할 수 없다는 단점이 있다. 현장에서 세정액을 주입하여 중금속을 제거하는 토양세정법(Soil Flushing)은 중금속 제거에 효과적이나 중금속을 함유하는 침출액을 처리해야하는 2차적 공정이 필요한 단점이 있다.
현재까지 토양세정법의 장점 및 한계는 무엇인가?
토양세척법(Soil Washing)은 중금속 정화에 비교적 효과적이나 비용이 높은 문제점을 가지고 있으며, 광범위한 오염부지에 적용할 수 없다는 단점이 있다. 현장에서 세정액을 주입하여 중금속을 제거하는 토양세정법(Soil Flushing)은 중금속 제거에 효과적이나 중금속을 함유하는 침출액을 처리해야하는 2차적 공정이 필요한 단점이 있다. 최근 대두되고 있는 동전기법(Electrokinetic Remediation) 및 식물정화법(Phytoremediation) 등은 기술의 현장적용에 있어서 그 효율성이 아직 입증되지 않은 상태이다.
거풍지역의 오염된 토양내에 존재하는 중금속의 안정화를 위하여, 친환경 반응 매질인 구연산칼슘인산염 용액을 중금속으로 오염된 토양에 적용 시 토양미생물이 미치는 영향에 대한 연구 결과는 어떠한가?
1) 본 연구의 실험실 결과, 용존 인산염 농도가 낮은 경우인 비멸균된 토양시료에서 중금속 안정화가 더 진행되었다. 이는 토양미생물이 아파타이트 생성을 통한 중금속 고정화에 영향을 준다는 것을 보여주는 결과이다. 미생물은 아파타이트 생성을 통한 중금속 고정화 및 공침에 순기능적이며, 직접적인 효과를 제공할 수도 있다. 또한, 기질인 구연산을 이용하여 신진대사를 하는 호기성 미생물에 의한 산소 소모가 토양환경을 혐기성 환원 환경으로 조성하여 중금속이 안정화되기 쉬운 화학적 형태로 전이하였을 가능성도 있다.
2) 심도별로 큰 차이 없이 중금속 농도가 감소하는 경향을 보인 현장 실험 결과를 통해 구연산칼슘인산염 용액은 천부에서 심부(∼30 cm)까지 중금속 안정화에 효과가 있다는 것을 확인하였다.
3) 현장실험에서 구연산칼슘인산염 용액을 투여한 토양시료내 미생물 군집을 분석한 결과 종의 다양성이 증대되었고, Anaerofilum이나 Treponema과 같은 절대 혐기성 미생물 개체들이 성장할 수 있는 환원적 혐기성 조건이 조성되었음을 알 수 있었다. 이러한 환원조건에서 중금속이 안정화되기 쉬운 화학적 형태로 전환되었을 것으로 판단된다.
4) 상기의 실험실 조건과 현장조건에서 도출된 결과에 의하면 구연산칼슘인산염 용액을 중금속으로 오염된 토양에 적용하는 경우, 토양미생물이 중금속 안정화에 순기능적인 영향을 주는 것으로 사료된다.
Fernane, F., Mecherri, O. M., Sharrock, P., Hadioui, M., Lounici, H., and Fedoroff, M., “Sorption of cadmium and copper ions on natural and synthetic hydroxylapatite particles,” Mater Charact., 59(5), 554-559(2008)
Moore, R. C. and Sanchez, C., “Formation of hydroxyapatite in soil using calcium citrate and sodium phosphate for control of strontium migration,” Radiochim. Acta, 92(9-11), 719-723(2004)
Xu, Y., Schwartz, F. W., and Traina, S. J., “Sorption of $Zn^{2+}$ and $Cd^{2+}$ on hydroxyapatite surface,” Environ. Sci. Technol., 28(8), 1472-1480(1994)
Andrew, V. O., Mark, L. M., James, B. H., Jeffrey, B., and Charles, A. P., “Effect of DNA polymer length on its Adsorption to soils,” Appl. Environ. Microbiol., 60(2), 393-396(1994)
Khanna, M. and Stotzky, G., “Transformation of Bacillus subtilis by DNA bound on montmorillonite and effect of DNase on the transforming ability of bound DNA,” Appl. Environ. Microbiol., 58(6), 1930-1939(1992)
Bertocchi, A. F., Ghiani, M., Peretti, R., Zucca, A., “Red mud and fly ash for remediation of mine sites contaminated with As, Cd, Cu, Pb and Zn,” J. Hazard. Mater., 134(1-3), 112-119(2006)
U.S Environmental Protection Agency Home Page, http://www.epa.gov/sw-846 /pdfs/1311(1992)
기동원, 박준홍, 이재진, 노백호, “현장 측정된 토양미생물 종 다양성과 생태자연도 등급 자료 간의 통계적 상관관계 평가와 토양생태의 질 산정방안 제안,” 대한토목학회논문집, 27(6B), 703-710(2007)
환경부, 2007년 토양측정망 및 실태조사 결과, http://www.me.go.kr/depart/dev/info_menu_dept.jsp?depart_code0063(2007)
환경부, 토양환경보전법 시행규칙 별표3 토양오염우려기준
Dupont, D. P., Duhamel, G. E., Carlson, M. P., and Mathiesen, M. R., “Effect of divalent cations on hemolysin synthesis by Serpulina (Treponema) hyodysenteriae: inhibition induced by zinc and copper,” Vet. Microbiol., 41(1-2), 63-73(1994)
Zellner, G., Stackebrandt, E., Nagel, D., Messner, P., Weiss, N., and Winter, J., “Anaerofilum pentosovorans gen. nov., sp. nov., and Anaerofilum agile sp. nov., two new, strictly anaerobic, mesophilic, acidogenic bacteria from anaerobic bioreactors,” Int. J. Syst. Bacteriol., 46(4), 871-875(1996)
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