Application of Sulfate-Reducing Bacteria for Treatment of Mine Drainages

鑛山排水處理를 위한 黃酸鹽還元菌의 應用

柳庚槿¹⁾*․鄭鎭己¹⁾․孫廷秀¹⁾․李在天¹⁾

Application of Sulfate-Reducing Bacteria for Treatment of Mine Drainages

Kyoungkeun Yoo

, Jinki Jeong, Jeong-soo Sohn and Jae-chun Lee

Abstract : Sulfate-reducing bacteria(SRB) are obligate anaerobes and obtain energy from the process to reduce sulfates into sulfides. SRB have attracted interest in the treatment of acid mine drainage(AMD) because the biogenic sulfide reacts easily with heavy metal in solutions, and precipitates as metal sulfide. In the present article, the effects of pH, heavy metal ions, substrates, temperature, concentration of sulfides, types of reactor on the removal of heavy metal from mine drainage by SRB were summarized and discus sed.

Key words : SRB(sulfate-reducing bacteria), AMD(Acid mine drainage), Metal sulfides. Biological treatment 요 약 : 황산염환원균은 황산염을 환원하여 황화수소를 생성하는 과정에서 에너지를 획득하는 편성혐기성세균이 다. 황산염환원균에 의해 생성된 황화수소는 중금속과 반응하여 황화금속으로 침전하기 때문에 광산배수 중의 황산염과 중금속을 동시에 제거할 수 있는 세균으로서 주목을 받아왔다. 이 글에서는 황산염환원균을 이용한 광산배수 중의 중금속 제거에 미치는 pH, 중금속 이온, 기질, 온도, 황화수소의 농도, 반응기 등의 영향에 대하여 지금까지 발표된 연구결과들을 정리하고 고찰하였다.

주요어 : 황산염환원균, 산성광산배수, 금속 황화물, 생물학적 처리 Vol. 43, No. 2 (2006) pp. 160-167

들어가며

폐광지역의 폐갱구나 폐석더미로부터 흘러나오는 광 산배수(Mine drainage)는 황철광(FeS2) 또는 황화물 (Sulfides)이 산소와 물에 노출될 때 발생하며, 일반적으 로 낮은 pH와 높은 중금속 농도로 인해 수질과 주변 생 태계에 장기간 악영향을 미친다. 광산배수는 세계적으 로 약 19300 km의 하천과 약 72000 ha의 호수와 저수 지를 오염시키고 있으며(Johnson and Hallberg, 2005), 국내에서는 338개의 폐탄광 중 137개에서 하루 약 8만 여톤(정영욱, 2004), 휴 ․ 폐금속광산은 124개에서 하루 약 3860톤(우기는 약 1만톤 추정)이 배출되어(석탄산업 합리화사업단, 2005) 피해오염구간이 153 km에 이르는 것으로 추정되고 있다(지상우, 2003). 광산배수에 대한 대책은 크게 폐수의 생성을 억제하는 방법과 생성된 폐

수 중의 중금속을 물리적, 화학적, 생물학적으로 제거하 는 방법으로 나눌 수 있다. 이 처리방법 중에서 생물학 적인 광산배수 처리방법은 환경친화적이고 경제성을 갖 추고 있기 때문에 주요한 처리방법 중의 하나로 주목받 고 있다(과학기술부, 1999).

황산염환원균(Sulfate-reducing bacteria, SRB)은 광산 배수의 생물학적인 처리에 사용되는 대표적인 세균 중 하나이다. 이 세균은 편성혐기성세균(obligate anaerobe) 이고, 호흡을 위해 최종 전자수용체로서 황산염을 사용 하며 대사 작용의 산물로 황화수소를 발생시킨다. 황산 염환원균은 광산배수처리 분야에 앞서 황화수소의 발생 과 황화물의 형성에 의한 오염의 원인으로 주목받았다. 바닷물에는 황산염이 많이 포함되어 있기 때문에 황산 염환원균에 의한 황화수소가 발생하여 바다의 진흙이나 모래가 검게 변하는 현상이 자주 관찰되었고, 해안구조 물의 부식과 선박의 표면을 검게 만드는 현상도 보고 되 었다. 제지산업에서는 종이의 백색도를 낮추는 원인균 중 하나로 보고되었으며(Postgate, 1984), 특히, 석유산업 에서는 설비의 부식, 황화수소에 의한 석유와 가스의 오 염 피해가 보고되었다(Okabe et al., 1992). 그러나 용액 중의 황산염과 중금속을 동시에 제거하는 것이 가능 2006년 1월 9일 접수, 2006년 4월 5일 채택

1) 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부

*Corresponding Author(柳庚槿) E-mail; [email protected]

Address; Minerals & Materials Processing Division, KIGAM, 30 Gajeong-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-350, Korea

총 설

하기 때문에 광산배수처리 분야에서 다수의 연구가 보고 되었다.

이 글에서는 황산염환원균의 특성을 간략히 서술하고, 종래에 보고된 연구결과를 정리하여 문제점과 향후 연구 과제에 대하여 검토하고자 한다.

황산염환원균의 개요

자연계에는 혐기성 생태계에서 황산염을 최종 전자수 용체로 이용하는 다양한 세균들이 존재한다. 이들은 산 소에 극히 민감한 편성혐기성세균이고 유기물인 기질을 산화하여 얻은 에너지로 생장하고 황산염을 환원시켜 황 화수소를 발생시키기 때문에 황산염환원균이라고 명명 되었다(김병홍, 1995). 황산염환원균에 의한 대표적인 반응식을 Eq. (1)에 나타내었다.

2CH3CHOHCOOH+SO^2-4→2CH3COOH+2HCO^-3+H2S (1)

이 식에서 유산(Lactic acid, CH3CHOHCOOH)은 전 자공여체로서 공급되었다. Desulfovibrio에 의한 Eq. (1) 의 과정을 Fig. 1(上木와 永井, 1993)에 자세하게 나타내 었다. 황산염이 환원되기 위해서 먼저 ATP (adenosine triphosphate)-sulfrylase에 의해 APS (adenylphosphosul- fate)로 활성화되고, 다음 중아황산염, 티오황산염을 거 쳐 황화수소로 환원된다. 시토크롬(cytochrome) c3이 광 합성 세균이외에서 발견된 것은 혐기성세균 중에서 황산 염환원균이 처음이다. 이는 황산염환원균이 호기성세균 의 호흡과 마찬가지로 전자전달계에 의해 에너지를 획득 할 수 있는 미생물이기 때문이다(上木와 永井, 1993).

황산염환원균은 1895년에 Beijerinck에 의해 토양으로 부터 처음으로 분리되었다. 대부분의 황산염환원균은 유 산을 이용할 수 있으며 Van Delden이 유산을 기질로 처 음 사용하였다. 1960년대에 Campbell과 Postgate는 그 당시까지 보고된 황산염환원균의 세균학적 특징을 정리 하고, 포자형성 황산염환원균을 Clostridium속으로부터 독립시켜 Desulfotomaculum속으로 하고, 포자비형성 황 Fig. 1. Sulfate reduction by sulfate-reducing bacteria(Ueki and Nagai, 1993).

산염환원균을 Desulfovibrio속으로 구분하였다(上木와 永井, 1993). Table 1에 대표적인 황산염환원균의 성질 을 나타내었다(Castro et al, 2000). Table 1로부터 황산 염환원균은 그 형태와 이동성 등의 성질이 매우 다양하 며 대부분의 황산염환원균이 약 30 ℃의 온도에서 안정 되게 생장한다는 것을 알 수 있다.

황산염환원균이 생장하기 위해서는 전자공여체 외에 도 여러 가지 영양염 원소들이 필요하다. Table 2에 황 산염환원균 배양에 가장 널리 사용되고 있는 Postgate 배지의 성분을 나타내었다(Postgate, 1984). 배지 B는 황 산염환원균의 존재여부를 판단하거나 배양시키는 일반 적인 경우에 사용되고, 배지 C는 집단배양을 위해서 사 용된다. 배지 D는 진단용으로 쓰이고, 배지 E는 황산염 환원균의 개체수를 확인할 때 사용된다(Postgate, 1984).

배지는 이외에도 Postgate의 배지 F와 G가 있으며, Baar 의 배지를 개량한 ATCC 1249 배지가 황산염환원균 실 험목적에 따라 사용된다.

최근까지도 황산염환원균에 대한 연구가 많이 이루어 져 왔으며, 그 결과 황산염뿐만 아니라 수소, 질소계, 탄 산, 산소, 셀레늄, 우라늄, 철, 수은, 그리고 크롬의 환원 반응에 관여한다는 것이 밝혀졌다(Fig. 2)(Barton and Tomei, 1995). 또한, 기질로서 방향족을 사용하는 황산

염환원균도 발견되어(Kuever, 1993; Schnell, 1989; Go- rny and Schink, 1994) 다양한 분야에서의 활용이 기대 되고 있다.

황산염환원균을 이용한 광산배수처리 연구동향

황산염환원균에 의해 생성된 황화수소(H2S)는 용액 중의 중금속 이온과 반응하여 황화물(Sulfides)로 침전․

제거된다(Eq. (2)).

Me²⁺+H2S→MeS↓+2H⁺ (2)

이 식에서 Me²⁺는 중금속 이온을, MeS는 침전된 황화 물을 나타낸다. Eq. (1)과 (2)에서 알 수 있듯이 황산염 환원균에 의한 반응에서는 기질, 황화수소, 중금속이온, pH 등이 중금속 침전에 중요한 영향을 미친다. 따라서 지금까지 광산배수와 관련되어 보고된 황산염환원균에 대한 내용들을 pH, 중금속 이온, 기질, 황화수소 및 반응 온도와 반응기 종류의 영향 등으로 나누어 서술한다.

pH의 영향

일반적으로 황산염환원균의 생장을 위해 pH 중성영역 Fig. 2. Chemical transformations attributed to sulfate-reducing bacteria(Barton and Tomei, 1995).

이 가장 적절하며, 산성 영역에서 황산염환원균의 활동 은 현저히 억제되는 것으로 보고되었다(Cohen, 2005).

Elliott et al.(1998)은 초기 pH 3.0~4.5에서 황산염환원 균의 생장과 금속 황화물의 형성여부를 관찰하였다.

Elliott et al.(1998)은 pH 3.25의 조건에서 황산염환원균 에 의해 38.3 %의 황산염이 제거되고, pH가 5.8까지 상 승한 것을 확인하였고, 반응기내에서 금속 황화물이 형

성된 것을 관찰하였다, 그러나 초기 pH 3.0의 조건에서 는 황산염환원균의 활동성이 크게 감소하였다. Tsuka- moto et al.(2004)는 pH 2.5~4.2에서 황산염환원균에 의 한 중금속 제거실험을 하였고, pH 3.0 이하의 조건에서 황산염환원균에 의한 황산염제거와 중금속 침전은 크게 억제되는 것으로 보고하였다.

광산배수는 강산성의 특징을 나타내는 경우가 많기 때

Desulfomonile rod - 49 c3 C 37

Desulfonema filaments gliding 35-42 b, c C 28-32

Desulfosarcina oval rods or coccoid, packages +/- 51 b, c C 33

Desulfotomaculum straight to curved rods + 48-52 b, c I/C 25-40

Thermodesulfobacterium vibrioid to rod -/+ 30-38 c3, c I 65-70

Archaeoglobus coccoid +/- 41-46 I 64-92

aGC, guanine, cytosine

bI, incomplete

cC, complete

Table 2. Some media for SRB(concentrations given in g/l), (Postgate, 1984)

Medium B Medium C Medium D Medium E

KH2PO4 0.5 KH2PO4 0.5 KH2PO4 0.5 KH2PO4 0.5

NH4Cl 1 NH4Cl 1 NH4Cl 1 NH4Cl 1

CaSO4 1 Na2SO4 4.5 CaCl2․6H2O 0.1 Na2SO4 1

MgSO4․7H2O 2 CaCl2․6H2O 0.06 MgCl2․6H2O 1.6 CaCl2․6H2O 1 Sodium lactate 3.5 MgSO4․7H2O 0.06 Yeast extract 1 MgCl2․6H2O 2 Yeast extract 1 Sodium lactate 6 FeSO4․7H2O 0.004 Sodium lactate 3.5 Ascorbic acid 0.1 Yeast extract 1 Sodium pyruvate 3.5 Yeast extract 1 Thioglycollic acid 0.1 FeSO4․7H2O 0.004 Choline chloride 1 Ascorbic acid 0.1

FeSO4․7H2O 0.5 Sodium citrate 0.3 Thioglycollic acid 0.1

FeSO4․7H2O 0.5

Agar 15

문에 황산염환원균을 이용하여 산성광산배수를 처리하 기 위해서는 친산성(Acidophilic) 또는 내산성의 황산염 환원균이 요구되었다(Johnson, 1995; Tsukamoto et al., 2004). Kolmert와 Johnson(2001)은 친산성 ․ 내산성 황산 염환원균(Acidophilic sulfate-reducing bacteria, aSRB)을 이용하여 pH 3.0에서 산성광산폐수를 처리하였다. 이처 럼 황산염환원균을 이용하여 산성광산배수를 처리하기 위해, 황산염환원균을 이용한 처리 이전에 pH를 중성영 역까지 상승시키는 방법과 친산성 또는 내산성 황산염환 원균을 이용하는 연구가 다수 진행되고 있다.

중금속이온의 영향과 처리

광산배수처리에서 황산염환원균이 주목받는 이유는 황산염환원균에 의해 생성된 황화수소가 용액 중의 중금 속이온과 쉽게 반응하여 침전 ․ 제거되기 때문이다. 따라 서 광산배수 및 산업폐수에서 빈번히 검출되는 구리, 니 켈, 망간, 아연, 철, 카드뮴 등의 처리에 대한 연구가 다 수 진행되어왔다(대구광역시 달성군청, 1995; 백병천과 김광복, 1999; 송영채등, 2000; 정권등, 1997; Dvorak et al., 1992; Garcia et al., 2001; Hammack and Dijkman, 1999; Luptakova and Kusnierova, 2005; Tuppurainen, 2002; Yoo et al., 2004A; Yoo et al., 2004B). Hamm- ack와 Dijkman(1999)은 3년간 황산염환원균 반응기를 이용하여 산성광산배수를 처리하면서 얻은 pH와 금속황 화물 형성의 관계를 Fig. 3과 같이 나타내었다. 또한 Yoo et al.(2004A)는 298K, 1기압에서 식 (2)의 Cu, Zn, Fe, Mn에 대한 평형상수는 9.1×10⁶, 1.0×10², 3.3×10^-1, 2.6×10^-7라고 보고하였다. 이처럼 pH에 따라서 황화물로 침전되는 금속의 종류가 다르기 때문에 금속의 선택적인 회수가 가능한 장점이 있다.

한편, 황산염환원균에 의해 중금속이 제거될 수 있지 만, 용액 중의 중금속이온은 황산염환원균의 생장을 억 제하기도 한다(Chen et al., 2000; Yoo et al, 2004B). 특 히 50 mg/l의 구리는 세균에 흡착하여 황산염환원균의 생장을 억제하는 것으로 보고되었다(Yoo et al. 2004B).

또한, Utgikar et al.(2002)은 금속 황화물에 의한 황산염 환원균의 코팅에 의해 황산염환원균의 생장이 억제된다 고 보고하였다(Fig. 4). 이와 같은 중금속이온과 금속 황 화물의 억제효과를 방지하기 위해 Hammack와 Dijkman (1999)은 황산염환원균 반응기와 중금속 침전조를 분리 하는 방법을 제안하였다.

일반적으로 황산염환원균을 사용하는 처리방법은 대 부분의 중금속에 효과적이나 망간에 대해서는 Fig. 3에서 알 수 있듯이 가장 제거되기 어려운 금속으로 알려져 왔 다, 그러나 Yoo et al.(2004A)은 망간이외의 중금속이 존 재하지 않는 계에서 10 mM정도의 황화수소를 생성시킬 때 200 mg/l의 망간을 pH 중성영역에서 일본의 망간 수질 기준인 10 mg/l 이하로 제거할 수 있다고 보고하였다.

기질에 관한 연구

대부분의 황산염환원균은 전자공여체로서 유산염을 사용한다. 그러나 전자공여체로서 시약을 공급할 경우, 처리비용이 급격히 상승할 수 있기 때문에 폐기물이나 저가의 시약을 활용하는 연구가 다수 진행되었다. 폐기 물을 활용하는 연구로서 피혁제조공장 배수, 소의 분뇨 로 만든 거름(cow manure), 톱밥(sawdust), 유장(cheese whey), 슬러지, 참나무 폐목 또는 원목, 제지공장 슬러 Fig. 3. The pH ranges for metal sulfide formation

during the treatment of a copper mine water at PH2S=0.5% (Hammack and Dijkman, 1999).

Fig. 4. Mechanism of metal sulfide coating(Utgikar et al., 2002).

세테이트(Widdel and Pfennig, 1981)를 전자공여체로 활용하는 황산염환원균이 분리 ․ 배양되었다. 카테콜과 페놀을 전자공여체로 사용하는 황산염환원균의 반응식 은 Eq. (3),(4)와 같이 나타낼 수 있다(Gorny and Schi- nk, 1994; Kuever et al, 1993; Schnell et al., 1989).

4C₆H₆O₂+13SO^2-₄+12H₂O→24HCO^-₃+13HS^-+11H⁺ (3)

2C₆H₆O+7SO^2-₄ +6H₂O→12HCO^-₃+7HS^-+5H⁺ (4)

유산을 전자공여체로 사용하였을 경우에는 1 몰의 황 산염을 제거하기 위해 2 몰의 유산이 필요하지만(Eq.

(1)), 카테콜과 페놀을 사용할 경우는 1 몰의 카테콜과 페놀에 의해 3배 이상의 황산염이 제거되어 효율적인 사 용이 가능한 것을 알 수 있다. 이와 같이 황산염환원균을 이용하여 효율적이고 경제적인 처리법을 개발하기 위해 서는 폐기물의 전자공여체로서의 이용에 관하여 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

반응온도, 황화수소의 농도, 반응기 설계에 의한 영향 황산염환원균은 30 ℃ 부근에서 가장 최적의 생장상태 를 보인다고 알려져 왔고, 장기간 보관을 위해 5 ℃에서 보존을 한다, 그러나, Tsukamoto et al.(2004)은 기질로 서 메탄올과 에탄올을 사용한 연구에서, 상온에서 적응 기간을 거친 후 온도를 낮추면 황산염환원균이 6 ℃에서 활동하며 황산염과 중금속을 제거한다는 사실을 보고하 였다.

Eq. (1)에서 알 수 있듯이 황화수소는 황산염환원균의 대사작용 산물이다. 열역학적인 측면에서는 황화수소 농 도가 높을수록 중금속 제거율이 증가하나(Yoo et al, 2004A) 16.1 mM의 황화수소는 황산염환원균의 생장을 완전히 억제하는 것으로 보고되었다(Reis et al., 1992)

황산염환원균에 의한 광산배수의 효율적인 처리를 위하 여 다양한 반응기를 이용한 연구가 진행되었다. UASB

맺음말

황산염환원균은 황산염을 환원하여 황화수소를 생성 하는 과정에서 에너지를 획득하는 편성혐기성세균이다.

황산염환원균에 의해 생성된 황화수소는 중금속과 쉽게 반응하여 침전하기 때문에 용액 중의 황산염과 중금속을 동시에 제거할 수 있는 세균으로서 크게 주목받아왔다.

이 글에서는 황산염환원균을 이용한 광산배수 중의 중금 속 제거에 미치는 pH, 중금속 이온, 기질, 온도, 황화수 소의 농도, 반응기 등의 영향에 대하여 종래의 연구들을 정리하고 고찰하였다. 본문에서 기술한 바와 같이 황산 염환원균은 산성광산배수 처리에 있어서 중요한 역할을 담당해왔으며, 친산성 ․ 내산성 황산염환원균의 분리 ․ 배 양, 다양한 폐기물의 기질로서의 활용, 효율적인 처리 시 스템의 개발 등의 연구에 의해 이후 황산염환원균에 의 한 효율적이고 경제적인 광산배수 처리가 가능하리라 생 각된다.

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in Acid Mine Drainage Using Sulfate Reducing Bacteria,” Materials Transactions, Vol. 45, No. 7, pp.

2422-2428.

Yoo, K., Sasaki, K., Hiroyoshi, N., Tsunekawa, M., and Hirajima, T., 2004B, “The Effect of Mn²⁺ Concentration on Mn Removal by a Sulfate Reducing Bacteria Bio- reactor,” Materials Transactions, Vol. 45, No. 7, pp.

2429-2434.

上木勝司, 永井史 , 1993, “嫌 微生物 ,” 養賢堂, 東 京, 日本, pp. 52-57.

柳 庚 槿 鄭 鎭 己

1995년 한양대학교 자원공학과 공학사 1998년 한양대학교 자원공학과 공학석사 2003년 북해도대학 환경자원공학전공

1979년 부산대학교 화공과 공학사 1984년 서울대학교 화공과 공학석사 1998년 충북대학교 화공과 공학박사

현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 선임연구원 (E-mail; [email protected])

현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 책임연구원 (E-mail; [email protected])

孫 廷 秀 李 在 天

현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 금속회수연구실장 (本 學會誌 第41卷 第4号 參照)

1979년 한양대학교 금속공학과 공학사 1981년 한양대학교 금속공학과 공학석사 1986년 한양대학교 금속공학과 공학박사

현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 책임연구원 (E-mail; [email protected])