토양 입자 표면에 형성된 바이오필름을 통한 중금속 고정화 실험 연구
고명수
1)· 박현성
2)· 김경웅
1)· 이종운
3)*
Experimental Study on Stabilization of Heavy Metals by Biofilm Developed on Soil Particle Surface
Myoung-Soo Ko, Hyun-Sung Park, Kyoung-Woong Kim and Jong-Un Lee *
Abstract : The effects of indigenous microbial biofilm which was artificially developed on soil particle surface on mobility of toxic heavy metals in contaminated paddy soil were investigated. Among various dilutions of nutrients such as tryptic soy broth (TSB), Luria-Bertani (LB) broth and yeast extract, 50%-diluted LB medium appeared to result in development of the highest biofilm biomass on soil particles. Experiments on heavy metals biosorption were conducted using biofilm developed on soil particles with 50%-diluted LB medium at pH 4 and 7. Biofilm led to higher removal efficiency of Pb, Cd, Ni, and Zn than abiotic controls at pH 4 and 7 while there was no significant differences in removal efficiency for Cr and As. Addition of phosphate ion to biofilm around soil particles showed that heavy metals adsorption preferentially occurred by bacterial biofilm over phosphate formation.Key words : Biofilm, Soil, Microbial stabilization, Heavy metals
요 약 : 폐광산 주변 논토양을 대상으로 하여 토착미생물 바이오필름 형성을 통한 미생물학적 중금속 고정화 여부를 실험적으로 확인하였다. 다양한 농도의 tryptic soy broth(TSB), Luria-Bertani(LB) broth, 효모 추출물 등 영양분을 공급한 결과, 50% 희석한 LB 배지가 가장 높은 바이오필름 생물량 형성을 유도하였다. 바이오필름이 형성된 토양에 pH 4와 7의 조건에서 Pb, Cd, Ni, Zn 및 As, Cr 용액을 주입한 결과, 바이오필름은 pH에 관계없이 무생물학적 비교시료에 비하여 용존 중금속들을 잘 제거하였으나, As와 Cr은 비교시료와 큰 차이가 없었다.
바이오필름에 인산이온을 주입한 결과, 인산염 형성을 통한 중금속 제거보다 바이오필름에 의한 중금속 흡착이 우선적으로 발생하는 것으로 나타났다.
주요어 : 바이오필름, 토양, 미생물학적 고정화, 중금속
2010년 1월 14일 접수, 2010년 2월 23일 채택 1) 광주과학기술원 환경공학과
2) 한국광해관리공단 광해기술연구소 3) 전남대학교 에너지자원공학과
*Corresponding Author(이종운) E-mail; [email protected]
Address; Microbial Geochemistry Lab, Department of Energy and Resources Engineering, Chonnam National University, Gwangju 500-757, Korea
서 론
비소 및 중금속으로 오염된 토양을 복원하는 방법으로 격리, 토양세척, 반응벽체, 전기동력학적 처리, 고정화 및 안정화, 식물정화, 미생물 복원기술 등의 방법이 제시되 어 왔다(고일원 등 2004). 특히 농경지 토양의 경우 복원 과정에서 토양의 산성화, 영양물질의 제거, 투수성 및 수
분 함량 등 물리화학적 특성의 변화 등을 유발하여 토양 생산성을 떨어뜨릴 수 있으므로 이러한 부작용을 최소화 할 수 있는 기술을 적용하는 것이 바람직하다. 이러한 측 면에서 볼 때 토양 내 중금속의 용해도 및 이동도를 감 소시키고 원위치(in-situ)에서 적용 가능한 안정화 공법 이 매우 적합한 선택 중 하나가 될 것이다. Kumpience et al.(2008)에 따르면 안정화 공법은 토양의 물리적 특 성 변화를 최소화하므로 농경지에 적용 가능한 기술로 보고되었다. 안정화 공법은 인산염, 영가철, 석회석, 제 강 슬래그, 제올라이트 등의 안정화제를 사용하여 흡착･
침전을 통해 토양으로부터 중금속의 용출을 억제하는 기 술이며, 대체로 높은 효율을 보이는 반면 주입한 안정화 제가 작물 생장에 미치는 영향이 확인되지 않고 현장에 적용할 경우 대량의 안정화제 수급이 어려운 점 등의 단 점을 가지고 있다. 이에 보다 경제적이고 친환경적인 방 연구논문
장려상 (한국지구시스템공학회 회장상)
법으로 미생물학적 중금속 안정화․고정화 기술이 제안되 고 있다(하원경 등, 2006; 이종운 등, 2006, 송대성 등, 2007; 고명수 등, 2009, 김상호 등, 2009, 장해영 등, 2009). 이는 미생물의 대사작용에 의하여 원소나 화합물 의 산화상태를 변화시킴으로써 중금속의 침전을 유도하 거나, 미생물 표면에 존재하는 카르복실기(COO-), 인산 기(PO43-), 수산기(OH-) 등의 작용기에 용존 양이온들이 흡착되는 성질을 이용하여 중금속을 고정화하는 기술이 다(이종운과 전효택, 2000; Alexander, 1999).
미생물학적 흡착 기술은 미생물의 생존에 관계없이 표 면 구조만 유지한다면 흡착이 진행되며 물리화학적 안정 화제에 비해 저렴한 장점이 있다(Trudinger and Swaine, 1979; Vecchio et al., 1998). 또한 반응속도가 매우 빠르 며(Lovely and Coates, 1997) 중금속의 선택적 흡착이 가능하다(Valls and de Lorenzo, 2002). 그러나 중금속 의 원위치(in situ) 고정화의 측면에서 볼 때, 중금속을 흡착한 박테리아가 토양 내에서 자유유영(planktonic) 상태로 존재한다면 토양수 및 지하수의 흐름을 따라 하 부 생태계로 이동하게 되므로 고정화의 효과를 전혀 기 대할 수 없게 된다. 이러한 난점은 미생물에 의한 토양 입자 표면의 바이오필름(biofilm) 형성 과정을 통하여 해 소될 수 있을 것이다.
바이오필름이란 미생물과, 이들의 분비물로써 세포 주 변을 둘러싸고 있는 점액질의 수화된 세포외 중합체 (EPS; extracellular polymeric substances)를 말하며, 대 부분의 경우 EPS는 다당류로 이루어져 있다(Costerton et al. 1994). 수환경에서 자유유영 상태의 박테리아 1개 에 대하여 1,000 ~ 10,000개의 박테리아는 고체 매질에 부착된 바이오필름 상태로 존재하는 것으로 보고된다 (Watkins and Costerton, 1984). 이처럼 미생물에서 분 비된 EPS는 유동 가능한 미생물을 고체 매질에 부착시 켜 중금속 이온과 결합하고 이동도를 낮춰 원위치에 고 정화시키는 역할을 한다(Lee and Beveridge, 2001).
실제 자연적 환경에서 다양한 금속 이온들이 바이오 필름 내에 부착, 침전된 예는 흔하게 관찰된다(Brown et al., 1994, 1999; Lawrence et al., 1998). 그러나 수환 경 또는 토양 환경에서 인위적으로 바이오필름을 형성 함으로써 용존 중금속을 흡착, 제거하는 기술에 관한 연구 사례는 매우 드문 실정이다. 본 연구에서는 중금 속으로 오염된 토양 내 토착미생물에게 적절한 영양물 질을 공급함으로써 바이오필름을 형성하고, 형성된 바 이오필름에 중금속 흡착 반응을 유도함으로써 독성 중 금속의 원위치 고정화 가능성 여부를 실험적으로 규명 하려 하였다.
실험방법
토양시료 채취 및 특성파악
실험에 필요한 토양은 전남 보성군 복내면에 위치한 산양 폐금은광산 주변 논토양을 대상으로 채취하였다.
산양광산은 금, 은을 주로 채광하던 광산으로 1935년부 터 1992년까지 광산 활동이 진행되었다. 2000년 환경부 에서 실시한 정밀조사에 따르면 광미 적치량은 675 m3 으로 이에 의한 주변 지역의 오염이 심각한 것으로 나타 났다(환경부, 2001). 광미 적치장 주변 한 개의 필지를 선정하여 토양 시료를 채취하고 물리화학적 특성 파악을 위해 자연 건조한 후 2 mm(-10 mesh) 이하의 토양과 0.18 mm(-80 mesh) 이하의 토양으로 체거름하였다. 2 mm 이하의 토양을 대상으로 하여 토양 pH, 양이온교환 능력(CEC: cation exchage capacity), 작열감량(LOI: loss- on-ignition), 입도분석, 0.1 N 염산에 의한 Cu, Pb, Cd, Cr 및 1 N 염산에 의한 As 용출시험을 각각 수행하였고, 0.18 mm 이하의 토양을 대상으로 하여 Fe, Cu, Pb, Cd, Cr, As, Zn, Ni에 대한 왕수분석을 실시하였다.
토양 내 바이오필름 형성
토양 입자 표면에 인위적으로 바이오필름을 형성시키 는데 유용한 영양분을 확인하기 위해 미생물 배양에 주 로 사용되는 TSB(trypic soy broth), LB(Luria-Bertani) 배지, 효모 추출물(yeast extract)을 각각 배양액으로 사 용하여 바이오필름 형성량을 비교하였다.
멸균된 petri dish에 건조 후 멸균한 2 mm 이하의 토 양 3 g을 각각 담고, TSB 100%, 50%, 10% 용액, LB 배지 100%, 50%, 10% 용액, 효모 추출물 용액(5 g/L), 멸균 증류수를 각각의 petri dish에 15 mL 씩 첨가한 후 토착미생물 군집 2 mL을 접종물로서 접종하였다. 이 때 토착미생물 접종물은 건조하지 않은 토양 2.5 g을 멸균 된 0.1 M (NH4)HPO4 용액 250 mL에 넣고 27℃, 150 rpm 조건으로 1 시간 동안 반응시킨 후 토양을 침지시 켜 획득한 상등액을 사용하였다. 또한 무생물적 비교실 험(control)을 위해 토착미생물을 접종하는 대신 동일한 양의 멸균 증류수를 첨가하여 바이오필름 형성 과정을 비교하였다. 모든 실험은 중복실험(duplicate)을 실시하 였고, 약 10일간 26∼30℃로 반응시킨 후 토양 내 바이 오필름 형성 여부를 관찰하였다.
토양에서 형성된 바이오필름을 정량하기 위해 crystal violet 염색법(O'Toole and Kolter 1998; Harvey et al., 2007)을 변형시켜 적용하였다. 배양이 종료된 후 petri dish 내 배양액을 제거하고 멸균 증류수로 3회 세척하여 자유유영 상태의 미생물을 제거하였다. 이를 30℃에서
Table 1. Experimental conditions of heavy metals adsorption onto biofilm
Experimental set* Inoculum (mL) Phosphate ion (mL) Soil (g) Medium (mL) Heavy metal solution (mL)
M7 Microbe (2)
DIW (10)
-10 mesh (4) LB 50% (16) Pb, Zn, Ni, Cd, Cr, As (22) M4
C7 DIW** (2)
C4
MP7 Microbe (2)
Phosphate ion (10) MP4
CP7 DIW (2)
CP4
* M7 : microbe, pH 7 MP7 : microbe, phosphate ion, pH 7 M4 : microbe, pH 4 MP4 : microbe, phosphate ion, pH 4 C7 : control, pH 7 CP7 : control, phosphate ion, pH 7 C4 : control, pH 4 CP4 : control, phosphate ion, pH 4
** DIW: distilled, deionized water
40분간 건조한 후 1% crystal violet 시약을 15 mL 첨가하 여 20℃에서 45분간 반응시킴으로써 토양 입자 표면에 형성된 바이오필름을 염색하였다. 이를 멸균 증류수로 다 시 3회 세척한 후, 95% 에탄올을 이용하여 염색된 미생 물을 40분간 탈색시키고 탈색된 액체를 0.2 μm 필터를 이용하여 여과한 후 UV-vis(UV-MINI-1240, Shimadzu, Japan)를 이용하여 595 nm 파장에서 색의 강도를 측정 하였다.
pH에 따른 바이오필름의 중금속 흡착 및 인산이온의 영향
토양에서 형성된 바이오필름의 중금속 흡착량을 확인 하기 위해 바이오필름이 형성된 토양에 중금속 혼합액을 주입하여 용액 내 중금속 제거량을 측정하였다.
바이오필름이 형성된 petri dish에 Pb, Zn, Ni, Cd 혼 합액과 Cr, As 용액을 각각 주입하였다. 이 때 Cr과 As 는 다른 중금속과 혼합하지 않고 별도로 조제하여 주입 하였다. 각 실험의 조성은 Table 1에 나타내었다. 주입한 중금속 용액 내 Pb, Zn, Ni, Cd, Cr, As의 초기 농도는 각각 47, 46, 50, 52, 90, 50 mg/L로 확인되었다. 이 때 pH에 따른 영향을 확인하기 위해 중금속 혼합액을 각각 pH 4와 7로 조정하여 주입한 후 흡착량 차이를 확인하 였다. 한편 인산이온(phosphate ion; H2PO4-)에 의한 영 향을 파악하기 위해 KH2PO4을 용해, 50 mg/L의 인산이 온을 제조하여 주입하고 인산이온을 주입하지 않은 시료 에는 동일량의 멸균 증류수를 주입하였다. 인산이온은 용존 금속, 특히 납과 용이하게 결합하여 침전시키는 대 표적인 무기 리간드(ligand)로서 오염 토양 내 중금속의
고정화를 위해 흔히 사용되는 제재이다. 무생물적 비교 실험(control) 세트에는 토착미생물을 접종하는 대신 동 일한 양의 멸균 증류수를 접종하였고, 모든 실험은 중복 실험을 실시하였다.
분석방법
토양 시료의 왕수분석 및 토양오염공정시험방법을 통 해 추출한 중금속 함량은 한국기초과학지원연구원 광주 센터에 의뢰하여 ICP-AES(OPTIMA 4300 DV, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다. 토양 pH는 pH-ORP meter (Orion 720A, USA)를 이용하였고, 채취한 용액시료 내 Cu, Pb, Zn, Ni, Cd, Cr, As 함량은 광주과학기술원의 ICP-OES(OPTIMA 5300 DV)를 이용하여 분석하였다.
인산이온 함량은 IC(ICS-2000 AS 40 with autosampler, Dionex, USA)를 이용하여 정량하였다.
결과 및 토의
토양시료 특성파악
토양오염공정시험방법에 따라 측정한 토양 pH는 5.86 으로 나타났다. 양이온교환능력(CEC)은 10.3 meq/100 g이었으며 작열감량(LOI)은 4.7%로 확인되었다. 입도분 석 결과, 모래 75.9%, 미사 23.9%, 점토 0.2%의 구성비 를 보여 양질사토(loamy sand)에 속하였다.
채취한 토양의 중금속 함량을 Table 2에 나타내었다.
0.1 N 염산을 이용하여 Cu, Pb, Cd, Cr의 용출량을 측정 한 결과, Cu 6.5, Pb 12.5, Cd 2.1, Cr 0.6 mg/kg의 평균 함량을 보였으며 1 N 염산을 이용하여 용출한 As의
Table 2. Concentration of heavy metals in soil (units: mg/kg)
Elements Fe(%) Cu Pb Cd Cr Zn Ni As
0.1 N HCl extraction 6.5 12.5 2.1 0.6 21.3
Aqua regia extraction 3.4 30.1 47.6 3.7 66.1 104.3 26.6 50.8
Korean standard warning level* 150 200 4 300 100 25
*Korea Ministry of Environment (2009)
(A) Biofilm before dying (B) Biofilm after dying
Fig. 1. Biofilm formation on soil sample in petri dish.
TM : TSB with microbial inoculum TC : TSB without microbial inoculum LM : LB with microbial inoculum LC : LB without microbial inoculum YM : Yeast extract with microbial inoculum YC : Yeast extract without microbial inoculum DM : DIW with microbial inoculum
DC : DIW without microbial inoculum
Fig. 2. Optical density at 595 nm (ABSCV-OD595) of extracted crystal violet solution indicating biofilm biomass. The right y-axis represents the concentration of each nutrient.
함량은 21.3 mg/kg이었다. 토양오염공정시험법(환경부, 2009)에 따라 왕수 분해 후 측정한 각 중금속의 용출 농 도는 Cu 30.1, Pb 47.6, Cd 3.7, Cr 66.1, Zn 104.3, Ni 26.6, As 50.8 mg/kg이었으며 이 중 As가 논을 포함한
‘1 지역’ 우려기준인 25 mg/kg을 초과하는 것으로 나타 나 해당 지역의 토양은 As의 오염이 가장 심각한 것으로 나타났다.
토양 내 바이오필름 형성
각각의 농도가 100%, 50%, 10%로 희석된 TSB, LB 배지, 효모 추출물 용액(5 g/L), 영양 성분이 없는 멸균 증류수 일정량을 토양에 첨가하고 토착미생물 군집을 접
종하여 약 10일간 배양하여 바이오필름을 형성하였다.
영양분이 주입된 실험에서는 시간이 경과하며 미생물 증 식이 활발해짐에 따라 배양액이 혼탁해지고 악취가 발생 하는데 반해 미생물을 접종하지 않은 토양은 특별한 징 후가 확인되지 않았다. 10일간 배양 후 배양액을 제거하 고 멸균 증류수로 3회 세척하여 토양에 흡착되지 않은 미생물을 제거한 후 1% crystal violet 용액을 이용하여 토양 내의 바이오필름 형성량을 관찰하였다(Fig. 1).
측정 결과, 미생물을 접종하지 않은 시료에 비하여 접 종한 경우에 월등히 많은 바이오필름이 형성된 것으로 나 타났다(Fig. 2). 또한 미생물을 접종한 시료에서는 TSB를 주입한 경우 100%와 10%의 희석 조건에서 바이오필름
Fig. 3. Variation in aqueous concentrations of Pb, Cd, Ni and Zn over time. The numbers represent the final aqueous concentrations of heavy metals at 24-h duration.
M7: Microbial - pH 7, M4: Microbial - pH 4, C7: Control - pH 7, C4: Control - pH 4 이 비교적 잘 형성되는 것으로 관찰되었고 TSB 농도가
50%일 경우 상대적으로 바이오필름이 가장 적게 형성 되었다(Fig. 2). LB 배지의 경우 10%, 100%에 비하여 50% 희석 조건에서 바이오필름이 가장 잘 형성되었으며 이는 시험한 여러 조건 중에서 가장 높은 값이었다. 토양 에 효모 추출물을 주입하여 바이오필름을 형성시킬 경우 TSB와 LB 배지를 사용한 경우보다 낮은 바이오필름 형 성량을 보였다. 이는 효모 추출물 외에도 trypton과 NaCl 이 추가적으로 공급된 LB와 같은 완전배지(complete medium)가 토양 내 바이오필름 형성에 더욱 효과적임을 나타낸다. 또한 토양 자체에 존재하는 영양분으로 바이 오필름 형성이 가능한지를 파악하기 위해 멸균 증류수를 배양액으로 하고 토착미생물을 접종한 결과, 미생물을 접종하지 않은 조건보다 바이오필름 형성 효율이 좋았지 만 TSB, LB 배지, 효모 추출물에 비하여 효율이 낮아 토양 내의 영양분만으로 빠른 시간에 가시적인 바이오필 름의 형성은 어려울 것으로 판단되었다.
이상의 결과로 보아 단기간에 인위적으로 토양 내 바 이오필름을 형성시키기 위하여 LB 50%가 가장 효과적 인 것으로 판단되었으며 아래에 기술할 중금속 흡착을 위한 바이오필름 형성 시 LB 50%를 영양분으로 사용하 였다.
pH에 따른 바이오필름의 중금속 흡착 특성 LB 50%를 이용하여 토양 입자 표면에 인위적으로 형 성한 바이오필름의 중금속 흡착량을 확인하기 위하여 바 이오필름을 형성한 토양과 형성하지 않은 토양에 일정량 의 Pb, Zn, Ni, Cd, Cr, As 용액을 주입하여 중금속 흡착 능력을 확인하였다. 중금속 용액 주입 시 pH를 4와 7로 조정하여 pH에 따른 흡착량의 차이를 파악하였고, 주기 적으로 시료를 채취하여 0.2 μm 필터를 통과시킨 후 ICP-OES를 이용하여 각 중금속 함량을 측정하였다.
실험 결과, 바이오필름을 형성한 실험군에서 시간이 경과하며 더 많은 양의 Pb, Cd, Ni, Zn이 흡착되어 용액 으로부터 제거되었다(Fig. 3). 토양에 인위적으로 바이오 필름을 형성하였을 때 비교시료에 비하여 Pb는 최대 5.5 mg/L 더 흡착되었고, Cd, Ni, Zn은 각각 7.2, 6.6, 6.0 mg/L 더 많이 제거되었다. 반면 Cr과 As의 흡착에서는 바이오필름 실험과 비교실험 간에 뚜렷한 제거량의 차이 를 보이지 않았다(Fig. 4). 이러한 차이는 표면 전위가 음전하를 띠는 바이오필름에 용존 상태에서 양이온으로 존재하는 Pb, Cd, Ni, Zn이 산화음이온으로 존재하는 Cr, As에 비해 정전기적 결합에 유리하기 때문으로 판단 되었다.
pH에 따른 흡착량의 차이를 확인하기 위해 각각 pH 4와 7로 조정하여 중금속 제거실험을 진행한 결과, 이
Fig. 4. Variation in aqueous concentrations of Cr and As over time. The numbers represent the final aqueous concentrations of heavy metals at 24-h duration.
M7: Microbial - pH 7, M4: Microbial - pH 4, C7: Control - pH 7, C4: Control - pH 4
Fig. 5. Variation in Ni, Zn, Cr and As in solution over time after phosphate ion injection. The numbers represent the final aqueous concentrations of heavy metals at 24-h duration.
MP7: microbe, phosphate, pH 7, CP7: Control, phosphate, pH 7 MP4: microbe, phosphate, pH 4, CP4: Control, phosphate, pH 4 실험에서 조절한 조건에서는 흡착량에 큰 차이를 보이지
않았다. 그러나 Pb의 경우, 24 시간 경과 후 pH 7에서 1.9 mg/L로 감소하여 6.9 mg/L의 값을 보인 pH 4 조건 의 실험에 비하여 더 많은 Pb가 제거된 것으로 나타났다 (Fig. 3). 이는 Pb의 흡착 특성에 기인한 것으로 판단되 며, 매질 내 Pb의 흡착량은 pH 값의 변화와 양의 상관관 계를 갖는 것으로 보고된 바 있으며(Adriano, 2001) Basta and Tabatabai(1992)도 pH와 CEC값에 Pb의 흡착량이 비례하여 증가하는 것을 확인하였다.
중금속 흡착에 미치는 인산이온의 영향
인산이온 주입에 따른 중금속 제거 영향을 확인하기 위해 토양에 인위적으로 바이오필름을 형성한 미생물학 적 실험과 바이오필름을 형성하지 않은 비교실험에 모두 50 mg/L의 인산이온을 주입하였다. 바이오필름 유무와 관계없이 모든 실험에서 Ni, Zn, Cr의 흡착량은 인산이 온을 주입하지 않은 실험과 유사한 값을 나타내었다(Fig.
3, Fig. 5). 반면 As의 경우, 바이오필름을 형성하지 않은 비교실험에서 인산이온을 주입하였을 경우 용존 As 함
Fig. 6. Variation in Pb and Cd in solution over time after phosphate injection. The numbers represent the final aqueous concentrations of heavy metals at 24-h duration.
MP7: microbe, phosphate, pH 7, CP7: Control, phosphate, pH 7 MP4: microbe, phosphate, pH 4, CP4: Control, phosphate, pH 4 량이 다소 증가한 것으로 나타났다. 이는 아마도 주입한
인산이온이 이미 토양에 흡착되어 있던 As를 경쟁적으 로 치환하여 탈착시켰기 때문으로 보인다(Kaplan and Knox, 2004). Ni, Zn, Cr의 경우, 그 차이가 크지 않으나 바이오필름을 형성하고 인산이온을 주입한 경우가 인산 이온만 주입한 경우에 비하여 다소 흡착량이 높은 것으 로 나타났다(Fig. 5).
인위적으로 바이오필름을 형성한 경우 pH 7과 4의 조 건에서 24 시간이 경과한 후 용액 내 Pb의 함량은 각각 1.8, 9.7 mg/L로 확인되어 인산이온 주입에 따른 영향이 없는 것으로 나타났다(Fig. 6). 그러나 바이오필름을 형 성시키지 않은 비교실험에서는 24 시간 경과 후 각각의 pH 조건에서 Pb 함량이 각각 0.1, 0.5 mg/L로 급격히 감소하였다. 이는 pH 7 조건에서의 Cd 함량에서도 동일 하게 나타났다. 이는 주입한 인산이온에 의해 더욱 많은 양의 Pb와 Cd가 용액으로부터 제거된 결과이다. 이는 특기할만한 결과는 아니며 일반적으로 Pb를 제거하는데 주로 사용하는 물질로 인회석(apatite), 인산염(phosphate- based salts), 인산(phosphoric acid) 등 다양한 형태의 인 (P) 화합물이 널리 사용되어지고 있다(Shi and Erickson, 2001; Ownby et al., 2005; Melamed et al., 2003;
Scheckel et al., 2005).
시간에 따른 용액 내 인산이온 함량 변화를 관찰한 결 과, 바이오필름을 형성하지 않은 비교시료(CP 4, CP 7) 에서 12 시간이 경과하자 주입한 인산이온이 모두 소모 된 것으로 나타났으며, 이는 인산이온이 용액 내 Pb, Cd 와 결합하여 제거되었기 때문으로 판단된다(Fig. 7). 반 면 인위적으로 바이오필름을 형성한 토양(MP 4, MP 7) 에서는 시간에 따른 인산이온 함량 변화가 거의 나타나
지 않았으며 이는 주입한 인산이온과 중금속이 결합하기 전에 중금속이 바이오필름에 우선적으로 흡착, 제거되었 기 때문인 것으로 판단된다.
Pb 및 용존 산화음이온을 형성하는 Cr 및 As를 제외 한 Cd, Ni, Zn 등은 바이오필름 토양과 인산이온 투입 토양 간에 큰 제거량 차이가 확인되지 않아 이들 중금속 을 흡착, 고정화할 목적으로 인산이온을 투입하는 것보 다 토양 내 바이오필름 형성만으로도 소정의 효과를 거 둘 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 방법을 현장에 적용 할 경우 토양의 굴착 과정과 추가적인 안정화제의 주입 과정없이 원위치에서 적용하여 공정의 단순화 및 친환경 적 방법의 적용이 가능하여 더욱 효과적인 방법이 될 것 으로 여겨진다.
추후 자연 토양에 형성한 토착미생물 바이오필름이 기 온, 강수량, 경작 과정 등의 외부 조건 변화에도 장기적 안정성을 확보할 수 있는지에 대한 연구가 필요할 것이 며, 이는 치아에 형성되는 치석처럼 바이오필름이 고체 매질에 단단히 고착하는 것에 미루어 보아 높은 가능성 이 있다고 할 수 있다.
결 론
중금속으로 오염된 토양으로부터 주변 환경으로의 확 산을 방지하기 위해 토양 개량제, 안정화제 주입 및 토양 세척 등의 많은 방법이 제시되고 있다. 이 연구에서는 토 양 입자 표면에 인위적으로 바이오필름을 형성하여 용존 중금속의 원위치 고정화 여부를 확인하였다. 각각의 농 도별로 희석한 TSB, LB 배지와 희석하지 않은 효모 추 출물 용액을 사용하여 토양 내 바이오필름 형성 효율을
Multi element
Cr
As
Fig. 7. Variation in phosphate ion over time
■ : MP7 (Microbial phosphate pH 7)
□ : CP7 (Control phosphate pH 7)
▲ : MP4 (Microbial phoaphate pH 4)
△ : CP4 (Control phosphate pH 4)
확인한 결과 LB 50%가 가장 효과적인 영양물질로 확인 되었다. 이를 이용하여 바이오필름을 형성한 후 Pb, Cd, Ni, Zn, Cr, As 혼합액을 주입한 결과 바이오필름이 형 성된 토양에서 Pb, Cd, Ni, Zn이 바이오필름이 형성되지
않은 비교실험에 비하여 더 많은 양이 제거되었음을 관 찰하였다. 이는 음이온을 띠는 바이오필름의 표면과 용 존 상태에서 양이온을 띠는 Pb, Cd, Ni, Zn 간에 정전기 적 인력이 작용하였기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 산화음이온의 형태로 존재하는 Cr, As의 경우 바이오필 름이 존재하는 토양과 존재하지 않은 비교토양 간에 제 거량의 차이를 보이지 않았다.
바이오필름 형성 유무와 관계없이 pH 4와 7의 조건에 서 다른 중금속은 뚜렷한 흡착량의 차이를 보이지 않았 으나 Pb의 경우에는 제거량이 pH 값의 증가에 비례하는 결과를 나타내었다. 인산이온 주입에 의한 용존 중금속 제거 여부를 확인한 결과 바이오필름이 형성되지 않은 토양의 경우 인산염 주입은 용액 내 Pb의 함량을 급격히 감소시켰다. 이는 주입한 인산이온과 용존 중금속, 특히 Pb가 결합하여 침전함으로써 제거된 것으로 판단된다.
그러나 바이오필름이 형성되어 있는 토양에서는 용존 중 금속과 인산이온의 반응에 앞서 중금속과 바이오필름 간 의 흡착 반응이 우세하게 작용하는 것으로 확인되었다.
이상의 결과로 보아 토양에 바이오필름 형성을 통한 중금속 원위치 고정화 기술은 인산이온 공급과 같은 기 존의 화학적 안정화 기술의 대체기술로써 적합할 것으로 판단되며 안정화제 공급을 통한 고정화･안정화 기술 적 용 시 필요한 토양 굴착, 교란, 안정화제 공급 등의 과정 이 생략되어 공기 단축 및 비용 절감의 효과를 기대할 수 있을 것으로 여겨진다.
사 사
이 연구는 한국광해관리공단의 지원으로 수행되었으 며 이에 감사드립니다.
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고 명 수
현재 광주과학기술원 환경공학과 박사과정 (本 學會誌 第46券 第2号 參照)
김 경 웅
1987년 서울대학교 자원공학과 공학사 1989년 서울대학교 자원공학과 공학석사 1993년 영국 런던대학교 임페리얼대학
공학박사
현재 광주과학기술원 환경공학과 교수 (E-mail; [email protected])
박 현 성
현재 한국광해관리공단 광해기술연구소 연구원, 전남대학교 공 과대학 지구시스템공학과 박사과정
(本 學會誌 第46券 第2号 參照)
이 종 운
현재 전남대학교 공과대학 에너지자원공학과 부교수 (本 學會誌 第46券 第2号 參照)
