전남 화순군 백아산 아천동굴(석회동굴) 동굴생성물을 이용한 생광물화작용 연구
Carbonate Biomineralization Using Speleothems and Sediments from Baekasan Acheon Cave (Limestone Cave)
in Hwasun-gun, Jeollanam-do, South Korea
김유미(Yumi Kim)1⋅서현희(Hyunhee Seo)1⋅조경남(Kyoung-nam Jo)2ㆍ
정다예(Dayae Jung)2⋅신승원(Seungwon Shin)3⋅허 민(Min Huh)1⋅노 열(Yul Roh)1,*
1전남대학교 지구환경과학과
(Department of Earth and Environmental Sciences, Chonnam National University, Gwangju 61186, Republic of Korea)
2강원대학교 지질학과
(Department of Geology, Gangwon National University, Chuncheon-si, Gangwon-do 24341, Republic of Korea)
3부산대학교 지질환경과학과
(Department of Geological Sciences, Pusan National University, Pusan 46241, Republic of Korea)
요약 : 전라남도 화순군에 위치한 백아산 아천동굴은 전남지역에서 발견된 유일한 석회동굴이다. 이 연구에서는 백아산 아천동굴 내부에서 채취한 동굴생성물(동굴산호, 붕암)과 주변 점토 퇴적물의 광 물학적 특성을 확인하고, 생성물 내에 존재하는 호기성 미생물을 농화배양하여 탄산염광물을 형성하 는 생광물화작용에 대해 알아보고자 하였다. 연구를 위한 시료는 동굴 내 세 지점에서 점토, 동굴산 호, 붕암을 채취하였다. XRD 분석결과, 동굴산호와 붕암은 주로 탄산염광물인 Mg가 풍부한 방해석 (Mg-rich calcite)으로 이루어져 있었고, 점토는 석영, 백운모, 질석으로 구성되어 있었다. 탄산염광물 형성 미생물의 농화배양을 위하여 각각 소량의 동굴생성물을 D-1 배지에 넣고 상온의 호기 조건에서 미생물을 배양하였다. 그리고 미생물들의 탄산염광물 형성능을 확인하고자 요소가 포함된 D-1 배지에 칼슘이온(Ca-acetate, Ca-lactate)을 주입한 후 각 시료로부터 농화배양된 미생물 배양액을 1% (v/v)씩 주입하였다. 그 결과 모든 조건에서 흰색의 침전물이 형성되었으며, XRD 분석결과 침전물이 방해석 과 바테라이트(vaterite)로 구성된 것을 확인하였다. SEM-EDS 분석 결과 Ca, C, O를 주성분으로 하는 능면체, 구형, 주상형의 탄산칼슘이 관찰되었다. 따라서 백아산 아천동굴 내 영구암대에 분포하는 임 의의 동굴생성물로부터 확인된 미생물들은 동굴생성물 형성에 관여하고 탄소와 칼슘의 지화학적 순 환에 기여했을 것으로 추정된다.
주요어 : 백아산 아천동굴, 석회동굴, 탄산염형성미생물, 생지화학, 화순군
ABSTRACT : Baekasan Acheon cave located in Hwasun-gun, Jeollanam-do is a natural limestone cave only found in this province. In this study, the mineralogical and geochemical characteristics of speleothems collected from Baekasan Acheon cave were identified and the capability of carbonate mineral formation by aerobic microorganisms enriched from the cave and the mineralogical and
*Corresponding author: +82-62-530-3458, E-mail: [email protected]
서 언
전라남도 화순군에 위치한 백아산 아천동굴은 천연 석회동굴로서 고생대 동안 퇴적된 변성퇴적 암류가 용식되어 형성된 것으로 추정되어 왔다. 이 동굴은 백아산의 과거 명칭이 아천산이었기 때문 에 아천동굴로 불려지는데, 국내 최남단에서 발견 된 석회동굴로서 다양한 동굴생성물의 분포와 독 특한 지형 특성 때문에 학술적 연구 가치가 높으나 접근성이 낮고 입구와 통로가 매우 협소하여 동굴 의 특성(예 : 지형, 생성 기원, 동굴 내 환경 등)을 규명할만한 지질학적 및 생지화학적 연구는 아직 까지 거의 이루어지지 않았다.
미생물은 지표 이 외에도 갯벌, 빙하, 심해, 열수 공 등 극한 환경을 포함한 다양한 자연 환경에 존 재하며, 화합물을 분해할 뿐만 아니라, 암석 내 원 소를 침출시키고 용존된 원소를 침전 및 광물로 형 성하는 등 다양한 원소 순환에 핵심적인 역할을 한 다고 알려진다(성문희, 2000). 그중 동굴 환경과 같이 습도가 높고 안정적으로 낮은 온도가 유지되 며, 공간적 고립으로 인해 영양 공급이 낮은 빈영 양 환경도 예외는 아니다(Gherman et al., 2014).
일반적으로 동굴 내에서 형성되는 방해석은 주로 비생물학적 과정으로 여겨지지만, 최근 연구에 따 르면 미생물이 종유석과 석순 형성에도 적극적으 로 참여하는 것으로 나타났다(Banks et al., 2010;
Zhu and Dittrich, 2016). 동굴과 같이 이산화탄소 와 칼슘(Ca) 농도가 높은 자연환경에서는 탄산염 광물 형성에 관여하는 미생물(carbonate forming microorganisms)이 서식하기에 유리하다. 미생물의 생광물화작용(biomineralization)을 통해 형성되는 탄산칼슘(CaCO3)은 방해석(calcite, β-CaCO3), 아 라고나이트(aragonite, λ-CaCO3), 바테라이트(vaterite, µ-CaCO3)로 나뉘며, 그중 방해석이 용해도가 낮고 광물학적으로 가장 안정하다(Costa et al., 2017).
최근에는 탄산염광물이 열역학적으로 매우 안정 하고, 반영구적으로 CO2를 저장할 수 있다는 장점 이 부각되면서(Lackner et al., 1995), 미생물의 탄 산염광물화작용에 대한 관심이 증가하고 있다. 이 러한 탄산염광물화는 칼슘 뿐만 아니라, 마그네슘 (Mg), 철(Fe), 스트론튬(Sr) 등과 같은 원소를 포함 하는 화합물이 이산화탄소와의 반응에 의해 불용 성 탄산염이 형성되는 모든 과정을 포함한다(Han et al., 2011; Choi et al., 2014). 미생물학적 탄산 염광물화에 관련된 기존의 국내 연구는 호기적 환경 에서는 요소 분해 미생물인 Sporosarcina pasteurii 을 이용하여 탄산칼슘 및 스트론티아나이트(stro- ntianite, SrCO3)를 형성함으로써 방사성 물질의 격 리 가능성을 평가한 것과(Choi et al., 2013), 탄산 칼슘 생성을 통해 연약지반의 강도를 개선하여 지 반을 개량하거나 시멘트 페이스트에 미생물을 혼 입하여 건설재료를 개발하는 연구 등이 있다(Park geochemical characteristics of carbonate minerals formed by the microorganisms were investigated. The samples of sediments (clay) and speleothems (shelfstone and cave coral) were collected at three sites in the cave. The samples of shelfstone and cave coral were identified mainly as carbonate mineral, Mg-rich calcite, and clay minerals were composed of quartz, muscovite, and vermiculite by X-ray diffraction (XRD) analysis. To cultivate the carbonate forming microorganisms, parts of the sediment and speleothems were placed in D-1 medium containing urea, respectively, and the growth of microorganisms was observed under the aerobic condition at room temperature. The capability of carbonate mineralization of the cultured Baekasan Acheon cave microorganisms was examined through adding 1% (v/v) of the cultured microorganisms and calcium sources, Ca-acetate or Ca-lactate, into the D-1 medium. XRD analysis showed that the microorganisms cultured in cave deposits formed calcium carbonate (CaCO3) under all conditions, and these microbial carbonate minerals included calcite and vaterite. The morphological characteristics and chemical composition of biologically formed minerals were observed by SEM-EDS showed various crystal forms such as rhomboid, spherical, perforated surface with Ca, C, and O of major chemical components. The existence of such microorganisms in the cave can contribute the formation of carbonate minerals, and it is likely to affect the geochemical cycles of carbon and calcium in the cave.
Key words : Baekasan Acheon cave, Limestone cave, Carbonate forming microorganism, Biogeochemistry, Hwasun-gun
et al., 2011; Chun et al., 2014). 그러나 국내에서 보고된 대부분의 관련 연구는 요소분해 미생물인 Sporosarcina pasteurii을 이용하였고, 자연 환경에 서 유래한 토착 탄산염광물형성미생물에 대한 연 구로는 제주도 우도 홍조단괴에서 농화배양된 미 생물(Proteus mirabilis)이 있었지만(Kang et al., 2015), 동굴 미생물에 대한 관련 연구는 미비한 상 황이다. 특히 국내 동굴 환경에서 존재하는 미생물 의 연구는 주로 종 다양성이나 군집에 대한 특성을 규명(Cho et al., 2004)하는데 국한되었고, 탄산염 광물형성 미생물에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다.
그러므로 국내 석회 동굴 환경에서 서식하는 토 착 탄산염광물형성 미생물의 균주 발굴과 광물학 적/생지화학적 특성에 대한 연구는 동굴생성물 형 성 과정을 이해할 수 있는 생지화학적 정보를 제공 할 뿐만 아니라, 최근 주목받는 이산화탄소 고정 및 오염물질 격리를 위한 광물탄산화 기술에 활용 될 수 있는 가능성이 높아 다양한 연구의 필요성이 제기되는 실정이다. 이 연구에서는 화순 백아산에 위치한 백아산 아천동굴 내부에 존재하는 동굴생 성물(동굴산호, 붕암) 및 주변 퇴적물(점토)의 광물 학적 특성을 확인하고, 동굴생성물 내에 서식하는 호기성미생물을 농화 배양하여 탄산염광물 형성을 Fig. 1. Schematic diagram and photos showing sampling of the cave products in Baekasan Akcheon cave:
sampling points (A), clay containing calcite crystals (B), cave coral (C), shelfstone (D).
위한 생광물화작용을 알아보고자 하였다.
연구지역 및 실험방법
백아산 석회동굴 개요와 주변지질
연구지역인 화순 백아산은 예로부터 아천산으로 불려졌다. 이 때문에 동굴의 명칭은 화순 아천산 천연동굴, 백아산 자연동굴, 백아산 석회동굴, 아천 동굴 등으로 다양하게 칭해지나, 본문에서는 문화 재청 자료와 지리적 위치를 고려하여 ‘백아산 아천 동굴’로 명하기로 하였다. 동굴의 위치는 화순군 북면 수리 산 412-1번지이며, 현재 전라남도 기념 물 제 24호(1979. 9. 30. 지정)로 지정된 상태이다.
백아산 아천동굴 일대는 고생대 지층이 분포하고 있으며, 운모편암에 렌즈상의 석회암층이 협재된 설옥리층과 규암으로 이루어진 용암산층이 분포하 고 있다(Lee, 1992). 동굴의 입구는 운모편암이 분 포하고 있으며, 입구로부터 수 m에 한해 각력으로 이루어진 제4기 head deposits을 입구 통로가 관통 하면서 발달하였다(노열 외, 2018). 동굴내부의 지 형은 전형적인 용식지형이며, 운모편암층과 석회암 층이 교호하여 이 두 층의 물성차이로 인해 동굴지 형이 발달된 것으로 조사되었다(노열 외, 2018).
백아산 아천동굴의 내부 지형을 파악하기 위해 강원대 지질유산환경연구소에서 측량 및 지도 제 작을 수행하였으며, Fig. 1-A 지도 내 격자의 1 unit은 가로 × 세로가 10 m × 10 m이다(Fig.
1-A). 조사가 실시된 동굴의 총 연장은 약 120 m 이며, 약 80 m 진입 이후부터는 유수에 의한 수로 와 동굴폭포가 존재한다. 국내에 분포하는 동굴들 과 비교하였을 때 크기는 중소규모 동굴에 해당하 며, 동굴 내부 가장 안쪽 부분은 연장이 가능하지 만 안전상 진입은 불가능한 상태로 확인되었다.
동굴생성물 시료채취
석회동굴에는 탄산염광물이 침전되어 만들어지 는 다양한 동굴생성물이 존재한다. 천장에서 물이 떨어지는 곳(종유석, 석순, 석주, 커튼 등), 벽면이 나 경사면에 물이 흐르는 곳(유석 등), 물이 고여 있는 곳(붕암 등), 물이 적고 건조한 곳(동굴 산호 등)과 같이 다양한 환경마다 발견되는 생성물의 종 류도 다양하다(김병우, 2013). 백아산 아천동굴 내 에서도 여러 종류의 동굴생성물이 관찰되었다. 입
구에서 5 m 정도 진입하기까지는 건조한 환경이었 고 안으로 들어갈수록 점차 상대습도가 높아졌다.
동굴 내부 약 7 m 지점의 동굴 벽면 아래 부분에 서 방해석 결정이 포함된 습윤 상태의 점토 퇴적물 을 소량 채취하여 플라스틱 지퍼백에 담았다(Fig.
1-B). 그리고 조금 더 내부로 진입하였을 때, 동굴 벽면에서 동굴산호(cave coral)들이 발견되었다. 동 굴산호는 극히 다양한 형태로 나타지만 주로 단괴 모양의 것들이 수지상으로 군집을 이루면서 성장 하는 동굴생성물이다. 동굴산호는 보통 동굴 내에 서 물이 표면을 따라 직접적으로 흐르지 않거나 물 이 매우 적게 떨어지는 상대적으로 건조한 환경에 분포하는데, 백아산 아천동굴 내에서는 중간 지점 의 동굴벽에서 넓게 분포하고 있었다(Fig. 1-C). 생 지화학적 실험을 위해 그중 일부를 채취하여 플라 스틱 지퍼백에 담았다. 이어서 폭이 좁고 굴곡이 심한 구간(10-30 m)을 따라 동굴 내부로 진입하여 폭포지점에 도달하기 전 동굴 바닥 면에서 30 cm 상층부에 붕암(shelfstone)이 발견되었다(Fig. 1-D).
붕암은 동굴내부에서 물이 정지될 경우 그 수면의 높이 수준에서 침전되어 만들어지는 동굴생성물로 알려져 있으며 일부를 채취하여 이후 생지화학적 실험에 이용하였다.
미생물 성장배지 제조 및 탄산염광물형성 미생물 농화배양
동굴생성물 및 주변 퇴적물 내 탄산염광물형성 미생물(carbonate forming microorganisms)의 농화 배양과 탄산칼슘 형성 실험을 위해 미생물 배지를 제조하였다. 기존연구에서 D-1배지는 탄산염광물 인 백운석(dolomite) 형성 실험에 이용된 것으로, 자연 상태에서 형성되는 백운석이 미생물 분비물 질인 바이오필름(biofilm) 위에 형성되기 때문에 이와 비슷한 조건을 제공하기 위해 만든 반-겔 (semi-gel) 타입의 배지이다(Sanchez-Roman et al., 2009). 실험을 위한 미생물 성장배지는 기존의 D-1배지에 요소(urea)를 추가하였고, 제조 방법은 다음과 같다. 증류수가 담긴 플라스크에 yeast extract 10 g, proteose peptone 5 g, glucose 1 g, NaCl 35 g, urea 20 g을 주입하여 1 L의 수용액으 로 맞춘 후 가열교반기에 올려 약 100℃에서 가열 하면서 stir bar로 휘저어 잘 섞이도록 하였다. 제 조한 배지는 1 L 배지병(serum bottle)에 옮겨 담 고 고온고압멸균기(autoclave)를 이용하여 121℃와
1.2 kgf/cm2의 압력조건에서 멸균 후 생지화학적 연구에 사용하였다. 동굴 내에 서식하는 토착 미생 물을 농화배양하기 위해 D-1 배지 100 mL가 담긴 병에 백아산 아천동굴에서 채취한 퇴적물 및 동굴 생성물 시료(동굴산호, 붕암)를 분쇄하여 주입하고 실온의 호기성 조건에서 1주일간 배양하였다.
미생물 이용 탄산염광물 형성
동굴 내 세 지점에서 채취한 점토, 동굴산호, 붕 암 시료 내에 서식하는 호기성미생물의 탁도변화 를 관찰하고, 농화배양된 미생물의 탄산염광물 형 성능을 평가하기 위한 실험을 진행하였다. 미생물 성장배지는 D-1 배지를 이용하고, Ca 이온의 공급 을 위해 칼슘 아세테이트(Calcium acetate mono- hydrate, Ca(CH3CO2)2⋅H2O, MW = 176.18 g/mol) 와 칼슘 락테이트(Calcium L-lactate, C6H12CaO6, MW = 220.234 g/mol)를 1 M의 표준 용액으로 만들어 실험에 이용하였다. 일차 실험은 D-1 배지 가 담긴 코니컬튜브(conical tube)에 30 mM의 칼 슘 아세테이트와 동굴 시료에서 농화배양된 각각 의 미생물 배양액을 1% (v/v)씩 주입한 후, 30℃로 고정된 배양기에서 200 rpm으로 교반하며 2주 동 안 배양하였다. 미생물의 영향을 비교하기 위해 미 생물을 주입하지 않은 동일조건의 대조군을 설정 하여 실험을 진행하였다. 이차 실험에서는 붕암에 서 유래한 미생물만을 이용하여 칼슘 공급원을 칼 슘 락테이트(30 mM)로 바꾸어 동일한 방법으로 실험을 진행하였다.
광물학적 특성 분석
동굴 내부에서 채취한 동굴생성물 및 퇴적물과 미생물에 의해 형성된 침전물은 X-선 회절 분석 (XRD, X-ray diffraction analysis)을 통해 구성광 물을 동정하였다. XRD는 Bragg 방정식(nλ = 2dsinθ)를 이용하여 광물 내 회절 간격(d-spacing) 을 측정함으로써 광물의 동정이 가능한 방법이다.
분석을 위해 퇴적물은 자연건조 시킨 후 분말시료 를 제작하였고, 동굴산호와 붕암 시료는 초음파처 리(ultrasonication)를 통해 표면을 세척한 후 건조 하여 분말시료로 제작하였다. 생지화학적 실험을 통해 형성된 광물은 XRD 분석을 위해 미생물 생 장배지 병을 잘 흔들어 섞은 시료를 채취하여 플라 스틱 튜브(conical tube)에 넣고 3,000 rpm에서 5
분간 원심분리를 하였다. 원심분리 후 상층액을 버 리고 시료 내 염분 및 불순물을 제거하기 위해 증 류수를 이용하여 3번 세척하였다. 세척된 침전물 시료는 비커에 옮겨 건조기에 넣고 90℃ 조건에서 건조시켜 분말로 회수하였다. 분석기기는 3D 고분 해능 X선 회절분석기(3D High resolution X-ray diffractometer)로 Cu-Kα선과 Ni-filter를 이용하여 전압 32 kV와 전류 40 mA의 조건으로 분석하였다.
미생물에 의해 형성된 침전물의 형태 및 화학적 조성을 알아보기 위해 주사전자현미경 및 에너지 분산 분광 분석(FE-SEM & EDS, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectro- scopy)을 실시하였다. 분석을 위한 시료는 XRD 시료와 같은 방법으로 준비하였으며, 탄소 테이프 위에 수분이 제거된 침전물 시료를 올리고 백금 (Pt) 코팅을 한 후 Hitachi사 Ultra-high-resolution analytical FE-SEM SU-70을 이용하여 분석하였다.
이때 가속전압은 15-20 kV로 하였다.
결과 및 토의
동굴생성물의 광물학적 특성
백아산 아천동굴 내 세 지점에서 채취한 동굴산 호, 점토, 붕암 시료는 XRD 분석을 통해 구성 광 물을 동정하였다(Fig. 2). 백아산 아천동굴의 붕암 (A)과 동굴산호(C) 시료는 XRD 분석 결과 방해석 Fig. 2. X-ray diffraction analysis of shelfstone (A), clay (B), cave coral (C) from Baekasan Akcheon cave.
(calcite)이 주를 이루고 석영(quartz)이 함께 부성 분광물로 수반되는 양상을 보였다. 그러나 석영의 피크 강도가 매우 낮은 것으로 보아 쇄설성 이물질 이 붕암 성장 동안 일부 포함되었을 것으로 추정할 수 있었으며, 주구성광물은 방해석임을 알 수 있었 다. 이때, 방해석의 저면간격(d-spacing, Å)은 3.018로써 (calcite는 3.035, dolomite는 2.883) Mg 의 함량이 약 6.4% 포함된 Mg가 풍부한 방해석 (Mg-rich calcite)으로 확인되었다(Fig. 2). 반면, 동 굴 내 점토 퇴적물(B)에서는 석영의 피크 강도가 높 게 나타나고, 질석(vermiculite)과 백운모(muscovite) 가 수반되는 특징을 보였다. 동굴산호와 붕암은 석 회동굴에서 형성되는 생성물로서 주 구성 광물이 탄산염광물(방해석)로 확인되었지만, 점토 퇴적물 은 변성암류 기반암인 운모편암의 풍화산물로서 일차 광물(석영, 운모) 및 이차 광물(질석)들로 구 성된 특징을 보였다.
동굴 유래 미생물에 의한 탄산염광물 형성 백아산 아천동굴에서 채취한 동굴산호, 점토, 붕 암 시료를 이용하여 미생물을 농화배양한 결과 약 24시간 이후부터 탁도가 증가하고(Fig. 3-A), 배양 액의 초기 pH 8.6에서 pH 9.01-9.03으로 증가된 것을 통해 미생물이 활발하게 생장함을 알 수 있었 다. 농화배양된 미생물은 요소가 포함된 성장배지 (D-1 medium)에서 칼슘 아세테이트(Ca-acetate)를 첨가하여 배양한 결과 2-3일 이내에 탁도 증가와 더불어 흰색의 침전물이 형성되기 시작하였다. 형 성된 흰색 침전물의 양은 붕암 유래 미생물에서 2.77 g/L, 점토 유래 미생물에서 2.60 g/L, 동굴산 호 유래 미생물에서 1.69 g/L 형성되었으며, 동일 한 양의 칼슘 이온이 공급되었지만 각각의 물질을
이용한 배양한 미생물 종류와 생장속도에 따라 생 성된 침전물의 양에 차이가 있음을 알 수 있었다 (Fig. 3-B). 반면 미생물을 주입하지 않은 대조군에 서는 탁도 변화나 침전물 생성 등의 변화가 관찰되 지 않아, 침전물 형성에 미생물의 생장이 밀접한 관련이 있음을 알 수 있었다.
XRD 분석 결과 흰색의 침전물은 탄산칼슘 (CaCO3)이며, 모든 실험 조건에서 방해석(2Ɵ = 23.05, 29.40, 35.96)이 형성된 것으로 나타났다.
그러나 붕암과 동굴산호 유래 미생물을 이용한 경 우에서는 바테라이트(vaterite)도 일부 포함(2Ɵ = 24.87, 27.01, 32.80)하는 것으로 확인되었다(Fig.
4-A, C). 대게 바테라이트는 생물기원의 탄산칼슘 의 형태로 침전되는데, 최근에는 동굴에서 분리된 Bacillus pumilus가 다양한 생장환경의 조건에서 바테라이트(vaterite)를 안정적으로 형성한다는 연구 결과가 보고되기도 하였다(Daskalakis et al., 2015).
요소 분해 과정에서 탄산칼슘이 형성되기 유리 한 이유는 미생물이 요소를 분해하는 과정을 통해 탄산이온과 암모니아가 형성되고(식 (1), (2)), 다시 암모늄과 OH이온을 형성되면서 pH가 올라가게 된다(Arias et al., 2017). 탄산수소이온은 다시 탄 산염 이온으로 전환되는데, 탄산이온의 농도가 높 은 배양액에 칼슘 이온이 투입되면 탄산칼슘이 침 전하게 되는 화학적 반응이 유도된다(식 (3), (4)).
Fig. 3. Biomineralization of carbonates using aerobic microorganisms enriched from cave products from Baekasan Akcheon cave (A), and carbonate minerals harvested (B).
Fig. 4. X-ray diffraction analysis of carbonate minerals formed using aerobic microorganisms enriched from shelfstone (A), clay (B), and cave coral (C).
NH2-CO-NH2 + 2H2O ⇒ 2NH3+ + HCO3- + H+ (1) 2NH3+ + 2H2O ⇒ 2NH4+ + 2OH- (2) HCO3- + H+ + 2OH- ⇒ CO32- + 2H2O (3) Ca2+ + CO32- ⇒ CaCO3 (4) 이때 미생물의 체외고분자물질(EPS)의 존재는 탄산염광물화를 촉진시키는 역할을 하는 것으로 알려진다(Tourney and Ngwenya, 2014). 탄산칼슘 은 광물 종류에 따라 결정형이 다르고 특히 생물기 원의 경우 형성되는 환경이나 미생물 종류에 따라 서도 형태적 차이를 보이기도 한다. 일반적으로 방 해석의 결정형은 능면체(rhombohedral)로 기울어 진 정육면체 모양이고, 아라고나이트의 결정형은 사방정계(orthorhombic)로 바늘 모양으로 관찰된
다. 그리고 바테라이트는 육방정계(hexagonal)로 작은 구(sphere)의 모양을 가지는 것이 특징이다 (Costa et al., 2017).
주자전자현미경(SEM-EDS)으로 탄산칼슘 침전 물을 관찰한 결과, 붕암을 이용하여 농화배양한 미 생물이 형성한 탄산칼슘은 구형 집합체뿐만 아니 라 10 µm 이하의 작은 입자들도 많이 관찰되었는 데 단일 구형 입자와 구멍 뚫린 주상의 결정들이 특징적으로 관찰되었다(Fig. 5-A, B). 탄산칼슘의 구성 성분은 Ca, C, O로 나타났다(Fig. 5-C). 점토 시료를 이용하여 농화배양한 미생물이 형성한 탄 산칼슘은 구형의 집합체와 길이 약 5-10 µm를 가 지는 능면체 결정들이 함께 관찰되었고(Fig. 5-D, E, F), 동굴산호를 이용하여 농화배양한 미생물이 형성한 탄산칼슘은 주로 작은 입자들이 뭉쳐져 약 20 µm 크기의 구형 입자를 형성하는 특징을 보였 다(Fig. 5-G, H, I).
붕암 유래 미생물을 이용한 이차 실험에서는, 요 Fig. 5. SEM images and EDS spectra of carbonate minerals formed using aerobic microorganisms enriched from shelfstone (A, B, C), clay (D, E, F), and cave coral (G, H, I).
소가 포함된 D-1 배지에 칼슘 공급원으로 칼슘 락 테이트(Ca-lactate)를 30 mM 주입한 후 동일한 조 건에서 미생물을 배양하였다. 그 결과 미생물이 증 식하면서 탁도가 증가하고 동시에 흰색의 침전물 이 가라앉는 변화가 비슷하게 일어났다. 2주 후 흰 색의 침전물을 회수하여 생성량을 측정한 결과 2.16 g/L로 칼슘 아세테이트보다 약간 적은 양이 형성되었다. 건조된 침전물은 XRD 분석 결과 주 로 방해석이며 바테라이트의 피크가 수반되는 양 상이 칼슘 아세테이트를 이용한 경우와 같았다 (Fig. 6-A). SEM-EDS 분석에서도 약 15 µm 크기 의 구형 입자와 2~3 µm 크기의 능면체 결정들이 모여 커다란 구형 입자를 형성하는 것으로 특징을 보였다(Fig. 6-B).
요약 및 결론
백아산 아천동굴은 석회암으로부터 용존된 칼슘 과 탄산 이온이 풍부한 지화학적 환경으로, 동굴 내 탄산염형성미생물의 존재 및 생광물화작용을 확인하는 것은 중요한 의미를 가진다. 석회동굴인 백아산 아천동굴 내에는 동굴산호와 붕암과 같은 동굴생성물이 존재하며 이들 동굴산호와 붕암의 주 구성광물은 Mg가 풍부한 방해석(Mg-rich calcite) 으로 이루어져 있었다. 동굴 내 점토 퇴적물에서는 방해석 결정이 포함되어 있었지만, 동굴생성물을 제거한 점토질 부분은 주로 기반암에서 풍화되어 잔류된 것으로 사료되는 석영, 운모, 장석과 2차광 물인 질석이 포함되어 있었다. 동굴에서 채취한 위 의 동굴생성물 및 점토에서 토착 탄산염형성미생
물(carbonate forming microorganisms)의 존재를 확인하였으며, 이 미생물들은 호기성 조건에서 생 장하면서 요소 분해를 포함한 대사작용을 통해 배 양액 내의 지화학적 환경을 변화시켜 탄산염광물 형성에 유리한 조건을 만드는 것으로 나타났다. 따 라서 48시간 이내에 탄산칼슘 침전물이 가라앉기 시작하였으며, 약 2주 후 탄산칼슘 생성량을 측정 한 결과 30 mM의 칼슘 이온(Ca-acetate 또는 Ca-lactate)이 공급되었을 때 1.69-2.77 g/L의 탄산 칼슘 만들어졌다. 또한 점토유래 미생물을 제외한 붕암과 동굴산호 유래 미생물은 방해석 뿐만 아니 라 바테라이트도 형성하는 경향을 보였다.
그러므로 화순 백아산 아천동굴 내의 탄산염형 성미생물의 존재와 이들의 생광물화작용은 화순 지층 내 석회동굴의 형성 및 동굴생성물 형성과정 에도 관련이 있을 것으로 사료되며 추후, 동굴에 서식하는 호기성 미생물의 종분석을 포함한 미생 물학적 연구와 다양한 지질학적 분야에 대한 정밀 조사가 필요할 것으로 판단된다.
사 사
본 연구는 화순군의 재정지원(2017-2018년) 및 정부 (과학기술정보통신부) 재원의 (재)한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터(Korea CCS 2020 사업) 지원(NRF- 2017M1A8A1072024)으로 수행되었습니다. 동굴지도 제 작 및 측량에 도움을 주신 강원대학교 지질유산환경연구 소, XRD 분석에 도움을 주신 정경갑 연구원(전남대 공동 실험실습관), SEM-EDS 분석에 도움을 주신 조영진 연구 원(한국기초과학지원연구원 광주센터)께 감사드립니다.
Fig. 6. X-ray diffraction analysis (A) and SEM-EDS images (B) of carbonate minerals using microorganisms enriched from shelfstone with a calcium source (Ca-lactate).
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Received June 7, 2018, Revised June 26, 2018, Accepted June 29, 2018, Associate Editor: Yongjae Lee
