가축 매몰지 침출수에 대한 수질 특성 및 호기성 미생물 분포에 관한 연구 Characterization of Water Quality and the Aerobic Bacterial Population in Leachate Derived from Animal Carcass Disposal원문보기
가축 매몰지내 침출수의 누출은 인간과 다른 가축들에게 쉽게 질병을 확산시킬 수 있는 중요한 문제이다. 본 연구에서는 매몰된지 5개월 이내의 초기 16개 가축매몰지에 대한 침출수의 물리화학적 특성과 분자미생물학적 방법을 이용하여 침출수내 존재하는 호기성 미생물을 분석하였다. 총대장균군, 총유기탄소, 암모니아이온 및 질산성질소가 관련된 참고문헌자료에 비하여 높게 나타났다. 또한 암모니아 이온과 질산성질소는 국내 먹는물 기준치를 초과하여 나타났다. 16S rNA 서열 분석법을 사용하여 호기성 조건에서 침출수의 미생물 분포를 분석한 결과, 높은 빈도의 Bacillus pumilus, Lysinibacillus sphaericus 및 Bacillus sphaericus이 관찰되었지만, Bucillus cereus와 Salmonella와 같은 식중독 미생물은 발견되지 않았다. 본 연구는 가축매몰지로부터 형성되는 침출수에 대한 지질 매체 내에서의 거동특성, 처리 및 위해성 평가에 대한 기초자료로 활용 가능할 것이다.
가축 매몰지내 침출수의 누출은 인간과 다른 가축들에게 쉽게 질병을 확산시킬 수 있는 중요한 문제이다. 본 연구에서는 매몰된지 5개월 이내의 초기 16개 가축매몰지에 대한 침출수의 물리화학적 특성과 분자미생물학적 방법을 이용하여 침출수내 존재하는 호기성 미생물을 분석하였다. 총대장균군, 총유기탄소, 암모니아이온 및 질산성질소가 관련된 참고문헌자료에 비하여 높게 나타났다. 또한 암모니아 이온과 질산성질소는 국내 먹는물 기준치를 초과하여 나타났다. 16S rNA 서열 분석법을 사용하여 호기성 조건에서 침출수의 미생물 분포를 분석한 결과, 높은 빈도의 Bacillus pumilus, Lysinibacillus sphaericus 및 Bacillus sphaericus이 관찰되었지만, Bucillus cereus와 Salmonella와 같은 식중독 미생물은 발견되지 않았다. 본 연구는 가축매몰지로부터 형성되는 침출수에 대한 지질 매체 내에서의 거동특성, 처리 및 위해성 평가에 대한 기초자료로 활용 가능할 것이다.
Leakage of leachate from animal carcass disposal is a significant issue because disease can easily spread to humans and other livestock. In this study, we analyzed the physicochemical properties of leachate and tested for the presence of aerobic bacteria in leachate using molecular biology methods, ...
Leakage of leachate from animal carcass disposal is a significant issue because disease can easily spread to humans and other livestock. In this study, we analyzed the physicochemical properties of leachate and tested for the presence of aerobic bacteria in leachate using molecular biology methods, for 16 animal carcass disposals in the first stage (after burial for 5 months). Leachate physicochemical analysis revealed higher total coliforms, TOC, $NH^{4+}$, and $NO^{3-}$ concentrations compared with previously published data. In most leachate samples, the concentrations of $NH^{4+}$ and $NO^{3-}$ exceeded the Korean guideline values for drinking water. In 16S rRNA sequence analysis of the distribution of leachate under aerobic conditions, Bacillus pumilus, Lysinibacillus sphaericus, and B. sphaericus were observed with high frequency, whereas no food-poisoning-related bacteria such as B. cereus or Salmonella were detected. The present findings improve our knowledge of the transport of leachate from animal carcass disposal sites through geologic media, and are useful in risk analysis and for subsequent studies.
Leakage of leachate from animal carcass disposal is a significant issue because disease can easily spread to humans and other livestock. In this study, we analyzed the physicochemical properties of leachate and tested for the presence of aerobic bacteria in leachate using molecular biology methods, for 16 animal carcass disposals in the first stage (after burial for 5 months). Leachate physicochemical analysis revealed higher total coliforms, TOC, $NH^{4+}$, and $NO^{3-}$ concentrations compared with previously published data. In most leachate samples, the concentrations of $NH^{4+}$ and $NO^{3-}$ exceeded the Korean guideline values for drinking water. In 16S rRNA sequence analysis of the distribution of leachate under aerobic conditions, Bacillus pumilus, Lysinibacillus sphaericus, and B. sphaericus were observed with high frequency, whereas no food-poisoning-related bacteria such as B. cereus or Salmonella were detected. The present findings improve our knowledge of the transport of leachate from animal carcass disposal sites through geologic media, and are useful in risk analysis and for subsequent studies.
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문제 정의
그리하여 본 연구에서는 구제역에 의하여 매몰된 다양한 국내 가축매몰지내에서 발생되는 침출수에 대한 물리ᆞ화학ᆞ생물학적 특성을 파악하는 것이다. 그리고 추가적으로 침출수에 대한 분자생물학적 방법을 이용하여 침출수내 존재하는 호기성 미생물의 분포양상을 알아보는 것이다.
하지만 국내에서는 다양한 가축 매몰지의 매몰특성에 따른 침출수의 물리ᆞ화학ᆞ생물학적 특성분석이 아직 국한적이다. 그리하여 본 연구에서는 구제역에 의하여 매몰된 다양한 국내 가축매몰지내에서 발생되는 침출수에 대한 물리ᆞ화학ᆞ생물학적 특성을 파악하는 것이다. 그리고 추가적으로 침출수에 대한 분자생물학적 방법을 이용하여 침출수내 존재하는 호기성 미생물의 분포양상을 알아보는 것이다.
제안 방법
200 µL를 분주하고, vortex mixing하여 균질화 하는 과정을 총 3회 반복하였다.
PCR은 95℃ 5분간의 denaturation 단계, 56℃의 Annealing 단계와 72℃의 extension 단계를 각 45초씩 총 38회 시행 후, post-extension을 72℃ 10분간 시행하여 4℃에 보관하고 (Table 2), 5 µL의 PCR 산물을 ethidium bromide가 첨가된 1.8% 아가로오스(agarose)에서 전기 영동하여 확인하였다.
구제역으로 인하여 매몰된 가축 매몰지내 발생되는 침출수의 성상을 파악하기 위하여 매몰초기(매몰종료 약 5개월 경과)의 총 16개 지역에 대한 가축 매몰지의 침출수에 대한 물리·화학·생물학적 특성을 분석하였다.
100℃의 heat block에서 5분동안 배양을 거친 시료를 13,000 rpm, 10분 동안 원심분리하였다. 상등액에 대한 농도는 nanodrop (Nanodrop ND-1000)를 이용하여 측정하였다. PCR은 95℃ 5분간의 denaturation 단계, 56℃의 Annealing 단계와 72℃의 extension 단계를 각 45초씩 총 38회 시행 후, post-extension을 72℃ 10분간 시행하여 4℃에 보관하고 (Table 2), 5 µL의 PCR 산물을 ethidium bromide가 첨가된 1.
그리고 침출수 시료는 화학분석을 위해 4이하로 냉장보관 하였다. 양이온 주성분 원소인 Na+, K+, Ca2+, Mg2+에 대한 화학분석은 유도결합플라즈마(inductively coupled plasma)를 이용하였고, PO4-P, SO42-, Cl-, NO3-N과 같은 음이온 분석은 이온크로마토그래피(ion chromatography)를 이용하였다. 그리고 총유기탄소(total organic carbon) 함량은 총유기탄소 분석기(TOC analyzer)를 이용하였으며, 총대장균군(total coliforms) 분석은 수질오염공정시험법에 의거하여 최적확수 시험법으로 측정하였다.
8% 아가로오스(agarose)에서 전기 영동하여 확인하였다. 증폭된 PCR 산물은 Geneall kit를 이용하여 분리하였으며, Basic Local Alignment Search Tool(BLAST)와 GenBank database를 이용하여 염기서열을 비교분석 하였다.
채취된 침출수는 현장에서 0.45 µm 기공 크기를 가지고 있는 필터를 이용하여 부유물질을 제거한 후, 수소이온농도(pH, TOA HM-14P), 산화환원전위(Eh, TOA HM-12P), 전기전도도(EC, TOA CM-14P), 용존산소(DO, YSI 95), 그리고 총고용물질(TDS, HACH COS50)을 측정하였다.
총 16개의 침출수 시료에서 1 mL를 취하여 생리식염수 용액 9 mL과 혼합하여 1분간 vortex하였으며, 균질화한 후 10-1~ 10-7으로 십진 희석하였다. 희석액은 2종류의 선택배지에 각각 도말하여 30℃에서 48시간 이상 배양하였으며, 사용된 배지는 미생물 분리를 위한 Blood agar plate와 Macconkey agar plate를 사용하였다.
대상 데이터
대상 가축 매몰지내 침출수의 물리ᆞ화학ᆞ생물학적 특성을 파악하기 위하여, 매몰 초기(매몰 종료후 약 5개 월경과)인 2011년 5월과 6월 기간 동안 매몰지내 설치되어 있는 관측공에서 지하수 채수에 사용되는 베일러(bailer)를 이용하여 침출수를 채취하였다. 채취된 침출수는 현장에서 0.
연구대상 가축 매몰지는 2010년 12월부터 2011년 1월까지 구제역으로 인하여 폐사된 가축을 대상으로 2010년 11월 환경부가 고지한 “가축 매몰지 환경관리지침”을 기반으로 조성되었다. 대상 매몰지는 전국 5개도 지역 내 총 16개 매몰지이며, 구체적인 현황은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에 사용된 미생물 배양에 이용된 배지는 DIFCO Co. (USA)에서 구입하여 사용하였으며, 배양 후 형성된 콜로니(colony)은 크기, 모양과 색 등의 형태학적 특성에 따라 분류, 무작위로 다수의 콜로니를 선택하였으며, 3회의 계대 배양을 통해 미생물을 순수 분리하였다(Fig. 1).
연구대상 가축 매몰지는 2010년 12월부터 2011년 1월까지 구제역으로 인하여 폐사된 가축을 대상으로 2010년 11월 환경부가 고지한 “가축 매몰지 환경관리지침”을 기반으로 조성되었다.
으로 십진 희석하였다. 희석액은 2종류의 선택배지에 각각 도말하여 30℃에서 48시간 이상 배양하였으며, 사용된 배지는 미생물 분리를 위한 Blood agar plate와 Macconkey agar plate를 사용하였다.
이론/모형
양이온 주성분 원소인 Na+, K+, Ca2+, Mg2+에 대한 화학분석은 유도결합플라즈마(inductively coupled plasma)를 이용하였고, PO4-P, SO42-, Cl-, NO3-N과 같은 음이온 분석은 이온크로마토그래피(ion chromatography)를 이용하였다. 그리고 총유기탄소(total organic carbon) 함량은 총유기탄소 분석기(TOC analyzer)를 이용하였으며, 총대장균군(total coliforms) 분석은 수질오염공정시험법에 의거하여 최적확수 시험법으로 측정하였다.
성능/효과
매몰지에 대한 침출수의 물리적 특성을 Table 3에 나타내었다. pH는 5.57(CDL-8)에서 7.40(CDL-1)의 범위와 평균 6.35로 우리나라 지하수 수질기준인 생활용수(pH 5.8~8.5)와 농업용수(pH 6.0~8.5)의 범위에 대부분 만족하나 일부 매몰지에서는 약산성의 값을 보이고 있었다. 매몰지 조성시 유해 미생물 사멸을 목적으로 사용된 생석회에 의하여 침출수내 높은 pH가 예상됨에도 불구하고 pH가 낮게 나온 이유는 매립 초기에 내부조건이 혐기성 상태로 이미 존재하던 유기산 생성균이나 자체 효소에 의해 유기산에 의한 것으로 판단되어진다.
MacArthur와 Miline (2002)는 구제역으로 매몰된 가축매몰지내 침출수에서 매몰된 지 1주일 만에 암모니아이온의 농도가 1,000~2,000 mg/L에서 2,000~4,000 mg/L로 증가한다고 했다. 가축 매몰 시 경과년수에 따른 오염부하에서 돼지 1,000마리에 대하여 1년의 매몰 경과 년수에서 총유기탄소와 암모니아이온의 농도는 각각 662 mg/L와 80 mg/L이였으나, 본 연구에서 이와 유사한 조건의 CDL-13 매몰지(돼지 1,147마리) 침출수에서는 높은 27,230 mg/L의 총유기탄소와 324.3 mg/L의 암모니아이온의 농도가 분석되었다.
기존연구에서는 AI 발생으로 인해 살처분된 동물 사체를 매몰한 지역에서 시료를 채취하여 미생물의 DNA를 추출한 뒤 연쇄중합반응(PCR) 및 자동염기서열 분석을 통해 매몰지에 존재하는 미생물을 동정하였다. 그 결과 매몰지의 내부토양에서 Bacillus와 Caryophanon를 확인하였고 Bacillus는 높은 빈도(88.9%)로 관찰되어 우점종으로 나타났다. 또한 매몰지의 외부 토양에서 분리한 균주를 분석한 결과, Acidovorax, Actinoplanes, Agricultural, Archangium, Bacillus soli, Bacillus sp.
매몰지내 침출수의 호기성 미생물에 대한 16S rRNA를 이용하여 분석한 결과, 축종에 관계없이 호기성 미생물이 동정되었으며, 빈도순으로 Bacillus pumilus (4지점), Lysinibacillus sphaericus (3지점), Bacillus sphaericus (2지점)으로 나타났다(Table 5). 그 외 Pseudoclavibacter helvolus, Pseudochrobactrum saccharolyticum, Corynebacterium callunae, Paenibacillus lautus, Bacillus arvi, Brevundimonas bullata, Acinetobacter ursingii 및 Bacillus psychrodurans가 동정되었다. 현재 가축매몰지 내 악취제거 목적으로 사용되고 있는 EM (Effective microorganisms)의 조성은 효모균, 유산균, 누룩균, 광합성균, 방선균 등으로 이루어져 있으며, 본 연구에서 동정된 미생물과는 상이함으로 가축사체와 매몰지내 토양에서 유래된 것으로 판단되어진다(Moon 등, 2011).
매몰지내 침출수의 호기성 미생물에 대한 16S rRNA를 이용하여 분석한 결과, 축종에 관계없이 호기성 미생물이 동정되었으며, 빈도순으로 Bacillus pumilus (4지점), Lysinibacillus sphaericus (3지점), Bacillus sphaericus (2지점)으로 나타났다(Table 5). 그 외 Pseudoclavibacter helvolus, Pseudochrobactrum saccharolyticum, Corynebacterium callunae, Paenibacillus lautus, Bacillus arvi, Brevundimonas bullata, Acinetobacter ursingii 및 Bacillus psychrodurans가 동정되었다.
이러한 이유는 매몰지내 오랜기간 산소의 유입이 되지 않았고, 가축사체로부터 유래된 미생물의 대사작용에 의하여 환원상태를 유지하고 있었음을 가리킨다. 본 연구에서의 일반적인 지하수의 용존산소(4~5 mg/L)보다 낮은 평균 0.32 mg/L의 용존산소측정 결과가 미생물에 의한 산소소비 과정을 간접적으로 증명해 주었다.
침출수의 물리·화학 분석 결과, 가축사체에서 유래한 미생물에 의하여 일부 약산성의 매몰지를 제외하고, 중성 pH 환경으로 나타났다. 총대장균군은 돈분뇨의 약 1,226배 정도 높게 나타났으며, 이로 인하여 산소결핍의 환원 환경으로 나타났다.
침출수에 대한 화학ᆞ생물학적 특성을 파악하기 위하여 총대장균군을 포함한 총 13개 항목에 대한 분석 결과를 Table 4에 나타내었다. 총대장균군은 평균 1,226,394.7 MPN/100 mL로 검출되었으며, 이는 Yoon 등(2009)이 돈분뇨에서 분석한 총대장균군 30 MPN/mL이하 보다 약 1,226배 높았으며, 국내 9개의 생활하수로 오염 예상되는 하류하천에서 분석된 평균 총대장균군 14,948 MPN/100 mL 보다 약 82배 높게 검출되었다.
침출수의 물리·화학 분석 결과, 가축사체에서 유래한 미생물에 의하여 일부 약산성의 매몰지를 제외하고, 중성 pH 환경으로 나타났다.
침출수의 호기성 미생물에 대한 분자생물학적 분석을 실시한 결과, 매몰지내 악취제거 목적으로 주입 가능한 EM 미생물이 아닌 가축사체에서 유래된 Bacillus pumilus, Lysinibacillus sphaericus 및 Bacillus sphaericus 등이 동정되었다. 본 연구를 통해, 가축 매몰지의 침출수 특성을 파악함으로써 가축 매몰지 침출수에 의하여 주변 수계 오염 복원 또는 침출수 처리시 중요한 자료로 활용 될 수 있을 것이라 판단되어 진다.
후속연구
침출수의 호기성 미생물에 대한 분자생물학적 분석을 실시한 결과, 매몰지내 악취제거 목적으로 주입 가능한 EM 미생물이 아닌 가축사체에서 유래된 Bacillus pumilus, Lysinibacillus sphaericus 및 Bacillus sphaericus 등이 동정되었다. 본 연구를 통해, 가축 매몰지의 침출수 특성을 파악함으로써 가축 매몰지 침출수에 의하여 주변 수계 오염 복원 또는 침출수 처리시 중요한 자료로 활용 될 수 있을 것이라 판단되어 진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구제역으로 인해 살처분한 가축 수는?
우리나라는 2010년 11월 경북 안동에서 최초로 발병 보고된 구제역으로 살처분 가축수 약 340만여 마리, 매몰지는 전국적으로 4,500여 곳 가량이 발생하여, 자치구 별로도 제주와 전남을 제외하고 경북, 경기 및 충남 등 11개 광역시도 75개 시군구가 몸살을 앓았다. 우리나라는 가축전염병예방법에 따라 살처분한 가축사체에 대해 신속히 소각 및 매몰을 하게 되어 있으나, 국내 여건상 소각의 어려움 때문에 거의 대부분 매몰방법에 의한 처리방법을 택하고 있다.
침출수로 인해 어떤 피해가 발생할 수 있는가?
그러나 매몰과 매몰지역관리가 부실한 곳이 많아 식수원오염 등 심각한 2차 피해가 염려되고 있다. 매몰처리 된 가축사체의 부패에 따른 침출수 및 악취로 인해 토양, 지하수 및 주변 환경을 오염시킬 수 있으며, 전염병의 전파 차단을 위해 발생지역 근처에 시행한 대규모 매몰처리 방법은 사후환경관리가 제대로 이뤄지지 않으면 더욱 더 심각한 2차 환경오염 문제를 야기할 수 있다.
가축 매몰지에서 발생한 침출수 분석 결과, 매몰지의 환경은 어떠한가?
구제역으로 인하여 매몰된 가축 매몰지내 발생되는 침출수의 성상을 파악하기 위하여 매몰초기(매몰종료 약 5개월 경과)의 총 16개 지역에 대한 가축 매몰지의 침출수에 대한 물리·화학·생물학적 특성을 분석하였다. 침출수의 물리·화학 분석 결과, 가축사체에서 유래한 미생물에 의하여 일부 약산성의 매몰지를 제외하고, 중성 pH 환경으로 나타났다. 총대장균군은 돈분뇨의 약 1,226배 정도 높게 나타났으며, 이로 인하여 산소결핍의 환원 환경으로 나타났다.
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