KR101349073B1 - 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용한 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 중금속으로 오염된 토양의 세척장치 - Google Patents

사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용한 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 중금속으로 오염된 토양의 세척장치 Download PDF

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문희선
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한국지질자원연구원
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Abstract

본 발명은 사이드로포어가 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 가용화하거나 사이드로포와 중금속 간의 직접 결합에 의해 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex)를 형성하는 원리에 기초하여 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하여 중금속으로 오염된 토양을 세척하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 배양액에 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 배양시켜 사이드로포어(siderophore)를 생성하는 제 1단계; 상기 배양액으로부터 녹농균을 제거하여 사이드로포어를 함유한 제1 토양 세척액을 얻는 제 2단계; 중금속으로 오염된 토양을 파쇄하는 제 3단계; 상기 파쇄된 토양에 상기 제1 토양 세척액을 혼합하여 토양을 세척하는 제 4단계; 및 상기 제1 토양 세척액이 혼합된 토양으로부터 상기 제1 토양 세척액을 원심분리로 분리하는 제 5단계;를 포함하고, 상기 제 4단계에서, 파쇄된 토양과 제1 토양 세척액이 혼합된 상태에서 사이드로포어는 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키거나, 중금속과의 직접 결합을 통한 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex) 형성을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키는 것을 특징으로 한다.

Description

사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용한 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 중금속으로 오염된 토양의 세척장치{HEAVY METAL-CONTAMINATED SOIL WASHING METHOD USING SOIL WASHING SOLUTION INCLUDING SIDEROPHORE AND HEAVY METAL-CONTAMINATED SOIL WASHING DEVICE}
본 발명은 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용한 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 중금속으로 오염된 토양 세척장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사이드로포어가 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 가용화하거나 사이드로포와 중금속 간의 직접 결합에 의해 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex)를 형성하는 원리에 기초하여, 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하여 중금속으로 오염된 토양을 세척하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 토양환경에 대한 관심이 전 세계적으로 고조되고 있으며, 그에 따라 국내에서도 대규모 토양오염정화사업이 진행되면서 기술력과 경험이 축적되고 있다.
이와 관련해, 1996년에 토양환경보전법이 발효되고 20년 가까이 경과한 현 시점에서 중금속 오염 토양의 처리보다는 냄새 및 육안으로 오염상황을 비교적 쉽게 확인할 수 있는 유류 오염 토양의 처리에 관심이 기울여지고 있는 것이 사실이다.
하지만, 중금속 오양 토양은 유류 오염 토양에 비해 보다 광범위하게 장기간에 걸쳐 인류의 건강을 위협할 수 있는데, 우리나라의 경우에는 전국에 산재해 있는 휴폐광산 주변의 농경지가 중금속에 심각하게 오염되어 있으며, 산업단지의 중금속 오염도 심각하기 때문에 중금속 오염 토양 처리에 대한 대책이 시급한 상황이다.
상기와 같이 토양 오염을 일으키는 주범인 중금속 중에서, 인류 건강을 위협하는 275가지 대표 유해한 물질 중 가장 유해한 물질 10가지에 꼽히는 비소(arsenic)는 수자원 등에 오염물질로 존재하여 인체에 해로운 영향을 미치는 독성을 지닌 준금속(metalloid)의 원소로 알려져 있다. 비소에 의한 오염은 인간의 활동에 의해서 초래되거나, 다양한 자연적인 원인으로 발생할 수 있다.
비소와 화합물을 이루어 비소의 거동에 영향을 미치는 광물 종들은 주로 알루미늄, 망간, 철산화물 등이며, 그 중에서 철산화물은 비소의 거동에 가장 큰 영향을 미친다고 알려져 있다.
철산화물은 반응성이 좋고, 단위질량 또는 단위부피당 전체 표면적인 비표면적이 크므로, 비소와 같은 무기 오염물질과 더불어 다양한 유기 오염물질들과도 효과적으로 반응한다. 따라서 흡착제(sorbent)로서의 산업적인 활용성으로 크게 주목 받아 오고 있다.
비소는 무기 및 유기 화합물의 다양한 형태로 토양에 존재하고, 가장 많이 존재하는 형태로는 FeAsO4, Fe3(AsO4)2 등 철-비소 화합물로서 가장 흔한 광물상태의 비소로 알려져 있다.
비소가 철산화물과 결합하게 되면, 불용성형태로 자연계에 존재하게 되는데, 이러한 비소를 제거하기 위하여, 종래에는 강산을 사용하였다. 그러나 강산을 사용하게 되면, 경제적인 문제점이 발생하는데, 이는 토양 세척방법의 경우 대규모로 이루어지고, 강산을 사용한 뒤에 산성을 억제하기 위한 후처리에 투입되는 비용이 강산의 사용량과 비례하여 발생하므로 바람직하지 않다.
비소로 오염된 토양을 세척하기 위하여 강산 처리 시, 발생할 수 있는 또 다른 문제점은 비소의 제거효율에 관한 것으로, 강산을 사용할 경우, pH가 낮은 상태이므로 용출된 비소 이온이 용해되지 않고 잔류하는 철산화물 광물 또는 산화망간 광물에 다시 흡착되는 문제가 발생하게 된다.
등록특허공보 제10-1026753호는 비소오염토양 복원방법에 관한 것으로, 비소로 오염된 토양을 수집하는 수집단계, 산성이며 토양에 환원조건을 제공하는 세척액에 토양을 투입하여 토양으로부터 비소를 제거하여 세척액으로 이동시키는 세척단계, 세척단계 후 토양과 세척액을 상호 분리하는 고액분리단계 및 고액분리단계에서 분리된 세척액으로부터 비소를 제거하고, 토양을 복원에 사용하는 후처리단계를 포함하여 비소로 오염된 토양을 세척하는 방법에 대하여 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 기술에서는 세척액에 환원제를 혼합하여 비소이온이 철산화물 광물 또는 산화망간 광물에 다시 흡착되지는 않지만, 세척액으로 염산수용액 또는 질산수용액을 사용하므로 대규모의 강산을 사용하여 산성을 억제하기 위한 후처리비용이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 녹농균을 배양해 얻어진 사이드로포어(siderophore) 함유 토양 세척액을 비소(arsenic) 등의 중금속으로 오염된 토양에 혼합하여, 사이드로포어가 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 가용화하거나 사이드로포와 중금속 간의 직접 결합에 의해 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex)를 형성시킨 후 중금속이 용해된 토양 세척액을 토양으로부터 분리하는, 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하여 중금속으로 오염된 토양을 세척하는 방법 및 장치의 제공을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본원 발명은 배양액에 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 배양시켜 사이드로포어(siderophore)를 생성하는 제 1단계; 상기 배양액으로부터 녹농균을 제거하여 사이드로포어를 함유한 제1 토양 세척액을 얻는 제 2단계; 중금속으로 오염된 토양을 파쇄하는 제 3단계; 상기 파쇄된 토양에 상기 제1 토양 세척액을 혼합하여 토양을 세척하는 제 4단계; 및 상기 제1 토양 세척액이 혼합된 토양으로부터 상기 제1 토양 세척액을 원심분리로 분리하는 제 5단계;를 포함하고, 상기 제 4단계에서, 파쇄된 토양과 제1 토양 세척액이 혼합된 상태에서 사이드로포어는 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키거나, 중금속과의 직접 결합을 통한 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex) 형성을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 상기 중금속은 비소(As), 구리(Cu), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 수은(Hg)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 상기 중금속은 비소(As)이고, 상기 중금속 포함 불용성 화합물은 FeAsO4 또는 Fe3(AsO4)2이며, 상기 사이드로포어-중금속 착체는 사이드로포어-비소 착체인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 상기 배양 배지는 숙신산(succinic acid), (NH2)2SO4, KH2PO4, K2HPO4 및 MgSO4·7H2O를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 상기 제1 단계에서 배양은 숙신산(succinic acid), (NH2)2SO4, KH2PO4, K2HPO4 및 MgSO4·7H2O를 포함하는 철 결핍환경 배지에서 pH가 6 내지 8 및 온도가 30℃ 내지 35℃인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 제 3단계 이후, 파쇄된 토양 내 이물질을 선별하여 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 상기 제4 단계에서 제1 토양 세척액을 이용한 토양 세척은 상온에서 수행되는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 상기 제 5단계 이후, 제1 토양 세척액이 분리되어 제거된 토양을 제2 토양 세척액으로 린싱(rinsing)하는 단계 및 상기 제2 토양 세척액을 토양으로부터 분리하여 정화된 토양을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 제안한다.
또한, 상기 제2 토양 세척액은 물(H2O) 또는 황산 암모늄(ammonium sulfate, (NH4)2SO4)인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법을 한다.
그리고, 본원 발명은 배양액에 녹농균을 배양시키는 배양장치; 중금속으로 오염된 토양을 파쇄하는 파쇄장치; 파쇄된 토양에 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액을 혼합하는 혼합장치; 및 상기 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액이 혼합된 토양으로부터 상기 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액을 원심분리로 분리하는 분리장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척장치를 제안한다.
또한, 상기 제1 토양 세척액은 녹농균이 제거된 사이드로포어 함유 토양 세척액이고, 상기 제2 토양 세척액은 물(H2O) 또는 황산 암모늄(ammonium sulfate, (NH4)2SO4)인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척장치를 제안한다.
또한, 파쇄된 토양 내 이물질을 선별하여 분리하는 선별장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척장치를 제안한다.
본 발명에 따른 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 세척장치는, 녹농균을 배양해 얻어진 사이드로포어 함유 토양 세척액을 비소(arsenic) 등의 중금속으로 오염된 토양에 혼합하여, 사이드로포어가 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 가용화하거나 사이드로포어와 중금속 간의 직접 결합에 의해 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex)를 형성시킨 후 중금속이 용해된 토양 세척액을 토양으로부터 분리함으로써, 기존의 중금속 오염 토양 세척방법에 비해 현저히 향상된 중금속 세척효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 세척장치에 따르면, 비소 등의 중금속으로 오염된 토양을 세척하기 위하여 강산을 사용하지 않아 후처리비용이 발생하지 않고, 친환경적으로 비소로 오염된 토양을 세척할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 세척장치에 따르면, 비소 등으로 오염된 토양을 세척하기 위하여 강산을 사용하지 않아 용출된 비소 등의 중금속이 잔류하는 철산화물 광물, 산화망간 광물 등에 다시 흡착되지 않는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양의 세척방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양 세척장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 녹농균의 증가에 의한 사이드로포어의 생산정도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에서 시간에 따른 사이드로포어에 의한 철의 용출량을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 1에서 시간에 따른 사이드로포어에 의한 비소의 용출량을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예 2에서 시간에 따른 사이드로포어 함유 배양액과 추출된 단일 사이드로포어액에서의 사이드로포어의 유지량(%)을 CAS 액체분석으로 측정한 결과로 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양 세척방법의 흐름도이다.
본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양을 세척하는 토양의 세척방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저, 배양액에 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 배양시켜 사이드로포어(siderophore)를 생성한다(S10).
상기 중금속은 토양 오염을 유발하는 중금속이라면 그 종류가 특별히 제한되지 않으며, 비소(As), 구리(Cu), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 수은(Hg) 등을 그 구체적인 예로 들 수 있다.
상기 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)은 슈도모나스(Pseudomonas)과에 속하는 무산소성 그람음성간균으로서, 사이드로포어(siderophore)라는 소분자 물질을 생산한다. 사이드로포어는 철과 결합하여 착체(complex)를 형성하고, 상기 착체는 녹농균에 의해 흡수되어 녹농균은 부족한 철을 흡수하게 된다.
상기 배양액은 숙신산(succinic acid), (NH2)2SO4, KH2PO4, K2HPO4 및 MgSO4·7H2O를 포함할 수 있고, 배양은 철(iron) 결핍환경, 즉, 녹농균의 원활한 배양에 철이 부족한 환경일 수 있으며, pH가 6 내지 8 및 온도는 30℃ 내지 35℃로 유지될 수 있다.
그러므로, 녹농균은 배양액 내의 철 결핍환경에서 철을 흡수하기 위하여, 수용성 저분자의, 철이온-특이 결합(ferric ion-chelating) 화합물이며 일반적으로 펩타이드 사슬로 연결된 황록색의 형광 크로모포어(fluorescent chromophore)인 사이드로포어를 생산한다. 따라서 상기와 같은 녹농균을 배양하는 배양액에는 사이드로포어가 함유될 수 있다.
상기 배양 단계를 수행한 후에, 배양액으로부터 녹농균을 분리해 제거함으로써 사이드로포어가 함유 토양 세척액인 제1 토양 세척액을 얻는다(S20). 본 단계를 통해 배양액으로부터 미생물 생체인 녹농균을 제거할 경우, 추가적인 불순물이 발생되지 않아 추후에 토양과 제1 토양 세척액을 분리함에 있어서 효과적일 수 있다.
그 뒤, 중금속으로 오염된 토양을 파쇄한다(S30). 본 단계를 통해 입자가 큰 토양을 파쇄하여 토양의 취급을 용이하게 할 수 있다. 한편, 상기 중금속으로 오염된 토양 내에서 중금속은 순금속 또는 중금속 포함 불용성 화합물 등의 형태로 존재할 수 있다. 이때, 중금속이 비소인 경우 상기 중금속 포함 불용성 화합물은 FeAsO4 또는 Fe3(AsO4)2 등일 수 있다.
본 단계를 수행한 후에 파쇄된 토양 내 이물질을 선별하여 분리하는 과정이 필요에 따라 추가적으로 수행될 수 있다. 이물질은 나무, 금속 등이 포함될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 파쇄된 토양에 제1 토양 세척액을 혼합하여 토양을 세척한다(S40).
본 단계를 통해 파쇄된 토양과 제1 토양 세척액이 혼합된 상태에서 제1 토양 세척액 내의 사이드로포어는 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키거나, 중금속과의 직접 결합을 통한 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex) 형성을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키는 역할을 수행한다.
상기 중금속이 비소인 경우를 예로 들면, 본 단계에서 사이드로포어는 비소 포함 불용성 화합물(FeAsO4 Fe3(AsO4)2 등)과 반응하여 비소 포함 이온(H2AsO3 -, HAsO4 2 - 등)을 형성시키거나, 상기 비소 포함 이온과 직접 결합하여 가용성 사이드로포어-비소 착체(complex)를 형성시키고, 이렇게 얻어지는 비소 포함 이온 또는 사이드로포어-비소 착체 등의 가용성 비소는 제1 토양 세척액에 용해된다.
본 단계는 상온(25)에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 사이드로포어가 토양 내의 중금속을 이온 또는 착체 형태의 가용성 중금속으로 변형시키는 반응이 평형에 이르기까지 소요되는 시간, 반응 평형 상태에서의 가용성 중금속의 수득률 등을 고려하여 본 단계 수행을 위한 최적의 온도 조건을 적절히 선택할 수 있다.
본 단계를 통해 중금속은 상기와 같이 제1 토양 세척액 내에 용해된 상태가 된 후, 후술할 분리단계(S50)에서 토양으로부터 제1 토양 세척액과 함께 분리된다.
다음으로, 제1 토양 세척액이 혼합된 토양으로부터 상기 제1 토양 세척액을 원심분리로 분리한다(S50). 이때, 분리 후 나오는 폐액은 오염물질인 중금속을 함유하고 있으므로 외부로 배출하거나 재사용 시, 금속침전, 응집, 생물학적 처리, 활성탄 흡착, 막분리 등의 방법으로 비소를 제거할 수 있다.
상기 분리단계를 완료한 후에, 제1 토양 세척액이 분리되어 제거된 토양을 물(H2O) 또는 황산 암모늄(ammonium sulfate, (NH4)2SO4) 수용액 등의 제2 토양 세척액으로 린싱(rinsing)하는 단계 및 상기 제2 토양 세척액을 토양으로부터 분리하여 정화된 토양을 얻는 단계를 필요에 따라 추가로 수행할 수 있다.
상기 추가 세척 공정시, 토양과 세척액의 접촉효율을 높여주는 임펠러(impeller), 저주파 진동장치를 사용할 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양을 세척하는 토양 세척장치의 블록도이다.
본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양을 세척하는 토양 세척장치는 전술한 본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양의 세척방법에 사용될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 배양장치(100), 파쇄장치(200), 혼합장치(300) 및 분리장치(400)를 포함할 수 있다.
배양장치(100)는 배양액에 녹농균을 배양시킬 수 있다. 이때, 배양액은 숙신산, (NH2)2SO4, KH2PO4, K2HPO4 및 MgSO4·7H2O를 포함할 수 있고, 배양은 철(iron) 결핍환경, 즉, 녹농균의 원활한 배양에 철이 부족한 환경일 수 있으며, pH가 6 내지 8 및 온도는 30℃ 내지 35℃로 유지될 수 있다.
배양액은 녹농균이 생산한 사이드로포어를 함유할 수 있다.
파쇄장치(200)는 중금속으로 오염된 토양을 파쇄할 수 있다. 여기서, 상기 중금속으로 오염된 토양 내에 중금속은 순금속 또는 중금속 포함 불용성 화합물 등의 형태로 존재하는데, 중금속이 비소인 경우 상기 중금속 포함 불용성 화합물은 FeAsO4 또는 Fe3(AsO4)2 등일 수 있다.
혼합장치(300)에서는 파쇄된 토양에 전술한 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액을 혼합할 수 있다. 이때, 상기 제1 토양 세척액은 녹농균이 제거된 사이드로포어 함유 토양 세척액일 수 있으며, 상기 제2 토양 세척액은 물(H2O) 또는 황산 암모늄(ammonium sulfate, (NH4)2SO4) 수용액 등일 수 있다.
분리장치(400)는 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액이 혼합된 토양으로부터 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액을 원심분리로 분리할 수 있다. 원심분리로 분리 시에 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액의 분리만을 유도하기 위하여 망 또는 막(membrane)을 사용할 수 있고, 또는 망과 막을 동시에 사용할 수도 있다.
상술한 토양 세척장치를 이용할 경우, 배양장치(100)에서 배양된 배양액으로부터 녹농균을 제거하여 얻어진 사이드로포어 함유 제1 토양 세척액과, 파쇄장치(200)에 의해 파쇄된 중금속으로 오염된 토양이 혼합장치(300)에 의해 혼합되고, 분리장치(400)를 이용해 토양으로부터 제1 토양 세척액이 원심분리로 분리될 수 있다. 이로써, 파쇄된 토양에 포함되어 있는 불용성 중금속은 제1 토양 세척액에 포함된 사이드로포어에 의해 가용성 중금속으로 변형되어 제1 토양 세척액에 용해된 후 분리장치에 의해 제1 토양 세척액과 함께 토양으로부터 분리될 수 있다.
나아가, 필요에 따라 상기 토양 세척장치를 이용하여 혼합장치(300)에서 상기 제1 토양 세척액이 분리되어 제거된 토양을 제2 토양 세척액과 혼합하여 린싱(rinsing)하고, 분리장치(400)를 이용해 상기 제2 토양 세척액을 토양으로부터 분리하여 정화된 토양을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 중금속으로 오염된 토양을 세척하는 토양 세척장치는 파쇄된 토양 내 이물질을 선별하여 분리하는 선별장치를 더 포함할 수 있다. 여기서, 선별장치는 파쇄된 토양에 토양 세척액이 혼합되기 전에 토양 내 이물질을 선별하여 분리할 수 있고, 파쇄된 토양 내 이물질은 나무 및 금속일 수 있으며, 자세하게는 파쇄된 토양 중에서 세척 처리가 불필요하고 입자의 크기가 큰 토양이나 나무, 금속 등 이물질을 선별하여 분리할 수 있도록 그리즐리 덱(grizzly deck), 회전스크린, 셰이커(shaker), 진동장치, 호상체(sieve bend), 트로멜(Trommel) 등에서 일부의 조합을 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 세척장치는, 녹농균을 배양해 얻어진 사이드로포어 함유 토양 세척액을 비소(arsenic) 등의 중금속으로 오염된 토양에 혼합하여, 사이드로포어가 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 가용화하거나 사이드로포어와 중금속 간의 직접 결합에 의해 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex)를 형성시킨 후 중금속이 용해된 토양 세척액을 토양으로부터 분리함으로써, 기존의 중금속 오염 토양 세척방법에 비해 현저히 향상된 중금속 세척효과를 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 세척장치에 따르면, 비소 등의 중금속으로 오염된 토양을 세척하기 위하여 강산을 사용하지 않아 후처리비용이 발생하지 않고, 친환경적으로 비소로 오염된 토양을 세척할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 사이드로포어 함유 토양 세척액을 이용하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법 및 세척장치에 따르면, 비소 등으로 오염된 토양을 세척하기 위하여 강산을 사용하지 않아 용출된 비소 등의 중금속이 잔류하는 철산화물 광물, 산화망간 광물 등에 다시 흡착되지 않는 이점이 있다.
다음은 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
본 발명의 실시예에서는 녹농균의 배양에 따른 사이드로포어의 생성량을 측정하였다.
녹농균은 생물자원센터(Korean Collection for Type Culture, KCTC)의 균주번호가 KCTC 1637호이고, 배양조건이 37℃, 105번 배지(Nutrient Agar with 0.5% NaCl)인 녹농균을 사용하였다.
본 발명에 따른 사이드로포어를 녹농균으로부터 생산하기 위하여 배양을 실시하였으며, 배양액은 숙신산 4.0(g/L), (NH2)2SO4 1.0(g/L), KH2PO4, 3.0(g/L), K2HPO4 0.1(g/L) 및 MgSO4·7H2O 0.2(g/L)으로 준비되었고, pH 7, 37℃의 조건에서 배양되었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 녹농균의 증가에 의한 사이드로포어의 생산정도를 나타내는 그래프이다.
도 3에서 흡광도는 600nm에서의 흡광도를 시간에 따라 측정한 결과이며, 사이드로포어 생산(%)은 녹농균을 접종하지 않은 레퍼런스(reference) 배양액의 높이(A)와 본 발명의 실시예에 의한 배양액에서 불용성 성분을 제외한 상층액의 높이(B)를 시간(hour)에 따라 ((A-B)/A)100로 나타낸 식으로 계산한 결과 값이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 시간이 흐름에 따라 흡광도가 높아지는 것을 알 수 있는데, 미생물 생장이 원활하게 이루어지는 것을 간접계수 방법으로 알 수 있다. 또한, 시간에 흐름에 따라 사이드로포어가 생성되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 사이드로포어와 흡광도가 비례하여 증가하는 것에 기초하여 사이드로포어의 생성이 미생물이 생장함에 따라 원활하게 이루어지는 것을 알 수 있다.
<실험예 1>
본 발명의 실험예 1에서는 임의의 샘플을 대상으로, 배양액에 함유된 사이드로포어와 추출된 사이드로포어가 시간에 따라 철과 복합체를 이루는 정도를 사이드로포어와 철의 복합체를 분리하여 용출된 철의 양을 각각 측정함으로써 알아보았다.
도 4는 본 발명의 실험예 1에서 시간에 따른 추출된 사이드로포어에 의한 철의 용출량을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실험예 1에서 시간에 따른 사이드로포어에 의한 비소의 용출량을 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 2일 내지 6일까지 철의 용출량이 급격히 증가하였고, 이 후에는 일정하게 유지되는 것을 알 수 있는데, 특히, 사이드로포어 함유 배양액이 단일 추출된 사이드로포어만을 사용했을 경우보다 용출되는 철이 더 많은 것을 알 수 있다.
따라서 사이드로포어를 함유한 배양액을 사용하여 사이드로포어와 철의 복합체를 형성하도록 유도하는 것이 추출된 사이드로포어만을 사용하여 사이드로포어와 철의 복합체를 형성하도록 유도하는 것보다 복합체 생성의 효과가 더 큰 것을 알 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 1일째에 비소의 용출량이 급격히 증가하고, 2일째는 감소하다가 이후에는 일정량을 유지하는 흐름을 보인다.
비소의 용출 농도 역시, 사이드로포어 함유 배양액을 사용하여 가용성 비소인 사이드로포어와 비소의 복합체를 형성하도록 유도하는 것이 추출된 사이드로포어만을 사용하여 사이드로포어와 비소의 복합체를 형성하도록 유도하는 것보다 복합체 생성의 효과가 더 큰 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 배양액을 비소로 오염된 토양을 세척하기 위해 사용하여 사이드로포어 추출액만을 사용할 때보다 효과적으로 비소를 제거할 수 있는 이점이 있다.
<실험예 2>
본 발명의 실험예 2에서는 배양액과 사이드로포어 추출액의 사이드로포어 유지량을 시간에 따라 비교하였다.
도 6은 본 발명의 실험예 2에서 시간에 따른 사이드로포어 함유 배양액과 사이드로포어 단일 추출액의 사이드로포어 유지량(%)을 CAS 액체분석으로 측정한 결과 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 초기 2일은 배양액에 함유된 사이드로포어와 배양액으로부터 추출된 사이드로포어의 사이드로포어 유지량(%) 차이가 미미하나, 2일 후부터 차이가 급격히 벌어져서 사이드로포어 단일 추출액의 사이드로포어 유지량은 59%까지 떨어지지만, 배양액에 함유된 사이드로포어는 80% 정도로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면, 사이드로포어 함유 배양액을 비소로 오염된 토양에 사용하여 수 일이 지나도록 사이드로포어의 유지량을 높은 비율로 유지시킴으로써, 토양 내에 존재하는 비소를 효율적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 배양장치 200: 파쇄장치
300: 혼합장치 400: 분리장치

Claims (12)

  1. 배양액에 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)을 배양시켜 사이드로포어(siderophore)를 생성하는 제 1단계;
    상기 배양액으로부터 녹농균을 제거하여 사이드로포어를 함유한 제1 토양 세척액을 얻는 제 2단계;
    중금속으로 오염된 토양을 파쇄하는 제 3단계;
    상기 파쇄된 토양에 상기 제1 토양 세척액을 혼합하여 토양을 세척하는 제 4단계; 및
    상기 제1 토양 세척액이 혼합된 토양으로부터 상기 제1 토양 세척액을 원심분리로 분리하는 제 5단계;를 포함하고,
    상기 제 4단계에서,
    파쇄된 토양과 제1 토양 세척액이 혼합된 상태에서 사이드로포어는 중금속 포함 불용성 화합물과의 반응을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키거나, 중금속과의 직접 결합을 통한 가용성 사이드로포어-중금속 착체(complex) 형성을 통해 중금속을 제1 토양 세척액에 용해시키는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중금속은 비소(As), 구리(Cu), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 수은(Hg)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 중금속은 비소(As)이고, 상기 중금속 포함 불용성 화합물은 FeAsO4 또는 Fe3(AsO4)2이며, 상기 사이드로포어-중금속 착체는 사이드로포어-비소 착체인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 배양액은 숙신산(succinic acid), (NH2)2SO4, KH2PO4, K2HPO4 및 MgSO4·7H2O를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 배양은 철 결핍환경에서 pH가 6 내지 8 및 온도가 30℃ 내지 35℃인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    제 3단계 이후, 파쇄된 토양 내 이물질을 선별하여 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 제1 토양 세척액을 이용한 토양 세척은 상온에서 수행되는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 5단계 이후, 제1 토양 세척액이 분리되어 제거된 토양을 제2 토양 세척액으로 린싱(rinsing)하는 단계 및 상기 제2 토양 세척액을 토양으로부터 분리하여 정화된 토양을 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2 토양 세척액은 물(H2O) 또는 황산 암모늄(ammonium sulfate, (NH4)2SO4)인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척방법.
  10. 배양액에 녹농균을 배양시키는 배양장치;
    중금속으로 오염된 토양을 파쇄하는 파쇄장치;
    파쇄된 토양에 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액을 혼합하는 혼합장치;
    상기 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액이 혼합된 토양으로부터 상기 제1 토양 세척액 또는 제2 토양 세척액을 원심분리로 분리하는 분리장치; 및
    파쇄된 토양 내 이물질을 선별하여 분리하는 선별장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 토양 세척액은 녹농균이 제거된 사이드로포어 함유 토양 세척액이고, 상기 제2 토양 세척액은 물(H2O) 또는 황산 암모늄(ammonium sulfate, (NH4)2SO4)인 것을 특징으로 하는 중금속으로 오염된 토양의 세척장치.
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