The Indigenous Bacteria and the Geochemistry for Acid Mine Drainage in the Abandoned Sama-Taejeong Coal Mine, Gangwon-do

강원도 삼마-태정 산성광산배수의 토착박테리아와 지구화학

박천영¹⁾* · 김계민¹⁾

The Indigenous Bacteria and the Geochemistry for Acid Mine Drainage in the Abandoned Sama-Taejeong Coal Mine, Gangwon-do

Cheon-Young Park

and Kae-Min Kim

Abstract : This study was to investigate the geochemistry and the indigenous acidophilic bacteria in the acid mine drainage from the abandoned Sama-Taejeong coal mine, Gangwon-do. The size of the rod-shaped bacteria observed in the acid mine drainage ranged from 0.3×1.3 ㎛ to 0.4×3.4 ㎛, and sheathed-filament bacteria were observed in the yellow-colored iron hydroxide. These rod-shaped indigenous bacteria were grown in a growth- medium containing elemental sulfur and Fe²⁺ ion. As the rod-shaped bacteria were growing, the pH value was decreased from 3.72 to 2.08, whereas the Eh values were increased in the growth-medium. In decreasing the pH value and increasing the Eh value in the growth-medium and the subculture, it was identified that the rod-shaped indigenous bacteria were utilized the Fe²⁺ and elemental sulfur. The zero point of charge of the yellow-colored iron hydroxide were determined to range from 4.1 to 7.1 using zeta potential.

Key words : Acid mine drainage, Yellow colored iron hydroxide, Sheathed-filament structure, Rod-shaped indigenous bacteria

요 약 : 도계 삼마-태정 폐탄광에 형성된 산성광산배수의 지구화학적 특성과 광산배수 중에 서식하는 토착박테 리아의 존재를 조사하고자하였다. 크기가 0.3×1.3 ㎛에서 0.4×3.4 ㎛ 범위인 막대 모양의 박테리아들이 산성광산 배수에서 관찰되었으며 협막을 형성하는 박테리아는 황갈색 철수산화물에서 관찰되었다. 이들 막대 모양의 토착 박테리아들이 원소 황과 Fe²⁺ 이온이 포함된 성장-배양액에서 성장되었다. 막대 모양의 박테리아들이 성장함에 따라 성장-배양액의 pH는 3.72에서 2.08로 감소하였고, Eh는 증가하였다. 성장-배양액과 계대배양에서 이들 막 대 모양의 토착박테리아들이 배양됨에 따라 이들 박테리아들은 Fe²⁺ 이온과 원소 황을 활용하는 박테리아들임이 밝혀졌다. 성장-배양액과 계대배양에서 감소하는 pH 값과 증가하는 Eh 값은 막대 모양의 토착박테리아들이 Fe²⁺ 이온과 원소 황을 활용하고 있음이 확인되었다. 황갈색 철수산화물에 대한 제타전위를 측정한 결과 등전위 가 4.1에서 7.1로 나타났다.

주요어 : 산성광산배수, 황갈색 철수산화물, 협막구조물, 막대 모양의 토착박테리아

2010년 9월 17일 접수, 2010년 11월 30일 채택 1) 조선대학교 공과대학 에너지자원공학과

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

Address; Department of Energy and Resource Engineering, Chosun University, 375 Seouk-dong, Dong-gu, Gwangiu 501-759, Korea

서 론

산성광산배수의 생성은 석탄이나 금속광상에 함유되 어 있는 황화광물의 산화에 의하여 야기된다는 것을 1920 년대부터 Tracey(1921), Leitch와 Yant(1930)에 의하여 연구되었다. 1947년까지 광산배수에서 형성되는 _

가 Thiobacillus ferrooxidans에 의하여 침전되는 것으로 잘 못 해석되어 왔다. Colmer et al.(1950)에 의해 Thiobacillus ferrooxidans가 화학무기 자가영양체로 분리 배양 되고 나서야 비로소 _의 생성이 T. ferrooxidans에 의 하여 가속적으로 형성되는 것이 밝혀졌다. Dugan et al.

(1970a)은 slide glass를 광산배수에 넣어 slide glass에 부착된 박테리아를 현미경으로 연구했고, Dugan et al.

(1970b)은 광산배수에 서식하는 박테리아를 Gram 염색 으로 구분하기도 하였다. Wichlacz와 Unz(1981)는 광산 배수에 서식하는 박테리아를 amino acid로 배양하여 종 속영양체의 특성이 있는 것을 밝혔고, Harrison(1978)은 석탄폐석의 황 산화박테리아를 1.5년 동안 관찰하여 박 테리아의 개체수 천이(succession)를 연구하였다. Edwards 연구논문

Fig. 1. Sampling site in the Sama-Taejeong coal mine, Gangwon-do. The acid mine drainages and the yellow colored precipitate were collected in the point DK1 to DK19 (DK1;

wetland, DK2; oxidation pond, DK3; SAPS).

et al.(1998)은 pH가 0.6이고 온도가 42℃인 광산배수에서 박테리아를 배양하기도 하였으며, Edwards et al.(1999)은 pH가 0이고 온도가 40℃인 광산배수(Richmond 5-way) 에서 박테리아의 개체수가 계절적으로 변화하는 것을 연 구하였다. 외국에서는 그 동안 광산배수와 같은 강산성 환경과 고 농도의 중금속 농도에 내성을 갖고 있는 박테 리아를 연구하여 불용성의 황화광물로부터 유용금속을 용 출시켜 자원을 회수하고 있다. 즉 환경문제를 일으키고 있 는 광산폐석이나 저품위광석에 박테리아를 접종 배양하여 대규모적으로 유용금속을 회수해오고 있다(du Plessis et al., 2007; Morin, 2007). Brierley and Brierley(2001)에 의하면 호주 Girilambone에서 bioheap leaching으로 구 리를 2000 톤/일 규모로 1993년부터 현재까지 회수해오 고 있으며, 칠레의 Ivan-Zar에서는 1500 톤/일 규모로, Andacollo에서는 10000 톤/일 규모로 그리고 Zaldivar 에서는 20000 톤/일 규모로, 1994년부터 현재까지 구리 를 bioheap leaching으로 회수해 오고 있는 것으로 보고 하였다. 따라서 광산폐석으로 인하여 발생하는 광산지역 의 환경문제를 해결하기 위하여 그리고 이들 광산폐석이 나 저품위 광석으로부터 유용금속을 회수하기 위해서 우 리나라 광산배수에 서식하는 토착박테리아를 연구해야 할 필요가 있는 것으로 생각한다. 따라서 도계지역을 선 정하여 광산배수의 수질변화, 황갈색침전물 성분변화 특 히 광산배수에 서식하는 호산성토착박테리아의 지구화 학적 특성을 기술하고자하였다. 도계지역 광산배수 연구 로는 전효택과 황지호(1998)에 의한 도계탄광 산성광산 배수에 대한 지구화학, 황지호 등(1999)에 의한 도계탄 광 산성광산배수 처리에 대한 연구, 그리고 강원도 지역 에서 태백지역 산성광산배수의 지구화학(김정진과 김수진, 2002), 한창탄광 광산배수 정화효율(지상우 등, 2005), 영동탄광 수계에서 중금속 존재형태(지상우 등, 1997), 강릉지역의 임곡 광산배수에 대한 지구화학적 특성(Kim and Chon, 2001) 등, 주로 산성광산배수의 지구화학과 광산배수 처리에 관한 연구가 주로 이루어졌다. 광산배 수에 서식하는 Gallionella 종 연구(Kim et al., 2003), 토 착호산성박테리아에 관한 연구로는 박천영 등(2009), 박 천영과 조강희(2010a)에 의하여 이루어 졌고, 광산배수 의 토착박테리아를 이용하여 유용금속 용출 연구로는 박 천영과 조강희(2010b, 2010c) 그리고 한오형 등(2010) 이 수행하였다.

본 연구의 목적은 강원도 도계 삼마-태정 주변 수계의 산성광산배수와 황갈색 철수산화물에 대한 지구화학적 특성 그리고 광산배수에 생존하고 있는 토착박테리아에 대한 기초적 연구를 수행하고자하였다.

시료채취 및 분석방법

광산배수

강원도 삼척시 도계읍 녹두리 수계에서 형성된 광산배 수(19개)와 광산배수로부터 형성된 침전물 형태의 황갈 색 철수산화물(19개)을 채취하였다(Fig. 1). 이 수계는 삼마-태정광산의 자연정화시설이 위치한 지역이다. 시료 채취는 2009년 6월 18일에 수행하였으며, 소택지(DK1) 에서부터 과거 탄광 갱도(DK19) 까지 채취하였다. 광산 배수는 현장에서 0.45 ㎛ 여과지로 여과한 후 양이온과 음이온 분석용 시료를 각각 60 ml 씩 채취하였다. 양이 온 분석용 시료는 진한 질산을 가해 산처리하였고, 음이 온 분석용 시료는 60 ml 폴리에틸렌 병에 채수하고 절연 테이프로 밀봉하였다. 분석용 시료는 ice box에 4℃ 이 하로 보관하였다. 광산배수 중에 서식하고 있는 호산성 박테리아의 존재를 확인하기 위하여 광산배수 10 ml를 채취하여 미리 준비한 성장-배양액에 접종하였다.

황갈색 철수산화물

광산배수를 채취한 동일한 지점에서 황갈색 철수산화 물을 채취하였다. 황갈색 철수산화물은 실험실에서 자연 건조시킨 후 200 mesh 이하로 체분석 하였다. -200 mesh 이하로 체분석 된 황갈색 철수산화물은 주성분원소, 중 금속원소 함량을 측정하였고, XRD분석 및 제타전위(zeta

potential)를 측정하였다.

황갈색 철수산화물의 미생물체 시료

광산배수 중에 서식하고 있는 협막구조의 철-산화박테 리아를 조사하기 위하여 광산배수에 침전된 황갈색 철수 산화물을 약 5 g 채취하였다. 전효택과 황지호(1998)에 의하면 본 광산배수에는  이온 함량이 229 mg/l로 함 유하고 있는 것으로 연구되었다. 따라서 협막을 형성하는 철-산화박테리아가 서식하고 있을 가능성이 예상되었기 때 문에 철수산화물의 미생물체 시료를 채취하였다. 채취된 황 갈색 철수산화물에 2% 글루타르알데히드(glutaraldehyde) 용액을 현장에서 첨가하였다. 글루타르알데히드가 첨가 된 철수산화물은 자연 건조시켰다. 건조된 철수산화물에 75%, 85%, 95% 및 100%의 에틸알콜(ethyl alcohol)을 순서대로 첨가하여 탈수시켰다. 탈수된 철수산화물은 SEM 및 EDS로 관찰하였다.

토착 호산성 박테리아의 배양액 조성

도계 산성광산배수 중에 서식하고 있는 박테리아가 황 -산화 및 철-산화 박테리아임을 확인하기 위하여 DK19 지점에서 광산배수 10 ml를 채취하여 성장-배양액에 접 종하였다. 광산배수 10 ml가 접종된 성장-배양액은 항온배 양기에서 32℃를 유지시켰다. 성장-배양액(150 ml)은 무기 성분과 에너지원으로 구성하였다. 무기성분은 (NH4)2SO4

0.2 g/L, MgSO4･7H2O 0.5 g/L, CaCl2 0.25 g/L, KH2PO4

3.0 g/L를 3차 증류수 1.0 L에 용해시켜 제조하였다. 에 너지원으로 황 분말 1.0 g/L과 _·_ 5.0 mg/L을 무기성분에 첨가하였다. 에너지원으로 원소황과 ^{ }의

_·_을 동시에 첨가한 이유는 광산배수에 황-산 화 및 철-산화박테리아가 혼합되어 생존하고 있을 것으 로 판단하였기 때문이다. 산성광산배수를 접종하기 전 성 장-배양액은 고압멸균기(SW-90AV100)에서 121℃, 1.8 기압으로 15분간 고압 멸균하였다. 500 ml 삼각플라스 크, 실리스토브, 기타 실험기구들도 멸균기에서 고압 멸 균한 후 사용하였다.

분석방법

광산배수는 현장에서 수소이온농도(pH), 온도, 산화환원 전위(Eh), 전기전도도(EC), 전기비저항(ER), 용존산소량(DO) 및 총용존물질(TDS) 등은 pH meter(TOA HM-14P), ORP meter(TOA RM-12P), TDS meter(HACH COS50), EC meter(TOA CM-14P) 및 DO meter(YSI 95) 등을 이용하 여 측정하였다. 광산배수의 화학분석은 한국기초과학지원 연구소(대전)에 의뢰하여 20개 이온를 분석하였다. 양이 온은 GFAAS(GF90PLUS, 일본), AAS(UNICAM989, 미

국), ICP-AES(ICP1000-III, SHIMADZ, 일본) 및 ICP-MS (PQ3STE, FISONS, 미국)등을 이용하였고, 음이온은 한 국기초과학지원연구소(부산)의 IC(Dionex-II500, 일본)를 이용하였다. -200 mesh 침전물은 XRD(Rigaku, Geigerflex D/max rA, 일본)분석과 제타전위(zeta potential)를 측정하 였다. -200 mesh 침전물은 캐나다 Activation Laboratories 에 의뢰하여 주성분원소와 중금속원소 함량을 측정하였다. -200 mesh의 침전물은 Lithium metaborate와 tetraborate 융제로 혼합하여 용융시켜 bead를 만들고, 이 bead를 nitric acid에 용해시켜 ICP로 주성분원소와 중금속원소 함량 을 측정하였다. -200 mesh 침전물을 중성자활성분석법 (INAA)을 이용하여 미량원소 및 희토류(Rare Earth Ele- ment) 함량을 측정하였다. XRD분석 조건은 Cu-Kα 선 을 이용하여 가속전압 40 kV, 전류 30 mA, 주사속도 2

°/min.으로 2°～70°의 2θ 구간을 분석하였다. 황갈색 침전 물의 등전위(zero point of charge)를 결정하기 위하여 제 타전위(MALVERN, ZETASIZER3000, 영국)를 측정하였 다. 침전물을 3차 증류수에 첨가하여 광액농도 0.001%로 조정하고, NaOH와 HCl를 첨가하여 pH 3에서 pH 11 범 위 까지 제타전위를 측정하였다. 1 시료 당 10회 씩 측정 하여 평균 값을 구하였다.

광산배수 중에 서식하고 있는 토착박테리아, 성장-배 양액에서 성장하는 토착박테리아 그리고 계대배양 되고 있는 토착박테리아의 존재를 확인하기 위하여 광산배수 또는 성장-배양액을 10 ml씩 각각 채취하여 0.1 ㎛ 여과 지에서 여과하였다. 여과지 위에 2% 글루타르알데히드 용액을 첨가하고 건조시켰다. 건조된 여과지는 75%, 85%, 95% 및 100% 에틸알콜로 탈수시켰다. 탈수된 여과지는 Au 및 Pt로 코팅한 후 SEM 및 EDS(Hitachi, S4800, 일 본)분석을 실시하였다. EDS 분석은 100%의 Co 표준시 료로 영점조정하여 정량분석 하였다.

결과 및 고찰

광산배수의 지구화학

도계 연구지역 광산배수의 pH는 3.02에서 3.57의 범위 로 나타났다. 광산배수에 용해되어 있는  이온은 1.91 에서 295.9 mg/l 범위로 은 3.12에서 41.29 mg/l 범위로 측정되었다(Table 1). _^{ } 이온은 1274.15에서 2789.11 mg/l로 측정되었다. , , _^{ } 이온 함량은 전효택 과 황지호(1998)가 측정하였던 함량 보다 더 높게 나타 났다. 광산배수 중의  이온 함량과  이온 함량과의 상관계수(r)는 0.87로 나타났으며, 은 0.95, 는 0.93, Ni는 0.94, 는 0.91 그리고 은 0.93으로 나타났다 (Fig. 2). 특히 DK3, DK7, DK12시료의 이온전하균형이

Table 1. Physical and chemical constituents for acid mine drainage in abandoned Sama-Taejeong coal mine Sample

NO.

T

(℃) pH EC

(ms/m) Eh (mV)

TDS (mg/l)

DO (mg/l)

Na (mg/l)

K (mg/l)

Ca (mg/l)

Mg (mg/l)

Fe (mg/l)

Mn (mg/l)

Si (mg/l)

Sr (mg/l)

Al (mg/l)

Cr (㎍/l)

Co (㎍/l)

Mo (㎍/l) DK1 27.7 3.02 0.431 477 1910 1.50 3.71 8.10 960 550 15.6 25.21 3.27 8.22 15.69 2.29 410 <0.1 DK2 29.5 3.57 0.412 379 1900 1.47 2.30 3.91 904 214 1.91 9.85 4.11 7.77 6.47 0.68 162 <0.1 DK3 31.0 3.33 0.444 451 2090 1.35 4.45 7.59 455 524 145.2 24.83 2.37 6.83 29.66 3.39 518 <0.1 DK4 23.7 3.29 0.363 408 1700 0.49 1.95 2.00 360 155 28.4 7.10 2.78 5.16 7.55 1.22 179 <0.1 DK5 27.5 3.31 0.378 403 1680 1.44 2.58 2.55 303 120 23.1 5.64 3.46 4.34 6.47 1.21 160 <0.1 DK6 25.0 3.31 0.368 404 1660 0.96 2.98 3.76 417 335 92.8 16.36 3.20 6.22 18.90 2.16 334 <0.1 DK7 25.3 3.31 0.370 402 1650 0.58 4.45 6.69 515 732 253.4 35.55 3.49 8.22 41.58 5.66 869 <0.1 DK8 24.3 3.31 0.362 401 1620 0.97 1.94 1.91 269 93.5 18.7 4.61 2.73 3.87 4.99 1.77 160 <0.1 DK9 23.9 3.32 0.360 397 1610 0.95 1.90 1.62 312 95.4 19.8 4.47 2.57 4.58 4.81 1.35 137 <0.1 DK10 23.9 3.33 0.358 397 1610 1.10 2.46 2.67 258 144 37.3 7.12 2.80 3.96 8.02 2.14 253 <0.1 DK11 24.0 3.33 0.360 396 1610 1.14 1.81 1.84 338 128 30.3 6.25 2.60 5.07 6.98 1.91 177 <0.1 DK12 24.6 3.34 0.362 394 1630 0.63 4.96 7.08 563 820 295.9 41.29 3.66 8.98 46.05 6.32 936 <0.1 DK13 23.8 3.35 0.358 392 1590 0.42 1.55 1.22 312 62.2 13.5 3.12 2.45 4.60 3.24 1.23 94 <0.1 DK14 23.3 3.34 0.355 391 1570 0.28 2.81 2.63 422 217 60.5 10.94 2.48 6.56 12.69 2.08 230 <0.1 DK15 24.1 3.36 0.360 386 1610 0.61 2.45 2.65 268 154 44.3 7.64 2.51 4.13 8.05 2.14 260 <0.1 DK16 23.4 3.36 0.355 387 1570 0.42 2.51 2.50 224 116 33.1 5.92 2.51 3.48 6.36 1.92 218 <0.1 DK17 22.6 3.36 0.347 388 1540 0.51 2.23 2.32 422 235 60.7 11.29 2.25 6.59 11.59 1.81 243 <0.1 DK18 23.0 3.37 0.351 386 1560 1.61 2.84 3.48 239 169 53.0 8.37 2.69 3.82 9.16 2.29 320 <0.1 DK19 22.4 3.31 0.368 338 1630 0.66 2.69 2.99 362 228 128.3 11.95 2.54 5.89 14.03 2.13 272 <0.1 Sample

NO.

Ni (㎍/l)

Cu (㎍/l)

Zn (㎍/l)

As (㎍/l)

Se (㎍/l)

Rb (㎍/l)

Cd (㎍/l)

Hg (㎍/l)

Pb (㎍/l)

Th (㎍/l)

U (㎍/l)

F (mg/l)

Cl (mg/l)

NO2

(mg/l) Br (mg/l)

NO3

(mg/l) PO4

(mg/l) SO4

(mg/l) CIB DK1 497 9.69 1355 <0.5 4.65 32.93 0.80 <0.2 10.80 6.65 10.83 0.77 1.65 0.33 0.00 0.22 2.53 2769.11 25.02 DK2 223 17.77 617 <0.5 3.51 17.42 0.52 <0.2 9.98 2.01 4.43 0.61 2.46 0.31 0.00 0.41 0.41 2678.63 6.91 DK3 675 33.80 2351 <0.5 6.58 16.74 2.30 <0.2 14.50 27.97 25.60 0.31 0.82 0.20 0.00 0.10 0.00 1506.70 38.44 DK4 275 10.87 837 <0.5 1.08 6.96 0.77 <0.2 9.58 8.86 7.53 0.53 1.06 0.32 0.00 0.00 0.00 2288.58 -19.55 DK5 270 11.33 799 <0.5 1.80 7.23 0.70 <0.2 9.07 5.54 7.53 0.50 1.10 0.30 0.00 4.10 0.00 2039.79 -23.78 DK6 473 17.47 1606 <0.5 3.57 10.95 1.38 <0.2 8.85 15.46 16.05 0.30 0.60 0.20 0.00 10.02 0.00 1399.76 27.41 DK7 1089 35.77 2719 <0.5 10.06 22.14 3.07 <0.2 11.19 42.87 39.15 0.31 0.62 0.21 0.00 0.00 0.00 1642.01 45.99 DK8 288 10.20 706 <0.5 3.19 7.73 0.77 <0.2 8.94 7.41 7.23 0.37 0.56 0.28 0.00 0.00 0.00 1904.33 -28.48 DK9 231 7.99 604 <0.5 1.94 7.36 0.70 <0.2 8.10 7.08 5.94 0.29 0.57 0.29 0.00 0.19 0.00 1552.08 -14.07 DK10 382 13.48 1105 <0.5 3.40 9.97 1.03 <0.2 8.09 11.24 11.66 0.62 0.73 0.41 0.00 0.41 0.00 2424.29 -31.74 DK11 278 10.02 758 <0.5 3.42 7.73 0.94 <0.2 9.26 9.18 8.30 0.40 0.70 0.30 0.00 0.00 0.00 1953.99 -17.36 DK12 1190 40.70 2913 3.06 11.73 22.72 3.72 <0.2 12.55 50.27 46.68 0.53 0.63 0.21 0.00 0.00 1.05 2026.72 41.76 DK13 182 6.22 412 <0.5 2.28 6.10 0.54 <0.2 6.79 3.81 4.08 0.30 0.51 0.20 0.00 0.10 0.00 1550.85 -20.37 DK14 340 13.51 1065 <0.5 4.68 9.55 1.04 <0.2 7.17 15.59 11.28 0.50 0.70 0.30 0.00 0.30 0.00 1900.96 1.82 DK15 397 12.89 1167 <0.5 5.14 9.08 1.13 <0.2 8.36 11.41 11.03 0.32 0.54 0.22 0.00 0.54 0.00 1773.70 -14.62 DK16 346 12.54 1023 <0.5 3.53 8.79 1.13 <0.2 8.49 8.01 9.75 0.31 0.62 0.21 0.00 0.00 0.00 1532.22 -18.55 DK17 336 10.79 1038 <0.5 2.20 9.11 1.05 <0.2 7.57 12.10 9.42 0.48 0.58 0.19 0.00 0.29 1.06 1826.78 5.37 DK18 476 15.97 1429 <0.5 3.16 11.25 1.26 <0.2 10.33 13.15 14.31 0.22 0.45 0.22 0.00 0.00 0.00 1274.15 1.77 DK19 388 13.77 1253 <0.5 4.50 9.77 1.35 <0.2 7.88 11.95 13.43 0.60 0.80 0.30 0.00 0.00 0.00 2182.26 -7.43 T; temperature, EC; electrical conductivity, TDS; total dissolved solid, DO; dissolved oxygen, CIB; charge ion balance

각각 38.45%, 45.99, 및 41.76로 매우 높게 나타나고, 또 Ca, Ca, Fe, Mn, Al, Cr, Co, Cu, Zn, Se, Cd, Pb등과 같은 양이온 함량이 타 시료에 비하여 매우 높게 나타났 다. 그러나 음이온 성분은 이들 시료와 타 시료 사이에서

함량 차이가 거의 나타나지 않는다. 이들 시료와 타 시료 사이에서 이온전하균형과 양이온 함량에서 차이가 크게 나타는 원인은 광산배수를 0.45 ㎛ 여과지로 여과하고 질산을 첨가하여 산처리하였기 때문으로 사료된다. 광산

Fig. 2. The scatter diagrams for Fe vs. Mn, Cr, Co, Ni, Cu and Zn in the acid mine drainage.

배수에서 는 주로 콜로이드 고체 입자 크기로 존재하 기 때문에 침전되지 않고 먼 거리까지 부유하여 이동하 며(Schwertmann and Fischer, 1973), 또한 표면적이 매 우 크기 때문에 여러 종류의 중금속이온들을 흡착하게 된다(Jones et al., 1974; Kimball et al., 1995; Schemel et al., 2000). 광산배수 시료를 채취할 때 일반적으로 0.45 ㎛ 여과지로 여과한다. 이때  콜로이드 고체 입 자는 0.45 ㎛ 여과지를 통과하며(Fritz, 1994), 심지어 0.1 ㎛ 여과지도 통과하게 된다(Kimball et al., 1992).

통과된  콜로이드 고체 입자는 산처리로 첨가한 질산 에 의해 용해된다(Kimball et al., 1995). 그러므로  콜 로이드 고체 입자와 입자 표면에 흡착되어 있던 중금원 소들이 질산에 의해 용해되어 용액 시료에 첨가된다. 여 과지에서 제거되어야할  콜로이드 입자와 표면에 흡 착된 중금원소들이 화학분석에 분석되기 때문에 이온전

하균형이 높게 나타나고 시료들 사이에서 함량 차이가 나타나게 된다. 그러나 산처리하지 않는 음이온 성분들 은 시료 사이에서 함량 차이가 나타나지 않았다. 그렇기 때문에 Fritz(1994)는 자연수를 여과할 때 0.1 ㎛ 여과지 로 여과할 것을 제안하였다. Kimball et al.(1995)은 광 산배수를 0.001 ㎛와 0.45 ㎛ 여과지로 각각 여과하고 화 학 분석한 결과, 0.45 ㎛ 여과지를 통과한 용액이 0.001

㎛ 여과지를 통과한 용액 보다 이온 농도가 훨씬 높은 것을 확인하였다.

광산배수에 대한 pH와 Eh 값을 pH-Eh 관계도에 도시 한 결과  이온은 모두 ^{ } 이온이 안정한 영역에 도 시되었다(Fig. 3). 이는 연구 지역 광산배수 중에 용해되 어 있는  이온이 ^{ } 이온 종(species)에 해당됨을 지시해 준다. 따라서 pH-Eh 관계도로 볼 때 도계 산성광 산배수가 유출되는 DK19의 광산배수, 배수로의 광산배

Fig. 3. The pH-Eh diagram for the acid mine drainage.

Composite diagram showing the stability fields for hematite and magnetite as a function of Eh and pH. The boundary for the ionic species is drawn with activity=10^-6 molL^-1. Thermodynamic data of the dissolved Fe redox species were cited from Eby (2004).

Fig. 4. The variation for the distance vs. pH, Eh, EC and TDS in the acid mine drainage (EC; electrical conductivity, TDS; total dissolved solid).

수 그리고 광산배수를 정화시키는 알카리 공급조(DK3), 산화조(DK2) 및 소택지(DK1)에 용해되어 있는  이온 모두는 ^{ } 이온 종에 해당될 가능이 높은 것으로 사료

된다. 전효택과 황지호(1998)가 연구한 pH-Eh 관계도에 서도 도계 나한(Nahan)수계에 용해되어 있는  이온은 모두 ^{ } 이온 종으로 해석하였다.

광산배수에서 측정된 pH, Eh, EC 및 TDS의 함량 변 화를 거리별로 나타내었다(Fig. 4). Fig. 4의 거리에 따른 pH 변화에서, 갱구(DK19)에서부터 알카리 공급조인 DK3 까지의 pH 변화는 거의 일정하게 나타났다. 그러나 pH 값은 산화조(DK2)에서 증가하였다가 소택지(DK1)에서 다시 감소하였다. 거리에 따른 Eh 값은 갱구(DK19)에서 낮은 값을 보이다가 광산배수 유입로인 DK18에서 약간 증가하였다. DK18에서 DK4까지 Eh 값은 거의 일정하게 유지되다가 알카리 공급조(DK3)에서 갑자기 증가하였다.

산화조(DK2)에서 Eh 값이 감소하였지만 소택지(DK1)에 서 다시 증가하였다. EC와 TDS 값은 갱구(DK19)에서 부터 DK4까지는 거의 일정하게 유지되다가 알카리 공 급조(DK3)에서 갑자기 증가하였다가 다시 산화조와 소 택지에서 감소하였다.

미생물 기원의 협막구조물

전효택과 황지호(1998)에 의하면 본 광산배수에는  및  이온 함량이 229 mg/ℓ 및 11 mg/ℓ로 함유하고 있 는 것으로 연구되었다. 와 이 용해되어 있는 화순 한천 폐탄광지역의 광산배수 중에는 미생물 기원의 나선

Table 2. Chemical composition for the yellow-colored iron hydroxides in abandoned Sama-Taejeong coal mine (SiO2～ S=wt.%, As～Sm=mg/kg).

SiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O TiO2 P2O5 LOI Total

DK-1 3.98 1.5 49.91 0.06 1.22 1.88 0.07 0.29 0.057 0.23 36.63 95.82

DK-2 1.56 0.77 57.38 0.03 0.47 0.81 0.03 0.11 0.04 0.21 35.68 97.09

DK-3 22.53 5.81 45.24 0.02 0.42 0.23 0.31 0.96 0.324 0.1 23.56 99.5

DK-4 0.86 0.53 56.76 0.01 0.23 0.62 0.02 0.05 0.021 0.05 39.28 98.42

DK-5 0.38 0.15 56.32 0.01 0.25 0.35 0.01 0.02 < 0.005 0.05 40.94 98.49

DK-6 0.57 0.21 56.85 0.01 0.28 0.46 0.02 0.04 0.007 0.06 39.65 98.16

DK-7 0.32 0.17 56.25 < 0.01 0.15 0.27 0.02 0.02 0.006 0.04 42.16 99.42 DK-8 0.33 0.35 54.69 < 0.01 0.16 0.11 0.01 0.02 < 0.005 0.04 43.1 98.82

DK-9 0.54 0.72 52.63 0.01 0.3 0.18 0.02 0.03 0.006 0.09 44.48 99.01

DK-10 0.34 0.4 55.99 < 0.01 0.18 0.18 0.01 0.02 < 0.005 0.05 41.46 98.63 DK-11 0.37 0.63 56.47 0.01 0.17 0.12 0.02 0.03 0.006 0.12 40.91 98.85 DK-12 0.5 0.29 55.25 < 0.01 0.19 0.14 0.02 0.03 0.006 0.06 42.44 98.94 DK-13 0.47 0.23 53.15 < 0.01 0.15 0.09 0.01 0.01 < 0.005 0.05 43.29 97.48 DK-14 0.38 0.32 56.83 < 0.01 0.2 0.11 0.01 0.02 < 0.005 0.06 40.93 98.88 DK-15 0.02 0.17 56.2 0.02 0.36 0.26 0.01 0.01 < 0.005 0.07 41.31 98.42 DK-16 1.32 0.6 58.22 < 0.01 0.21 0.19 0.02 0.09 0.03 0.06 38.19 98.95 DK-17 0.74 0.48 62.35 < 0.01 0.17 0.12 0.01 0.04 0.015 0.05 34.79 98.77 DK-18 0.07 0.38 56.05 < 0.01 0.25 0.12 < 0.01 < 0.01 < 0.005 0.07 41.71 98.66 DK-19 0.46 0.16 71 < 0.01 0.23 0.11 < 0.01 0.02 0.016 0.09 27.46 99.56

S As Ba Cr Co Cu Mo Ni Pb Sc Sr U Th Zn Zr La Sm

DK-1 4.52 37 39 40 17 16 3 19 12 3 118 < 0.5 8.5 105 41 5.2 1

DK-2 3.68 32 11 74 15 17 < 2 14 6 3.2 49 < 0.5 14.5 161 22 2.3 0.6 DK-3 1.83 9 190 42 8 29 < 2 15 9 4.5 52 < 0.5 10.2 81 118 15.1 2 DK-4 4.61 6 14 22 7 < 1 < 2 7 8 0.6 40 < 0.5 2.4 27 18 1.7 0.3

DK-5 4.7 10 6 < 1 8 5 19 9 16 0.5 30 < 0.5 2.3 22 12 1.5 0.3

DK-6 4.24 4 9 8 8 1 < 2 8 5 0.7 37 1.7 2.7 31 12 1.6 0.2

DK-7 4.55 < 2 7 < 1 7 < 1 < 2 7 < 5 0.4 26 < 0.5 2.7 14 12 1.2 0.3 DK-8 4.35 5 6 < 1 8 < 1 < 2 6 15 0.5 14 < 0.5 2.4 16 10 1 0.3 DK-9 4.42 < 2 8 < 1 9 < 1 < 2 7 7 1 21 < 0.5 3.1 25 11 1.4 0.3 DK-10 4.39 < 2 11 11 8 < 1 < 2 6 < 5 0.6 18 < 0.5 2.2 17 11 1.3 0.2 DK-11 4.49 < 2 8 < 1 10 < 1 < 2 6 18 1.3 18 < 0.5 3.1 32 11 1.6 0.3 DK-12 4.41 3 8 < 1 8 < 1 < 2 6 7 0.7 16 < 0.5 3.1 16 10 1.2 0.3 DK-13 4.44 < 2 4 < 1 10 < 1 < 2 7 < 5 0.6 15 < 0.5 3.3 18 12 1.2 0.2 DK-14 4.59 < 2 6 29 10 < 1 < 2 7 8 0.7 15 2.6 2.9 16 11 < 0.2 0.2 DK-15 4.78 < 2 3 42 12 < 1 10 11 6 1 31 < 0.5 2.5 27 11 1.3 0.3 DK-16 4.23 < 2 14 36 10 < 1 < 2 9 8 1.1 26 2.1 2.9 28 19 1.6 0.2 DK-17 3.46 < 2 9 < 1 9 8 < 2 7 8 0.8 13 < 0.5 2.3 49 16 1.2 0.2 DK-18 4.66 3 < 3 < 1 9 < 1 < 2 8 < 5 0.8 16 2.1 4.3 21 12 1 < 0.1 DK-19 2.55 16 14 20 10 27 < 2 9 7 1.4 15 < 0.5 5.5 77 23 1.7 0.2

Fig. 5. SEM image for the sheathed-filament structures and the spherical granule structure in the yellow-colored iron hydroxide. The □4 (a) is a EDS analysis points. Sampling sites are DK16 (a, c, d) and DK1 (b). Scale bar is 10.0

㎛ (a), 5.0 ㎛ (b), 50.0 ㎛ (c) and 20.0 ㎛ (d) in length.

형 구조물과 속이 빈 협막구조물(sheathed-structure)들 이 황갈색 철수산화물 중에서 관찰되었다(박천영과 조 강희, 2010a). 그리고 도계 연구지역 광산배수에 와

 이온이 매우 높은 함량으로 용해되어 있다(Table 1).

따라서 도계 광산배수에 와 이 매우 높은 함량으 로 용해되어 있기 때문에 그리고 황갈색 철수산화물에는 Fe 성분(Table 2)이 매우 높게 나타나기 때문에 Fe나  을 활용하는 미생물기원의 협막구조물들이 관찰될 것으 로 예상되었다. 미생물 기원의 협막구조물을 확인하기 위하여 도계 광산배수 중에 형성되어 있는 황갈색 철수 산화물을 채취하였다. 황갈색 철수산화물을 글루타르알 데히드와 에틸 알콜로 처리하여 SEM에서 관찰한 결과 막대 모양의 협막구조물과 과립상의 구조물들이 관찰되 었다(Fig. 5). Fig. 5a와 b는 막대 모양의 협막구조물이 단독으로 관찰되지만 Fig. 5c와 d는 속이 빈 막대 모양의

협막구조물과 과립상의 구조물이 서로 혼합되어 나타나 고 있다. Fig. 5a의 협막구조물 표면(□4)에 대하여 EDS 분석한 결과 C(25.88 atomic %), O(58.86), Mg(1.5), S(2.59) 및 Fe(11.18) 등이 검출되었다. Fig. 5a에서 막대 모양의 협막구조물 양끝이 비어 있는 것이 잘 관찰된다. Fig. 5b 의 협막구조물은 소택지(DK1)에서 채취되었으며, 소택 지(DK1)에서 채취된 황갈색 철수산화물 시료에 많은 녹 조류와 규조류가 SEM에서 관찰되었다. 녹조류가 번창 하고 있는 소택지의 pH는 3.02로 측정되었다. Fig. 5b에 는 막대 모양의 협막구조물 표면에 포도송이구조의 철수 산화물들이 형성되어 있는 것이 관찰된다. Fig. 5c는 협 막구조물과 구형의 과립상구조물이 혼합된 것이 관찰된 다. Fig. 5d는 Fig. 5c의 협막 및 과립상 구조물을 확대한 것이다. Fig. 5d에서 과립상의 구조물이 파괴되어 내용 이 비어 있는 것이 관찰된다. Fig. 5에서 속이 빈 막대

Fig. 6. SEM image of the rod-shaped bacteria in the mine drainage at DK2 (oxidation pond). The pH and Eh value of DK2 were measured 3.57, 379 mV, respectively. Scale bar is 3.0 ㎛ in length.

모양의 협막구조물은 Fe를 활용하는 미생물에 의하여 형성된 것으로 사료된다. 이들 협막구조물들은 Fe 이온 함량이 매우 높게 용해되어 있는 광산배수에서 잘 서식 하며(박천영과 조강희, 2010a) 또한 지하수의 황갈색 침 전물에서도 잘 관찰된다(박천영과 임성수, 2007; 박천영 과 조상섭, 2009). 이들 협막구조물들이 Fe를 활용하는 미생물에 의하여 형성되고 있다는 근거는 박천영과 조강 희(2010a)가 실시한 배양실험에서 확인되었다. 이들은 ^{ } 에너지원이 포함된 배양액에 화순 황갈색 침전물을 첨가 하고 32℃로 7일 동안 배양한 결과 속이 빈 협막구조물들 이 매우 번창하는 것을 확인하였다. 철수산화물의 협막구 조물을 형성하는 미생물들로는 Sphaerotilus, Leptothrix, Clonothrix, Lieskeela, Phramidiothrix 및 Crenothrix 등 이 알려져 있다(Mulder, 1964; van Veen, 1973; Ghiorse, 1984; Emerson and Ghiorse, 1992; Takeda et al., 2005).

이들 미생물들은 외부 환경에 있는 에너지와 영양분을 세포 표면을 통하여 이용한다. 즉 이들은 광산배수 중에 용해되어 있는 ^{ }을 산화시켜 에너지로 활용한다. 그 러나 산화된 ^{ }는 물과 가수분해 되어 철수산화물이 된다. 이 철수산화물은 미생물들의 세포 표면에 침전되 어 협막(sheath)을 형성하게 된다(Emerson, 2000). 즉 Fe²⁺

이온은 전자공여체로 작용하므로 미생물체가 생존하는 데 필요하지만, 이미 산화된 Fe³⁺ 이온은 미생물 세포 벽 표면에 철수산화물의 협막이 되므로, 미생물은 더 이상 세포 벽을 통해 대사작용을 하지 못하게 된다. 그러나 미 생물은 생존하기 위하여 자신의 세포 외부에 점액질을 분비시켜 철수산화물이 세포 외부 표면에 직접 접촉되지 않고 점액질 표면에 침전되도록 한다(Cullimore, 2008).

미생물 세포 표면과 철수산화물의 협막 사이가 점액질로 되어 있기 때문에 미생물은 쉽게 탈출할 수 있게 된다.

철수산화물의 협막을 벗어난 미생물은 다시 세포 표면에 점액질을 분비하고 ^{ }을 에너지원으로 대사작용을 계 속하게 된다. 이때 미생물이 탈출한 협막은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 속이 빈 철수산화물의 협막구조물이 될 것이다(Cullimore, 2008). 미생물들이 형성한 철수산화 물의 협막은 천적인 원생동물로부터 자신을 방어하는 수 단이 되거나, 미생물들에게 치명적인 자외선을 차단하는 보 호막이 된다(Hallberg and Ferris, 2004; Cullimore, 2000).

따라서 이와 같이 미생물의 대사작용으로 형성되는 광물 을 생광물화작용(biomineralization) 이라하며, 산성광산 배수에서 미생물에 의해서 ferrihydrite(Kim et al., 2003), 침철석(goethite)과 lepidocrocite(Mann et al., 1992; Milnes et al., 1992, 박천영과 조상섭, 2009)가 형성된다. 따라서 Fig. 9(XRD 분석)의 황갈색 철수산화물에서 나타나는 침철 석은 이들 협막을 형성하는 미생물체들의 생광물화작용에

의하여 생성되었을 가능성이 매우 높은 것으로 사료된다.

^이 __로 산화될 때 약 236 kcal의 에너지가 발 생하지만 ^{ }가 ^{ }로 산화될 때는 겨우 160 kcal의 에너지가 발생한다(Chapelle, 2001). ^에 비하여 ^{ } 는 산화에너지가 적게 발생한다. 따라서 ^{ }을 에너지 원으로 활용하는 미생물들은 많은 양의 ^{ }을 산화시 켜야 생존할 수 있게 된다. 많은 양의 ^{ }가 산화되어 야 미생물이 생존할 수 있기 때문에 광산배수에는 많은 양의 철수산화물이 형성된다. 그렇다면 철수산화물의 협 막을 형성하는 미생물들을 배양한다면(박천영과 조강희, 2010a) 광산배수 중에 ^{ } 이온 상태로 존재(Fig. 3)하 는 를 제거할 수 있을 것이다. 광산배수 중의 를 철 수산화물의 협막을 생성하는 미생물에 의하여 제거할 수 있다면 광산배수 중에 용해되어 있는 도 제거할 수 있을 것이다. 미생물 기원의 철수산화물 협막구조물에 광산배수 중의 가 흡착되는 것이 박천영과 조강희 (2010a)에 의하여 확인되었다.

광산배수에 서식하는 막대 모양의 호산성토착박테리아 광산배수에 서식하는 철 및 황 산화 박테리아를 확인 하기 위하여 산화조(DK2)에서 광산배수(pH=3.57)를 채 취하여 0.1 ㎛ 여과지에 여과하였다. 여과지 위에 글루타 르알데히드와 에틸 알콜로 처리하고 SEM에서 관찰한 결과 막대 모양의 박테리아들이 관찰되었다(Fig. 6). Fig.

6에서 막대 모양의 박테리아의 크기는 약 0.3×1.3 ㎛ 범 위로 측정되었다. Fig. 6에서 막대 모양의 박테리아들 주 변에 포도송이 구조의 철수산화물이 많이 형성되어 있는

Fig. 7. SEM image of the rod-shaped bacteria in the growth- medium (19 days after inoculation, pH=2.73, Eh=465 mV).

Scale bar is 4.0 ㎛ in length.

것이 관찰되었다.

호산성토착박테리아 배양

Fig. 6에서 관찰되는 막대 모양의 박테리아가 철 및 황 을 활용하는 박테리아임을 확인하기 위하여 DK19 지점 의 광산배수를 채취하여 ^{ } 및 원소 황이 포함된 성장 -배양용액에 접종하였다. DK19 지점에서 광산배수를 채 취한 이유는 DK19 지점으로부터 광산배수가 유출되어 광산배수 유입로를 경유하여 산화조인 DK2로 유입되기 때문이다. 광산배수 10 ml를 150 ml 성장-배양액에 접 종하였을 때 성장-배양액의 pH는 3.72이고 Eh는 442 mV로 측정되었다. 30일 후 성장-배양액의 pH는 2.08로 그리고 Eh는 497 mV로 측정되었다. Fig. 7은 19일 동안 성장-배양액을 32℃로 유지시켰을 때 SEM에서 관찰되 는 막대 모양의 토착박테리아들이다. 이들 막대 모양의 박테리아 크기는 약 0.8×2.6 ㎛이다. 광산배수에 포함 (10 ml)된 토착 박테리아를 30일 동안 성장-배양액에서 배양됨에 따라 성장-배양액의 pH가 3.72에서 2.08로 감 소하였고 Eh는 442 mV에서 497 mV로 증가하였다. 이 와 같은 원인은 에너지원으로 첨가한 원소 황이 막대 모 양의 토착박테리아들(Fig. 7)에 의하여 산화되었기 때문 이다(Schippers, 2007).

^ __→bacteria reaction→_^{ } ^ (1)

^ __→bacteria reaction→__ (2)

또한 원소 황이 토착박테리아에 의해 산화되어 sulfite(SO3, S⁴⁺), thiosulfate(__, ^{ }), 혹은 tetrthionate(__, ^{ }) 와 같은 황의 중간산물이 형성되고, 중간산물의 황은 또

토착박테리아에 의해 산화되어 식 (3)과 같이 최종 산물 인 __을 생성하였기 때문으로 생각한다(Leduc and Ferroni, 1994). 이때 원소 황은 식 (4)와 같이 중간 산물 이 만들어지고 최종적으로 황산염이 형성된다.

^__→bacteria reaction→__ _

→bacteria reaction→__ (3)

^__^{ }→__^{ }→_^{ }→_^{ } (4)

실제로 원소 황 분말을 150 ml 성장-배양액에 첨가했 을 때, 배양액 표면에 부유되어 있던 황 분말이 5일 후부 터 부분적으로 침전되기 시작하다가 배양 13일 후에는 완전히 배양액 바닥에 침전되었다. 박테리아가 배양됨에 따라 성장-배양액의 Eh가 증가한 것은 에너지원으로 첨 가한 황이 식 (5)와 같이 전자공여체로 작용하여 전자를 발생하여 전자수용체인 산소로 이동되기 때문이다.

^ _→_^{ } ^ ^ (5)

식 (5)에서 깁스의 자유에너지 변화, ∆GR0=+48.998 kcal 이고, 표준전위, E⁰=+0.354 V이다. 식 (5)를 Nernst 식으로 나타내면

    



_^{ }^ (6)

    



_^{ }_{  }





^^ (7)

배양용액에 포함된 원소황이 박테리아에 활용되어 H⁺ 이온과 _^{ } 이온이 생성된다.

성장-배양용액에서 ^_^{ } 10^-1 mol/l이 생성되었다면 식 (8)과 같이 된다.

     (8)

토착박테리아에 의해 원소 황이 산화되어 식 (5)와 같 이 수소이온 함량이 증가되면 식 (7)의 pH 항이 감소되고 그리고 동시에 황산염이 생성되면 식 (7)의 _^{ } 항이 증가되어 결국 식 (8)의 Eh 값이 증가하게 된다(Faure, 1991; Langmuir, 1997).

한편 배양액에 포함된 ^{ }이온은 광산배수 중에 서 식하고 있는 철-산화 박테리아에 의해 활용되고 ^{ } 이 온으로 산화된다.

^{ }→bacteria reaction→^{ } ^ (9)

Fig. 8. SEM image of the rod-shaped bacteria in the growth- medium (4th subculture, pH=2.06, Eh=481 mV). Scale bar is 4.0 ㎛ in length.

10 20 30 40 50 60 70

7.58G G4.27

4.18 3.06 2.67 2.45 1.81 1.511.56

Gt G

G,Gt

4.18 Gt

G,Gt

G

1.72

DK1

2.71

Gt Gt Gt Gt

2.44Gt

1.72

Gt

1.51

Gt

DK2 DK3 DK4 DK5 DK6 DK7 DK16 DK17 DK19

2.45G,Gt

4.22 3.34 3.18 2.69 2.28 1.98 1.54 1.37

2.56 1.50

4.20

G

4.18

Gt Q

G G

2.12

Gt G 1.81

G Gt

G,Gt G

Gt

1.50

Gt Gt

2.56Gt

1.51

7. Gt

58 G

Gt 3.06 G 2.56

Gt

1.50

Gt

1.51 Gt

4.14 Gt Gt

Gt 2.692.69

4.194.16 Gt Gt

1.51

Gt

1.56

Gt

1.72

Gt

2.26 2.18Gt

Gt

2.45

Gt

2.58

Gt

2.45

Gt

1.511.51

Gt

Gt

1.42

Gt

2.56Gt

2.56 Gt 7.59 G

2θ

Fig. 9. X-ray powder diffraction patterns for the yellow- colored iron hydroxide (G; gypsum, Gt; goethite, Q; quartz).

식 (9)에서 ∆GR0=+17.75 Kcal이므로 ^=0.77 V이 다. 식 (9)를 Nernst 식으로 나타내면

    



^{ }

^{ }

 (10)

배양액에 포함된 ^{ } 이온이 박테리아에 의해 활용 되어 그 함량이 감소되고 동시에 ^{ } 이온 함량이 증가 되면 식 (10)의 Eh가 증가하게 된다. 따라서 도계 연구 지역 광산배수 중에는 철 및 황을 활용하는 막대 모양의 토착 박테리아가 서식하고 있음이 확인되었다.

Fig. 8에서 관찰되는 막대 모양의 박테리아들은 도계 광산배수 10 ml를 성장-배양액에 접종하고 32℃의 항온 배양기에서 30일 주기로 4번째 계대배양(subculture) 된 것이다. DK19 지점의 광산배수 10 ml를 성장-배양액에 접종하고 30일 동안 배양한 결과 pH가 3.72에서 2.08로 감소하고 Eh는 442 mV에서 497 mV로 증가하였다. 박 테리아가 30일 동안 성장-배양액에서 배양됨에 따라 성 장-배양액의 영양성분이 감소되고 또한 박테리아들의 노 폐물로 인하여 토착박테리아들의 개체수가 감소되기 때 문에 이들 박테리아를 새로운 성장-배양액에 옮겨 성장 시켜야 한다. 30일 동안 박테리아가 배양되었던 성장-배 양액 10 ml를 채취하여 새로운 성장-배양액 150 ml에 접종하고 항온 배양기에서 32℃로 유지시켜 박테리아가 새로운 성장-배양액에 성장하도록 하는 작업을 계대배 양이라 한다. 현재 성장-배양액에서 배양된 도계 광산배 수의 박테리아들은 30일 주기로 14회에 걸쳐 계대배양 하였다. 30일 주기로 14회에 걸쳐 계대배양하는 동안 pH의 감소와 Eh의 증가가 규칙적으로 반복되어 일어났

다. 이는 토착박테리아가 배양액에 공급해 준 ^{ } 이온 과 원소 황에 적응되고 있음을 지시해주는 것이다.

황갈색 철수산화물의 화학적 구성성분

도계 광산배수에 침전물로 형성된 황갈색 철수산화물 에 대한 화학적 구성성분을 Table 2에 정리하였다. 황갈 색 철수산화물은 주로 Fe2O3, SiO2, Al2O3 및 S로 구성 되어 있다. Fe2O3 함량은 45.24에서 71 wt.%로, SiO2는

Fig. 10. SEM image of the gypsum crystals in the yellow- colored iron hydroxide (DK19). Scale bar is 200.0 ㎛ in length.

0.07에서 22.53 wt.%로, Al2O3는 0.17에서 5.81 wt.%로 그리고 S는 1.83에서 4.78 wt.%로 측정되었다. 또한 LOI 값이 23.56에서 44.48 wt.%로 매우 높게 나타난다. 황갈 색 철수산화물에서 LOI 값이 매우 높게 나타나는 원인 은 ferric iron이 물과 가순분해로 수산화물을 형성하기 때문으로 사료된다. 가수분해에 의하여 초기에 형성되는

_은 대부분 비정질이며(Langmuir and Whittemore, 1971), 결정수와 흡착수를 포함하고(Nordstrom, 1982) 그 리고 표면적이 매우 크다(Bigham et al., 1990). 따라서 결정 수와 흡착수를 포함하고 있고(Roussel et al., 1999), 동시에 표면적이 큰 비정질의 철수산화물은 LOI 함량이 매우 높게 나타난다(Bigham et al., 1990). 비정질의 _은 시 간이 지나면서 ferrihydrite, lepidocrocite 및 침철석으로 결정화되면서 동시에 표면적이 감소된다(Langmuir and Whittemore, 1971; Bowell and Bruce, 1995). 결정화가 진행되어 침철석과 같은 광물을 형성하는 철수산화물은 표면적이 감소되어 결국 LOI 값이 감소된다. 황갈색 철 수산화물의 XRD 분석(Fig. 9)에서 침철석의 결정이 잘 나타나는 DK3과 DK19 시료의 LOI 값은 각각 23.58과 27.46로 나타났다. 그러나 결정화가 미약한 시료에서의 LOI 값은 DK3과 DK19 시료 보다 훨씬 높게 나타났다.

황갈색 철수산화물에 포함된 중금속 함량은 As가 최 대 37 mg/kg, Cr이 최대 74 mg/kg, Cu가 최대 29 mg/kg 그리고 Zn이 최대 161 mg/kg으로 측정되었다.

황갈색 철수산화물의 XRD

Table 2에 나타낸 황갈색 철수산화물에 대한 XRD분석 을 실시한 결과, 비정질의 철수산화물, 침철석(goethite,

), 석고(gypsum, _·_) 및 석영이 관찰되 었다(Fig. 9). Table 2에 나타낸 황갈색 철수산화물 19개 시료 모두를 XRD분석했을 때, 침철석에 해당되는 X-선 회절선 중, 2.56Å과 1.50Å의 회절선은 19개 시료 모두 에서 관찰되었다. 19개 시료 중 대표적인 XRD분석 결 과를 Fig. 9에 정리하였다..

석고에 해당되는 X-선 회절선인 7.58Å은 DK1, DK5 및 DK7에서만 관찰되지만 4.27Å, 3.06Å 및 1.81Å은 소택지 시료인 DK1에서 관찰된다. 침철석을 판별할 때 이용되는 4.14Å, 2.69Å, 2.45Å 및 1.72Å의 X-선 회절 선이 갱구로부터 형성된 DK19 시료에서 잘 관찰되었다.

광산배수 중의 Fe 이온은 Fig. 3의 pH-Eh 관계도에서 보듯이 주로 Fe²⁺ 이온이 무기적 및 생물학적으로 산화 되어 Fe³⁺ 이온으로 되고 물과의 가수분해로 철수산화물 및 침철석 등이 생성된다(Lottermoser, 2007). 광산배수 에 의해서 형성되는 철수산화물에서 침철석, 석고, 돌로 마이트, ferrihydrite, feroxhite, jarosite, schwertmannite,

lepidocrocite 등이 잘 형성된다(McCarty et al., 1998, Kim and Chon, 2001).

침철석이 DK19, DK17, DK16 시료에서도 잘 관찰되 었지만 알카리 공급조(DK3)와 산화조(DK2) 및 소택지 (DK1) 시료에서도 관찰되었다. 알카리 공급조인 DK3 시 료에서 석고에 해당되는 X-선 회절선은 관찰되지 않았 다. 석고에 해당되는 X-선 회절선이 소택지인 DK1 시료 에서 가장 뚜렷하게 관찰되었다. 석고가 알카리 공급조 에서 관찰되지 않고 소택지에서 관찰되는 원인은 아마 소택지에서 반응하여 석고를 형성하기 때문으로 해석된 다(Ledin and Pedersen, 1996). 알카리 공급조인 DK3의 광산배수 중에 용해되어 있는 Ca 함량은 455 mg/l, 산화 조인 DK2에서 Ca 함량은 904 mg/l 그리고 소택지인 DK1에서 Ca 함량은 960 mg/l로 측정되었다. Ca 함량이 알카리 공급조에서 보다 산화조와 소택지에서 2배 이상 으로 측정되었다. 이와 같이 알카리 공급조에서 보다 산 화조와 소택지에서 Ca 함량이 높게 측정되는 원인은 알 카리 공급조의 _가 광산배수와 반응하여 산화조와 소택지에 공급되기 때문으로 해석된다(Lottermoser, 2007).

따라서 XRD분석에서 석고가 DK1 시료에서 가장 잘 나 타나는 원인은 많은 함량으로 공급되는 Ca와 광산배수 중의 _^{ }와 반응하여 석고를 형성하기 때문이다. Fig.

10은 DK19 지점의 황갈색 철수산화물에 포함된 석고결 정이다. Fig. 10의 석고결정에 대하여 EDS 면분석을 실 시한 결과 C(46.56 atomic %), O(46.63), S(3.09) 및 Ca(3.72) 등이 검출되었다.

황갈색 철수산화물의 등전위

황갈색 철수산화물에 대한 등전위를 제타전위를 측정하

Fig. 11. Zeta potential for yellow-colored iron hydroxide (DK1; ●, DK2; ○, DK3; ■, DK4; □).

Fig. 12. The variation for the distance vs. As, Cr, Co, Pb, Ni and Zn in the yellow-colored iron hydroxide.

여 결정하였다. 비정질의 철수산화물인 _는 등전위 가 _8.5, 적철석은 _6.7, 침철석은 _7.3(Appelo and Postma, 1993), _7.8(Stumm and Morgan, 1982) 혹은 _9.4(Koretsky, 2000)로 알려져 있다. DK1 시료

의 황갈색 철수산화물에 대한 등전위는 약 _4.6, DK2 는 약 _7.1, DK3은 약 _4.1 그리고 DK4는 약 _

4.4로 측정되었다(Fig. 11). 연구지역 철수산화물의 등전위 가 Appelo and Postma(1993), Stumm and Morgan(1982) 및 Koretsky(2000)의 등전위와 차이가 나는 원인은 본 황갈색 철수산화물이 비정질의 철수산화물, 침철석, 석 고 및 석영 그리고 협막 구조물 등이 혼합된 자연시료이 기 때문이라 생각된다. 철수산화물이 등전위 보다 낮은 pH의 용액에 들어 있게 되면 철수산화물의 표면은 양전 하를 띠게 되고, 반대로 등전위 보다 높은 pH에 철수산 화물이 들어 있게 되면 음전하를 띠게 된다(Koretsky, 2000). 연구지역 광산배수의 pH 범위가 3.02에서 3.57 로 나타나고 있기 때문에 광산배수에 들어 있는 황갈색 철수산화물의 표면은 양전하를 띠게 될 것이다.

거리에 따른 중금속 함량 변화

황갈색 철수산화물에 함유된 중금속 원소 함량 변화를 거리별로 나타낸 결과 대부분의 중금속들이 알카리 공급 조(DK3), 산화조(DK2), 소택지(DK1)에서 높게 나타났