KR101401073B1

KR101401073B1 - 외부 탄소원을 이용한 화약물질의 생물학적 분해방법

Info

Publication number: KR101401073B1
Application number: KR1020130032479A
Authority: KR
Inventors: 배범한; 이종열; 남경필
Original assignee: 가천대학교 산학협력단; 서울대학교산학협력단; 아름다운 환경건설(주)
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-06-27

Abstract

본 발명은 외부 탄소원을 이용한 화약물질 분해방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부 탄소원으로서 글루코오스, 아세테이트 및 전분으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 정화하고자 하는 오염된 토양, 물 또는 퇴적토 등에 주입하여 토착 미생물의 활성을 증가시키고, 활성화된 토착 미생물이 화약물질을 분해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화약물질 분해방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 따르면, 토양 내 존재하는 토착 미생물을 활성화시킴으로써 활성화된 미생물의 화약물질 분해를 촉진할 뿐 아니라 독성이 유발되지 않으므로, 토양, 물 또는 퇴적토 등에 외부 탄소원을 주입함으로써 화약물질을 효과적으로 분해할 수 있다.

Description

외부 탄소원을 이용한 화약물질의 생물학적 분해방법{BIOLOGICAL DEGRADATION METHOD OF EXPLOSIVE COMPOUNDS USING EXTERNAL CARBON SOURCE}

본 발명은 외부 탄소원을 이용한 화약물질 분해방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부 탄소원으로서 글루코오스, 아세테이트 및 전분으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 정화하고자 하는 오염된 토양, 물, 퇴적토 등에 주입하여 토착 미생물의 활성을 증가시키고, 활성화된 토착 미생물이 화약물질을 분해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화약물질 분해방법에 관한 것이다.

군 사격장, 화약물질 생산 공장, 혹은 탄약저장소 등과 같은 화약물질 관련 시설 주변의 토양, 지하수, 퇴적토 및 수계 등은 화약물질로 오염되어 있으며, 대표적인 화약물질로는 TNT(2,4,6-Trinitrotoluene), RDX(Royal Demolition eXplosive, Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine) 및 HMX(High Melting Explosive, Octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine) 등을 들 수 있다(도 1 참조).

이러한 화약물질은 고도로 산화된 물질로 구조적으로 난분해성 물질일 뿐 아니라, 독성이 강하여 자연계로 방출될 경우 인간 및 생태계에 악영향을 준다. 화약물질이 인체에 섭취될 경우 발암, 신경장애, 조혈기능장애, 소화기능 저하 등과 같은 악영향을 주고, 토양 및 수중 미생물, 무척추동물 및 식물과 동물을 포함하는 모든 생태계에도 심각한 피해를 줄 수 있고(ATSDR, RDX Fact Sheet, 1996), 이 중 TNT와 RDX는 미국 환경보호청(EPA)에서 C급 발암물질로 규정하고 있으며, 특히 RDX는 Kow 값이 낮아 토양이 오염될 경우 하천과 지하수로 쉽게 이동하는 특성이 있다.

화약물질은 고도로 산화된 물질로, 그 구조적 난분해성으로 인해 환경으로 배출되면 토양, 수계 및 퇴적토에서 오래 잔류하며 지속적으로 주변 환경에 악영향을 준다. 이는 자연계에 존재하는 분해자(미생물)에 의하여 환원되거나 산화될 수도 있으나, 대부분의 미생물이 화약물질을 에너지원으로 사용할 수 없어 화약물질의 생물학적 분해속도는 매우 느리다(McCormick et al., Appl . Environ . Microbiol., 42, 817-823(1981)). 화약물질의 초기분해에 필요한 니트로리덕테이즈(nitroreductase)는 모든 미생물에 내재하고 있으므로, 미생물이 화약물질을 분해하는데 필요한 에너지를 별도로 공급하면 화약물질을 여분의 에너지로 분해하는 공대사(Cometabolism)가 일어난다(Esteve-Nunez et al., Microbiology and Molecular Biology Reviews, 65(3), 335-352(2001)).

Coleman 등(oil Biology and Biochemistry, 30(8-9), 1159-1167(1998))은 화약물질 오염토양에서 RDX를 질소원으로 사용하는 로도코커스(Rhodococcus) 속 세포주 DN22를 분리한 다음 최소배지에 배양하면서, 질소원(NH₄ ⁺)을 주입하면 RDX 가 감소하였고, 귀리왕겨를 첨가하면 미생물 성장이 증가되고 21일내 RDX 90%가 제거되었다. Adriana 등(Water Research, 37, 3499-3507(2003))은 메탄 발효 혼합균주를 이용한 3종 화약물질(TNT, RDX 및 HMX) 분해 실험에서, 기본배지에 에탄올, 프로필렌 글리콜(PG), 부틸산 혹은 수소가스를 첨가하며 화약물질 분해도를 조사하였다. 그 결과, 배양 29일 후 미첨가군에서는 화약물질 분해가 전혀 일어나지 않았으나, 외부 탄소원 첨가군에서는 TNT와 RDX는 완전히 제거되었고, HMX는 에탄올 첨가군에서 53%, 수소첨가군에서 40% 및 PG 첨가군에서 22%가 제거되었다.

또한, Davis 등(Journal of Hazardous Materials, B112, 45-54(2004))은 토양 내 생물학적 활성화지역(BAZE, biologically active zone enhancement)을 모사한 칼럼실험을 수행하면서, 전자공여체(탄소원)가 RDX 제거에 미치는 영향을 연구하였다. 전자공여체로는 초산, 에탄올, 용해성 전분 및 초산+암모니아를 사용하였다. 그 결과, 초산을 첨가할 경우 대조군에 비해 RDX 제거속도가 4.6~5.3배 증가하였지만, 암모니아를 첨가한 경우에는 RDX 분해에 영향을 미치지 않았다. 용해성 전분을 첨가한 경우에는 RDX 제거율이 증가되었으나, 마이크로톡스(MicroTox)로 측정한 발광미생물 급성 독성값이 증가하여 RDX 분해물질의 독성이 증가한다고 보고하였다.

또한, Fuller 등(Soil and Sediment Contamination : An International Journal, 14(4), 373-385(2005))은 이탄을 외부 첨가물질로 사용한 실험을 실시하였다. 현장조건을 모사한 토양충진 칼럼 실험에서 표토에 화약물질(TNT, RDX 및 HMX)을 살포하고 강수를 모사하여 물을 살포한 결과, 이탄(peat moss)과 콩기름을 첨가한 칼럼에서는 화약물질 제거율이 대조군에 비하여 우수하였으나, 이탄만을 첨가한 칼럼에서는 TNT와 HMX제거는 우수하였지만, 칼럼 유출수에서 RDX 농도가 증가하였다. 미국 DoD에서는 RDX와 HMX 오염 지하수를 처리하기 위해 Mulch로 충진한 생물벽체공법을 개발한 바 있다(U.S. DoD, 2008).

한편, 화약물질 제거를 위해 외부에서 화학물질을 공급하는 것이 항상 긍정적 효과를 주지는 않는다. Thompson 등(Applied and Environmental Microbiology, 71(12), 8265-8272(2005))은 RDX를 탄소 및 질소원으로 사용해 완전히 분해할 수 있는 두 종의 미생물 윌리암시아(Williamsia) 속 KTR4 및 고르도니아(Gordonia) 속 KTR9를 분리하였는데, 외부에서 질소를 (NH₄)₂SO₄로 공급하면 KTR9 미생물의 RDX 분해능은 저해를 받았으나, KTR4 미생물에는 영향을 주지 않았다. Ringelberg 등(ERDC/CRREL TR-05-5(2005))은 화약물질로 오염된 불포화토양에 용매로서 아세토니트릴을 첨가하면 토착미생물의 성장을 저해하여 RDX의 생물학적 분해에 악영향을 준다고 하였다.

이상에서와 같이 화약물질로 오염된 토양, 지하수 및 수질을 복원하기 위해 화약물질을 분해하는 미생물을 적용하는 생물학적 정화공법(biodegradation)이 다양하게 연구되었다. 이론적인 연구에 의하면 화약물질을 탄소원 혹은 질소원으로 사용할 수 있는 미생물이 존재한다. 그러나 실험실과 같은 이상적 환경을 구현할 수 없는 현장조건으로 인하여, 외부 탄소원 혹은 질소원 첨가로 토착미생물 활성을 증진시켜 화약물질을 분해하는 방법이 공통적으로 연구/적용되고 있다. 그러나 이 때 화약물질 분해산물로 인한 독성이 증가하지 않아야 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 사격장 인근에서 화약물질로 오염된 물, 토양 또는 퇴적토를 원위치(in-situ)에서 미생물의 공대사를 활용하여 신속히 제거하기 위해 가장 적절한 에너지원을 선정하고, 분해산물로 인한 처리 매질의 독성이 증가하지 않는 최적조건(주입비율)을 이용하여 화약물질을 분해하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 외부 탄소원으로서 글루코오스, 아세테이트 및 전분으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 정화하고자 하는 오염된 토양, 물, 퇴적토 등에 주입하여 토착 미생물의 활성을 증가시키고, 활성화된 토착 미생물이 화약물질을 분해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화약물질 분해방법을 제공한다.

본 발명에 따라 외부 탄소원으로서 글루코오스, 아세테이트 및/또는 전분, 바람직하게는 전분을 오염된 토양에 주입하면, 토양 내 존재하는 토착 미생물을 활성화시킴으로써 활성화된 미생물의 화약물질 분해를 촉진할 수 있다. 또한 상기 외부 탄소원이 전분이고 화약물질이 TNT인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 1.0 이하로 하고, 상기 외부 탄소원이 전분이고 화약물질이 RDX인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 0.01 이상으로 하는 경우에는 분해 처리물의 독성이 증가되지 않으므로, 토양, 물, 퇴적토 등에 외부 탄소원을 주입함으로써 화약물질을 효과적으로 분해할 수 있다.

도 1은 대표적 화약물질의 화학구조이다.
도 2는 탄소원별 슬러리 반응조 액상 내 TNT 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험 경과 일주일 후, 탄소원별 토양 내 TNT 잔류 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 전분/TNT 오염토양 비율 변화에 따른 액상 내 TNT 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험 경과 일주일 후 토양 내에 잔류한 TNT 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험 일주일 경과 후, TNT 슬러리 반응조 상징액에 대한 급성 독성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 전분/토양(S/S) 비율에 따른 슬러리 반응조 액상 내 RDX 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 S/S 비율이 각각 0.01, 0.1 및 0.2인 반응조 내 액상 시료의 RDX 분석 크로마토그램(t=5일)이다.
도 9는 S/S 비율에 따른 RDX와 환원산물의 시간별 농도변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실험 경과 13일 후, 전분 농도구배에 따른 토양 내 RDX와 이의 환원산물 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실험 경과 13일 후, 전분량에 따른 토양 내 RDX 농도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 슬러리 반응조 운전 13일 경과 후 반응조 내 물질 수지(고상 및 액상 내 RDX만 고려)를 산정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 슬러리 반응조 운전 13일 경과 후 전분/토양 비율 변화에 따른 반응조 상징액에 대한 미생물 발광저해도를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 또한, 이하 본 발명에서 기재된 "비율"은 "중량비"를 의미한다.

본 발명은 외부 탄소원을 화약물질로 오염된 토양, 물, 퇴적토 등에 주입하여, 화약물질을 분해하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 상기 외부 탄소원으로서, 가격이 저렴하고, 쉽게 구할 수 있으며, 보관이 쉽고, 화약물질 분해에 효과적일 뿐 아니라 2차오염이 없는 글루코오스, 아세테이트 및 전분을 사용하며, 이 중, 분해효율이 가장 우수한 전분을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 화약물질로는 니트로기를 포함하는 화약물질을 들 수 있으며, 바람직하게는 TNT(2,4,6-Trinitrotoluene), RDX(Royal Demolition eXplosive, Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine) 및 HMX(High Melting Explosive, Octahydro-1,3,5,7-tetranitro- 1,3,5,7-tetrazocine)를 들 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부 탄소원으로서 전분을 사용하여 반응조 및 실제 화약물질로 오염된 사격장의 토양 내 TNT의 분해반응을 관찰한 결과, 외부 탄소원의 농도가 증가할수록 TNT의 분해는 증가하였지만, 다른 한편으로 외부 탄소원의 농도가 증가할수록 급성 독성이 증가하였다. 이에, 전분과 오염된 토양의 비율에 따른 급성 독성을 비교한 결과, 상기 비율이 1.0 이하인 경우 독성의 증가를 방지할 수 있음을 확인하였다.

그러나 RDX의 경우에는 RDX의 분해과정 중 생성되는 환원산물들이 독성을 유발하지만, 상기 전분/토양의 비율이 증가할수록 독성이 감소함을 확인하였다.

따라서 본 발명에 따르면, TNT를 분해하는 경우에는 상기 전분/토양의 비율을 1.0 이하, 바람직하게는 0.01 내지 1.0, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.1로 하는 것이 좋다.

또한, RDX를 분해하는 경우에는 상기 전분/토양의 비율을 0.01 이상, 바람직하게는 0.5 이상으로, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.0으로 하는 것이 좋다.

구체적인 실험 방법을 통하여 본 발명을 상세히 설명하도록 하는데, 본 발명을 하기한 실시예로만 한정하지 않음이 이해되어야 한다.

최적 외부 탄소원의 선정

최적의 외부 탄소원의 종류를 결정하기 위해, TNT로 오염된 토양으로 다음과 같은 실험을 실시하였다.

실험에 사용한 토양은 인공오염을 시키지 않고, 현장 토착 미생물을 활성화한다는 실험의 취지를 최대한 반영하여 현재 군에서 운용중인 경기도 OO 사격장 피탄지 토양을 분석하여 사용하였다. TNT로 오염된 토양은 OO1 사격장에서, RDX 오염토양은 OO2 사격장에서 각각 채취하여 실험에 사용하였으며, 채취한 각 토양은 암소에서 풍건한 다음 30번체로 체걸름하여 토양의 균질성을 확보함으로써 3배수 실험시 처리군간의 오차를 최소화하였다.

우선, 탄소원을 첨가한 상태에서 화약물질 TNT가 토양에서 액상으로 용해되고, 미생물에 의하여 제거되는 과정을 모니터링하기 위하여, 화약물질의 흡착이 없는 50 mL 플라스틱 바이알에 사격장 토양시료 10 g을 넣고, 탄소원으로서 글루코오스, 아세테이트 및 전분 1.0 g을 각각 주입하였다. 이와 동시에 탄소원을 주입하지 않은 대조군도 준비하였다. 그 후, 멸균한 DIW 30 mL을 첨가하여 25% 슬러리 반응조를 만들고, 플라스틱 캡으로 밀봉하였다. 준비된 반응조는 빛이 차단된 항온교반기에서 25℃, 150 rpm으로 교반하면서, 주기적으로 액상시료 2.5 mL을 채취하였다. 채취한 액상시료는 15,000 rpm에서 약 3분간 원심분리한 후 상징수를 0.2 um의 공극을 가진 PTFE 시린지 필터로 여과하여 HPLC로 화약물질의 농도를 분석하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

실험 경과 일주일 후에는 슬러리 토양을 암소에서 풍건하여 토양 내 잔류한 화약물질과 분해산물의 농도를 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이 때, 대조군을 포함한 모든 실험은 3배수로 하였다.

도 2에 나타난 바와 같이, 전분을 넣은 반응조에서의 TNT가 가장 빨리 감소하였고, 다음으로 글루코오스와 아세테이트를 넣은 반응조는 거의 동일한 수준으로 감소하였으며, 탄소원을 넣지 않은 대조군 반응조에서 가장 느리게 감소하였다. 따라서 토양의 토착 미생물이 화약물질을 분해할 수 있고, 또 외부탄소원으로 인해 화약물질 분해능이 증진됨을 확인하였다.

또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 실험 1주일 후, 토양에 잔류하는 화약물질의 농도는 초기 토양 내 TNT 농도 3.56 mg/kg으로부터 대조군은 0.96 mg/kg으로 73% 제거된 반면, 글루코오스 처리군은 87%, 아세테이트 처리군은 91% 및 전분 처리군에서는 95%가 제거되었다. 이에 따라, 전분을 투입하여 처리할 경우에 액상 및 고상에서 가장 많은 TNT가 제거됨이 확인을 확인하였으므로, 전분을 최적 외부 탄소원으로 선정하였다.

TNT 분해를 위한 전분의 최적 주입량 결정

TNT 분해시 최적 외부 탄소원으로 선정된 전분의 최적 주입량을 결정하기 위하여, 전분/토양(S/S)의 비율을 0.01~2.0까지 단계별로 증가시키면서 토양 10 g당 전분의 주입량 변화가 TNT의 제거율, 토양 내 TNT 잔류량 및 반응산물의 독성에 미치는 영향을 상기와 동일한 슬러리 반응조 실험으로 확인하였으며, 그 결과를 도 4 및 5에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 초기 약 1일까지는 토양입자에 부착된 TNT의 용해속도가 미생물에 의한 분해속도보다 빨라 액상 내 TNT 농도가 증가하였으나, 이후 미생물이 활성화되어 생물학적 분해속도가 증가하면서 액상 내 TNT 농도도 감소하였다. 생물학적 분해에 의한 TNT 제거속도는 S/S 비에 비례하였다. 즉, 외부탄소원인 전분을 많이 넣으면 넣을수록 TNT의 농도도 빨리 감소하였다.

또한, 도 5에 나타난 바와 같이, 초기 토양의 TNT 농도는 4.12 mg/kg이었으나, S/S 비율이 0.1~0.5인 경우 0.10~0.18 mg/kg의 TNT가 잔류하였고, S/S 비율이 1.0 이상에서는 모두 분해되었다. 따라서 외부 탄소원인 전분을 주입함에 따라 TNT가 빨리 제거됨을 알 수 있었다.

TNT의 경우에는 생물학적 반응 이외에도 니트로기가 생물학적으로 환원되는 과정에서 발생하는 하이드록실아미노기와 아미노기 사이의 무생물학적 커플링 반응에 의해 독성이 강한 아족시(azoxy) 화합물이 생성되기 때문에 독성이 증가하나, 일반적인 HPLC 분석으로는 존재여부와 농도를 확인하기 어렵다. 이에, 슬러리 반응조 실험이 종료되는 시점에서 액상시료를 채취하여 마이크로톡스(Microtox)와 동등한 성능을 가진 루미스톡스(LumisTox)로 급성 독성을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타난 바와 같이, S/S 비율이 0.01일 때 발광저해율은 26.5%로 대조군의 25%와 비교하여 큰 차이가 없었다. 그러나 S/S 비율이 증가하면서 발광저해율은 서서히 증가하다가, S/S가 1.0일 때는 31%로 증가하기 시작하였다. 그리고 S/S 비율이 2.0인 경우에는 57%로 크게 증가하였다.

이상의 액상 TNT 제거율, 토양 내 잔류 TNT 농도 및 액상의 급성 독성을 종합하여 판단하면, TNT 분해를 위한 최적의 S/S 비율은 0.01~0.1이라고 할 수 있다. 이는 반응형 침전지에서의 체류시간이 길기 때문에 TNT 제거가 너무 빨리 진행될 필요가 없고, 주입해야하는 S/S 비율이 높아지면 주입해야하는 전분량도 과도해지기 때문이다.

RDX 분해를 위한 전분의 최적 주입량 결정

RDX 분해시 최적 외부 탄소원으로 선정된 전분의 최적 주입량을 결정하기 위하여, 경기도 지역 OO2사격장에서 채취한 RDX 오염토양을 사용하고, 전분/토양(S/S)의 비율을 0.01~1.0까지 단계별로 증가시킨 것을 제외하고는 상기 실험과 동일한 방법으로 전분의 주입량 변화가 RDX의 제거율에 미치는 영향을 확인하였으며 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이때, RDX 제거가 TNT 제거에 비해 속도가 느려, 실험은 13일간 계속되었다.

또한, 실험 13일 경과 후, 반응조 상징액에 대한 pH를 하기 표 1에 나타내었다.

PH	대조군	전분/토양 비율
PH	대조군	0.01	0.1	0.2	0.5	1.0
평균	7.23	7.13	7.00	6.98	6.82	6.63
표준편차	0.06	0.02	0.02	0.01	0.02	0.04
* S/S = 전분(g)/토양(g) 비율

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실험이 종료된 후, 반응조 내 pH는 전분 주입량이 증가할수록 감소하였다. 이는 반응조가 미호기성/혐기성 상태로 유지되어 여분의 탄소원이 산발효로 유기산을 생산하였기 때문이라 판단된다.

또한, 도 7에 나타난 바와 같이, 대조군 반응조에서는 토양에서 용해된 RDX가 지속적으로 용해되어 13일 후에는 30.15 mg/L까지 증가되었다. 반면, 전분을 첨가한 반응조에서는 첨가량에 따라 1~2일 동안 농도가 증가하다가 급격히 감소하는 양상을 나타내었다. 따라서 전반적으로 S/S 비율이 높을수록 반응조 액상 내 RDX 농도는 빨리 감소하였다.

한편, RDX가 환원되는 경우, 고리에 있는 3개의 니트로기가 각각 환원되면서 RDX의 환원산물인 MNX(mononitroso-RDX), DNX(dinitroso-RDX) 및 TNX(trinitroso-RDX)가 연쇄적으로 생성된다. 이에, S/S 비율이 0.01, 0.1 및 0.2인 반응조 내 액상시료의 RDX를 분석하였으며, 이의 분석 크로마토그램을 도 8에 나타내었다.

도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 RDX의 분해반응에서도 3종의 환원산물이 관측되었으며, 액상 내 MNX, DNX 및 TNX 농도는 S/S 비율이 높은 반응조에서 RDX가 빨리 환원되어 제거될수록 더 많은 양이 반응조 액상에 축적되었다. 동일한 시간(5일)에 채취한 액상시료 분석결과를 보면, S/S 비율이 0.01인 경우(전분 0.1 g/토양 10 g)에는 화약물질의 피크면적이 RDX>MNX>DNX>TNX의 순이었다. 이후 S/S 비율이 점차 증가함에 따라 외부탄소원에 의한 미생물 활성화로 RDX 환원량이 증가하고, 그에 따라 환원산물 피크도 증가하여 마침내 TNX> RDX> MNX>DNX의 순으로 변경되었다.

또한, S/S 비율에 따른 RDX와 이의 환원산물의 시간별 농도변화를 측정하였으며, 그 결과를 도9에 나타내었다.

도 9에 나타난 바와 같이, 외부 탄소원을 첨가하지 않은 대조군에서도 RDX의 환원은 발생하였고, 그에 따라 MNX가 지속적으로 증가하였으며, 미량의 DNX와 MNX도 액상 내에서 검출되고 있다. 그러나 13일이 지난 다음에도 여전히 증가하고 있어 RDX의 분해는 요원한 것으로 보인다. 탄소원을 넣은 경우에는 약 3일 경과 후부터 RDX가 감소하는 추이를 보이기 시작하고, S/S 비율이 높아질수록 3종 환원산물의 증가세가 감소하기 시작하였다.

또한, 실험 경과 13일 후, 전분 농도구배에 따른 토양 내 RDX와 이의 환원산물의 농도변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다.

도 10에 나타난 바와 같이, 전분 첨가량이 매우 큰 S/S 0.5 및 S/S 1.0의 경우에는 RDX 이외에도 3종의 환원산물도 동시에 감소하여 13일 후에는 미량만이 검출되었다.

반응 13일 후, 전분 주입량에 따라 토양에 잔류한 RDX의 농도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 11에 나타내었다.

RDX(mg/kg)
초기	S/S 0.0 (대조군)	S/S 0.01	S/S 0.1	S/S 0.2	S/S 0.5	S/S 1.0
88.80	29.35	19.83	18.03	10.43	1.68	2.16
* S/S = 전분(g)/토양(g) 비율

상기 표 2 및 도 11에 나타난 바와 같이, 초기 RDX농도는 88.8 mg/kg이었으나, 대조군에서는 29.35 mg/kg만 잔류하였고, S/S 0.5 이상에서는 1.68 및 2.16 mg/kg이 잔류하여 97.6% 이상이 제거된 것으로 나타났다.

여기에 액상에 존재하는 RDX의 농도를 더하여 물질수지(material balance)를 산정하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.

도 12에 나타난 바와 같이, RDX에 대한 물질수지에 의하면 대조군에서는 70.1%가 S/S 0.01에서는 65.04%, S/S 0.1에서는 56.91%, S/S 0.2에서는 32.23%가 각각 잔류하였고, S/S 0.5 및 S/S 1.0에서는 각각 1.89 및 2.43%가 잔류하였다. 그러나 이 값은 RDX에 대한 물질수지일 뿐이며, 3종의 환원산물에 대한 물질수지까지 고려한다면 대조군에서는 더욱 높은 값이 잔류한 것으로 산정될 것이다.

반응이 완료된 13일 후, 슬러리 반응조 배양액에 대하여 발광미생물을 이용하여 미생물 발광저해도(급성 독성)를 측정하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다.

도 13에 나타난 바와 같이, S/S 비율이 증가함에 따라 발광저해율(%)은 감소하였다. 대조군(S/S 0.0)에서는 발광저해율이 42%인 반면, S/S 0.01에서는 39.5%, S/S 0.1에서는 36.7%, S/S 0.2에서는 30.3%로 크게 낮아지고, S/S 0.5~1.0에서는 저해가 거의 없는 19.7 및 19.3%의 발광저해율을 보이고 있다. S/S 0.01~0.2 반응조에서와 같이 RDX 농도가 감소되었음에도 불구하고 독성이 발현되는 것은 환원산물인 MNX, DNX 및 TNX에 기인하는 것으로 판단되므로, 이를 제거하기 위해서는 현장조건을 고려하여 주입하는 전분량을 증가시킬 수 있을 것이다. 그러나 과도한 전분 주입은 비용 증가 등을 야기할 수 있으므로 전분주입량은 0.01~1.0 사이가 적절할 것으로 판단된다.

이상과 같이 화약물질로 오염된 토양과 수질에 외부 탄소원(글루코오스, 아세테이트 및/또는 전분)을 주입하여 토착미생물 활성을 증가시킨 결과, 대조군에 비해 화약물질 제거속도가 최고 30배 이상 증가하였다. 또한 급성 독성을 측정한 결과, 외부 탄소원인 전분을 과량 주입할 경우 TNT 분해시 독성이 증가하지만, RDX에서는 주입량이 증가할수록 독성은 감소하였다.

따라서 군사격장 인근 화약물질 오염지역에는 화약물질을 분해할 수 있는 토착 미생물이 존재하고, 본 발명과 같이 외부 탄소원을 주입할 경우, 토착 미생물의 활성이 증대되어 독성의 증가 없이 화약물질을 더욱 효과적으로 분해할 수 있다.

Claims

외부 탄소원으로서 전분을 정화하고자 하는 오염된 토양에 주입하여 토착 미생물의 활성을 증가시키고, 활성화된 토착 미생물이 화약물질을 분해하는 단계를 포함하되,
상기 화약물질은 TNT(2,4,6-Trinitrotoluene) 또는 RDX(Royal Demolition eXplosive, Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine)이고,
상기 화약물질이 TNT인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 1.0 이하로 하며,
상기 화약물질이 RDX인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 0.01 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 외부 탄소원을 이용한 화약물질의 생물학적 분해방법.
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제1항에 있어서,
상기 화약물질이 TNT인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 0.01 내지 1.0으로 하는 것을 특징으로 하는 외부 탄소원을 이용한 화약물질의 생물학적 분해방법.
제1항에 있어서,
상기 화약물질이 TNT인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 0.01 내지 0.1로 하는 것을 특징으로 하는 외부 탄소원을 이용한 화약물질의 생물학적 분해방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 화약물질이 RDX인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 0.1 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 외부 탄소원을 이용한 화약물질의 생물학적 분해방법.
제1항에 있어서,
상기 화약물질이 RDX인 경우, 전분/오염 토양의 중량비를 0.5 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 외부 탄소원을 이용한 화약물질의 생물학적 분해방법.