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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존 연구에서 헤모글로빈과 과산화수소를 적용하여 토양 내 오염물질을 제거한 것과 같이 농경지 내 잔류하고 있는 DDT를 제거할 수 있는지에 대한 가능성을 확인하고, 더 나아가 농가에서 농업용 비료로 널리 이용되고 있는 국내 시판용 혈분을 이용해 헤모글로빈과 같은역할을 할 수 있는지를 확인하고자 한다.
- 본 연구에서는 헤모글로빈 또는 헤모글로빈과 과산화수소를 이용해 토양 내 DDT도 저감할 수 있는 가능성을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 반응 기간 동안 헤모글로빈을 이용해 DDT가 지속적으로 분해되어 완전히 저감되는 것을 확인하였다.
- 혈분을 이용한 DDT 저감 효율을 증가시키기 위해 혈분을 추가로 투입할 수 있고, 추가 투입 후 DDT가 완전히 분해되는 것을 확인하였다. 이와 같이 본 연구에서는 농업 환경 토양 내 DDT와 같은 잔류성 농약 저감을 위해 비료로 사용되는 혈분을 활용하는 방법의 적용 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- DDT 오염토양 처리 실험을 위해 헤모글로빈(Hb)을 녹인버퍼(50 mM phosphate buffer, pH 7.0)만 적용한 실험군(R1), 헤모글로빈(Hb)을 녹인 버퍼와 H2O2를 함께 적용한실험군(R2), 혈분(Bm)을 녹인 버퍼만 적용한 실험군(R3), 혈분(Bm)을 녹인 버퍼와 H2O2를 함께 적용한 실험군(R4)를준비하였다. 각 실험군은 두 번 반복 실험하였다.
- 0)만 적용한 실험군(R1), 헤모글로빈(Hb)을 녹인 버퍼와 H2O2를 함께 적용한실험군(R2), 혈분(Bm)을 녹인 버퍼만 적용한 실험군(R3), 혈분(Bm)을 녹인 버퍼와 H2O2를 함께 적용한 실험군(R4)를준비하였다. 각 실험군은 두 번 반복 실험하였다. 또한 대조군으로는 버퍼용액으로 수분함량을 50% 정도로 동일하게 맞춘 오염토양시료를 사용하였다.
- 같은 방법으로 혈분을 이용한 실험도수행하였다. 실험은 과산화수소 주입 후 14일 동안 수행되었고, 0, 1, 2, 3, 7, 14일에 채취하여 토양오염공정시험기준에있는 초음파 추출법을 기반으로 일부 변형한 방법을 이용해추출한 후 잔류 DDT 농도를 측정하였다. 이렇게 수행한 14일간 분해 실험은 Day 0에 헤모글로빈 또는 혈분을 과산화수소없이 또는 함께 주입하여 Day 14에 잔류 DDT를 분석하여DDT 분해 정도를 알아보는 실험이었다.
- 이렇게 수행한 14일간 분해 실험은 Day 0에 헤모글로빈 또는 혈분을 과산화수소없이 또는 함께 주입하여 Day 14에 잔류 DDT를 분석하여DDT 분해 정도를 알아보는 실험이었다. 위 실험 완료 후,Day 14에 과산화수소 없이 헤모글로빈 또는 혈분만 반응기에추가로 투입하여, 14일간 반응 후 잔류하는 DDT를 더 분해하는지 알아보는 추가 투입 실험을 진행하였다. 추가 투입은 초기(Day 0)에 투입한 양과 동일한 양의 헤모글로빈 또는 혈분을 투입하였고, 1일 후(Day 15)와 4일(Day 18) 후에 분해 정도를 비교하였다.
- 추가 투입은 초기(Day 0)에 투입한 양과 동일한 양의 헤모글로빈 또는 혈분을 투입하였고, 1일 후(Day 15)와 4일(Day 18) 후에 분해 정도를 비교하였다. 이렇게 14일 간 분해 실험 후 추가로 4일간분해 실험을 진행하여 총 18일간 분해 실험을 수행하였다.
- 실험은 과산화수소 주입 후 14일 동안 수행되었고, 0, 1, 2, 3, 7, 14일에 채취하여 토양오염공정시험기준에있는 초음파 추출법을 기반으로 일부 변형한 방법을 이용해추출한 후 잔류 DDT 농도를 측정하였다. 이렇게 수행한 14일간 분해 실험은 Day 0에 헤모글로빈 또는 혈분을 과산화수소없이 또는 함께 주입하여 Day 14에 잔류 DDT를 분석하여DDT 분해 정도를 알아보는 실험이었다. 위 실험 완료 후,Day 14에 과산화수소 없이 헤모글로빈 또는 혈분만 반응기에추가로 투입하여, 14일간 반응 후 잔류하는 DDT를 더 분해하는지 알아보는 추가 투입 실험을 진행하였다.
- 5 min 유지한다. 총 분석 시간은 18 min이었고, DDT의 정성 및 정량 분석은 질량분석기의 선택이온모드(selected ion monitoring mode)로수행하였다.
- 위 실험 완료 후,Day 14에 과산화수소 없이 헤모글로빈 또는 혈분만 반응기에추가로 투입하여, 14일간 반응 후 잔류하는 DDT를 더 분해하는지 알아보는 추가 투입 실험을 진행하였다. 추가 투입은 초기(Day 0)에 투입한 양과 동일한 양의 헤모글로빈 또는 혈분을 투입하였고, 1일 후(Day 15)와 4일(Day 18) 후에 분해 정도를 비교하였다. 이렇게 14일 간 분해 실험 후 추가로 4일간분해 실험을 진행하여 총 18일간 분해 실험을 수행하였다.
- 추출액 내 DDT는 Gas chromatography (Agilent 6890, Agilent Technologies, Inc., CA, USA) – Mass spectrometry (Agilent 5973 mass selective detector, Agilent Technologies, Inc., CA, USA)를 사용하여 분석하였다.
- 또한 대조군으로는 버퍼용액으로 수분함량을 50% 정도로 동일하게 맞춘 오염토양시료를 사용하였다. 헤모글로빈을 이용한 실험의경우, 반응기(50 mL 튜브)에 토양 10 g과 헤모글로빈만 또는 헤모글로빈과 과산화수소 모두 주입하여 실험을 수행하였고, 헤모글로빈과 과산화수소는 토양 1 g당 각각 0.01 g과0.03 g을 주입하였다. 같은 방법으로 혈분을 이용한 실험도수행하였다.
대상 데이터
- DDT로 오염된 이력이 없는 토양을 풍건한 후 2 mm 체로 체거름 하여 실험에 사용할 토양을 준비하였다. 토양의 토성은 양질 사토(loamy sand)이고, pH는 6.
- 에서 구매하였고, 혈분(20 kg)은 국내 흙이랑 사에서 구매하였다.과산화수소(H2O2, 34%)는 삼전순약공업㈜에서 구매하였다.
- 각 실험군은 두 번 반복 실험하였다. 또한 대조군으로는 버퍼용액으로 수분함량을 50% 정도로 동일하게 맞춘 오염토양시료를 사용하였다. 헤모글로빈을 이용한 실험의경우, 반응기(50 mL 튜브)에 토양 10 g과 헤모글로빈만 또는 헤모글로빈과 과산화수소 모두 주입하여 실험을 수행하였고, 헤모글로빈과 과산화수소는 토양 1 g당 각각 0.
- , Ltd.에서 구매하였고, 혈분(20 kg)은 국내 흙이랑 사에서 구매하였다.과산화수소(H2O2, 34%)는 삼전순약공업㈜에서 구매하였다.
- 준비한 토양에 4,4’-DDT (1,1,1-Trichloro-2,2-bis(4-chlorophenyl)ethane) 표준용액(4,4’-DDT & Endrin, 0.2 mg/mL in hexane, AccuStandard,CT, USA)을 주입하여 4,4’-DDT(이하 DDT로 표기) 초기농도를 0.36±0.10 mg/kg으로 준비하였다.
성능/효과
- 반응 7일 이후DDT 저감 속도가 느려진 것은 헤모글로빈이 소모됨에 따라영양분 공급이 줄어든 것으로 설명할 수 있다. R1에서는 14일 후 DDT가 완전히 제거되었고, 결과적으로 과산화수소를주입하지 않아도 헤모글로빈 주입만으로 충분히 토양 내DDT를 분해할 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서 사용한 반응 기간 동안 헤모글로빈을 이용해 DDT가 지속적으로 분해되어 완전히 저감되는 것을 확인하였다. 또한 농업 환경에서 흔히 비료로 사용되는 혈분을 헤모글로빈 대신 DDT 저감에 적용하여, 헤모글로빈보다는 효율이 낮았지만 DDT가 저감되는 것을 확인하였다. 혈분을 이용한 DDT 저감 효율을 증가시키기 위해 혈분을 추가로 투입할 수 있고, 추가 투입 후 DDT가 완전히 분해되는 것을 확인하였다.
- 2). 반응 기간 14일 후 혈분만주입한 R3과 혈분과 과산화수소를 주입한 R4에서 평균DDT 분해율은 각각 73%와 39%였다. 헤모글로빈을 이용한실험과 달리 혈분을 이용한 실험에서는 반응 1일 전후 DDT저감 속도는 큰 차이를 보였다(Fig.
- 본 연구에서는 헤모글로빈 또는 헤모글로빈과 과산화수소를 이용해 토양 내 DDT도 저감할 수 있는 가능성을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 반응 기간 동안 헤모글로빈을 이용해 DDT가 지속적으로 분해되어 완전히 저감되는 것을 확인하였다. 또한 농업 환경에서 흔히 비료로 사용되는 혈분을 헤모글로빈 대신 DDT 저감에 적용하여, 헤모글로빈보다는 효율이 낮았지만 DDT가 저감되는 것을 확인하였다.
- 하지만 14일 반응 기간 동안 꾸준한 DDT 저감은 일부 미생물 군집이 과산화수소 소모 후 회복하여 DDT 분해에 기여하였기때문이라고 할 수 있다[9]. 이로 인해 결과적으로 14일 후 과산화수소를 주입하지 않은 R1에 비해 낮은 평균 DDT 분해율을 보였다.
- 3). 추가 투입한 혈분이 과산화수소에 의해 영향을 받은 미생물이 회복하는데 영향을 주었고, 이로 인해 4일 후 DDT를 완전히 제거한 것으로 볼 수 있다.
- 토양의 토성은 양질 사토(loamy sand)이고, pH는 6.5, 유기물함량은17±2.4%, 용수량(water holding capacity)는 17±2.4%, 양이온치환능력은 19±0.42 cmol/kg이었다.
- 이는 농업 환경 내 잔류하는 DDT와 같은 잔류오염물질의 분해에 혈분을 적용할 때 장점으로 작용할 수 있다. 특히본 연구를 통해 난분해성 물질을 분해하기 위한 생촉매 반응유도를 위한 과산화수소의 주입 없이도 혈분을 주입함으로써헤모글로빈보다는 느리지만 DDT를 완전히 분해할 수 있는가능성을 확인하였다. 또한 추가 혈분 투입이 DDT 분해를촉진한 것으로 볼 때, 14일 반응 후 추가 투입을 하는 것보단초기 투입 후 하루나 이틀 후 추가 혈분을 투입하면 보다 빠른 시간 내에 DDT 분해가 가능할 것으로 예상된다.
- 헤모글로빈과 혈분에 의한 DDT 분해 결과를 비교해보면,14일 후 분해율은 헤모글로빈만 주입한 R1에 비해 혈분만 주입한 R3이 낮고, R2에 비해 R4가 낮아 혈분보다는 헤모글로빈이 DDT 분해에 더 효과적인 것을 알 수 있다. 하지만 흥미롭게도 반응 1일차 분해율은 R1(평균 16%)과 R2(평균18%)보다 R3(평균 37%)과 R4(평균 30%)에서 더 높았다.
- 2는 혈분을 이용한 DDT 분해 결과를 보여준다. 헤모글로빈과의 반응과 비슷하게 혈분의 경우에도 과산화수소와 혈분을 함께 주입한 R4보다 혈분만 주입한 R3에서의 평균 DDT 분해율이 높았다(Fig. 2). 반응 기간 14일 후 혈분만주입한 R3과 혈분과 과산화수소를 주입한 R4에서 평균DDT 분해율은 각각 73%와 39%였다.
- 반응 기간 14일 후 혈분만주입한 R3과 혈분과 과산화수소를 주입한 R4에서 평균DDT 분해율은 각각 73%와 39%였다. 헤모글로빈을 이용한실험과 달리 혈분을 이용한 실험에서는 반응 1일 전후 DDT저감 속도는 큰 차이를 보였다(Fig. 2). 반응 1일 간 R3과 R4의 분해율은 비슷한 수준이었지만, R4의 경우 반응 1일 이후DDT 변화는 무시할 수준이었다(Fig.
- 또한 농업 환경에서 흔히 비료로 사용되는 혈분을 헤모글로빈 대신 DDT 저감에 적용하여, 헤모글로빈보다는 효율이 낮았지만 DDT가 저감되는 것을 확인하였다. 혈분을 이용한 DDT 저감 효율을 증가시키기 위해 혈분을 추가로 투입할 수 있고, 추가 투입 후 DDT가 완전히 분해되는 것을 확인하였다. 이와 같이 본 연구에서는 농업 환경 토양 내 DDT와 같은 잔류성 농약 저감을 위해 비료로 사용되는 혈분을 활용하는 방법의 적용 가능성을 확인하였다.
후속연구
- 특히본 연구를 통해 난분해성 물질을 분해하기 위한 생촉매 반응유도를 위한 과산화수소의 주입 없이도 혈분을 주입함으로써헤모글로빈보다는 느리지만 DDT를 완전히 분해할 수 있는가능성을 확인하였다. 또한 추가 혈분 투입이 DDT 분해를촉진한 것으로 볼 때, 14일 반응 후 추가 투입을 하는 것보단초기 투입 후 하루나 이틀 후 추가 혈분을 투입하면 보다 빠른 시간 내에 DDT 분해가 가능할 것으로 예상된다.
- 이렇게 미생물이 활용 가능한 다양한 영양분이 있으면 DDT를 분해하여 필요한 에너지를 얻기 보다는 혈분에 있는 영양분을 이용하려는 경향이 더 클 것이고, 따라서 DDT분해 정도는 낮아질 수 있다. 본 연구의 범위는 아니지만, 추후 혈분과 헤모글로빈이 토양 내 DDT로 오염된 토양 내 미생물 군집에 미치는 영향을 비교하는 연구도 필요할 것으로판단된다.
- 이러한 결과를 바탕으로 농경지 내 잔류하는 DDT의 경우혈분을 비료로 사용하면 저감 효과가 상당히 있을 것으로 예상해 볼 수 있다. 농업 환경에서 비료 시비는 보통 일회성으로 끝나지 않고 필요할 때마다 정기적으로 반복해서 투입한다.
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