[국내논문]한국원자력연구원 지하심부 미생물에 의한 용존우라늄 제거 및 광물화 특성 Characterization of Uranium Removal and Mineralization by Bacteria in Deep Underground, Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI)원문보기
한국원자력연구원 지하처분연구시설의 지하심부에 생존하는 미생물을 이용하여 용존우라늄의 제거 및 광물화에 대한 실험을 실시하였다. 미생물은 철환원박테리아와 황산염환원박테리아로 구분하여 개별적으로 실험을 실시하였으며, 실험 후 X-선 회절분석 및 주사전자현미경을 이용하여 생성광물을 확인하였고 용액상의 농도 변화는 유도결합플라즈마분석기를 이용하여 분석하였다. 철환원박테리아에서는 우라늄과 철이온이 공존할 때, 우라늄보다는 철이온이 선택적으로 환원과정에 참여하였으며, 결과적으로 우라늄의 환원 및 제거가 거의 이루어지지 못하였다. 하지만, 망간이 포함된 조건에서는 상당량의 우라늄 제거 효과가 나타났다. 황산염환원박테리아에서는 철과 망간이 공존할 때, 철이 선택적으로 황과 결합하여 맥키나와이트(FeS)라는 황화광물을 형성하였으며, 망간으로 구성된 황화광물은 만들어지지 않았다. 하지만, 망간이 공존하는 경우에 우라늄의 제거는 훨씬 효과적이었는데, 이는 황화광물에 불순물로 포함된 망간이 우라늄의 흡착 및 포획에 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.
한국원자력연구원 지하처분연구시설의 지하심부에 생존하는 미생물을 이용하여 용존우라늄의 제거 및 광물화에 대한 실험을 실시하였다. 미생물은 철환원박테리아와 황산염환원박테리아로 구분하여 개별적으로 실험을 실시하였으며, 실험 후 X-선 회절분석 및 주사전자현미경을 이용하여 생성광물을 확인하였고 용액상의 농도 변화는 유도결합플라즈마분석기를 이용하여 분석하였다. 철환원박테리아에서는 우라늄과 철이온이 공존할 때, 우라늄보다는 철이온이 선택적으로 환원과정에 참여하였으며, 결과적으로 우라늄의 환원 및 제거가 거의 이루어지지 못하였다. 하지만, 망간이 포함된 조건에서는 상당량의 우라늄 제거 효과가 나타났다. 황산염환원박테리아에서는 철과 망간이 공존할 때, 철이 선택적으로 황과 결합하여 맥키나와이트(FeS)라는 황화광물을 형성하였으며, 망간으로 구성된 황화광물은 만들어지지 않았다. 하지만, 망간이 공존하는 경우에 우라늄의 제거는 훨씬 효과적이었는데, 이는 황화광물에 불순물로 포함된 망간이 우라늄의 흡착 및 포획에 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.
Removal and mineralization of dissolved uranium by bacteria in KURT (KAERI Underground Research Tunnel), Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) was investigated. Two different bacteria, IRB (iron-reducing bacteria) and SRB (sulfate-reducing bacteria) was used, and minerals formed by these ba...
Removal and mineralization of dissolved uranium by bacteria in KURT (KAERI Underground Research Tunnel), Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) was investigated. Two different bacteria, IRB (iron-reducing bacteria) and SRB (sulfate-reducing bacteria) was used, and minerals formed by these bacteria were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Compared to uranyl ions, ferric ions were preferentially reduced by IRB, showing that there is no significant reduction and removal of uranium. However, uranium concentration considerably decreased by addition of Mn(II). Results show that a sulfide mineral such as mackinawite (FeS) is formed by SRB respiration through combination of Fe(II) and S without manganese sulfide formation. In the presence of Mn(II), however, uranium is removed effectively, suggesting that the sorption and incorporation of uranium could be affected by Mn(II) onto the sulide minerals.
Removal and mineralization of dissolved uranium by bacteria in KURT (KAERI Underground Research Tunnel), Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) was investigated. Two different bacteria, IRB (iron-reducing bacteria) and SRB (sulfate-reducing bacteria) was used, and minerals formed by these bacteria were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Compared to uranyl ions, ferric ions were preferentially reduced by IRB, showing that there is no significant reduction and removal of uranium. However, uranium concentration considerably decreased by addition of Mn(II). Results show that a sulfide mineral such as mackinawite (FeS) is formed by SRB respiration through combination of Fe(II) and S without manganese sulfide formation. In the presence of Mn(II), however, uranium is removed effectively, suggesting that the sorption and incorporation of uranium could be affected by Mn(II) onto the sulide minerals.
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문제 정의
KURT 지하심부 미생물 중에서 황산염환원미생물(sulfate-reducing bacteria)의 용존우라늄 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 황산염(sulfate)이 용해된 조건에서 실험을 실시하였다. 실험 시작 후, 미생물의 활동에 의해 용액상의 변화가 관찰되었으며 처음에는 투명했던 용액이 24시간이 지나면서 점차 검은색으로 변하였다.
본 연구에서는 한국원자력연구원 지하처분연구시설 내 심부지하수에 서식하는 미생물을 채취하여 핵종에 대한 생지화학(biogeochemistry) 및 광물학적 영향을 살펴보았다. 국내에서는 아직까지 국내에 서식하는 지하미생물을 이용하여 핵종거동 영향 및 실험을 수행한 사례가 거의 없으며, 충분한 데이터도 없는 실정이다.
지하수로부터 농화배양시킨 미생물을 실험에 바로 사용하지 않고, 약 1년여 동안 10여 차례의 농화배양을 반복적으로 실시한 후 사용하였다. 이러한 이유는, 초기 지하수에는 미생물들의 개체수 및 종류가 매우 많고 각기 다른 반응 특성들을 가지고 있기 때문에 되도록 미생물의 개체 종류를 최대한 줄이고자 하였다. 물론, 최종적으로 배양하여 획득한 미생물이 단일종은 아니지만, 현장 조건을 대변할 수 있는 대표 미생물들이 될 수 있을 것이다.
본 실험에 사용된 미생물은 크게 철환원박테리아(IRB)와 황산염환원박테리아(SRB)로 구분하여 실험하였으며, 우라늄의 거동에 미치는 영향을 살펴보고 자연계에 필수적으로 존재하는 망간이 우라늄 환원 및 광물화 과정에 어떤 영향을 미치는지 관찰하였다. 이번 연구는 방사성폐기물처분에서의 미생물의 중요성을 새롭게 인식하게 하고 향후 효과적인 지하미생물 이용방안을 도출하는 것을 목표로 삼고 있다.
제안 방법
대부분의 침전물은 황산염환원박테리아의 반응용액에서 만들어진 것들이며, 원심분리 (10,000 rpm, 10분)하고 무산소 증류수로 여러 번 세척 후, Glove box의 환원환경하에서 충분히 건조하여 소량의 시료를 분석하였다. 광물 감정을 위해서는 XRD를 이용하였고, 광물의 형태 및 표면 화학분포를 알기 위해 SEM (Hitach, S-4700)과 부속 장비인 EDS를 사용하였다. 용액상에 존재하는 다양한 이온들의 농도 변화를 알기 위해 실험과정 중 필요시마다 약 2 mL의 용액이 채취되었고 유도결합플라즈마분광분석기(ICP-MS)를 이용하여 분석되었다.
5 mg/L 단백질량으로 넣어주었다. 그리고, 미생물 자체의 흡착 특성을 알아보기 위해 대조군(Control) 시료를 준비하였으며, 조건은 동일하지만 죽인 미생물(100℃에서 30분 가열)이 이용되었다.
미생물 반응실험 이후 발생된 침전물들은 X-선 회절분석기(XRD)와 주사전자현미경(SEM)으로 분석되었다. 대부분의 침전물은 황산염환원박테리아의 반응용액에서 만들어진 것들이며, 원심분리 (10,000 rpm, 10분)하고 무산소 증류수로 여러 번 세척 후, Glove box의 환원환경하에서 충분히 건조하여 소량의 시료를 분석하였다. 광물 감정을 위해서는 XRD를 이용하였고, 광물의 형태 및 표면 화학분포를 알기 위해 SEM (Hitach, S-4700)과 부속 장비인 EDS를 사용하였다.
따라서, 이번 연구는 국내의 지하심부에 자생하는 토종미생물의 핵종에 대한 생화학적 반응 및 반응산물(광물)에 대한 연구를 구체적으로 수행하는 첫 사례가 될 것이다. 본 실험에 사용된 미생물은 크게 철환원박테리아(IRB)와 황산염환원박테리아(SRB)로 구분하여 실험하였으며, 우라늄의 거동에 미치는 영향을 살펴보고 자연계에 필수적으로 존재하는 망간이 우라늄 환원 및 광물화 과정에 어떤 영향을 미치는지 관찰하였다. 이번 연구는 방사성폐기물처분에서의 미생물의 중요성을 새롭게 인식하게 하고 향후 효과적인 지하미생물 이용방안을 도출하는 것을 목표로 삼고 있다.
즉, 단일 세균보다 현장의 우점종 세균들이 그 현장의 생지화학적 반응특성을 잘 나타낼 수 있으며, 실제로 이러한 복합세균(mixed culture)을 이용한 실험 결과가 현장 특성을 이해하고 생지화학적 거동을 해석하는데 더 중요할 수 있다. 본 실험에서는 철환원박테리아와 황산염환원박테리아 두 가지의 각기 다른 특성의 미생물들을 분리하여 핵종과의 반응 실험을 수행하였다.
광물 감정을 위해서는 XRD를 이용하였고, 광물의 형태 및 표면 화학분포를 알기 위해 SEM (Hitach, S-4700)과 부속 장비인 EDS를 사용하였다. 용액상에 존재하는 다양한 이온들의 농도 변화를 알기 위해 실험과정 중 필요시마다 약 2 mL의 용액이 채취되었고 유도결합플라즈마분광분석기(ICP-MS)를 이용하여 분석되었다.
지하수로부터 농화배양시킨 미생물을 실험에 바로 사용하지 않고, 약 1년여 동안 10여 차례의 농화배양을 반복적으로 실시한 후 사용하였다. 이러한 이유는, 초기 지하수에는 미생물들의 개체수 및 종류가 매우 많고 각기 다른 반응 특성들을 가지고 있기 때문에 되도록 미생물의 개체 종류를 최대한 줄이고자 하였다.
한국원자력연구원 지하처분연구시설의 지하심부에 생존하는 미생물을 이용하여 용존우라늄 제거 및 광물화 실험을 실시하였다. 실험용 병에 들어있는 Fe(III)-citrate (구연산철) 때문에 초기에는 노란색을 띠는 용액이 철환원박테리아(IRB)의 환원 기작에 의해 약 2일이 지나면서 Fe(III)가 Fe(II)로 변하고 용액의 색깔이 거의 무색으로 바뀌었다(그림 1b).
한국원자력연구원 지하처분연구시설(KURT)의 지하심부(약 80 m 깊이)를 시추하고 더블패커를 이용하여 지하수를 채수하였다. 혐기성 미생물을 배양하기 위해, 현장에서 산소와의 접촉을 최소화시키면서 미리 준비해간 성장배지에 주사기를 이용하여 지하수를 주입한 후 실험실 내 인큐베이터에서 30℃로 배양하였다.
대상 데이터
우라늄은 UO2(NO3)2․6H2O 형태로 5 × 10-5 M 주입하였다.
철환원박테리아의 농화배양을 위해 전자수용체로 Fe(III)-citrate를 이용하였으며, 황산염환원박테리아의 경우 철환원박테리아의 조건과 다르게 전자수용체로 SO42- (sulfate)를 주입하였다. 박테리아의 농화배양은 배양액의 색깔 변화 및 침전광물의 형성에 의해 확인할 수 있었다.
한국원자력연구원 지하처분연구시설(KURT)의 지하심부(약 80 m 깊이)를 시추하고 더블패커를 이용하여 지하수를 채수하였다. 혐기성 미생물을 배양하기 위해, 현장에서 산소와의 접촉을 최소화시키면서 미리 준비해간 성장배지에 주사기를 이용하여 지하수를 주입한 후 실험실 내 인큐베이터에서 30℃로 배양하였다.
성능/효과
그림 5b에서 용존망간의 농도가 반응 초기에 감소되는 것은 망간의 일부가 미생물 표면에 상당부분 흡착되기 때문인 것으로 보이며, 철의 흡착은 상대적으로 감소될 수 있다. 그리고, 망간이 공존하는 시료에서 지속적인 우라늄의 감소가 효과적으로 진행되는 것으로 보아, 황화광물이 형성되는 과정에서 불순물로 자리잡은 망간이 우라늄의 황화광물 구조 내의 포획 및 흡착을 활성화시키는 것으로 보인다. 그림 6은 mackinawite의 주사 전자현미경 이미지이며, 약간 비정질 판상구조의 굴곡있는 결정형태를 보여준다.
즉, 살아있는 미생물의 표면에 철이 선택적으로 흡착·반응하여 우라늄의 환원반응이 방해받는 것으로 보인다. 따라서, 본 실험에서 우라늄의 농도는 크게 감소되지 않았다.
먼저, 철환원박테리아의 경우, 주변에 Fe(III)이 이온상태로 존재할 때 우라늄의 제거가 거의 이루어지지 않았으며, 이는 철과 우라늄이 이온상태로 존재할 때 철이온이 우선적으로 환원된다는 사실을 의미한다. 또한, 망간이 공존할 때 우라늄의 제거량도 같이 늘어나는 것으로 보아, 망간이 우라늄 제거에 촉매역할을 감당하고 있는 것으로 사료된다.
그림 4는 이러한 미생물의 활동에 의해 형성된 침전물을 X-선 회절분석기(XRD)로 분석한 결과이다. 분석결과에 의하면, 형성된 광물은 mackinawite(FeS)라는 황화광물의 한 종류로 판상구조의 형태를 지니고 있으며, 황철석(FeS2)의 선구광물(precursor mineral)로 알려져 있는 광물(Ohfuji and Rickard, 2006)로 판명되었다. 그림에서처럼 낮은 강도(intensity)와 넓은 피크 폭의 X-선 회절패턴은 생성 광물의 낮은 결정성을 암시하고 있으며, 망간이 공존하는 용액에서 특별히 다른 형태의 광물(예: MnS)은 발견되지 않았다(그림 4b).
KURT 지하심부 미생물 중에서 황산염환원미생물(sulfate-reducing bacteria)의 용존우라늄 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 황산염(sulfate)이 용해된 조건에서 실험을 실시하였다. 실험 시작 후, 미생물의 활동에 의해 용액상의 변화가 관찰되었으며 처음에는 투명했던 용액이 24시간이 지나면서 점차 검은색으로 변하였다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이, 두 개의 시료병(a-1과 a-2)에서 검은색으로 변한 용액(망간 함유 시료병 포함)을 확인할 수 있다.
위의 결과를 통해, 지하심부 조건에서 철과 함께 소량의 망간원소가 공존할 때, 미생물 활동에 의한 우라늄의 환원 및 제거 과정에서 망간의 영향이 매우 중요하게 작용될 것으로 판단된다. 망간은 토양 및 지각에 적지 않은 양으로 존재하고 있으며, 금속환원미생물들의 호흡 및 대사 과정에서 전이금속 원소의 일부로 철과 함께 참여하여 핵종 거동에 큰 영향을 끼칠 것으로 사료된다.
용존 이온들의 변화를 살펴보면, 초기 철의 농도가 급속히 감소하고 이후 안정을 유지하면서 조금씩 철의 농도가 증가하는 경향을 보인다(그림 2a). 이러한 결과는 Fe(III)-citrate가 미생물 표면과 쉽게 결합하는 것으로 보이며, 특히 구연산인 citrate는 유기물인 C3H5O(COO)33-로 구성되어 있어서 미생물 표면과 쉽게 반응한 것으로 보인다. 특히, 대조군의 경우 시간이 경과하여도 철의 농도에 변화가 없는 반면, 살아있는 철환원미생물(IRB 및 Mn-IRB)의 경우 시간이 지나면서 약간씩 철의 농도가 증가하는 경향을 보여준다.
그림 6은 mackinawite의 주사 전자현미경 이미지이며, 약간 비정질 판상구조의 굴곡있는 결정형태를 보여준다. 이러한 황화광물에서 EDS 분석결과 소량이지만 망간원소들이 포함된 것으로 확인되고 있으며, 망간을 함유한 mackinawite (FeS)는 순수한 mackinawite에 비해 우라늄의 포획 및 흡착을 보다 효과적으로 수행하는 것으로 나타났다.
후속연구
국내에서는 아직까지 국내에 서식하는 지하미생물을 이용하여 핵종거동 영향 및 실험을 수행한 사례가 거의 없으며, 충분한 데이터도 없는 실정이다. 따라서, 이번 연구는 국내의 지하심부에 자생하는 토종미생물의 핵종에 대한 생화학적 반응 및 반응산물(광물)에 대한 연구를 구체적으로 수행하는 첫 사례가 될 것이다. 본 실험에 사용된 미생물은 크게 철환원박테리아(IRB)와 황산염환원박테리아(SRB)로 구분하여 실험하였으며, 우라늄의 거동에 미치는 영향을 살펴보고 자연계에 필수적으로 존재하는 망간이 우라늄 환원 및 광물화 과정에 어떤 영향을 미치는지 관찰하였다.
이러한 이유는, 초기 지하수에는 미생물들의 개체수 및 종류가 매우 많고 각기 다른 반응 특성들을 가지고 있기 때문에 되도록 미생물의 개체 종류를 최대한 줄이고자 하였다. 물론, 최종적으로 배양하여 획득한 미생물이 단일종은 아니지만, 현장 조건을 대변할 수 있는 대표 미생물들이 될 수 있을 것이다. 즉, 단일 세균보다 현장의 우점종 세균들이 그 현장의 생지화학적 반응특성을 잘 나타낼 수 있으며, 실제로 이러한 복합세균(mixed culture)을 이용한 실험 결과가 현장 특성을 이해하고 생지화학적 거동을 해석하는데 더 중요할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한국원자력연구원 지하처분연구시설의 지하심부에 생존하는 미생물에 대해, 우라늄 제거 및 광물화 실험을 수행한 결과, 미생물별로 어떤 결과를 알 수 있었는가?
미생물은 철환원박테리아와 황산염환원박테리아로 구분하여 개별적으로 실험을 실시하였으며, 실험 후 X-선 회절분석 및 주사전자현미경을 이용하여 생성광물을 확인하였고 용액상의 농도 변화는 유도결합플라즈마분석기를 이용하여 분석하였다. 철환원박테리아에서는 우라늄과 철이온이 공존할 때, 우라늄보다는 철이온이 선택적으로 환원과정에 참여하였으며, 결과적으로 우라늄의 환원 및 제거가 거의 이루어지지 못하였다. 하지만, 망간이 포함된 조건에서는 상당량의 우라늄 제거 효과가 나타났다. 황산염환원박테리아에서는 철과 망간이 공존할 때, 철이 선택적으로 황과 결합하여 맥키나와이트(FeS)라는 황화광물을 형성하였으며, 망간으로 구성된 황화광물은 만들어지지 않았다. 하지만, 망간이 공존하는 경우에 우라늄의 제거는 훨씬 효과적이었는데, 이는 황화광물에 불순물로 포함된 망간이 우라늄의 흡착 및 포획에 큰 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.
금속환원 미생물들은 어떤 작용을 하는가?
지하미생물 중에서 금속환원 미생물이라고 일컫는 혐기성박테리아들은 지하 깊숙한 곳에 생존하고 있으며, 이들은 중금속 혹은 핵종원소들을 환원시켜 용존상태의 이온들을 황화광물 및 기타 금속광물들로 광물화시킬 수 있다. 이와 같이 지하미생물의 대사작용은 특히 핵종원소들의 화학적 존재형태와 거동을 변화시켜 심부 지하매체에서 이들 핵종 원소의 이동을 지연 및 차단시킬 수 있는 잠재성을 가지고 있다.
혐기성 환경하에서 미생물은 어떤 무기이온들과 신진대사작용을 진행하는가?
특히, 미생물의 활동에 의한 핵종들의 생지화학적(biogeochemical) 반응은 최근에 큰 관심을 불러 일으키고 있다. 지하심부 환경인 혐기성 환경하에서 미생물은 산소 대신에 NO3- , SO42-, Fe3+, Mn4+, U6+, Cr6+ 등의 여러 무기이온들을 전자수용체로 이용하여 신진대사 작용을 진행한다(Lovley, 1991; 이종운과 전효택, 2000; Roh et al., 2002).
참고문헌 (16)
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Lee, J.U. and Beveridge, T.J. (2001) Interaction between iron and Pseudomonas aeruginosa biofilms attached to Sepharose surfaces. Chem. Geol., 180, 67-80.
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Ohfuji, H. and Rickard, D. (2006) High resolution transmission electron microscopic study of synthetic nanocrystalline mackinawite. Earth Planet. Sci. Lett., 241, 227-233.
Roh. Y., Moon. H.S., and Song, Y. (2002) Metal reduction and mineral formation by Fe(III)-reducing bacteria isolated from extreme environment. J. Miner. Soc. Korea, 15, 231-240.
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