[논문]토착균주 활성화를 위한 산소발생제 MgO2 투입에 의한 연안저질의 이화학적 성분 변화 관찰

배환진; 조대철; 권성현

doi:10.5322/jes.2010.19.5.617

토착균주 활성화를 위한 산소발생제 MgO2 투입에 의한 연안저질의 이화학적 성분 변화 관찰
Enviro-Chemical Changes in Shoreline Sediment by MgO2 for Enhancement of Indigenous Microbial Activity 원문보기

한국환경과학회지 = Journal of the environmental sciences, v.19 no.5, 2010년, pp.617 - 625

배환진 (경상대학교 해양과학대학 해양환경공학과(해양산업연구소)) , 조대철 (순천향대학교 에너지환경공학과) , 권성현 (경상대학교 해양과학대학 해양환경공학과(해양산업연구소))

Abstract ▼ AI-Helper

Rapid industrialization has brought Nam-Hae area serious environmental problems associated with released oil and other hydrocarbons. In this work, in order to enhance the quality of the shoreline sediment we made enviro-chemical analyses of its substances, TPHs and microbial growth after treating with oxygen releasing compound(ORC) such as $MgO_2$. Total organic compound(TOC) was reduced from 33.45% to 25.1~31.08% meanwhile COD decreased from 27.5~28.9mg/$g{\cdot}dry$ to 19.9~26.1mg/$g{\cdot}dry$ for input of 2~10% $MgO_2$ in 20days. For 10% $MgO_2$ input, TP and TN were reduced by 13.3% and 18.8%, respectively. Most of all TPH was decomposed by max. 42.4% in 21days, and the total viable count of microbes was found to be exponentially increased by 75.9%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이러한 반 폐쇄 또는 폐쇄성 연안의 저질 및 수질을 개선하고 나아가 저질생태계를 복원 시키고자 산소발생제(Oxygen Release Compounds: ORC)인 MgO₂를 이용한 생저감(Bioremediation)기술을 활용하여 산소발생제를 연안저질이나 해양퇴적물에 살포함으로써 MgO₂의 적용에 따른 효율성을 관찰하고자 한다.

제안 방법

시료의 pH는 시료채취 후 30초 이내에 측정하는 것을 원칙으로 하여, ORION model 210A로 측정하였다. 강열감량(Ignition Loss: IL)은 항량으로 건조된 시료를 550℃에서 강열 후 무게차이에 따른 계산법을 이용하였고, 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand: COD)은 알칼리성 과망간산칼륨법, 총 질소(Total Nitrogen: TN)와 총 인(Total Phosphorus: TP)은 각각 카드뮴환원법과 아스코르빈산환원법으로 비색 정량하여 분광광도계 UV-180(Shimadzu)로 각각 543nm, 885nm의 파장에서 측정하였다. 산 휘발성 황화물(Acid Volatile Sulfide: AVS)은 황검지관(Detectop Tube NO.
추출액을 크로마토그래피용 무수황산나트륨 10 g을 충전시킨 분리관을 통과시켜 탈수시킨 후, 탈수 시킨 유출액을 회전증발농축기로 2 ㎖가 될 때까지 농축하였다. 농축시킨 정량(1 ㎕)을 마이크로실린지로 GC-14B(shimadzu)에 주입하여 크로마토그램을 기록하였다. 노말알칸 표준액(C8～C40)의 머무름 시간(retention time)에 해당하는 피크의 범위를 구분하고, 모든 피크의 면적을 합산하여 식 (3)에 따라 미리 작성한 검량선으로부터 유류의 양(ng)을 구한 후, 석유계 총탄화수소의 함량(㎎/㎏)을 산출하였다.
도시 및 생활하수, 축산폐수, 기름류로 오염된 저질을 개선하기 위하여 산소발생제인 MgO₂를 이용한 이화학적 성분 및 기름류, 총 생균수의 변화를 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
분석 시 시료의 채취는 3주 동안 주 1회로 이루어졌으며 각 반응조에서 3군데를 채취, 혼합하여 10 g의 시료로 하였다. 우선 채취한 시료의 잔류 수분을 제거하기 위하여 무수황산나트륨(Na₂SO₃)을 충분량 첨가하여 혼합하였다.
분석 시 시료의 채취는 CaO₂를 제외한 각 반응조에서 3주 동안 주 1회로 이루어졌으며 10배, 50배, 100배 희석한 후, 액1 ㎖를 Marine Agar배지에 균일하게 접종한 후, 20℃에서 이틀간 배양하고, Colony Count로 배지상의 집락(colony)을 계산하고, 희석배수를 곱한 후 최종적으로 결과를 도출하였다.
를 2%, 5%, 10% 투여한 4개의 반응조로 구성하였다. 분석은 주 1회씩 총 5주간 실험하였고, 하루 3회 잘 저어 혼합하여 혐기화를 방지하고, 하루 1회 100배 희석된 여과 해수로 수분을 공급하여 함수율을 60%로 유지하였다.
강열감량(Ignition Loss: IL)은 항량으로 건조된 시료를 550℃에서 강열 후 무게차이에 따른 계산법을 이용하였고, 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand: COD)은 알칼리성 과망간산칼륨법, 총 질소(Total Nitrogen: TN)와 총 인(Total Phosphorus: TP)은 각각 카드뮴환원법과 아스코르빈산환원법으로 비색 정량하여 분광광도계 UV-180(Shimadzu)로 각각 543nm, 885nm의 파장에서 측정하였다. 산 휘발성 황화물(Acid Volatile Sulfide: AVS)은 황검지관(Detectop Tube NO.201H, GASTEC)을 사용하여 검지관에 흡수되는 황의 양을 읽어 정량하였다. 이화학적 성분 분석은 해양환경공정시험법(해양수산부, 2005)에 준하여 실시하였다.
시료의 pH는 시료채취 후 30초 이내에 측정하는 것을 원칙으로 하여, ORION model 210A로 측정하였다. 강열감량(Ignition Loss: IL)은 항량으로 건조된 시료를 550℃에서 강열 후 무게차이에 따른 계산법을 이용하였고, 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand: COD)은 알칼리성 과망간산칼륨법, 총 질소(Total Nitrogen: TN)와 총 인(Total Phosphorus: TP)은 각각 카드뮴환원법과 아스코르빈산환원법으로 비색 정량하여 분광광도계 UV-180(Shimadzu)로 각각 543nm, 885nm의 파장에서 측정하였다.
시료채취는 2008년 1월 통영연안에서 임의로 10 cm 깊이의 저질을 20 kg을 채취하여 실험실로 가져와 각각의 반응조에 1 kg씩 담았으며, 각 반응조는 산소발생제(MgO₂)를 처리하지 않은 대조구와 MgO₂의 성능 및 투입양에 따른 효율성을 테스트 하고자 MgO₂를 2%, 5%, 10% 투여한 4개의 반응조로 구성하였다. 분석은 주 1회씩 총 5주간 실험하였고, 하루 3회 잘 저어 혼합하여 혐기화를 방지하고, 하루 1회 100배 희석된 여과 해수로 수분을 공급하여 함수율을 60%로 유지하였다.
분석 시 시료의 채취는 3주 동안 주 1회로 이루어졌으며 각 반응조에서 3군데를 채취, 혼합하여 10 g의 시료로 하였다. 우선 채취한 시료의 잔류 수분을 제거하기 위하여 무수황산나트륨(Na₂SO₃)을 충분량 첨가하여 혼합하였다. 그리고 시료의 전처리 과정으로 Soxhlet Extraction방법으로 3개의 비등석을 넣은 500㎖ 환저플라스크에 디클로로메탄 200 ㎖를 넣고, 이 환저플라스크를 추출장치에 부착시켜 시간당 4～6싸이클을 유지하면서 24시간 동안 추출한 후 방냉하였다.
인은 폐쇄성해역에서 질소보다도 더 중요한 제한 기질로 작용한다. 인은 질소와 함께 생물의 성장에 필수적인 영양염류이므로 산소발생제(MgO₂)에 의한 인의 변화를 관찰 하였다. 각 반응조별 총 인(TP)의 농도를 조사한 결과, Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 산소발생제(Oxygen release compounds: ORC)는 분말형태의 Magnesium peroxide(MgO₂)를 구입하여 사용하였다. 이 MgO₂는 불용성이며 식 (1)과 같이 물과 반응하여 Magnesium hydroxide로 바뀌면서 산소를 배출시킨다(Tory, 1999; Barcelona과 Xie, 2001; Waite 등, 1999).

이론/모형

노말알칸 표준액(C8～C40)의 머무름 시간(retention time)에 해당하는 피크의 범위를 구분하고, 모든 피크의 면적을 합산하여 식 (3)에 따라 미리 작성한 검량선으로부터 유류의 양(ng)을 구한 후, 석유계 총탄화수소의 함량(㎎/㎏)을 산출하였다. 이 기름류의 분석은 토양오염공정시험법(환경부, 2008)에 준하여 실시하였으며, 분석 시 사용한 GC조건은 Table 1에 나타내었다.
201H, GASTEC)을 사용하여 검지관에 흡수되는 황의 양을 읽어 정량하였다. 이화학적 성분 분석은 해양환경공정시험법(해양수산부, 2005)에 준하여 실시하였다.

성능/효과

의 농도를 높일수록 정화효과가 높게 나타났다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 강열감량과 COD의 경우 그 정화효과가 24%와 27%로 높게 나타났으며, 이는 저질 내 미생물이 유기물을 분해 시 산소 소비가 극심하게 진행되는데 산소발생제의 산소공급에 의하여 유기물을 분해하는 유용미생물의 성장 및 유기물 분해시간을 단축시킨 결과로 사료된다. 반면에 TN의 경우, 4.
42%의 제거효율을 나타내었다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 강열감량은 초기 33.32%에서 20일 후, 25.1%로 크게 감소하였으며 이에 따른 제거효율 또한 24.7%로 높게 나타났다.
6%의 제거율을 나타내었다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 초기 0.048 mg/g에서 20일 후, 0.022 mg/g로 크게 감소하였으며 제거율 또한 54.2%로 가장 높게 나타났다.
7%의 제거율을 보였다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 초기 COD농도는 27.5 mg/g.dry에서 MgO₂를 2%, 5% 투여 시와 마찬가지로 점차 COD농도가 감소하여 20일 후, 19.95 mg/g.dry로 27.5%의 높은 제거효율을 보였다.
7%의 제거율을 나타내었다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 초기 TPH농도는 1,969.4 mg/kg에서 21일 후, 1,134 mg/kg로 감소하였으며 42.4%로 높은 제거효율을 보였다. Fig.
10%의 MgO2를 투여 시, 초기 생균수는 1.52 (CFU/g)×106로 반응조 중, 다소 낮은 개체수를 보였지만 3주 후, 6.32(CFU/g)×106로 크게 증가하였으며 75.9%의 성장률을 나타내었다.
10%의 MgO2를 투여 시, 초기 황화물농도는 0.0013 mg/g·dry에서 20일 후, 0.0005 mg/g·dry로 크게 감소하였으며, 제거율 또한 61.5%로 높았다.
2%의 MgO₂를 투여 시, 초기 TN농도가 1.52 mg/g에서 20일 후, 1.458 mg/g로 감소하였고, 제거율은 4.08%를 나타내었다. 5%의 MgO₂를 투여 시, 초기 TN농도는 1.
2%의 MgO₂를 투여 시, 초기 TP농도가 0.045 mg/g에서 20일 후, 0.042 mg/g로 감소하였고, 제거율은 6.67%를 나타내었다. 5%의 MgO₂를 투여 시, 초기 TN농도는 0.
2%의 MgO2를 투여 시, 초기 개체수가 1.53 (CFU/g)×106에서 3주후, 2.95 (CFU/g)×106로 증가하였으며 48.1%의 성장률을 보였고, 5%의 MgO2를 투여 시, 초기 생균수는 1.53 (CFU/g)×106에서 3주 후, 4.33 (CFU/g)×106으로 역시 증가하였으며 64.7%의 성장률을 보였다.
08%를 나타내었다. 5%의 MgO₂를 투여 시, 초기 TN농도는 1.53 mg/g에서 20일 후, 1.424 mg/g로 점차 감소하였으며 6.93%의 제거율을 나타내었다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 초기 1.
각 반응조 별 총 석유계 탄화수소(TPH)를 조사한 결과, 산소발생제(MgO₂)를 투여하지 않은 자연토인 대조군은 초기 TPH농도가 1967.43 mg/kg에서 3주 후, 1600.11 mg/kg로 나타났으며 이는 자연적인 휘발에 따른 결과로 사료된다(Dutta와 Harayama, 2000),
각 반응조별TVCs의 농도를 조사한 결과, Fig. 8에서 미생물의 초기 총 생균수는 평균1.53(CFU/g)×106로 나타났다.
각 반응조의 총 질소(TN)를 조사한 결과, Fig. 4에서 농도별 산소발생제(MgO₂)에 의한 제거효과는 COD와 강열감량보다 다소 낮게 나타났다. 산소발생제(MgO₂)를 투여하지 않은 자연토인 대조군의 경우, 초기 TN농도가 1.
그러나 2%의 MgO2를 투여 시, COD농도는 28.9 mg/g·dry에서 20일 후, 26.1 mg/g·dry로 감소하여 9%의 제거율을 보였으며, 5%의 MgO2를 투여 시, COD 농도는 28.6 mg/g·dry에서 24.9 mg/g·dry로 감소하여 12.7%의 제거율을 보였다.
따라서 강열감량의 경우, 산소발생제의 농도를 높일 시, 강열감량 수치가 작아짐을 알 수 있었는데 이것은 산소발생제의 산소공급에 따른 종속영양세균에 의한 생물학적 처리의 효과가 나타난 결과로 사료된다. 또한 갯벌과 같은 해안습지의 경우, 수층으로부터 퇴적되는 유기물과 저서성 미소조류의 광합성을 통해 자체 생산되는 유기물도 상당한 양에 이르는 것으로 알려져 있기 때문에(한국해양연구원, 2002) 산소발생제의 사용에 따른 현장 적용 시, 총 유기물 함량인 강열감량의 변화량은 장기간동안 지속적인 모니터링을 통하여 관찰해야 할 것으로 사료된다.
따라서 산소공급에 의한 혐기화된 저질을 호기적 조건으로 변화시킴으로서 저질 내 축적된 유기물 분해를 촉진시키고, 암모니아 및 아질산을 제거하는 효과가 있는 것으로 사료된다.
따라서 혐기화된 오염저질 내 산소발생제(MgO₂)의 산소공급에 따른 호기적 여건이 조성됨으로써 생성된 산소가 유기물을 분해하는 미생물에 의해 소비되고 있지만 소비되는 산소의 양보다 생성되는 산소의 양이 더 많음을 알 수 있다. 그리고 일반적으로 발생되는 산소의 양은 ORC의 양과 상관관계가 있음을 감안할 때(Willkin 등, 2001) 현장에서 사용 시 미생물의 대사에 필요한 충분한 양의 산소를 공급할 수 있으므로 미생물의 개체 수 증가에 아주 큰 영향을 미친것으로 판단된다.
5%로 가장 정화효과가 높게 나타난 AVS의 경우, 산소발생제(MgO₂)의 첨가에 따른 가수분해의 진행으로 pH의 상승을 유발하고, 생성물로서 Mg(OH)₂로 부터의 낮은 용해도에 의해 고형물이 퇴적물 표면에 피막을 형성하여 황산염 환원균을 불활성화시킴에 따라나타난 것으로 판단된다. 또한 TPH도 자연휘발을 감안하고도 30%이상의 분해효과를 보였으며, 총 생균수도 75%이상의 성장률을 확인하였다.
먼저 산소발생제(MgO₂)를 농도별(2%, 5%, 10%)로 투여한 결과, MgO₂의 농도를 높일수록 정화효과가 높게 나타났다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 강열감량과 COD의 경우 그 정화효과가 24%와 27%로 높게 나타났으며, 이는 저질 내 미생물이 유기물을 분해 시 산소 소비가 극심하게 진행되는데 산소발생제의 산소공급에 의하여 유기물을 분해하는 유용미생물의 성장 및 유기물 분해시간을 단축시킨 결과로 사료된다.
여기에 2%의 MgO₂를 투여 시, 강열감량은 초기 33.48%에서 20일 후, 31.08%로 감소하여 7.2%의 낮은 제거효율을 나타내었으며, 5%의 MgO₂를 투여 시, 강열감량은 초기 33.46%에서 20일 후, 29.6%로 감소하였으며 11.42%의 제거효율을 나타내었다. 10%의 MgO₂를 투여 시, 강열감량은 초기 33.
유기물 함량의 상대적 지표를 나타내는 강열감량(IL)은 각 반응조별로 조사한 결과, Fig.1과 같이 투여한 산소발생제의 농도가 높을수록 강열감량이 감소하는 것으로 나타났다. 산소발생제(MgO₂)를 투입하지 않은 자연토인 대조군의 경우, 초기 강열감량은 33.
채취된 저질 토양으로 부터의 기름류의 변화를 조사한 결과, Fig 6과 같이 시험 초기의 각 반응조별 평균TPH농도(1,964 mg/kg)가 각각의 농도별 산소발생제(MgO₂) 처리 3주 후, 24%～42.4%의 제거효과가 나타났다.

후속연구

따라서 강열감량의 경우, 산소발생제의 농도를 높일 시, 강열감량 수치가 작아짐을 알 수 있었는데 이것은 산소발생제의 산소공급에 따른 종속영양세균에 의한 생물학적 처리의 효과가 나타난 결과로 사료된다. 또한 갯벌과 같은 해안습지의 경우, 수층으로부터 퇴적되는 유기물과 저서성 미소조류의 광합성을 통해 자체 생산되는 유기물도 상당한 양에 이르는 것으로 알려져 있기 때문에(한국해양연구원, 2002) 산소발생제의 사용에 따른 현장 적용 시, 총 유기물 함량인 강열감량의 변화량은 장기간동안 지속적인 모니터링을 통하여 관찰해야 할 것으로 사료된다.
따라서 산소발생제 처리(bioaugmention)가 의한 유류분해 미생물의 성장을 촉진시켜 TPH 분해에 있어서 탁월한 효과가 나타난 것으로 판단된다(Altas와 Bartha, 1992). 또한 오염된 토양 및 유류유출 사고로 인한 해안에서의 정화의 촉진이 기대되며 특히 산소 발생제의 처리 및 기타 통기성을 향상하는 조치가 이루어지면 현저한 정화의 촉진이 이루어질 수 있을 것으로 사료된다.
이상의 결과로부터 오염된 지역의 자연복원에는 호기성 환경이 절대적으로 필요하며 산소발생제(ORC)와 같은 산화제를 사용함으로써 혐기화된 저질 내에 산소를 공급하여 용존 산소량을 높여 혐기성의 저질상태를 호기성으로 바꿔줌으로써 생태학적인 환경을 조성할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 산소발생제는 유기물 분해에 도움을 줄 뿐만 아니라 난분해성 오염물질과 염소계유기화합물(VOCs)및 석유계 탄화수소(TPH), 벤젠, BTEX등의 분해에도 뛰어난 효과를 가지며, 저질 내 중금속 용출을 억제 시키는 것으로 알려져 있다(Bianchi-Mosquera 등, 1994; Chapman 등, 1997).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연안 저층은 어떤 요소인가?	연안 저층은 수층과 함께 수생생태계를 구성하는 기본적인 요소로 저서생물의 서식지를 제공하는 동시에 수환경과 유기적으로 연결되어 있어 연안저층의 오염은 수층의 오염에 직·간접적으로 영향을 미치고 있다. 뿐만 아니라 오염에 민감한 생물종들의 멸종을 초래하고 서식생물들의 건강에도 나쁜 영향을 미치게 된다.
	혐기적 상태에서 퇴적물 내 유기물이 분해될 경우 발생할 수 있는 부산물은 무엇인가?	이 과정에서 층간의 혼합이 이루어지지 않아 지속적인 산소 공급이 중단된다면 퇴적물 내의 저서생물은 산소 결핍으로 생존에 위협을 받게 되며 인, 질소 등의 영양염류가 다시 무기이온 상태로 수중에 용출되어 식물플랑크톤의 성장을 촉진시킴으로서 새로운 유기물을 형성하는 원인을 제공한다. 또한, 혐기적 상태에서 퇴적물 내 유기물이 분해될 경우 황화수소나 암모니아와 같은 독성이 있는 부산물들을 생성하기도 한다. 이러한 독성물질들은 퇴적물 내 서식 생물 종의 수와 형태를 제한할 수도 있으며, 독성물질들은 독성물질 활성 미생물들의 성장을 촉진할 수 있다(Wobser, 1997).
	연안저층의 오염이 오염에 민감한 생물종과 서식생물에 미치는 영향은?	연안 저층은 수층과 함께 수생생태계를 구성하는 기본적인 요소로 저서생물의 서식지를 제공하는 동시에 수환경과 유기적으로 연결되어 있어 연안저층의 오염은 수층의 오염에 직·간접적으로 영향을 미치고 있다. 뿐만 아니라 오염에 민감한 생물종들의 멸종을 초래하고 서식생물들의 건강에도 나쁜 영향을 미치게 된다. 우리나라의 남해안 지형 특성상, 반 폐쇄 또는 폐쇄성 해안이 많아 연안내의 해수교환이 원활히 이루어지지 못할 뿐만 아니라 산업의 발달 및 도시화, 인구증가, 양식어장의 밀집 등에 따른 해안으로의 지속적인 유기 오염물질의 유입과 더불어 해양유류유출사고로 인한 기름류의 탄화수소계 오염물질들이 연안 저층에 축적되어 오염을 심화시키고 있다.

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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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