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문제 정의
- 따라서 본 연구는 황산화미생물(Thiobacillus caldus)을 이용하여 간단하면서도 검출특성이 우수한 독성모니터링시스템을 구현하기 위해 수행되었다. 아래 식에 나타난바와 같이 황산화미생물은 호기성 조건에서 최종전자수용체로 산소를 이용하여 황을 산화시키며 그 부산물로 황산염이온을 생성한다(Oh et al.
- 황산염이온의 농도는 이온크로마토그래피법을 이용해 측정가능하지만 분석이 복잡하고 많은 시간이 소요되어 신속성이 중요한 독성모니터링개발에는 사용하기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 황산화미생물의 독성물질에 대한 반응특성을 알아보기 위해 황산염이온의 직접 측정보다는 단시간에 측정이 가능한 전기전도도(electrical conductivity, EC)를 평가 지표로 이용하였다. 즉 독성물질에 반응하는 황산화미생물의 활성 변화에 의해 유발되는 황산염의 농도 변화를 전기전도도로 신속히 측정함으로써 독성물질 존재 유무를 판별할 수 있다.
- 본 실험에서는 수계로 다량 유입되었을 때 부영화와 같은 많은 문제를 유발하는 다양한 형태의 질소성분(NO2-, NO3-, NH4+)을 황산화균 생물경보장치를 통해 탐지가능성을 평가해보았다. 아울러 질소화합물 종류에 따른 황산화균의 응답특성과 검출한계 도출을 통해 범용 생물독성 모니터링 장치로서의 가능성을 알아보았다.
- )을 황산화균 생물경보장치를 통해 탐지가능성을 평가해보았다. 아울러 질소화합물 종류에 따른 황산화균의 응답특성과 검출한계 도출을 통해 범용 생물독성 모니터링 장치로서의 가능성을 알아보았다.
제안 방법
- 유입수는 정량펌프를 통해 황으로 채워진 황반응조에 유입 된다. 황입자가 들어 있는 반응조에 최종전자수용체인 산소 공급을 위해 공기가 주입이 되고 반응조 상단에 위치한 측정부에 전기전도도(EC)전극을 설치하여 유출 수의 전기전도도를 측정하였다. 측정된 전기전도도 값은 컴퓨터를 통해 실시간으로 저장이 되고 독성도가 모니터링 되도록 하였다.
- 황입자가 들어 있는 반응조에 최종전자수용체인 산소 공급을 위해 공기가 주입이 되고 반응조 상단에 위치한 측정부에 전기전도도(EC)전극을 설치하여 유출 수의 전기전도도를 측정하였다. 측정된 전기전도도 값은 컴퓨터를 통해 실시간으로 저장이 되고 독성도가 모니터링 되도록 하였다.
- MCR 반응조는 포기장치를 설치하여 안정적으로 황산화 미생물의 활성유지에 필요한 산소공급이 가능하도로 하였고 45℃ 항온조에서 운전하였다. MCR 반응조내의 황산화미생물 활성 평가를 위해 1분 간격으로 전기전도도를 측정하여 Data logger를 통해 컴퓨터에 기록, 저장되도록 구성하였다 (Oh, 2010). 본 실험에 사용된 수돗물의 성상은 Table 1과 같다.
- 생물독성 평가는 MCR로부터 공급된 황산화균 생물막이 형성된 황입자로 채워진 황반응조에 탈염소한 수돗물을 70 mL/min 로 0.5분간 유입시키고, 독성물질을 주입하여 30분동안 반응시키는 반연속식 운전으로 실험을 수행하였다. 생물독성 평가를 위한 대상으로는 아질산성 질소, 질산성 질소, 암모니아성 질소를 이용하였다.
- 생물독성 평가를 위한 대상으로는 아질산성 질소, 질산성 질소, 암모니아성 질소를 이용하였다. 대상 물질 각각의 농도는 아질산성 질소 1, 3, 5, 10 mg/L, 질산성 질소 10, 20, 30, 70mg/L, 암모니아성 질소 5, 10, 20, 50 mg/L로 주입하였다. 질산성질소와 암모니아성 질소는 아질산성 질소와 같은 주입농도 조건에서는 전기전도도 값의 변화가 미미하여 주입농도를 높여서 실험하였다.
- 대상 물질 각각의 농도는 아질산성 질소 1, 3, 5, 10 mg/L, 질산성 질소 10, 20, 30, 70mg/L, 암모니아성 질소 5, 10, 20, 50 mg/L로 주입하였다. 질산성질소와 암모니아성 질소는 아질산성 질소와 같은 주입농도 조건에서는 전기전도도 값의 변화가 미미하여 주입농도를 높여서 실험하였다. 독성물질 존재 유무에 따른 독성정도는 황산화미생물이 황을 산화시켜 생성된 황산염이온의 양을 전기전도도로 측정하여 독성도 계산식을 이용하여 평가하였다.
- 질산성질소와 암모니아성 질소는 아질산성 질소와 같은 주입농도 조건에서는 전기전도도 값의 변화가 미미하여 주입농도를 높여서 실험하였다. 독성물질 존재 유무에 따른 독성정도는 황산화미생물이 황을 산화시켜 생성된 황산염이온의 양을 전기전도도로 측정하여 독성도 계산식을 이용하여 평가하였다.
- 염소이온에 의한 독성유발 효과를 차단하기 위해 모든 실험의 희석수 및 유입시료는 공기폭기와 활성탄으로 탈염소한 수돗물을 사용하였다. 개별 농도에 대한 실험종료 후 다른 농도에 대한 평가는 독성물질에 노출되지 않은 신선한 황입자를 MCR 배양조에서 분취하여 황반응조에 주입하고 12시간 이상 반응시킨 뒤 실험을 진행하였다.
- MCR과 황반응조에 투입된 황입자에서 자라는 황산화미생물의 활성도 검증은 다양한 독성물질을 이용한 평가을 위해 필수적으로 요구된다. 따라서 MCR과 황반응조의 활성은 조건에 따라 전기전도도 반응 양상을 평가함으로서 검증하였다. 독성물질이 없는 수돗물(Table 1)을 이용해 반연속식으로 MCR을 운전한 결과 유입 초기 전기전도도 3.
- 황산화미생물 바이오센서는 미량의 아질산성 질소에 대해서도 매우 신속하고 정확한 검출이 가능한 것으로 나타났다. 아질산성 질소의 농도에 따른 황반응조의 전기전도도 변화를 평가하기 위해 탈염소 수돗물로 아질산성 질소 농도가 1, 3, 5, 10 mg/L가 되도록 조제하여 정상상태의 황반응조에 유입시켰다. 정상적인 상태에서 황반응조의 전기전도도 값은 2∼3.
- 질산성 질소는 10, 20, 30, 70 mg/L가 되도록 아질산성질소 실험과 마찬가지로 탈염소 처리한 수돗물로 제조하였으며 정상적으로 운전되고 있는 반응조에 유입하였다. 질산성질소의 농도가 높아짐에 따라 이온의 양이 증가하고 이에 따라 유입 초기 전기전도도가 올라가는 현상을 보였다.
- 암모니아성 질소를 5, 10, 20, 50 mg/L가 되도록 탈염소 처리한 수돗물로 제조하였으며 정상상태의 반응조에 유입시켜 전기전도도 변화를 관찰하였다. Fig.
- 직경 2∼4 mm의 황입자를 60 mL 반응조에 채운 후 상단에 cube형태의 커버를 두어 물과 황의 부피비를 낮추고 측정부까지 완전혼합이 되도록 하였다.
대상 데이터
- 5분간 유입시키고, 독성물질을 주입하여 30분동안 반응시키는 반연속식 운전으로 실험을 수행하였다. 생물독성 평가를 위한 대상으로는 아질산성 질소, 질산성 질소, 암모니아성 질소를 이용하였다. 대상 물질 각각의 농도는 아질산성 질소 1, 3, 5, 10 mg/L, 질산성 질소 10, 20, 30, 70mg/L, 암모니아성 질소 5, 10, 20, 50 mg/L로 주입하였다.
- 염소이온에 의한 독성유발 효과를 차단하기 위해 모든 실험의 희석수 및 유입시료는 공기폭기와 활성탄으로 탈염소한 수돗물을 사용하였다. 개별 농도에 대한 실험종료 후 다른 농도에 대한 평가는 독성물질에 노출되지 않은 신선한 황입자를 MCR 배양조에서 분취하여 황반응조에 주입하고 12시간 이상 반응시킨 뒤 실험을 진행하였다.
성능/효과
- MCR의 황입자를 황반응조로 투입하였을 경우 지체시간 없이 전기전도도 값이 증가하는 것을 알 수 있고, 수돗물의 유입에 대응하여 전기전도도 값이 1.0∼3.5 mS/cm의 범위 안에서 상승과 하강을 반복 하였다.
- 따라서 MCR과 황반응조의 활성은 조건에 따라 전기전도도 반응 양상을 평가함으로서 검증하였다. 독성물질이 없는 수돗물(Table 1)을 이용해 반연속식으로 MCR을 운전한 결과 유입 초기 전기전도도 3.0 mS/cm에서 황산화미생물의 활성으로 생성된 황산염이온에 의해 전기전도도 값이 1.5시간 반응 후 약 5.0 mS/cm까지 증가하였다(Fig. 2). 이후 독성물질이 포함되어 있지 않은 수돗물이 다시 유입되면 희석효과에 의해 전기전도도 값이 약 3.
- 황산화미생물 바이오센서는 미량의 아질산성 질소에 대해서도 매우 신속하고 정확한 검출이 가능한 것으로 나타났다. 아질산성 질소의 농도에 따른 황반응조의 전기전도도 변화를 평가하기 위해 탈염소 수돗물로 아질산성 질소 농도가 1, 3, 5, 10 mg/L가 되도록 조제하여 정상상태의 황반응조에 유입시켰다.
- 3). 아질산성 질소 3, 5 mg/L를 유입한 경우도 10 mg/L를 유입하였을 때와 마찬가지로 전기전도도 값이 감소하였으며 전기전도도 변화를 독성도로 계산한 결과 유입 후 약 30분 안에 85% 이상의 독성도가 계산되었다. 그리고 아질산성 질소 농도가 1 mg/L 인 경우에는 약 10% 정도의 독성도를 보였다.
- 그리고 아질산성 질소 농도가 1 mg/L 인 경우에는 약 10% 정도의 독성도를 보였다. 본 결과를 통해 황산화미생물이 적용된 바이오센서는 1 mg/L 수준의 저농도 아질산성 질소에 대해서도 신속하게 유입 여부를 판단할 수 있는 것으로 나타났다.
- 생물독성탐지 장치의 경우 독성물질 유입 이후 독성물질이 제거 되었을 때는 빠른 시간에 성능이 회복되어 다음 분석을 위한 준비가 되어야 한다. 본 연구에 사용된 황산화미생물 바이오센서는 아질산성 질소에 의한 미생물 활성 저하 후 독성이 없는 수돗물을 주입했을 때는 황산화 반응이 10시간 이내에 다시 회복되는 것을 볼 수 있다. 그러나 Cr6+ 2 mg/L를 주입했을 경우에는 독성물질에 의해 미생물의 활성이 저해 된 후 다시 수돗물을 주입하더라도 24시간 이내에 다시 회복하는 모습을 확인할 수가 없었다 (Fig.
- 이는 중금속의 독성이 매우 커서 한번 저해를 받은 황산화미생물이 다시 활성을 회복하는데 상대적으로 긴 시간이 필요하기 때문이다. 아질산성 질소와 중금속 뿐만아니라 농경지에서 수계로 유출 가능성이 높은 농약에 대해서도 황산화미생물은 민간하게 반응하는 것으로 나타났다 (Data were not shown). 따라서 황산화미생물을 이용한 생물경보장치는 다양한 종류의 독성물질에 대해 응답성이 뛰어나기 때문에 범용 생물경보장치로 활용 가능성이 높을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 황산화미생물의 주요 활성 평가지표로 전기전도를 고려하였으나, 황산염 발생에 따른 pH감소 경향 역시 지표로 이용이 가능할 것으로 생각되었다. 그러나 전기전도도가 황산염이온 농도의 증가에 따라 일정한 증가율을 보인반면, pH는 황산염이온 농도가 증가함에 따라 일정하게 감소하지 않을 뿐만 아니라 실제 수계에 적용할 경우 현장별로 알칼리도가 다르기 때문에 황산화균의 활성 평가지표로는 적합하지 않은 것으로 나타났다.
- 질산성 질소는 10, 20, 30, 70 mg/L가 되도록 아질산성질소 실험과 마찬가지로 탈염소 처리한 수돗물로 제조하였으며 정상적으로 운전되고 있는 반응조에 유입하였다. 질산성질소의 농도가 높아짐에 따라 이온의 양이 증가하고 이에 따라 유입 초기 전기전도도가 올라가는 현상을 보였다. 아질산성 질소에 비해 훨씬 고농도로 질산성 질소를 주입하였으나 황산화미생물은 저해를 받지 않는 것으로 나타났다.
- 질산성질소의 농도가 높아짐에 따라 이온의 양이 증가하고 이에 따라 유입 초기 전기전도도가 올라가는 현상을 보였다. 아질산성 질소에 비해 훨씬 고농도로 질산성 질소를 주입하였으나 황산화미생물은 저해를 받지 않는 것으로 나타났다. 즉, 70 mg/L 까지 질산성 질소의 농도를 높였을 때무에도 질산성 질소에 의한 전기전도도 감소는 보이지 않았으며 독성도는 0%로 계산되었다 (Fig.
- 아질산성 질소에 비해 훨씬 고농도로 질산성 질소를 주입하였으나 황산화미생물은 저해를 받지 않는 것으로 나타났다. 즉, 70 mg/L 까지 질산성 질소의 농도를 높였을 때무에도 질산성 질소에 의한 전기전도도 감소는 보이지 않았으며 독성도는 0%로 계산되었다 (Fig. 5).
- 황산화미생물 바이오센서를 이용하면 독성물질 유입에 따른 황산화균의 활성변화와 관계된 전기전도도의 간단한 측정만으로도 오염물질의 신속하고 정확한 생태독성 탐지가 가능 하였다. 다양한 종류의 질소화합물을 대상으로 하여 평가한 결과, 황산화미생물은 아질산성 질소에 대해서는 매우 낮은 농도에서도 민감하게 반응한 반면 질산성 질소나 암모니아성 질소에 대해서는 저해를 받지 않는 것으로 나타났다. 질산성 질소와 암모니아성 질소의 유입농도가 100 mg/L 까지 높아져도 황산화미생물 바이오센서가 독성을 나타내지 않은 이유는 황산화균으로 사용된 Thiobacillus 종들이 질소원과 전자 수용체로 이들 질소성분을 대사과정에 이용할 수 있기 때문으로 사료된다.
- 질산성 질소와 암모니아성 질소의 유입농도가 100 mg/L 까지 높아져도 황산화미생물 바이오센서가 독성을 나타내지 않은 이유는 황산화균으로 사용된 Thiobacillus 종들이 질소원과 전자 수용체로 이들 질소성분을 대사과정에 이용할 수 있기 때문으로 사료된다. 황산화미생물 바이오센서는 아질산성 질소가 3 mg/L로 낮은 농도조건에서도 30분 이내에 90%이상의 독성도를 보였고 아질산성 질소 1 mg/L에서는 10% 정도의 독성도를 보였다. 또한 독성물질이 제거되었을 때에는 신속히 정상상태로 활성이 회복되었다.
후속연구
- 하지만 황산화미생물을 이용한 온라인 독성탐지장치의 경우 3 mg/L 정도의 낮은 농도에서도 독성탐지가 가능하며 자동으로 유입수가 유입되고 독성여부가 측정되는 등 간단하고 쉬운 방법으로 신속하게 수계 내 독성을 탐지할 수가 있는 장점이 있다. 따라서 수계 내 아질산성 질소와 같은 독성물질 유입 여부를 판단하고 모니터링하는 기술로 타 방법에 비해 많은 효용성이 있을 것으로 사료된다.
- 아질산성 질소와 중금속 뿐만아니라 농경지에서 수계로 유출 가능성이 높은 농약에 대해서도 황산화미생물은 민간하게 반응하는 것으로 나타났다 (Data were not shown). 따라서 황산화미생물을 이용한 생물경보장치는 다양한 종류의 독성물질에 대해 응답성이 뛰어나기 때문에 범용 생물경보장치로 활용 가능성이 높을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 황산화미생물의 주요 활성 평가지표로 전기전도를 고려하였으나, 황산염 발생에 따른 pH감소 경향 역시 지표로 이용이 가능할 것으로 생각되었다. 그러나 전기전도도가 황산염이온 농도의 증가에 따라 일정한 증가율을 보인반면, pH는 황산염이온 농도가 증가함에 따라 일정하게 감소하지 않을 뿐만 아니라 실제 수계에 적용할 경우 현장별로 알칼리도가 다르기 때문에 황산화균의 활성 평가지표로는 적합하지 않은 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 수계로 다량 유입되어 부영양화를 유발하는 질소화합물에 대한 생물독성 평가를 주로 수행하였으나, 향후 내분비계장애물질이나 의약품, 유기용제 등 다양한 오염물질에 대한 평가가 진행되어야한다. 이를 통해 적용 가능한 오염물질의 종류와 검출한계농도에 대한 정확한 정보가 확보 된다면 황산화미생물 바이오센서의 활용가능성은 매우 높아질 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 수계로 다량 유입되어 부영양화를 유발하는 질소화합물에 대한 생물독성 평가를 주로 수행하였으나, 향후 내분비계장애물질이나 의약품, 유기용제 등 다양한 오염물질에 대한 평가가 진행되어야한다. 이를 통해 적용 가능한 오염물질의 종류와 검출한계농도에 대한 정확한 정보가 확보 된다면 황산화미생물 바이오센서의 활용가능성은 매우 높아질 것으로 사료된다.
- 또한 독성물질이 제거되었을 때에는 신속히 정상상태로 활성이 회복되었다. 따라서 황산화미생물을 이용한 기술은 운전이 간단하면서도 민감도가 높아 효율적인 생물경보장치로 활용이 가능할 것이며 오염여부를 신속히 탐지하여 수자원 보호에 기여할 것으로 판단된다.
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