[논문]지중환경 내 지질 매체가 질산염의 탈질 반응에 미치는 영향에 대한 고찰

전지훈; 이우춘; 이상우; 김순오

doi:10.7857/jsge.2020.25.s1.016

지중환경 내 지질 매체가 질산염의 탈질 반응에 미치는 영향에 대한 고찰
The Effect of Geological Media on the Denitrification of Nitrate in Subsurface Environments 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.25 no.2 spec., 2020년, pp.16 - 27

전지훈 (경상대학교 지질과학과 및 기초과학연구소) , 이우춘 (경상대학교 지질과학과 및 기초과학연구소) , 이상우 (경상대학교 지질과학과 및 기초과학연구소) , 김순오 (경상대학교 지질과학과 및 기초과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Nitrate contamination has received much attention at local as well as regional scales. The domestic situation is not out of exception, and it has been reported to be very serious, particularly within agricultural areas as a result of excessive usage of nitrogen fertilizers. Meanwhile, nitrate can be naturally attenuated by denitrification in subsurface environments. The denitrification occurs through biotic (biological) and abiotic processes, and numerous previous studies preferentially focused the former. However, abiotic denitrification seems to be significant in specific environments. For this reason, this study reviewed the previous studies that focused on abiotic denitrification processes. Firstly, the current status of nitrate contamination in global and domestic scales is presented, and then the effect of geological media on denitrification is discussed while emphasizing the significance of abiotic processes. Finally, the implications of the literature review are presented, along with future research directions that warrant further investigations. The results of previous studies demonstrated that several geological agents could play a vital role in reducing nitrate. Iron-containing minerals such as pyrite, green rust, magnetite, and dissolved ferrous ion are known to be powerful electron donors triggering denitrification. In particular, it was proven that the rate of denitrification by green rust was comparative to that of biological denitrification. The results indicate that abiotic denitrification should be taken into account for more accurate evaluation of denitrification in subsurface environments.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. The current status of nitrate contamination in groundwater worldwide (source: IGRAC, 2019).
표 Table 1. Standard reduction potentials ($E^0_h$) of naturally occurring terminal electron accepting systems calculated for pH 7.0 (adapted from Matocha et al., 2012)
표 Table 2. Initial kinetic rates of biotic and abiotic reductions of NO₃^- or NO₂^-
그림 Fig. 2. Time series of nitrate and nitrite reactivity with siderite (a). The initial nitrate and nitrite concentrations are 0.9 mM and the siderite concentration is 10 g/L. The x-axis for nitrate is days and nitrite is hours. Second order rate coefficients as a function of pH derived from kinetic studies of nitrite with siderite (b) (data from Rakshit et al., 2008; Matocha et al., 2012).
그림 Fig. 3. Removal of (a) NO₃^- (at pH 5.5), and (b) NO₂^- from solution by magnetite at pH 5.5 (●), 6.5 (gray ▲), and 7.5 (light gray ◆)).

AI 본문요약
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문제 정의

, 2007). 또한, 질산염의 탈질 반응은 무엇보다도 지질 매체 내 함유된 광물에 의하여 영향을 받는데, 지금부터는 이러한 질산염의 탈질 반응에 관여하는 지질 매체 내 주요한 광물들에 대하여 논하고자 한다.
본 논문은 문헌 연구를 통해 지중환경 내 질산염의 탈질 반응에 대하여 현재까지 주로 수행되어온 생물학적 과정에 대하여 간단하게 설명하고, 생물학적 탈질 반응보다 상대적으로 덜 다루어져 온 비생물학적 과정의 중요성을 제시하고자 한다. 세부적으로는 (1) 국내외 질산염 오염현황을 조사하고, (2) 질산염의 탈질 반응에 대한 지질 매체의 영향을 살펴보며, (3) 비생물학적 탈질 반응의 중요성을 제시하고, (4) 문헌 연구 결과로부터 도출된 시사점과 향후 연구가 필요한 부분에 대하여 제안하고자 한다.

이론/모형

, 2017). 전 세계적인 지하수 내 질산염 오염현황을 International Groundwater Resource Assessment Centre (IGRAC)의 Global ground water information system (GGIS)을 이용하여 살펴보았으며(IGRAC, 2019), 그 결과를 Fig. 1에 나타냈다. 이러한 질산염 오염은 주로 질소 비료의 과다 사용에 의하여 초래된다고 알려져 있다.

성능/효과

Table 2에 제시된 아질산염의 생물학적 탈질 반응의 초기 반응속도가 가장 빠르게 일어나는 대표적 미생물인 Pseudomonas stutzeri에 의한 2.1×10-7로서 pH 5.5에서 능철석에 의한 비생물학적 탈질 반응 초기 반응속도 1.0×10-7 와 약 2배의 차이가 나는 것을 확인하였다.
, 2019). 각주요 도심지역에서의 지하수 내 질산염의 농도는 WHO 가이드라인의 50 mg/L 농도보다 낮은 10-25 mg/L 농도를 보였으나, 최대 농도는 50 mg/L를 초과하는 것으로 나타났다. 질산염의 주요 오염지역인 농경 지역의 질산염 농도는 도심지역보다 지하수 내 질산염의 평균 오염농도가 높은 수준(10-40 mg/L)으로 나타났으며, 질산염의 최대 농도는 모든 지역에서 50 mg/L를 초과하는 것으로 나타났다(Cheong et al.
(2012)은 0가 철에 의한 질산염의 비생물학적 탈질 공정이 일어나는 것을 확인하였으며, 질산염 50 mg/L의 농도로 오염된 지하수 내 10 g/L의 0가 철이 존재하였을 때, 20%의 질산염이 제거되는 것을 입증하였다. 뿐만 아니라, 용존 2가 철과 철 산화물을 각각 50 mg/L 농도 투여하였을 때, 질산염의 제거율은 97%로 증진되는 것을 확인하였다. 또한, Ren et al.
5 이상에서 관측되지 않았기 때문에, 같은 pH 조건에서 정확한 질산염의 초기 탈질 반응속도를 비교하지 못하였다. 아질산염의 탈질 반응에 대한 능철석과 같은 pH 5.5에서 초기 반응속도를 비교하면, 약 123배 느린 것으로 나타났다. 그러나, 자철석은 지중환경 내 풍부한 철 산화 광물이기 때문에 실제 지중환경에서 비생물학적 탈질 반응에 보다 많은 영향을 미칠 것으로 생각된다.
3에 나타냈다. 자철석에 의한 질산염의 비생물학적 탈질 반응은 낮은 pH에서 반응이 빠르게 일어나는 것으로 나타났다. Table 2에 제시된 염화물 형태의 green rust와의 초기 반응속도 비교 시, 약 900배 느린 초기 반응속도를 가지는 것으로 나타났다.
이러한 질산염 오염은 주로 질소 비료의 과다 사용에 의하여 초래된다고 알려져 있다. 질소 비료의 사용량은 캐나다, 미국, 유럽, 인도, 중국에서 약 40-70 Kg/ha으로 나타났다. 그 외의 지역에서도 20-40 Kg/ha의 질소 비료를 사용하는 지역이 빈번히 나타나는 것을 확인하였으며, 질소 비료의 사용량이 높은 지역은 주로 인구의 밀집도가 높은 중위도 지역으로 나타났다 (Potter et al.
지중환경 내 질산염의 탈질 반응에 대한 많은 연구들이 수행되어 왔지만 대다수의 연구가 생물학적 과정에만 초점을 맞췄으며, 상대적으로 비생물학적 탈질 반응에 대한 연구는 매우 부족하다고 할 수 있다. 하지만, 지금까지 수행된 몇몇 연구들에 의하여 황화광물, 철 (수)산화물, 2가 철에 의한 비생물학적 탈질 반응이 지중환경 내에서 충분히 가능하다는 것이 입증되었으며, 특히 염화물 형태의 green rust에 의한 비생물학적 탈질 반응속도는 생물학적 탈질 반응속도와 크게 차이가 나지 않는 것이 확인되었다. 그러나 비생물학적 탈질 반응에 대한 정량적인 평가를 위한 연구는 매우 부족한 실정이며, 향후 지중환경 내 존재하는 황화광물, 철 (수)산화물 등과 같은 다양한 지질 매질에 의한 질산염의 비생물학적 탈질 반응에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

후속연구

하지만, 지금까지 수행된 몇몇 연구들에 의하여 황화광물, 철 (수)산화물, 2가 철에 의한 비생물학적 탈질 반응이 지중환경 내에서 충분히 가능하다는 것이 입증되었으며, 특히 염화물 형태의 green rust에 의한 비생물학적 탈질 반응속도는 생물학적 탈질 반응속도와 크게 차이가 나지 않는 것이 확인되었다. 그러나 비생물학적 탈질 반응에 대한 정량적인 평가를 위한 연구는 매우 부족한 실정이며, 향후 지중환경 내 존재하는 황화광물, 철 (수)산화물 등과 같은 다양한 지질 매질에 의한 질산염의 비생물학적 탈질 반응에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 이러한 지질 매질에 의한 질산염의 탈질 반응 결과로서 다량의 수소이온이 생성될 수 있기 때문에 이로 인한 2차적인 지하수 오염 등과 같은 수질 악화 문제에 대해서도 평가하는 연구가 필요하다.
기존에 수행된 많은 연구들에서는 미생물이 관여한 생물학적 과정에 의한 탈질 반응 속도 상수만을 이용하고 있다. 그러나, 실제 지중환경 내 질산염의 탈질 반응은 비생물학적 과정으로도 일어날 수 있기 때문에 앞서 제시한 비생물학적 과정에서 전자공여체로서 작용할 수 있는 다양한 매질에 대한 연구가 필요하다. 뿐만 아니라, 지중환경 내 탈질 반응의 정확한 예측을 위해서는 무엇보다도 그러한 비생물학적 과정에 의한 탈질 반응의 평형론적, 반응속도론적 정량화가 필수적이라고 생각된다.
그러나 비생물학적 탈질 반응에 대한 정량적인 평가를 위한 연구는 매우 부족한 실정이며, 향후 지중환경 내 존재하는 황화광물, 철 (수)산화물 등과 같은 다양한 지질 매질에 의한 질산염의 비생물학적 탈질 반응에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 이러한 지질 매질에 의한 질산염의 탈질 반응 결과로서 다량의 수소이온이 생성될 수 있기 때문에 이로 인한 2차적인 지하수 오염 등과 같은 수질 악화 문제에 대해서도 평가하는 연구가 필요하다.
그러나, 이러한 연구들은 황철석과 질산염의 탈질 반응이 생물학적 또는 비생물학적 과정에 의하여 일어나는지를 구분하지 않고 실험하였기 때문에, 황철석의 입자 크기 및 함량, 온도 등의 인자가 어떤 과정에 더 큰 영향을 미치는지에 대하여는 판단할 수 없다. 또한, 질산염의 탈질 반응에 중요한 영향 인자인 pH, DO에 대한 연구는 수행하지 않았기 때문에 실제 지중환경에서 질산염의 탈질 반응을 정확하게 예측하기 위해서는 생물학적 및 비생물학적 과정에 대한 pH, DO의 영향을 파악하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
본 논문은 문헌 연구를 통해 지중환경 내 질산염의 탈질 반응에 대하여 현재까지 주로 수행되어온 생물학적 과정에 대하여 간단하게 설명하고, 생물학적 탈질 반응보다 상대적으로 덜 다루어져 온 비생물학적 과정의 중요성을 제시하고자 한다. 세부적으로는 (1) 국내외 질산염 오염현황을 조사하고, (2) 질산염의 탈질 반응에 대한 지질 매체의 영향을 살펴보며, (3) 비생물학적 탈질 반응의 중요성을 제시하고, (4) 문헌 연구 결과로부터 도출된 시사점과 향후 연구가 필요한 부분에 대하여 제안하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지중환경 내 질산염을 감소시킬 수 있는 자연적인 과정은?	지중환경 내 질산염을 감소시킬 수 있는 자연적인 과정은 탈질 반응이다. 지중환경 내 질산염의 탈질 반응은 생물학적(biotic) 과정과 비생물학적(abiotic) 과정으로 구분할 수 있으며, 지질 매체 내 광물, 미생물, 조류 등과의상호 작용으로 인하여 조절될 수 있다(Obiri-Nyarko et al.
	지하수의 질산염 오염의 원인은?	, 2015). 지하수의 질산염 오염은 주로 비료의 과다한 사용(Re et al., 2017; Tong et al., 2013), 가축 분뇨, 가정 및 산업폐수, 강과 대수층의 상호 작용 등에 의하여 초래된다(Shalev et al., 2015; Tindall and Chen, 2014).
	질산염의 탈질 반응은 지질 매체의 다양한 특성에 따라 달라진다. 어떤 특성에 따라 달라지는가?	질산염의 탈질 반응은 지질 매체의 다양한 특성에 따라 달라진다. 탈질 반응에 영향을 미치는 주요한 지질 매체 특성은 유기 탄소 농도, 혐기성 조건(용존산소 < 1.2 mg/L), 온도 (25-30oC), 중성의 pH에서 활발하게 일어난다(Robertson and Merkley, 2009; Xu et al., 2009).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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