초록 ▼

본 연구는 BTEX 및 MTBE 분해와 전자 수용체의 역할에 대한 정량적 분석을 통한 자연정화 지배인자를 도출하고, BTEX, MTBE 분해산물 및 지질화학성분이 자연정화 속도에 미치는 영향을 분석하여 자연정화 속도 model 수립에 필요한 기반 인자 자료를 확보하기 위해 수행되었다. 또한 BTEX 및 MTBE 자연 저감을 촉진 할 수 있는 추가 공정 선정과 효과에 대한 연구 및 장기 모니터링에 적합한 경제적인 샘플링과 측정 방법 확립과 BTEX 및 MTBE 오염 지역의 자연 저감 공정 도입 프로토콜 도출하고자 하였다. 본 연구 결

본 연구는 BTEX 및 MTBE 분해와 전자 수용체의 역할에 대한 정량적 분석을 통한 자연정화 지배인자를 도출하고, BTEX, MTBE 분해산물 및 지질화학성분이 자연정화 속도에 미치는 영향을 분석하여 자연정화 속도 model 수립에 필요한 기반 인자 자료를 확보하기 위해 수행되었다. 또한 BTEX 및 MTBE 자연 저감을 촉진 할 수 있는 추가 공정 선정과 효과에 대한 연구 및 장기 모니터링에 적합한 경제적인 샘플링과 측정 방법 확립과 BTEX 및 MTBE 오염 지역의 자연 저감 공정 도입 프로토콜 도출하고자 하였다. 본 연구 결과, BTEX, MTBE의 분해에서 전자수용체 (nitrate, sulfate, iron)에 따른 오염물질의 선호도가 있음을 확인하였고 오염물질이 분해 되면서 전자수용체가 감소하고 있음을 분석결과를 통하여 알 수 있었다. 그리고 전자수용체의 감소와 전자수용체의 화학적 변화산물의 검출을 통해 오염 물질분해에 직접적으로 관여하는 전자수용체의 역할을 구체적으로 정량화하였다. 또한 BTEX, MTBE의 단일성분별 분해에 미치는 전자수용체의 영향을 BTEX 또는 MTBE까지 혼합되어 존재하는 경우에 각 성분이 전체 분해속도와 전자수용체의 affinity에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 통하여 자연상태에 오염되어있는 BTEX 및 MTBE의 자연저감을 촉진할 수 있는 전자수용체의 인위적으로 증가시킬 수 있는 방안과 자연저감의 진행 상황을 모니터링할 수 있는 인자 및 방안을 확보하고 이러한 자연저감 속도와 진행상황을 예측할 수 있는 수학적인 표현을 EPA에서 제시한 model을 기반으로 하여 새롭게 도출하였다.

Abstract ▼

Benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX) and Methyl Tertiary Butyl Etherare (MTBE) among the groundwater contaminants of greatest concern because of their toxicity, solubility in water, and their resistance to degradation in anaerobic environments. A better understanding of these anaerobic

Benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX) and Methyl Tertiary Butyl Etherare (MTBE) among the groundwater contaminants of greatest concern because of their toxicity, solubility in water, and their resistance to degradation in anaerobic environments. A better understanding of these anaerobic processes is needed to be effectively employed for BTEX bioremediation.
In this research, we aimed at 1) deriving control factors of intrinsic bioremedation by quantitative analysis and roles of electron accepters about degradation of BTEX and MTBE, 2) analyzing the effect of BTEX and MTBE and chemical components of geological features, 3) securig data of foundational factors which are needed for devising model intrinsic bioremedation rate, 4) investigating the selection and influence of additional process stimulating natural reduction of BETX and MTBE, 5) establishing economical methods of sampling and measurement being suitable for long-term monitoring, and 6) denying the protocol about the introduction of intrinsic bioremedation process in the site contaminated by BTEX and MTBE.
As the results, we conformed that 1) EAs (electron accepters) had specific affinity to contaminants in degradation of BETX and MTBE, 2) EAs reduced according to degradation of contaminants. And 3) we quantitated the EAs` roles which participated in degrading of contaminants directly. 4) We investigated in the EAs` effect on the degradation rate of BTEX and MTBE by both singular component and mixture of BTEX and MTBE. Through these researches, we secured 5) the device increasing EAs artificially for stimulation of intrinsic bioremedation of BTEX and MTBE, 6) monitoring factors and device for the progress of intrinsic bioremedation, and 7) the deduction of new mathematical expression, which predicts the rate and progress of intrinsic bioremedation, based on the model suggested by EPA.

목차 Contents

• 제출문...1
• 보고서 초록...3
• 요약문...5
• SUMMARY...9
• CONTENTS...11
• 목 차...13
• 제 1 장 연구개발과제의 개요...21
• 제 1 절 연구개발의 필요성...21
• 가. 토양 관리 현황...21
• 나. 우리나라 토양 및 지하수 오염 조사 및 실태...24
• 다. 자연 저감 공정...27
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...35
• 제 1 절 국외...35
• 1. 미국의 토양 및 지하수 복원기술...35
• 2. 일본의 토양 및 지하수 복원기술...39
• 3. 독일의 토양 및 지하수 복원기술...42
• 제 2 절 국내...43
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...55
• 제 1 절 BTEX 및 MTBE의 분해제거 분해제거 특성 파악을 위한 지배인자 도출과 BTEX 및 MTBE 분해에 관여하는 토착 미생물의 정량적 분석을 위한 분자생물학적 기법 도출...55
• 1. 연구 내용 및 범위...58
• 가. 연구 목표...58
• 나. 연구내용 및 범위...58
• (1) 전자수용체 종류와 미생물 반응 특성별 BTEX 및 MTBE 분해도의 정량적 분석...58
• (2) BTEX 및 MTBE 분해 산물 및 중간산물이 자연정화속도에 미치는 영향분석...59
• (3) 최적 자연정화 조건의 미생물군집 조합 분석 연구...60
• (4) BTEX, MTBE의 지하수내 이동 및 분해에 대한 model에 필요한 기반인자 도출...60
• 2. 당해연도 사업의 평가방법 및 평가항목...61
• 가. 전자 수용체 종류별 BTEX, MTBE의 분해도의 정량적 분석 여부...61
• 나. BTEX, MTBE의 분해산물이 자연정화 속도에 영향분석 여부...61
• 다. BTEX, MTBE의 지하수내 이동 및 분해 model에 필요한 기반 인자 도출 여부...61
• 3. 연구 수행 결과...62
• 가. 토양시료의 특성실험...62
• (1) 시료 전처리...62
• (2) 수분함량...62
• 나. 미생물 배양...62
• 다. PCR 반응...65
• 라. DGGE Gel...66
• (1) Preparation protocol...66
• (2) Gel running protocol...68
• (3) Staining protocol...69
• (4) Gel Doc program으로 Band 확인...69
• (5) DNA purification...70
• (6) Sequencing...70
• 마. Clone library...70
• 바. GC 분석...73
• 사. 국내 오염지역 분석 (현장 방문조사 및 샘플 채취/분석)...76
• 아. 전자수용체에 의한 혐기적 BTEX 분해 영향...81
• (1) 토양 함유 성분이 오염물질 분해에 미치는 영향...81
• (2) 오염토양내 오염물질에 따른 토양 토착 미생물의 변화...91
• 자. 전자 수용체가 BTEX와 MTBE에 미치는 영향 분석...102
• 차. 혐기성 BTEX 분해에 따른 전자수용체별 소모율 비교...168
• 제 2 절 PCR-DGGE를 이용한 미생물 군집 분석...173
• 1. 실험 재료 및 실험 방법...173
• 가. 미생물 배양...173
• 나. 미생물 군집 분석을 위한 시료 준비...173
• 다. Gnomic DNA의 추출...174
• 라. 27f/1482r을 이용한 bacterial 16S rDNA gene의 1st PCR...174
• 마. 1st PCR product의 정제 (PCR Purification)...175
• 바. DGGE 분석을 위한 2nd PCR...176
• 사. BGGE를 분석을 위한 2nd PCR product의 정제 (purification)...177
• 아. Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE)...178
• 자. DGGE band의 PCR과 PCR purification...179
• 차. Clone library 및 phylogenitic tree 작성을 위한 Cloning과 sequencing...180
• (1) Ligation...180
• (2) Transformation...181
• (3) Culturing과 sequencing...181
• 2. 실험 결과...181
• 가. 미생물 배양 및 미생물 군집분석 시료의 준비...181
• 나. Genomic DNA 의 추출...184
• 다. 27f/1482r을 이용한 bacterial 165 rDNA gene의 1st PCR...185
• 라. 1st PCR product의 정제 (PCR Purification)...186
• 마. DGGE 분석을 위한 2nd PCR...188
• 바. DGGE를 분석을 위한 2nd PCR product의 정제 (purification)...190
• 사. Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE)...191
• 아. Clone library 및 phylogenitic tree 작성...203
• (1) 전자수용체에 따른 benzene의 분해에 관한 미생물 군집 분석...203
• (2) 전자수용체에 따른 toluene의 분해에 관한 미생물 군집 분석...204
• (3) 전자수용체에 따른 ethylbenzene 의 분해에 관한 미생물 군집 분석...205
• (4) 전자수용체에 따른 Xylene 의 분해에 관한 미생물 군집 분석...205
• (5) 전자수용체에 따른 MTBE 의 분해에 관한 미생물 군집 분석...206
• 3. 결론...283
• 제 3 절 T-RFLP를 이용한 전자수용체에 따른 BTEX 분해 특성 및 미생물 군집분석...284
• 1. 전자수용체별 BTEX 분해 특성...284
• 가. 실험 재료 및 실험 방법...284
• 나. 실험결과...284
• 2. T-RFLP를 이용한 미생물 군집 분석...295
• 가. 실험 재료 및 실험 방법...295
• 나. 실험 결과...299
• (1) 전자수용체에 따른 BTEX 분해미생물 군집 분석 I...299
• (2) 전자수용체에 따른 BTEX 분해미생물 군집 분석 II...309
• (3) 전자수용체에 따른 MTBE 분해미생물 군집 분석...322
• (4) BTEX 혼합기질 분해미생물 군집분석...327
• 제 4 절 RT-qPCR를 이용한 자연정화시 BTEX 분해미생물의 실시간 정량 분석...337
• 1. Real Time PCR 원리 및 실험방법...337
• 가. Real Time PCR 조건...338
• (1) bssA gene...338
• (2) bcrA...339
• 2. RT-qPCR 실험결과...350
• 제 5 절 BTEX 지하수내 오염 확산 modeling...357
• 1. Advection에 의한 메커니즘...358
• 2. Hydrodynamic dispersion에 의한 메커니즘...359
• 3. 흡착에 의한 메커니즘...362
• 4. 생분해에 의한 메커니즘...367
• 5. Volatilization과 infiltration에 의한 메커니즘...369
• 6. Biogeochemical model을 이용한 자연정화 속도식 도출...370
• 7. 지하수의 흐름에 의한 메커니즘...376
• 8. 오염 물질 전달 저해 속도...379
• 제 6 절 자연정화 토양오염복원관련 프로토콜...380
• 1. 오염지역과 관련된 입수가능한 모든 자료를 검토할 것...380
• 2. 자연정화에 대한 잠재성을 검토하기 위한 선행 조사할 것...380
• 3. 자연정화에 적합지의 여부 판단을 위한 오염지역 특성을 파악할 것...380
• 4. 오염지역의 지질, 오염농도, 지하수 흐름방향, 속도 등의 조사 및 특성인자 도출할 것...383
• 5. 자연정화시 오염농도 감소 및 오염물질 분해 미생물 증감여부 확인을 위한 선행 자료 확보할 것...383
• 제 7 절 실제 오염토양을 이용한 토양오염 자연정화 실시...386
• 1. 결론...393
• 제 4 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도...397
• 제 1 절 목표 달성도...397
• 제 2 절 관련분야에의 기여도...399
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...403
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...409
• 1 절 BTEX 오염환경의 자연정화 기술...409
• 1. BTEX의 생물분해에 대한 footprint의 중요성...409
• 2. 미생물에 의한 BTEX 분해 반응...409
• 가. 생 분해 (Biodegradation)...414
• 나. 전자수용체 (Electron Acceptor)...417
• 다. BTEX의 특성...417
• 라. BTEX가 인체에 미치는 영향...418
• 마. BTEX 생분해 메카니즘...420
• 바. Benzene 분해...421
• 사. Toluene 분해...422
• 아. Ethylbenzene 분해...425
• 자., Xylene 분해...426
• 차. MTBE의 특성...427
• 카. MTBE의 생물학적 특성 및 독성...429
• 타. MTBE 분해경로...430
• 제 7 장 참고문헌...435