전남 무안 갯벌 퇴적물에 관한 광물학적 및 생지화학적 연구
Mineralogy and Biogeochemistry of Intertidal Flat Sediment, Muan, Chonnam, Korea
노 열 (Y. Roh)†⋅박 병 노 (B.-N. Park)⋅이 제 현 (J.-H. Lee)⋅오 종 민 (J.-M. Oh)⋅
이 승 희 (S.-H. Lee)⋅한 지 희 (J.-H. Han)⋅김 유 미 (Y.-M. Kim)⋅서 현 희 (H.-H. Seo)
전남대학교 자연과학대학 지구환경과학부
(Faculty of Earth Systems and Environmental Sciences, Chonnam National University, Gwangju, Korea)
요약 : 서해안 지역 갯벌의 퇴적학적인 연구는 많이 진행되어 왔으나 갯벌 퇴적물의 광물학적 인 연구 및 지구 미생물학적 연구는 미비하다. 따라서 본 연구는 전라남도 무안군의 청계면과 해제면의 갯벌 퇴적물 내 광물의 특성 관찰 및 철 환원 박테리아의 존재에 따른 철산화물 상 전이를 연구하는데 목적이 있다. 갯벌 퇴적물의 광물학적인 특성 관찰을 위해 입도분석으로 분리된 입자를 주사전자현미경(SEM-EDX), 투사전자현미경(TEM), X-선회절(XRD) 분석을 이 용하여 구성광물을 관찰하였다. 생지화학적 연구는 갯벌 퇴적물 내 철 환원 박테리아의 존재 를 확인한 후, 갯벌 내 서식하는 철 환원 박테리아를 이용하여 akaganeite, ferrihydrite, 침철석 을 전자수용체로 그리고 젖산, 글루코스를 전자공여체로 사용하여 3가 철의 환원 실험을 실시 하였다. 이들 박테리아에 의한 산화철의 상전이 과정에서 형성된 이차광물을 투사전자현미경 과 X-선회절 분석을 사용하여 관찰하였다. 청계면과 해제면의 갯벌 퇴적물 모두 석영, 사장석, 미사장석, 흑운모, 카올린, 일라이트 등으로 구성되어 있었다. 또한 갯벌 퇴적물로부터 배양한 철 환원 박테리아는 글루코스 또는 락테이트를 전자공여체로 이용하여 적갈색이었던 akaga- neite를 나노미터 크기의 검은색 자철석으로 그리고 적갈색의 ferrihydrite를 검은색의 비정질 광물로 상전이 시켰다. 또한 노란색의 침철석을 녹색으로 환원시켰으며 침철석의 일부를 나노 미터 크기의 광물로 상전이 시켰음을 확인하였다. 본 연구 결과에 따르면 갯벌 퇴적물로부터 배양한 미생물들은 유기물을 전자공여체로 이용하며 3가철을 포함한 산화철을 환원시키고 자 철석과 같은 2가 철을 포함한 광물을 형성함을 보여 주었다. 이들 박테리아의 활동은 갯벌 퇴 적물 내에서 유기물과 금속이온의 순환에 영향을 미칠 뿐만 아니라 자철석을 형성하는 등 생 광화작용에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
주요어 : 갯벌, 퇴적물, 생지화학, 철 환원, 생광화작용
ABSTRACT : While sedimentological researches on Western coastal tidal flats of Korea have been
much performed previously, mineralogical and biogeochemical studies are beginning to be studied.The objectives of this study were to investigate mineralogical characteritics of the inter-tidal flat sedi- ments and to explore phase transformation of iron(oxyhydr)oxides and biomineralization by metal-re- ducing bacteria enriched from the inter-tidal flat sediments from Muan, Jeollanam-do, Korea. Inter-ti- dal flat sediment samples were collected in Chungkye-myun and Haeje-myun, Muan-gun, Jeollanam- do. Particle size analyses were performed using the pipette method and sedimentation method. The separates including sand, silt and clay fractions were examined by scanning electron microscopy
(SEM) with energy dispersive X-ray (EDX) analysis, transmission electron microscopy (TEM), and X-ray diffraction (XRD). After enriching the metal-reducing bacteria from the inter-tidal flat sedi- ments, the bacteria were used to study phase transformation of the synthesized iron (oxyhydr)oxides and iron biomineralization using lactate or glucose as the electron donors and Fe(III)-containing iron oxides as the electron acceptors. Mineralogical studies showed that the sediments of tidal flats in Chungkye-myun and Haeje-myun consist of quartz, plagioclase, microcline, biotite, kaolinite and illite. Biogeochemical researches showed that the metal-reducing bacteria enriched from the in- ter-tidal flat sediments reduced reddish brown akaganeite and mineralized nanometer-sized black magnetite. The bacteria also reduced the reddish brown ferrihydrite into black amorphous phases and reduced the yellowish goethite into greenish with formation of nm-sized phases. These results indicate that microbial Fe(III) reduction may play one of important roles in iron and carbon bio- geochemistry as well as iron biomineralization in subsurface environments.
Key words : Inter tidal flat, Sediment, Biogeochemistry, Iron reduction, Biomineralization
서 론
우리나라 서해안의 갯벌 퇴적물은 주로 모래 와 펄의 혼합으로 이루어져 있으며, 육지 안쪽 으로 깊숙이 들어간 조간대에서는 펄이 상대적 으로 우세한 반면 외해에 면한 조간대에는 모 래의 함량이 많은 경향을 보인다(이창복 외, 1985, 1992). 모래는 대부분의 경우 석영과 장 석으로 구성되어 있으며, 그 밖에 탄산염 패각 과 암석편 및 여러 중광물들이 부수적으로 존 재한다. 경기만 갯벌의 경우 가장 많이 나타난 중광물은 각섬석과 녹염석이었으며, 석류석, 저 어콘, 휘석 등도 출현한다. 한편 우리나라 주변 해저 퇴적물에서 나타나는 점토광물은 일라이 트가 가장 많아 전체 점토광물의 약 50%를 차 지하고, 나머지는 고령석과 녹니석이 서로 비슷 한 비율로 구성되어 있다. 그리고 스멕타이트는 우리나라 연안 퇴적물에서는 거의 나타나지 않 는다(이창복 외, 1992). 지금까지 우리나라 서해 안 지역의 퇴적학적인 연구는 많이 진행 되었 다(류상옥 외, 1997; 이인태와 전승수, 2001; 백 영숙 외, 2004; 최경식 외, 2005).
지구상에 생명체가 처음 존재하기 시작한 후 부터 현재에 이르기까지 미생물은 가장 많은 생물량(biomass)을 차지하고 있고 지구화학적 원소 순환에 있어 결정적인 영향을 미치는 것 으로 간주된다. 지구미생물은 암석의 풍화속도 를 증가시키고, 원소의 광역적, 국지적 거동을 조절하며, 광물을 형성시키고(Lovley et al., 1987; Ferris et al., 1994; Zhang et al., 1997;
Fredrickson et al., 1998; Roh et al., 2001, 2002a, 2003, 2006), 금속이온을 농집시켜 이차
광물을 형성함으로써 대규모 금속광상 형성에 직접적인 원인을 제공하고 있으며(Lovley, 1991, 1993), 유독성 중금속 또는 유기화합물의 독성 이나 이동도를 감소시킬 수 있다(Lovley, 1991, 1993; Nealson and Saffarini, 1994; Roh et al., 2002b). 국내에서는 호수의 저질토에서 분리된 Shewanella에 관한 미생물학적인 연구들이 이 루어졌으나(박재홍 외, 2002; 조아영 외 2003), 갯벌 퇴적물에서 추출한 철 환원 박테리아에 의한 생지화학적 연구는 선행되지 않았다. 지금 까지 서해안 지역 갯벌의 퇴적학적인 연구는 많이 진행되어져 왔으나, 갯벌 퇴적물의 광물학 적 연구나 갯벌 미생물을 이용한 생지화학적인 연구는 미비하다. 이에 본 연구는 무안군 갯벌 퇴적물 시료를 채취하여 갯벌 퇴적물의 구성광 물에 대한 연구와 갯벌 퇴적물에 존재하는 철 환원 박테리아에 의한 철 산화물 상전이와 생 광화작용 연구를 목적으로 한다.
연구지역 및 연구방법
연구지역
연구지역은 무안군 해제면 창매리와 청계면 복길리로 두 지역의 갯벌 퇴적물에 관해 연구 하였다(그림 1). 첫 번째 연구지역은 무안군 해 제면 창매리(위도: N35° 03′11.3″, 경도: E 126° 17′44.1″)에 해당하는 지역으로 지형적 위치로 확인해 보면 채널에서 떨어져 있다. 두 번째 연구지역은 무안군 청계면 복길리(위도:
N 34° 53′50.0″, 경도: E 126° 23′ 39.0″)에 해당하는 지역으로 첫 번째 연구지역과 달리
Fig. 1. Study area and sampling sites of inter-tidal flat sediments from Changmae-ri, Hajae and Bokgil-ri, Chunggae, Chonnam, Korea.
채널에 근접해 있다. 그리고 두 지역 모두 닫힌 지형에 해당한다.
지질 개요 및 퇴적상
청계면의 지질은 반상변정 편마암을 주로한 층상편마암으로 구성되고 박층의 석회암이 여 러 곳에 협재되어 있다. 석회암의 협재로 말미 암아 층상편마암은 퇴적기원의 변질암으로 추 측된다(이윤종 외, 1971). 암석의 육안 관찰로는 흑운모편을 주로 하는 유색광물과 석영과 장석 을 주로 하는 무색광물의 교호로써 층상구조 내지 편마암상 구조를 보여주는 것이 특징이다.
해제면의 지질은 편상편마암이 주를 이루고 있 으며 대부분 방향성을 전혀 찾아 볼 수 없거나 방향성이 미약한 괴상의 조립질 내지 중립질 흑운모편상화강암, 각섬석편상화강암이다(최승오 와 고중배, 1971). 청계면의 퇴적상은 주로 펄 및 모래-펄 갯벌로 구성되어 있으며 해제면의 퇴적상은 펄 및 자갈펄, 모래 갯벌이 채널을 따
라 발달하였음을 알 수 있다(해양수산부, 2003).
갯벌 퇴적물 시료 채취 및 분석방법 갯벌 퇴적물 시료채취 및 pH측정
갯벌 퇴적물의 시료채취는 광물학적 연구용 과 철 환원 박테리아 연구용으로 나눠서 수행 하였다. 광물학적 연구용은 수직적으로 표면에 서 10 cm 이내에서 수평적으로는 5 m 간격으 로 지퍼백에 채취하였다. 박테리아 연구용은 표 면에서 10 cm 이내의 갯벌 퇴적물을 멸균 처리 된 100 mL 미디아병에 채취하였다. 본 연구를 위하여 채취한 갯벌 퇴적물의 pH는 Orion pH meter를 이용하여 측정하였다.
입도분석
갯벌 퇴적물의 입도분석은 피펫방법(Gee and Bauder, 1986; Kilmer and Alexander, 1945)을 이용하여 입도를 분석하였다. 자연건조 시킨 갯 벌에서 조개껍질과 같은 탄산염물질을 핀셋을 이용해 최대한 제거한 후 과산화수소(H2O2)를 사용하여 유기물을 제거하였다. 분산제인 Na- Hexametaphosphate와 Na-Carbonate를 첨가한 후 4ø 채를 이용하여 모래입자를 분리하고 잔 여시료는 피펫방법을 이용하여 입도분석을 실 시하였다. 입도 분석 결과를 Folk (1968)의 삼 각좌표에 도시하였다.
광물분석
입도분석에 의해 분리된 모래와 실트 시료는 건조기에서 90oC로 건조시킨 후 백금코팅을 하 여 주사전자현미경을 이용하여 분석하였다. 주 사전자현미경 분석은 FE-SEM (Field Emmiss- ion-Scanning Electron Microscope)으로 Hitachi 사제 S-4700을 이용하였고 가속전압은 15 kV로 분석하였다. 주사전자현미경분석을 통해 시료 의 분급, 광물입자의 크기, 화학조성 및 구성광 물에 대해 알아보았다. 주사전자현미경 분석 후 남은 모래와 실트 시료는 아게이트 막자를 이 용해 분쇄한 뒤 분쇄된 분말을 X-선회절 분석 에 사용하였다. X-선회절 분석은 Rigaku사제 Dmax2400을 사용하였으며, CuKα선과 Ni-fil- ter를 이용하였다.
점토시료의 투사전자현미경(Transmission El- ectron Microscope) 분석은 광물입자의 크기와
모양 및 광물조성을 분석하기 위해 이용하였다.
입도분석에 의해 분리된 증류수와 점토 혼합상 시료를 주사기를 이용해 구리 grid 위에 한 방 울 정도 떨어뜨린 뒤 자연건조 시켜 투사전자 현미경 분석을 하였다. 분석에는 FE-TEM (Field Emmission-Scanning Electron Microscope)인 Phillips사제 Tecnai F20를 이용하였고 가속전압 은 200 kV로 측정하였다.
점토광물 역시 구성광물을 식별하기 위해 X- 선회절 분석을 시행하였다. 입도 분리한 점토는 KCl과 MgCl2를 이용하여 층간이온을 치환시킨 후 membrane peel 방법을 이용하여 정방위시료 를 준비하였다(Drever. 1973; Moore and Rey- nolds, Jr., 1989). 위의 과정을 통해 준비된 K+- 치환 점토시료는 25oC에서 제조된 시료를 가열 처리 없이 X-선회절 분석을 실시하였다. 같은 시료를 300oC에서 열처리 후 X-선회절 분석을 수행하였다. 또한 같은 시료를 550oC 가열처리 한 후 X-선회절 분석을 실시하였다. Mg2+-치환 점토시료는 글리세롤(glycerol)로 포화시킨 후 X-선회절 분석을 실시하였다(Moore and Rey- nolds, Jr., 1989)
실험실 내에서 제조한 전자수용체인 akaga- neite, ferrihydrite, 침철석과 갯벌 퇴적물에서 배 양한 박테리아에 의한 전자수용체의 상전이는 주사전자현미경(SEM-EDX), 투사전자현미경(FE- TEM)과 X-선회절 분석을 이용하여 관찰하였 다. 투사전자현미경(FE-TEM)은 Phillips사의 Tec- nai F20을 사용하여 200 kV로 관찰하였다.
생지화학적 연구
미생물 배지(Media): 갯벌 퇴적물 내 철 환원 미생물 활동 여부 확인과 더불어 이들 미생물 을 이용한 산화철 환원 및 광물의 상전이 연구 를 위하여 사용된 미생물 배지의 성분은 다음 과 같다(g/L): 2.5 NaHCO3, 0.08 CaCl2⋅2H2O, 1.0 NH4Cl, 0.2 MgCl2⋅6H2O, 10 NaCl, 0.4 K2HPO4⋅3H2O. 7.2 HEPES (hydroxyethylpi- perazine-N'-2-ethanesulfonic acid), 1.0 rasazurin (0.01%), 0.5 yeast extract, 10 trace minerals, 그 리고 1 vitamin 용액(Phelps et al., 1989). 전자 전달체(예: anthraquinone disulfonate, AQDS)나 환원제(예: cysteine) 등은 미생물 배지에 첨가 하지 않았다. Trace mineral 용액은 다음과 같은 시약을 포함하고 있다(g/L): 1500 Nitrilotriacetic
acid, 200 FeCl2⋅4H2O, 100 MgCl2⋅6H2O, 20 sodium tungstate, 100 MnCl2⋅4H2O, 100 CoCl2
⋅6H2O, 1000 CaCl2⋅2H2O, 50 ZnCl2, 2 CuCl2
⋅2H2O, 5 H3BO3, 10 sodium molybdate, 1000 NaCl, 17 Na2SeO3, 24 NiCl2⋅6H2O. 비타민 용 액은 다음과 같은 시약을 포함하고 있다(g/L):
0.02 biotin, 0.02 folic acid, 0.1 B6 (pyridoxine) HCl, 0.05 B1 (thiamine) HCl, 0.05 B2 (riboflav- in), 0.05 nicotinic acid (niacin), 0.05 pantothe- nic acid, 0.001 B12 (cyanobalamine) crystalline, 0.05 PABA (P-aminobenzoic acid), 0.05 lipoic acid (thioctic). 미생물 배지의 최초 pH는 7.5∼
8.0이다.
갯벌 퇴적물 내 존재하는 철 환원 미생물의 활동 여부를 확인하고 이들 미생물의 활동 촉 진을 위하여 전자수용체로 Fe(Ⅲ)-citrate (2.5∼
5 mM)를 그리고 전자공여체로 글루코스(5∼10 mM) 혐기성 미생물 배지에 주입하였다. 그 후 에 갯벌 퇴적물과 멸균 처리한 증류수와 섞어 만든 슬러리 1 mL를 미생물배지에 주입하여 철 환원 박테리아를 배양하였다.
전자수용체로 Fe(III)-citrate와 3가지 종류의 철 산화광물(침철석, akaganeite, ferrihydrite)을 이용하였다. 침철석은 Fe(NO3)⋅9H2O (40 g/
500-mL)에 주사기(30 mL)와 주사바늘(21G)을 이용하여 1 M KOH용액을 중력으로 pH = 7이 될 때까지 서서히 적정하여 노란색의 침전물을 구하였다. 노란색 침전물은 원심분리기를 이용 하여 3번 반복하여 씻은 후 침철석을 얻어 전자 수용체로 사용하였다. Akaganeite는 FeCl3⋅6H2O (0.4 M)를 NaOH (10 N)를 주사기(30 mL)와 주 사바늘(21G)을 이용하여 pH = 7이 될 때까지 중력의 힘만으로 떨어뜨리면서 적정을 하였다.
적정 후 침전된 갈색의 침전물을 원심분리기를 이용하여 전해질 용액을 3회에 걸쳐 증류수로 씻은 후 akaganeite을 전자수용체로 이용하였다.
Ferrihydrite는 Fe(NO3)⋅9H2O (40 g/500-mL)에 30 mL 주사기와 21G주사바늘을 이용하여 1 M KOH용액을 중력만 이용하여 천천히 pH = 7이 될 때까지 적정하여 노란색의 침전물을 구하였 다. 침전물은 3번 반복하여 증류수로 씻은 후 ferrihydrite를 얻어 전자수용체로 사용하였다. 3 가지 전자수용체의 X-선회절 분석과 투사전자 현미경 분석 결과 3가지 전자수용체는 침철석, akaganeite와 ferrihydrite로 확인되었다.
Fig. 2. Particle size analysis data of the inter tidal flat sediments sampled from Changmae-ri, Hajae (left) and Bokgil-ri, Chunggae were plotted on Folk’s diagram (1968).
연구결과 및 토의
갯벌 퇴적물의 pH와 입도분포
오늘날 해수의 평균 pH는 8.1 정도이고 탄 도만의 경우 기존 연구 자료에 의하면 평균 pH가 약 8.0인데 본 연구 지역인 청계면 복길 리 갯벌 퇴적물의 pH는 6.9∼7.0으로 측정되 었다. 해제면 창매리 갯벌퇴적물의 pH는 7.2∼
7.5로 측정되어 8.0보다 낮게 나왔다. 이는 해 수만을 측정하지 않고 갯벌과 해수가 혼합된 상태로 측정하여 갯벌 내 존재하는 갯벌미생 물의 유기물 분해시 분비되는 유기산의 작용 에 의해 낮게 나온 것으로 해석된다. 해제면 창매리에 비해 청계면 복길리의 갯벌 퇴적물 pH값이 낮게 나온 이유는 청계면 복길리는 간 조에 가까운 시간에 측정하여 퇴적물 내에 존 재하는 유기산의 영향일 것으로 사료된다. 해 제면 창매리는 만조에 가까운 시간에 시료채 취를 하여 퇴적물 내 유기산 보다는 해수의 영 향으로 함수량의 차이에 의해 pH 값의 차이가 발생한 것으로 해석된다.
갯벌 퇴적물의 입도분석 결과 청계면 복길리 퇴적물 시료의 입도분포는 모래가 11.4∼41.8%, 실트가 31.2∼46.3%, 점토가 27.0∼42.3%로 나 타났다. 해제면 창매리의 퇴적물 입도분포는 모 래가 0.9∼7.8%, 실트가 77.2∼82.5%, 점토가
15.0∼16.6%으로 나타났다. Folk diagram에 도 시한 결과 청계면 복길리의 경우 sandy Mud 퇴 적상의 경향을 보인다. 해제면 창매리는 실트 (Silt) 퇴적상 경향을 보인다(그림 2). 청계면 복 길리 실트는 분산도가 높게 나왔고(그림 2) 해 제면 창매리 실트는 분산도가 낮게 나왔다(그림 2). 복길리 퇴적물의 분산도가 높게 나온 것은 시료 채취 시 채널을 기준으로 하여 멀어지면 서 채취하였기 때문에 그에 따라 모래의 함량 이 감소하는 경향이 나타난 것으로 사료된다.
모래의 광물조성 및 모양
그림 3은 해제면 갯벌 퇴적물 중 입도 분리한 모래시료의 주사전자현미경 사진과 EDX 분석 결과이다. 광물입자의 전체 주사전자현미경 사 진을 통해 청계면 시료에 비해 입도가 100 µm 정도로 균일함을 알 수 있다(그림 3A). 석영입 자는 풍화에 강한 광물인 만큼 다른 광물에 비 해 표면이 매끄러운 느낌을 준다. 석영의 화학 조성(SiO2)에 맞게 EDX 분석 결과 Si와 O가 주 성분을 이룬다(그림 3B, E). 또한 겉이 부식된 듯한 형태를 띠는 사장석을 확인할 수 있었다 (그림 3C). 운모류 광물은 판상의 외형으로 쉽 게 구분할 수 있었는데, EDX 분석 결과에 따르 면 Fe, Mg 피크를 통해 운모류 광물이 흑운모 임을 알 수 있었다(그림 3D, G). 주사전자현
Fig. 3. SEM-EDX analysis of sand fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Changmae-ri, Hajae.
Fig. 4. SEM-EDX analysis of sand fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Bokgil-ri, Chunggae.
미경과 EDX 분석결과 해제면 갯벌 퇴적물 내 모래입자의 주 구성광물은 석영, 사장석, 흑운 모로 이루어져 있음을 알 수 있다. X-선회절 분 석 결과도 주사전자현미경 분석과 동일하게 해 제면 갯벌 퇴적물의 입도 분리한 모래의 주 구 성광물은 석영, 운모류, 장석류 임을 알 수 있었 다(그림 5).
그림 4는 청계면 갯벌 퇴적물 중 입도 분리한 모래시료의 주사전자현미경 분석자료이다. 분
석자료의 특징은 해제면 모래에 비해 입도가 균질하지 못하며 더 조립질이라는 것을 알 수 있다(그림 4A). 이는 입도 분석에서 나왔던 수 치와 비교해 보면 양적으로도 청계면 갯벌 퇴 적물에 모래의 함량이 많을 뿐만 아니라 크기 도 200 µm 정도로 더 크다는 것 알 수 있다.
관찰한 광물은 해제면 모래와 광물조성이 동일 한 석영(그림 4B, E), 사장석(그림 4C, F)과 흑 운모(그림 4D, G)로 구성되어 있다. 해제면과
Fig. 5. XRD analysis of sand fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Changmae-ri, Hajae.
청계면 퇴적물의 입도 분리한 모래시료의 주사 전자현미경 분석으로 입도와 분급의 차이는 있 었으나 구성광물은 석영, 사장석, 흑운모로 일 치함을 알 수 있다. X-선회절 분석 결과는 주사 전자현미경 분석과 마찬가지로 청계면 갯벌 퇴 적물의 입도 분리한 모래의 주 구성광물은 석 영, 운모류, 장석류 임을 알 수 있었다(그림 5).
이는 주사전자현미경 분석 결과와 대체로 일치 하나 주사전자현미경 분석에서 발견하지 못한 미사장석이 X-선회절 분석에서는 나타나는게 특징적이다.
실트의 광물조성 및 특성
해제면 갯벌 퇴적물 실트시료의 주사전자현 미경 분석결과 주 구성광물은 석영(그림 6B, E), 사장석(그림 6C, F), 흑운모(그림 6D, G)가 함유되어 있음을 알 수 있었다. 석영입자는 풍 화에 강한 광물인 만큼 다른 광물에 비해 표면 이 매끄러운 느낌을 준다. 석영의 화학조성 (SiO2)에 맞게 EDX 분석 결과 Si와 O가 주성분 을 이룬다(그림 6B, E). 또한 겉이 부식된 듯한 형태를 띠는 사장석을 확인할 수 있었다(그림 6C). 운모류 광물은 판상의 외형으로 쉽게 구분 할 수 있었는데, EDX 분석 결과에 따르면 Fe, Mg 피크를 통해 운모류 광물이 흑운모임을 알 수 있었다(그림 6D, G). 실트 입자의 크기는 다 양(3∼500 µm)하게 산출되며 해제면 실트시료 의 X-선회절 분석 결과에 따르면 주사전자현미 경 분석 결과와 동일하게 해제면 실트는 석영, 사장석과 운모류로 구성되어 있다(그림 8).
청계면 실트시료의 주사전자현미경 분석을 통해서는 석영(그림 7B, E), 알칼리장석(그림 7C, F), 흑운모(그림 7D, G)를 관찰할 수 있었 다. 해제면과 청계면 퇴적물의 입도 분리한 실 트시료의 주사전자현미경 분석을 통해 입도와 분급의 차이는 있었으나 구성광물은 석영, 장 석, 흑운모로 일치함을 알 수 있다. 청계면 실트 의 X-선회절 분석 결과에 따르면 실트는 석영,
Fig. 6. SEM-EDX analysis of silt fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Changmae-ri,
Hajae.
Fig. 7. SEM-EDX analysis of silt fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Bokgil-ri, Chunggae.
Fig. 8. XRD analysis of silt fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Changma-ri, Hajae.
장석과 운모류로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다(그림 8).
점토의 광물조성 및 특성
해제면 점토시료의 투사전자현미경 분석 결 과에 따르면 구성광물로 고령석과 일라이트가 주를 이루며 해면동물 조각, 규조토와 불투명광 물이 함께 존재함을 알 수 있다(그림 9). 육각형 의 형태를 띠는 광물은 고령석이며 고령석 주 변의 광물은 운모가 풍화되어 형성된 일라이트 로 사료된다(그림 9A). 긴 막대모양을 띠는 것
은 Si로 구성되어있는 생물의 유해인 해면동물 조각으로 사료된다. 고령석과 해면동물 조각을 제외한 나머지는 주로 일라이트이다(그림 9B, C). 흰색 구멍이 규칙적으로 보이는 규조토 역 시 관찰 할 수 있었다(그림 9D). 해제면 점토시 료의 X-선회절 분석 결과를 보면 해제면의 점 토는 고령석과 일라이트로 구성되어 있음을 알 수 있다(그림 10).
청계면 점토시료의 투사전자현미경 분석 결 과에 따르면 주 구성광물은 고령석과 일라이트 로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 해제면 점 토시료 투사전자현미경 분석에서 관찰할 수 없 었던 스멕타이트가 청계면 점토시료에서는 관 찰할 수 있었다(그림 11). 청계면 점토시료의 X-선회절 분석 결과에 따르면 고령석과 일라이 트가 주를 이루며 이는 해제면 점토시료와 동 일 광물조성을 나타내고 특징적인 것은 해제면 점토시료와는 달리 스멕타이트가 함유되어 있 다(그림 12).
생지화학적 특성
전자수용체 상전이 및 생광화작용에 따른 색 변화
갯벌 퇴적물 내 존재하는 철 환원 미생물의 활동을 위하여 전자수용체로 Fe(Ⅲ)-citrate (2.5
∼5 mM)를 그리고 전자공여체로 글루코스(5∼
Fig. 9. TEM analysis of clay fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Changmae-ri, Hajae.
Fig. 10. XRD analysis of clay fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Changmae-ri, Hajae.
10 mM)를 혐기성 미생물 배지에 주입하였다.
그 후에 갯벌 퇴적물과 멸균 처리한 증류수와 섞어 만든 퇴적물 슬러리 1 mL를 미생물배지 에 주입하여 철 환원 박테리아를 배양하였다.
청계면과 해제면에서 채취한 갯벌 퇴적물 내 생존하는 박테리아는 글루코스를 전자공여체로 이용하여 1∼2 일 이내에 Fe(III)-citrate를 환원 시켜 녹갈색의 Fe(III)-citrate를 환원시켜 무색으 로 변화시켰다. 이와 같이 배양한 철 환원 미생 물의 철 환원 활동을 확인하기 위하여 전자수
용체로 Fe(Ⅲ)-citrate (2.5∼5 mM)를 그리고 전 자공여체로 글루코스(5∼10 mM)를 혐기성 미 생물 배지에 다시 주입하였다. 실험결과 갯벌 퇴적물로부터 배양한 박테리아는 1∼2일 이내 에 Fe(III)-citrate를 환원시켜 녹갈색의 Fe(III)- citrate를 환원시켜 무색으로 변화시켰다. 갯벌 퇴적물 내 철 환원 박테리아가 생존하여 이들 미생물이 전자수용체인 3가 철을 이용하여 환 원시킴을 알 수 있다. 이와 같이 배양한 철 환 원 박테리아를 이용하여 산화철의 환원 및 생 광화작용을 연구하였다.
배양된 철 환원 박테리아와 전자수용체/공여 체를 혐기성 환경 하에서 주입하여 시간이 지 나면서 미생물 배지 내 산화철(akaganeite, ferri- hydrite, 침철석)의 3가철 환원 현상에 따른 산 화철의 색변화를 3주간 관찰하였다. 갯벌에 생 존하는 철 환원 박테리아가 글루코스 또는 젖 산을 전자공여체로 이용하여 산화철의 색변화 로 3가철을 포함한 산화철의 환원을 확인 할 수 있었다(그림 13). 갯벌퇴적물을 이용하여 철 환 원 박테리아가 활동하면서 적갈색의 akaganeite 와 ferrihydrite를 환원시켜 검은색의 광물을 형 성하였다. 또한 이들 박테리아는 노란색의 침철 석과 같은 철 산화물을 환원시켜 녹색으로 광
Fig. 11. TEM analysis of clay fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Bokgil-ri, Chunggae.
Fig. 12. XRD analysis of clay fraction of the inter tidal flat sediments sampled from Bokgil-ri, Chunggae.
물 색을 변화시켰다. 청계면과 해제면을 나눠서 관찰했지만 거의 비슷한 양상을 보였다(그림 13). 따라서 갯벌 퇴적물 내 철 환원 박테리아 의 존재를 재확인 하였으며 이들 미생물은 젖 산 또는 글루코스를 전자공여체로 이용하여 그 리고 3가 철을 전자수용체로 이용하여 산화철 을 환원시킴을 알 수 있다. 따라서 태평양 해양 퇴적물과 기타 환경과 마찬가지로 배양한 철 환원 박테리아와 마찬가지로 갯벌 퇴적물 내에 3가철을 환원시키는 미생물이 존재하며 이들 미 생물들이 유기물을 산화시키면서 산화철을 환
Fig. 13. Photo showing color changes of the elec-
tron acceptors including akaganeite, ferrihydrite,
and goethite using lactate or glucose as an electron
donor during the time course experiments at 0 day
(A), 3 days (B), 10 days (C), and 15 days (D).
Fig. 14. TEM analysis of the electron acceptors and the reduced phases: (A) Akaganeite, (B) Magnetite formed by microbial reduction of akaganeite, (C) Ferrihydrite, (D) Black phases formed by microbial re- duction of ferrihydrite, (E) Goethite, (F) Goethite with nano-sized phases by microbial reduction of goethite.
Fig. 15. XRD analysis of an electron acceptor, akaganeite and magneitite formed by microbial re- duction of akaganeite.
원시킴을 알 수 있다(Fredrickson et al., 1998;
Lovley, 1991; Roh et al., 2006).
지구미생물학적 산화철광물의 상전이 및 생 광화작용
전자수용체로 akaganeite를 전자공여체로는 글루코스를 사용하여 갯벌 퇴적물에서 배양한 철 환원 박테리아를 이용한 산화철의 광물 상 전이 및 생광화작용을 알아보기 위하여 투사전
자현미경 분석을 실시하였다. 분석 결과에 따르 면 적갈색을 띠는 침상의 akaganeite (그림 14A)가 환원되어 나노미터 크기의 아주 미세한 결정으로 상전이가 이루어졌고 결정의 크기가 5 nm 정도인 것을 확인할 수 있다(그림 14B).
X-선 회절 분석 결과에 따르면 철 환원 박테리 아의 활동 이후 광물의 상전이를 일으켜 전자 수용체인 akaganeite의 피크가 사라지고 자철석 의 피크가 나타나는 것으로 보아 앞에서 본 등 립질의 생성물이 자철석임을 확인할 수 있다(그 림 15).
전자수용체로 ferrihydrite를 전자공여체로는 젖산을 사용하여 갯벌 퇴적물에서 배양한 철 환원 박테리아에 의한 광물 상전이를 알아보기 위하여 투사전자현미경 분석을 실시하였다. 분 석결과에 따르면 적갈색의 ferrihydrite (그림 14C) 가 환원되면서 상전이가 일어나 박테리아 에 의해 환원된 검은색의 광물은 결정이 아주 미세하여 투사전자현미경 사진만으로는 광물동 정이 불가능하였다(그림 14D). X-선회절 분석 결과(그림 16)에 따르면 ferrihydrite의 피크는 철 환원 박테리아의 활동 이후 사라졌다. 이는 철 환원 박테리아의 활동이 ferrihydrite를 다른 물질로 상전이를 일으켰음을 지시하지만 생성
Fig. 16. XRD analysis of an electron acceptor, fer- rihydrite and black phases formed by microbial re- duction of akaganeite.
Fig. 17. XRD analysis of an electron acceptor, goethite, and greenish phases by microbial reduc- tion of goethite.
물이 비정질이여서 특정한 피크를 찾을 수 없 었다. X-선회절 분석으로는 비정질 광물로만 추 정될 뿐 다른 분석 방법을 이용한 추후 연구가 진행되어야 한다.
전자수용체로 침철석을, 전자공여체로는 젖 산을 사용하여 갯벌 퇴적물에서 배양한 철 환 원 박테리아에 의한 광물 상전이를 알아보기 하여 투사전자현미경 분석을 실시하였다. 분석 결과에 따르면 열역학적으로 akaganeite나 ferri- hydrite에 비하여 산화-환원반응에 안정한 광물 인 노란색의 침철석(그림 14E)은 부분적인 상 전이를 일으켜 2차 광물을 형성시키는 것을 볼 수 있다(그림 14F). X-선회절 분석 결과에 따르 면 침철석의 피크는 철 환원 박테리아의 활동 전과 활동 이후의 피크의 경향은 비슷하나 두
번째 세 번째 피크가 약해졌음을 관찰할 수 있 으며 철 환원에 따라 형성된 2차광물의 양이 적 어서인지 새로운 피크를 찾아볼 수 없었다(그림 17).
기존연구(Lovley, 1991, 1993; Fredrickson et al., 1998; Roh et al., 2002a,b, 2003, 2006)에 따 르면 철 환원 박테리아는 유기물을 전자공여체 로 이용하여 3가 철을 환원할 뿐만 아니라 이들 미생물은 크롬(VI), 코발트(III) 등을 환원하는 역할을 하며, 유류 등을 전자공여체로 이용할 수 있으므로 유기물과 무기물로 오염된 갯벌의 자연정화 기능에 기여할 것으로 사료된다. 또한 철 환원 박테리아의 활동에 따른 3가 철의 환원 과 유기물의 산화는 갯벌 퇴적물 내에서 철과 탄소의 순환에 영향을 미칠 것으로 사료된다.
결 론
전남 무안군에 위치한 청계면과 해제면 갯벌 에 대하여 광물학적 및 지구 미생물학적 연구 를 실시하였다. 갯벌 퇴적물 내의 광물입자 특 성을 입도분석 및 광물분석(투사전자현미경 분 석, 주사전자현미경 분석, X-선회절 분석)을 통 해 확인할 수 있었다. 입도분석 결과 청계면 퇴 적물은 sandy Mud의 퇴적상을 나타내며 해제 면 퇴적물은 실트의 퇴적상으로 분산도가 낮게 나왔는데 이는 기존의 논문과 일치함(전남 탄도 만 갯벌조사)을 확인 할 수 있었다. 갯벌 퇴적 물의 광물입자 분석 결과는 청계면의 경우 모 래에는 석영, 사장석, 미사장석과 흑운모 등으 로 구성되었고 실트도 동일한 광물조성을 나타 내며, 점토는 고령석, 일라이트와 스멕타이트로 구성되어 있었다. 해제면의 경우 모래는 석영, 사장석, 미사장석, 흑운모 등으로 구성되었고, 실트는 석영, 사장석, 흑운모 등으로 구성이 되 었으며 점토는 고령석, 일라이트, 불투명광물 등으로 구성이 되어 있었다. 갯벌 퇴적물 내 서 식하는 철 환원 박테리아를 유기산과 3가철을 이용하여 배양하였으며, 이들 철 환원 박테리아 에 의한 철산화물의 상전이 연구를 통해 철 환 원 박테리아의 존재 확인 및 상전이를 통한 광 물입자의 형성 그리고 광물 입자의 주사전자현 미경, 투사전자현미경, X-선회절 분석을 통해 특징을 확인하였다. 전자수용체로 akaganeite, ferrihydrite, 침철석을 사용하고 전자공여체로
젖산 또는 글루코스를 사용해 철 환원 박테리 아가 akaganeite 또는 ferrihydrite를 환원시켜 나 노미터 크기의 자철석 또는 비정질의 상을 형 성하였고 침철석의 일부를 환원시켜 극소량의 나노광물을 형성하였다. 본 연구 결과에 따르면 갯벌 퇴적물 내에 철 환원 박테리아가 서식하 며 이들 미생물들은 유기물을 전자공여체로 철 을 포함한 전이금속 등을 전자수용체로 이용하 며, 이들 박테리아의 활동은 갯벌 퇴적물 내에 서 유기물과 금속이온의 순환에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
사 사
이 논문은 2004년도 전남대학교 학술연구비 지원 에 의하여 연구되었으며, X-선회절 분석과 주사전자 현미경(SEM-EDX)과 투사전자현미경 분석에 도움을 주신 오석균 박사와 송경 연구원(기초과학지원연구 원 광주분소) 그리고 퇴적물의 입도분석에 도움을 주 신 김종관 군(전남대 지구환경과학부 퇴적학 연구실) 에게 감사를 드립니다.
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2007년 3월 8일 원고접수, 2007년 3월 23일 게재승인.
