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문제 정의
- 따라서 지하수를 열원으로 이용한 히트펌프 시스템을 개발하여 향후 안정적이고 열 효율을 향상시키는 등 효과적인 운영을 위해서는 대수층 수위강하의 영향을 받지 않는 지점의 초기 미생물 분포에 관한 연구의 필요성이 제기되었다. 따라서 본 연구에서는 지하수를 이용한 히트펌프 시스템 개발 관정 시추 슬라임에 존재하는 원핵생물 다양성을 조사하였다.
- 클로깅 현상은 토양·지하수 환경에서 이화학적 요인 외에도 미생물학적 요인으로 발생한다. 이번 연구에서는 안정적인 지하수 열원 냉난방 시스템 운영을 위하여, 대수층 수위강하의 영향을 받지 않는 지하 10 미터 지점에서 불교란 시추 슬라임의 초기상태 원핵생물 다양성을 조사하였다. 세균은 문 수준에서 Proteobacteria (20.
- 그러나, 환경에 서식하는 미생물은 종 수준에도 다양한 기능의 차이가 있을 수 있어 실질적으로 시료에서 점액, extra-polysaccharide를 분비, 생물막 형성 및 quorum sensing과 관련된 세균 등을 분석하는 점액 세균의 특이 프라이머의 이용[30] 등 추가 연구가 필요할 것으로 보인다. 이번 연구에서는 파이로시퀀싱 분석법을 이용하여 지하수 열원 히트펌프 시스템 개발 부지 시추 슬라임에 존재하는 원핵생물 다양성을 조사하였다. 이번 연구는 향후 안정적이고 효율적인 지열공의 유지 및 관리를 위한 기초 자료로 제공될 수 있을 것이라고 기대된다.
제안 방법
- FastDNA® SPIN Kit for Soil (MP Biomedicals, USA)를 사용하여 매뉴얼에 따라 시료에서 총 핵산을 추출하였다.
- 이 샘플링은 가장 많이 사용 되는 시료채취 방법으로써 튜브형의 샘플러를 압입이나 타격에 의하여 지중에 관입하여 시료를 채취하는 방법이다. 본 연구에서는 튜브 샘플링을 실시하였다. 지하수 관정 굴착 시 형성된 시추 슬라임 심도 10 미터 지점의 불 교란 시료를 채취하였으며, 아이스박스에 담아 실험실로 이동하였다.
- SPIN Kit for Soil (MP Biomedicals, USA)를 사용하여 매뉴얼에 따라 시료에서 총 핵산을 추출하였다. 세균 다양성 분석을 위한 PCR primer는 바코드를 부착한 9F-541R을 사용하였으며[27], 고세균 다양성 분석을 위해서는 바코드가 부착된 519F-958R을 사용하여[10], 유전자를 증폭하였다. 증폭 산물을 2% agarose gel에서 러닝 후 Gel Doc system (BioRad, USA)으로 형성된 밴드를 확인하였으며 (Data not shown), QIAquick PCR purification Kit (Qiagen, USA)로 정제한 뒤 Ampure beads kit (Agencourt Bioscience, USA)로 비 특이적으로 증폭된 짧은 단편들을 제거하였다.
- 8 ng으로 파이로시퀀싱 분석에 적합하였다. 이후 파이로시퀀싱은 Chunlab Inc. (Korea)에서 GS Junior Sequencinug system (Roche, USA)의 사용을 의뢰하였으며, EzTaxon-e database로 동정하였다[12].
- 세균 다양성 분석을 위한 PCR primer는 바코드를 부착한 9F-541R을 사용하였으며[27], 고세균 다양성 분석을 위해서는 바코드가 부착된 519F-958R을 사용하여[10], 유전자를 증폭하였다. 증폭 산물을 2% agarose gel에서 러닝 후 Gel Doc system (BioRad, USA)으로 형성된 밴드를 확인하였으며 (Data not shown), QIAquick PCR purification Kit (Qiagen, USA)로 정제한 뒤 Ampure beads kit (Agencourt Bioscience, USA)로 비 특이적으로 증폭된 짧은 단편들을 제거하였다. 최종 산물을 DNA 7500 chip으로 Bioanalyzer 2100 (Agilent, USA)에서 품질 및 산물 크기를 평가한 결과, 농도는 33.
대상 데이터
- 연구부지의 토착미생물의 다양성을 분석하기 위해 불교란 시료를 채취하였다. 불교란 시료는 채취한 시료로부터 지반의 강도, 압축성, 투수성 등을 결정할 수 있을 정도로 교란이 적게 된 시료를 의미한다[7].
- 조사 지점은 경기도 양평군에 위치(37.5°N 127.3°E)한 수변지역 지질지하수 융합에너지 활용 기술개발 부지로, 지질은 선캄브리아기 변성암 지층, 선캄브리아기 지층을 관입한 화강암체 및 제 4기 충적층으로 구분되며, 제 4기의 미고결의 충적층 퇴적물은 심도에 따라 자갈, 모래 및 점토 등으로 구성되고 있다.
- 본 연구에서는 튜브 샘플링을 실시하였다. 지하수 관정 굴착 시 형성된 시추 슬라임 심도 10 미터 지점의 불 교란 시료를 채취하였으며, 아이스박스에 담아 실험실로 이동하였다.
성능/효과
- 8배 높게 나타났다. OUTs 및 다양성 지수 분석 결과, 시추 슬라임은 원핵 생물 유전자가 매우 풍부한 환경으로, 특히 세균 유전자가 다양하게 존재하는 것으로 분석되었다.
- 5%로 나타났다(Table 1). likelihood (ML) 및 Neighbor joining (NJ) tree를 이용하여 우점하는 cluster들의 유연관계를 분석한 결과 대부분 유사성과 같은 결과가 분석되었으나, 세균의 cluster 57과 1564의 높은 유연 관계가 분석되어 cluster 57은 최종적으로 unidentified phylum OMAN으로 확정되었다(Fig. 3, Table 1). 세균 OTUs 중 가장 높은 비율이 나타난 cluster 2194는 Arthrobacter humicola (AB279890) 및 A.
- 고세균 유전자의 문 수준을 분석한 결과, Thaumarchaeota 가 42.8%로 우점하였고, Crenarchaeota (36.9%)가 차우점하였으며, Euryarchaeota와 unidentified Archaea는 각각 17.4% 및 2.9%로 나타났다(Fig. 2B). Class-level에서는 Crenarchaeota문에 속하는 Miscellaneous Crenarchaeota Group (MCG)이 30.
- 2%) 등으로 나타났고, 속 수준에서는 Koribacter속 등 144개속이 분석되었다. 고세균은 문 수준에서 Thaumarchaeota (42.8%), Crenarchaeota (36.9%) 및 Euryarchaeota (17.4%)이 나타났으며, 강 수준에서 약 69.4% 비율로 Miscellaneous Crenarchaeota Group (MCG), Finnish Forest Soil Type B (FFSB) 및 Thermoplasmata가 분석되었다. Operational taxonomic units (OTUs)는 세균 3,565 및 고세균 836 OTUs로 나타났고, 세균이 고세균에 비해 풍부하며 우점도가 낮게 나타났다.
- 국내 영암 지역의 청정 지하수에서는 Sphingomonas, Pseudomonas, Acidovorax 및 Aeromonas속 등의 Proteobacteria문이 높게 우점하였고[1], 공업용수 및 음용수에서도 Pseudomonas속을 포함하여 Proteobacteria문이 높게 나타났으며[17], 연평도 지역 지하수 중 존재하는 배양성 세균도 Sphingomonas속등 Proteobacteria문의 비율이 매우 높게 보고된 바 있다[16]. 그러나 양평 지역의 지하수를 이용한 히트펌프 시스템 개발 부지의 대수층 시추 슬라임에서는 Proteobacteria문이 20.8%로 우점하였지만, 상대적으로 지금까지 보고된 다른 연구 결과들에 비해 낮은 비율로 나타났다. 또한 다른 연구들[1, 11, 16−18, 21, 22, 31]에서는 낮은 비율로 분석된 Chloroflexi 및 Nitrospirae문이 16.
- 파이로시퀀싱 자료를 분석한 결과, chimera, short length, low quality, primer mismatch 및 non-target reads를 제외하여 세균은 6,956개 리드 및 고세균은 9,319개 리드가 분석되었다. 대수층 내 토출 파쇄 암분에서 존재하는 세균 유전자는 Proteobacteria문이 20.8%로 우점 및 Acidobacteria문이 18.8%로 차우점하였다. 또한 Chloroflexi 및 Firmicutes문이 각각 16.
- 또한 Chloroflexi 및 Firmicutes문이 각각 16.9% 및 10.2%로 나타났고, 0.1 이하−8.1%의 비율로 Nitrospirae (8.1%), 미 분류 또는 미 동정(7.5%), Actinobacteria (7.4%), Planctomycetes (2.7%), Bacteroidetes (1.9%), Gemmatimonadetes (1.7%), Chlorobi (1.4), Armatimonadetes (0.7%), Verrucomicrobia (0.6%), Spirochaetes (0.5%), Cyanobacteria (0.3%), Elusimicrobia (0.3%), Fibrobacteres (0.1%), Lentisphaerae (0.1%), Caldithrix (0.1%) 및 Viridiplantae문(< 0.1%)이 분석되었다(Fig. 2A).
- FFSB는 높은 산성 토양 환경에서 계통이 분지된 것으로 알려져 있다[8]. 또한 Euryarchaeota문으로 분류되는 Thermoplasmata강은 10.6%로 나타난 Euryarchaeota문의 Thermoplasmata강 또한 낮은 pH 환경에서 생존하는 초호산성균으로 알려져 있어, 고세균에서 우점하는 세 그룹(약 69.4%)은 빈 영양상태 또는 산성 환경에서 서식이 유리한 것으로 사료되었다. 이번 연구는 유전자 다양성 연구 보고가 미흡한 고세균 영역에 대한 토양 지하수에서 후속적 연구 자료로 활용이 기대된다.
- oryzae (AB279889)와 유연관계가 분석되었다. 또한 고세균중 가장 많은 read 수가 나타난 cluster 359는 cluster 346과 높은 유연관계가 나타났으며, uncultured archaeon clone ARCu-361 (GQ127528)의 group으로 분석되었다(Fig 2). 그 밖의 원핵생물의 상위 10개 OTUs의 유연 관계는 Fig.
- 또한 연구지의 수리전도도의 범위는 1.15 × 1.02−1.21 × 1.02 cm/sec로 분석되어 최종적으로 대수층의 수위강하 영향을 받지 않는 지점은 약 10 미터로 예측되었다.
- 이번 연구에서는 안정적인 지하수 열원 냉난방 시스템 운영을 위하여, 대수층 수위강하의 영향을 받지 않는 지하 10 미터 지점에서 불교란 시추 슬라임의 초기상태 원핵생물 다양성을 조사하였다. 세균은 문 수준에서 Proteobacteria (20.8%), Acidobacteria (18.8%), Chloroflexi (16.9%) 및 Firmicutes (10.2%) 등으로 나타났고, 속 수준에서는 Koribacter속 등 144개속이 분석되었다. 고세균은 문 수준에서 Thaumarchaeota (42.
- 이번 연구에서는 δ-Proteobacteria강 Myxococcales목으로 동정된 69개 clusters (94 reads, 약 1.4%), Anaeromyxobacter속 19 reads (0.3%) 및 Myxococcus속7 reads (0.1%)의 점액세균 후보군이 동정되었다.
- 조사 지점의 상위 10개 우점 세균 OTUs는 cluster 2194, 2081, 1220, 57, 176, 1969, 1564, 2048, 251 및 2047로 각각 0.8−0.3%로 존재하였으며, 고세균은 cluster 359, 345, 347, 226, 352, 339, 346, 354, 453 및 126이 3.9−1.5%로 나타났다(Table 1).
- 지하수열원을 이용한 히트펌프 시스템 개발 부지에서 장기 양수 및 회복 시험[23]을 수행한 결과, 조사 지점의 초기 지하수위는 1.8−2 미터였고, 초기수위 1.86 미터인 양수정에서 950 m3/day로 63.7시간 동안 양수 시험 결과 수위 강하가 9.68 미터로 나타났다.
- 최종 산물을 DNA 7500 chip으로 Bioanalyzer 2100 (Agilent, USA)에서 품질 및 산물 크기를 평가한 결과, 농도는 33.7 ng/μl, 순도(A260/A280)는 1.74로, 35 μl 양이 회수되어 총 1,180.8 ng으로 파이로시퀀싱 분석에 적합하였다.
- 파이로시퀀싱 자료를 분석한 결과, chimera, short length, low quality, primer mismatch 및 non-target reads를 제외하여 세균은 6,956개 리드 및 고세균은 9,319개 리드가 분석되었다. 대수층 내 토출 파쇄 암분에서 존재하는 세균 유전자는 Proteobacteria문이 20.
- 한편, 97.0% cut-off로 operational taxonomic units (OTUs)를 분석한 결과, 세균과 고세균은 각각 3,565 OTUs 및 836 OTUs로 나타났다. 풍부도 지수(Shannon index)[29]는 세균은 7.
- 1%의 상대적 높은 비율로 분석되었다. 한편, genus-level에서는 1,408개 리드(약 20.2%)가 동정 가능하였고, Koribacter (2.4%), Clostridium (1.8%), Gaiella (1.5%), Gallionella (1.2%), Arthrobacter (1.0%) 및 1% 미만으로 Bacillus속 등 139개 속이 동정되었다(Data not shown).
후속연구
- 향후 미생물 다양성을 모니터링 하면서 지하수 히트펌프 시스템의 효율에 대한 연관성을 분석한다면, 클로깅과 관련한 미생물에 대한 추적이 가능할 것으로 기대된다. 그러나, 환경에 서식하는 미생물은 종 수준에도 다양한 기능의 차이가 있을 수 있어 실질적으로 시료에서 점액, extra-polysaccharide를 분비, 생물막 형성 및 quorum sensing과 관련된 세균 등을 분석하는 점액 세균의 특이 프라이머의 이용[30] 등 추가 연구가 필요할 것으로 보인다. 이번 연구에서는 파이로시퀀싱 분석법을 이용하여 지하수 열원 히트펌프 시스템 개발 부지 시추 슬라임에 존재하는 원핵생물 다양성을 조사하였다.
- 임계상태 균열 암반의 유체 투과율 감소[6] 등의 연구에 의하면, 미생물에 의한 클로깅 현상은 지하수 토양 환경에서 발생하게 된다. 따라서 지하수를 열원으로 이용한 히트펌프 시스템을 개발하여 향후 안정적이고 열 효율을 향상시키는 등 효과적인 운영을 위해서는 대수층 수위강하의 영향을 받지 않는 지점의 초기 미생물 분포에 관한 연구의 필요성이 제기되었다. 따라서 본 연구에서는 지하수를 이용한 히트펌프 시스템 개발 관정 시추 슬라임에 존재하는 원핵생물 다양성을 조사하였다.
- Operational taxonomic units (OTUs)는 세균 3,565 및 고세균 836 OTUs로 나타났고, 세균이 고세균에 비해 풍부하며 우점도가 낮게 나타났다. 또한, 관정 막힘 현상을 유발할 가능성 있는 세균 후보군 135개(1.9%) reads가 분석되었으며, 향후 클로깅 현상에 대한 연구에 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 4%)은 빈 영양상태 또는 산성 환경에서 서식이 유리한 것으로 사료되었다. 이번 연구는 유전자 다양성 연구 보고가 미흡한 고세균 영역에 대한 토양 지하수에서 후속적 연구 자료로 활용이 기대된다.
- 이번 연구에서는 파이로시퀀싱 분석법을 이용하여 지하수 열원 히트펌프 시스템 개발 부지 시추 슬라임에 존재하는 원핵생물 다양성을 조사하였다. 이번 연구는 향후 안정적이고 효율적인 지열공의 유지 및 관리를 위한 기초 자료로 제공될 수 있을 것이라고 기대된다.
- 9%였다. 향후 미생물 다양성을 모니터링 하면서 지하수 히트펌프 시스템의 효율에 대한 연관성을 분석한다면, 클로깅과 관련한 미생물에 대한 추적이 가능할 것으로 기대된다. 그러나, 환경에 서식하는 미생물은 종 수준에도 다양한 기능의 차이가 있을 수 있어 실질적으로 시료에서 점액, extra-polysaccharide를 분비, 생물막 형성 및 quorum sensing과 관련된 세균 등을 분석하는 점액 세균의 특이 프라이머의 이용[30] 등 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
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