KR101436589B1

KR101436589B1 - 화약물질 분해용 촉매 및 이를 이용한 화약물질 분해방법

Info

Publication number: KR101436589B1
Application number: KR1020130119300A
Authority: KR
Inventors: 이종열; 배범한; 이우진; 조창현; 배성준
Original assignee: 아름다운 환경건설(주); 한국과학기술원; 가천대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2014-09-01

Abstract

본 발명은 화약물질 분해용 촉매 및 이를 이용한 화약물질 분해방법에 관한 것으로, 리보플라빈 및 철 환원 박테리아(dissimilatory iron reducing bacteria)를 포함하고, 철 함유 토양 광물(IBSMs; iron bearing soil minerals)을 추가로 포함하는 본 발명의 촉매는 빠른 속도와 높은 효율로 화약물질을 환원적으로 분해할 수 있으므로, 화약물질에 의해 오염된 토양을 효과적으로 정화시킬 수 있다.

Description

화약물질 분해용 촉매 및 이를 이용한 화약물질 분해방법{CATALYST FOR DEGRADATION OF EXPLOSIVE MATERIALS AND DEGRADATION METHOD OF EXPLOSIVE MATERIALS USING THE SAME}

본 발명은 화약물질 분해용 촉매 및 이를 이용한 화약물질의 분해방법에 관한 것으로, 리보플라빈 및 철 환원 박테리아(dissimilatory iron reducing bacteria)를 포함하고, 철 함유 토양 광물(IBSMs; iron bearing soil minerals)을 추가로 포함하는 본 발명의 촉매는 빠른 속도와 높은 효율로 화약물질을 환원적으로 분해할 수 있으므로, 화약물질에 의해 오염된 토양을 효과적으로 정화시킬 수 있다.

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

이에 따라, 화약물질로 오염된 토양 및 지하수 등을 생물적 또는 비생물적으로 복원하기 위한 기술들이 연구되어 왔으며, 생물적 또는 비생물적 반응 및 이들의 상호작용에 의한 RDX의 분해는 미생물, 환원제(예를 들어, 토양 광물), 토양 내 유기물질 및 전자전달 매개체 등의 농도와 같이 중요한 환경인자들에 의해 영향을 받아왔다. 특히, 유기물질 및 전자전달 매개체는 Fe(III) 종 및 철 환원 박테리아의 존재 하에서 RDX의 분해를 현저히 증가시키는데, 이는 박테리아로부터 RDX로의 전자전달이 가속화되기 때문이다(문헌[Kwon M.J. 등, SoilSedimentContam.17,189-203(2008) 및 Bhushan, B. 등, J.Appl.Microbiol.,100,555-563(2006)]참조).

한편, 리보플라빈(riboflavin)은 다양한 산화환원효소의 조효소로서, 전자전달 매개체로도 알려져 있다.

철 함유 토양 광물(IBSMs; iron bearing soil minerals)은 자연과학 분야 및 공학 분야에서 유기물, 무기물 및 방사성 오염원의 환원 분해와 관련하여 많은 관심을 받는 물질이다.

이에, 본 발명자들은 토양 내 화약물질을 효과적으로 분해할 수 있는 촉매에 대하여 연구한 결과, 전자전달 매개체로서 리보플라빈을 포함하고, 철 환원 박테리아 및 철 함유 토양 광물을 포함하는 촉매가 화약물질을 효과적으로 분해시킴을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 리보플라빈, 철 환원 박테리아 및 철 함유 토양 광물을 이용하여 토양 내 화약물질을 효과적으로 분해시킬 수 있는 촉매를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 또한 상기 촉매를 이용하여 토양 내 화약물질을 효과적으로 분해시키는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 리보플라빈 및 철 환원 박테리아(dissimilatory iron reducing bacteria)를 포함하는 화약물질 분해용 촉매를 제공한다.

본 발명은 또한 철 함유 토양 광물(IBSMs; iron bearing soil minerals)을 추가로 포함하는 촉매를 제공한다.

본 발명은 또한 상기 촉매를 사용하여 화약물질을 환원적으로 분해하는 단계를 포함하는 화약물질의 분해 방법을 제공한다.

전자 전달 매개체로서의 리보플라빈, 철을 환원시키는 박테리아 및 철을 함유하는 광물을 포함하는 본 발명의 촉매는 화약물질, 특히 고리형 니트라민계 화약물질을 효과적으로 분해시킬 수 있으므로, 화약물질로 오염된 토양을 빠른 시간 내에 효과적으로 정화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 촉매의 RDX 분해반응 효율을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 촉매에 의한 RDX 분해반응시 생성되는 Fe(II)의 양을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매(CR)에 의한 RDX 분해반응시 생성되는 부산물들을 보여주는 HPLC 크로마토그램이다.
도 4는 RDX의 분해시 니트로기가 니트로소기로 순차적으로 환원되는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 촉매의 환원적 분해과정의 예상되는 과정을 나타낸 것이다.
도 6은 79시간의 RDX 분해반응 후 본 발명에 따른 촉매 내에 존재하는 리보플라빈에 대한 UV/가시광 흡수 스펙트럼의 결과이다.
도 7은 산화된 리보플라빈이 수소 및 팔라듐 촉매에 의해 환원되는 것을 나타내는 그래프이다.
도 8은 3일 간의 RDX 분해반응 후 레피도크로사이트가 다른 광물로 변환되지 않았음을 나타내는 XRD 분석결과이다.
도 9는 RDX의 분해반응에 대한 레피도크로사이트의 농도 효과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 RDX의 분해반응에 대한 리보플라빈의 농도 효과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 RDX의 분해반응에 대한 CN32의 농도 효과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 사격장 토양 샘플의 XRD 분석결과이다.
도 13은 사격장 토양 샘플에 대하여 본 발명에 따른 촉매의 시간에 따른 RDX 분해 효율을 나타낸 그래프이다.
도 14는 사격장 토양 샘플과 레피도크로사이트의 성분비에 따른 RDX의 분해효율을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 화약물질 분해용 촉매는 전자전달 매개체로서 작용하는 생체물질로서 리보플라빈 및 철 환원 박테리아를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용가능한 철 환원 박테리아로는 쉬와넬라 푸트리파시엔스(Shewanella putrefaciens CN32)를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 전체 촉매 (부피: 1.5g/L)에 대하여 10⁶세포/mL 이상, 바람직하게는 3.5 x 10⁶ 내지 3.5 x 10⁸ 세포/mL의 양으로 포함할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 촉매에 철 함유 토양 광물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용가능한 철 함유 토양 광물로는 레피도크로사이트(lepidocrocite), 자철석(magnetite), 논트로나이트(nontronite), 적철석(hematite) 및 침철석(goethite) 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 레피도크로사이트를 사용할 수 있고, 철 함유 토양 광물은 0.1 g/L 이상, 바람직하게는 0.5 g/L 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 3.0 g/L의 양으로 사용할 수 있다.

또한 상기 화약물질로는 고리형 니트라민계 화약물질, 예를 들어, RDX(Royal Demolition eXplosive, Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine), TNT(2,4,6-Trinitrotoluene) 및 HMX(High Melting Explosive, Octahydro-1,3,5,7-tetranitro- 1,3,5,7-tetrazocine) 등을 들 수 있으며, RDX인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 촉매는 토양 내 화약물질을 환원적으로 분해시키는 것을 특징으로 하며, 구체적으로는 철 환원 박테리아에 의해 리보플라빈이 빠르게 환원되고 이에 따라 화약물질의 니트로기가 환원되어 니트로소기로 전환되면서 화약물질이 환원적으로 분해되는 것으로 판단되며, 철 함유 토양 광물을 추가로 포함함으로써 철 공급원의 증가에 따라 이의 촉매효과가 증진되는 것으로 판단된다.

이를 증명하기 위하여 리보플라빈, 철 함유 박테리아로서 CN32 및 철 함유 토양 광물로서 레피도크로사이트를 이용하여 RDX의 분해반응에 대한 각각의 효과를 확인하는 실험을 수행하였다.

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

CN32 및 배양액의 준비

환원 박테리아인 CN32는 트립신 소이 브로스(TSB, tryptic soy broth; 30 g/L) 내에서, 온도 조건은 26℃로 하고, 호기성 환경에서 150 rpm으로 계속 교반하면서 배양한 다음, 나중에 성장한 상(late growth phase)을 취하였다. 잔류하는 TSB를 제거하기 위하여, 상기 세포들을 12,000 rpm에서 5분 동안 원심분리 하여 30 mM PIPES 완충액(pH 7) 내에서 두 번 세정하였다.

NaHCO₃ 없이 30 mM PIPES(1,4-piperazinediethanesulfonic acid) 완충액을 사용하여 실험에 맞게 수정된 배양액(MDM, modified defined medium)을 제조한 다음, 1M NaOH를 첨가하여 pH를 7.0으로 조절하였다. MDM은 고압증기 멸균처리(autoclave) 후 실온(25± 0.5℃)에서 냉각한 다음, 다른 박테리아가 성장하지 못하도록 밀봉된 클린 벤치(clean bench) 내에 저장하였다.

CN32 에 의한 철 함유 토양 광물상에서 표면 철의 생물학적 환원

회분식 반응기로서 알루미늄 마개 및 부틸고무 마개로 봉인된 250 ml 세럼병(serum bottle)에 레피도크로사이트(1.5g/L, γ-Fe^IIIOOH, Bayferrox943, LANXESS 사) 0.3 g을 넣은 다음, 여기에 MDM 180 mL를 첨가하고, 소듐 락테이트(1.2 M, 전자주개) 및 리보플라빈(4 mM, 전자 전달 매체, 시그마사)을 0.2 μm의 멸균된 PTFE 막 필터(Whatman사)를 갖는 주사기로 각각 30 mM 및 100 μM이 되도록 첨가하였다. 상기와 같이 세정된 세포(10 mL)를 병에 옮기고(초기 농도: 3.5 x10⁸세포/mL), RDX(Accustandard사)를 가스타이트 시린지(gastight syringe, Hamilton사)를 이용하여 각 병에 첨가하였다. 이때, RDX의 초기농도는 0.11 mM이었다.

회분식 실험(batch test) 동안 수착, 휘발 및 잠재적 반응에 의한 RDX의 손실을 평가하기 위하여, 대조군으로서 MDM만을 포함하는 경우, MDM 배양액 내 CN32를 포함하는 경우, MDM 배양액 내 레피도크로사이트를 포함하는 경우, 및 MDM 배양액 내 리보플라빈을 포함하는 경우를 준비하였다. 또한, RDX의 분해반응 키네틱에 대한 리보플라빈의 효과를 확인하기 위하여, CN32 및 레피도크로사이트를 포함하는 경우(CL), CN32 및 리보플라빈을 포함하는 경우(CR), 및 CN32, 레피도크로사이트 및 리보플라빈을 포함하는 경우(CLR)에 대한 시료를 준비하였다. 시료가 들어있는 병을 비호기성 챔버에서 꺼낸 다음, 오비탈 쉐이커상에서 26℃, 150 rpm의 조건으로 배양하면서, 분해 반응 시간에 따른 RDX의 농도를 조사하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.

또한, 생물유래 Fe(II)는 3 N HCl 추출법으로 추출하였다. 구체적으로, 시료 1.5 mL를 병으로부터 취한 다음, 4 N HCl 4.5 mL를 포함하는 10 mL 코니칼 튜브에 넣고, 오비탈 쉐이커를 이용하여 200 rpm에서 6시간 동안 배양하였다. Fe(II)의 농도를 UV/가시광 분광광도계(Agilent 8453)를 이용하여 562 nm에서 페로진 분석법(Ferrozine assay)으로 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

또한, CR 반응조에서의 RDX 분해반응시 RDX 및 이의 변환산물, 즉, MNX(Hexahydro-1-nitroso-3,5-dinitro-1,3,5triazine),DNX(Hexahydro-1,3-dinitroso-5-nitro-1,3,5triazine) 및 TNX(Hexahydro-1,3,5-trinitroso-1,3,5- triazine)를 가변파장 광다이오드 어레이(PDA, 335 Varian사)를 이용하여 230 nm에서 HPLC(Varian사)로 분석하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이때, 여과된 시료들을 실온에서 RP C18 컬럼(Shiseido사, 250 mm x 4.6 mm)으로 자동주입하였으며, 이동상으로서 40% 인산 완충액(pH 7.0) 및 60% 메탄올로 구성되는 용액을 1.2 mL/분의 유속으로 사용하였다.

도 1에 나타난 바와 같이, MDM만 투입시킨 대조군 샘플에서 RDX 분해 반응이 관찰되지 않은 것을 통해서 반응조 내에서 RDX의 흡착이나 증발과 같은 현상이 79시간 내에 발생하지 않았던 것을 알 수 있었다. 리보플라빈, CN32 및 레피도크로사이트가 각각 들어있던 반응조에서도 분해반응이 관찰되지 않아 생물학적인 RDX 분해반응도 일어나지 않았던 것을 알 수 있다. CL(CN32 + 레피도크로사이트) 반응조에서는 79시간 동안 3 N HCl 추출법을 사용한 Fe(II)의 측정결과 0.31 mM까지 농도가 증가하였지만(도 2 참조) 역시 RDX의 분해반응이 관찰되지 않았다. 이 결과는 CN32를 통해 레피도크로사이트로부터 생산된 생물학적인 Fe(II)가 직접적으로 RDX를 분해하지 못한 것을 나타내어 준다. 이러한 실험결과들과는 대조적으로 CR(CN32 + 리보플라빈) 반응조에서는 약 98%의 RDX가 79시간 내에 분해되었다. 또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 피크타임 4.8 분에서의 RDX가 79시간 내에 대부분 분해되었고, RDX의 반응 부산물로서, 피크타임 4.4 분에서의 MNX, 4.0 분에서의 DNX 및 3.8 분에서의 TNX가 21시간까지는 증가하다가 79시간 경과시에는 완전히 사라진 것을 알 수 있었다.

이 실험에서 검출된 상기 RDX의 반응부산물들은 도 4에 나타난 바와 같이 RDX의 니트로기가 순차적으로 니트로소기로 환원된 것으로, 이러한 RDX의 두드러진 분해반응은 CN32의 존재 하에서 리보플라빈이 향상된 RDX의 분해반응에 중요한 역할을 하였기 때문으로 분석된다. 따라서 도 5에 나타난 바와 같이, CN32에 의해 환원된 리보플라빈이 RDX를 효과적으로 분해했을 것이라는 것을 알 수 있다.

환원된 리보플라빈에 의한 RDX 의 비생물적 분해

1) RDX 의 환원적 분해에 대한 리보플라빈의 환원능력

RDX의 환원적 분해에 대한 리보플라빈의 환원능력을 확인하기 위하여, 화학적으로 환원된 리보플라빈을 사용하였다. 100 μM의 리보플라빈을 포함하는 정량의 DDIW(199.8 mL)를 팔라듐(0.5 중량%)이 코팅된 알루미늄(Pd-Al. Aldrich사) 펠렛 0.1 g이 H₂에 의해 연속적으로 공급되도록 디자인된 반응기(500 mL)에 넣은 다음, 교반기로 연속적으로 교반하면서 리보플라빈을 환원시켰으며, 이때 수소기체는 균일 혼합조건 하에서 반응기로 연속적으로 공급되었다(100 cc/min). 리보플라빈의 화학적 환원시 산화된 리보플라빈(노란색)이 환원된 리보플라빈(무색)으로 변화되었다. 리보플라빈의 화학적 환원이 완료된 후, 리보플라빈의 수용액상을 10 mL 시린지에 모아 리보플라빈의 산화를 방지하기 위해 비호기성 챔버로 신속하게 옮겼다. 환원된 리보플라빈을 0.2 μm의 멸균된 PTFE 막 필터로 여과하고, RDX 분해반응을 위하여 세럼병으로 옮긴 다음, 초기농도 0.11 mM의 RDX 20 mL를 가스타이트 시린지로 주입하였다. 대조군으로서 동일한 조건하에서 산화된 리보플라빈을 사용하여 CN32에 의한 리보플라빈 용액의 RDX 분해 반응 전.후 상태를 UV/가시광 분광광도계를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6에 나타난 바와 같이, 375 nm와 445 nm의 피크는 산화된 리보플라빈의 특성을 보여주는 값으로 알려져 있으며, 리보플라빈이 CN32와 반응하면서 72시간 후에는 새로운 315 nm의 피크 값이 증가하면서 이 두 가지의 피크 값이 현저하게 감소되어진 것을 알 수 있다. 315 nm의 피크 값은 환원된 상태의 리보플라빈의 피크라고 알려져 있다. 이 결과는 RDX 분해 반응시 리보플라빈이 CN32에 의해서 생물학적으로 환원된 것을 보여주고 있다.

2) 환원된 리보플라빈에 의한 RDX 의 분해

CN32에 의해 환원된 리보플라빈이 존재하고 있는 것을 확인한 후, 환원된 리보플라빈이 RDX를 분해할 수 있는지 확인해 보기 위하여 화학적으로 환원시킨 리보플라빈을 이용하여 RDX를 분해하는 실험을 추가적으로 실시하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7에 나타난 바와 같이, Pd와 수소 가스를 주입하여 화학적으로 환원시킨 리보플라빈과 산화된 형태의 리보플라빈으로 각각 RDX를 분해시켜본 결과 산화된 리보플라빈(대조군) 반응조에서는 어떠한 RDX 분해반응도 관찰되지 않았지만 환원된 리보플라빈은 135분 내에 매우 빠르게 RDX를 분해시키는 것을 확인하였다. 추가적으로, 도 1에 나타난 바와 같이, CLR(CN32 + 레피도크로사이트 + 리보플라빈) 반응조에서는 58시간 내에 RDX가 완전히 분해되는 것이 관찰되었으며, 21시간 경과 전에는 CLR 반응조에서의 분해반응 속도가 CR 반응조에서의 속도보다 느리다가 21시간 후에는 더욱 빠른 속도로 RDX 분해반응이 진행되는 것이 관찰되는데 이것은 매우 주목할 만한 결과라고 생각된다. 이것은 CLR 반응조내의 CN32가 레피도크로사이트와 리보플라빈을 동시에 환원시켜서 두 물질 사이에서 경쟁적인 전자수용이 발생하였기 때문에 21시간 이전에는 CR반응조보다 상대적으로 느린 RDX분해 반응이 나타난 것으로 판단된다. 또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 21시간 경과 후 향상된 RDX 분해 반응은 생물학적으로 생성된 Fe(II)가 점점 증가한 영향인 것으로 판단된다. 79시간 경과 후 CLR 반응조내의 Fe(II)의 농도는 0.84 mM까지 증가한 것을 알 수 있었고, 이것은 CL 반응조내의 Fe(II)의 생성량보다 약 2.71배가 많은 수치이다. 그러므로 CN32에 의한 생물학적인 Fe(II)의 생성이 촉매로써 작용을 하여 산화된 리보플라빈으로 전자를 빠르게 전달할 수 있고, 이것이 분해 반응 속도를 증가시킨 것을 알 수 있다.

3) RDX 의 분해시 레피도크로사이트의 변화 관찰

생물학적인 토양 광물인 구리녹(green rust) 및 자철석과 같은 광물이 RDX를 분해시킬 수 있는 잠재적인 요소가 될 수 있다. 이에, RDX 분해 반응시 레피도크로사이트의 변화를 조사하기 위하여, 반응 전/후 레피도크로사이트의 X-선 회절(XRD)과 투과전자현미경(TEM) 분석을 실시하였다.

구체적으로, 마지막으로 얻은 시료가 든 병을 3,000 rpm에서 5분 동안 원심분리한 다음, 여과하여 침전물을 모으고, 이를 비호기성 챔버에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 XRD 슬라이드로 준비한 다음, 리가쿠 자동화 회절기(Rigaku automated diffractometer, D/MAX-2500) 및 Cu KN를 이용하여 5° 내지 80°의 2 θ 범위에서 4°/분의 속도로 스캔하였으며, XRD 패턴을 Joint Committee on Powder Diffraction Standards(JCPDS) diffraction data files(JADE 9, Materials Data사)을 이용하여 분석하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8에 나타난 바와 같이, XRD 분석결과, 레피도크로사이트의 피크 값이 다른 어떠한 Fe(II) 함유 광물로도 변환되지 않는 것으로 보아, RDX 분해 반응시 레피도크로사이트가 변환되지 않았음을 확인하였다. 종래에 레피도크로사이트가 쉬와넬라(shewanella) 속의 미생물에 의해 96일 경과 후 구리녹으로 변화된다고 알려졌으나, 본 실험에서는 상대적으로 짧은 반응시간(3일)이 경과되었기 때문에 토양 광물의 변화는 일어나지 않았던 것으로 분석된다. 그러므로 우리는 생물학적인 토양광물의 변화가 본 실험에서 RDX의 분해에 중요한 요소가 아니었다는 것을 확인할 수 있었다.

RDX 의 분해반응에 대한 레피도크로사이트 , CN32 및 리보플라빈의 영향

RDX의 속도론적 분해반응에 대한 레피도크로사이트, 리보플라빈 및 CN32의 농도효과를 확인하기 위하여, 회분식 속도론적 실험을 수행하였다. 구체적으로, 레피도크로사이트의 농도효과를 확인하기 위하여, 세가지 다른 농도의 레피도크로사이트(0.5,1.5 및 3.0 g/L)와 CN32 및 리보플라빈을 사용하였고, 리보플라빈과 CN32의 농도효과를 확인하기 위하여, 세 가지 다른 농도의 리보플라빈(10, 50 및 100 μM)과 세 가지 다른 농도의 CN32(3.5x10⁶,3.5x10⁷ 및 3.5x10⁸ 세포/mL)를 사용하였으며, 그 결과를 도 9 내지 11에 나타내었다.

도 9는, 본 발명의 촉매를 이용한 RDX의 분해시 레피도크로사이트 농도의 영향을 나타내고 있다. 대조군 반응조에서와 LR(레피도크로사이트 + 리보플라빈) 반응조에서 RDX의 농도가 감소하는 경향이 나타나지 않은 것으로 보아 반응조 내에서 흡착이나 증발 등의 요인에 의한 RDX의 농도 감소는 발생하지 않은 것을 알 수 있다. RDX분해 반응속도 상수는 유사 1차 반응 속도법에 의하여 계산되었다. 레피도크로사이트 농도 0.5 g/L의 반응조에서는 0.014 6h^-1, 1.5 g/L 농도의 반응조에서는 0.0197 h^-1, 3.0 g/L의 반응조에서는 0.0267h^-1로 레피도크로사이트의 농도가 증가할수록 각각 분해반응속도 상수가 증가하는 것이 관찰되었다. 비록 레피도크로사이트의 농도가 증가하는 비율대로 RDX 분해반응의 속도 상수가 증가하지는 않았지만 이 실험결과는 레피도크로사이트의 농도가 증가할수록 RDX 분해반응의 속도 상수가 증가하는 결과를 보여주었다. 이것은 본 발명의 촉매를 이용한 RDX 분해반응 동안 Fe(III)의 성분이 중요한 영향을 보였던 것을 알 수 있다. 레피도크로사이트의 농도가 증가할수록 더욱 많은 Fe(III) 표면이 CN32에 제공되어, 생물학적인 Fe(II)의 증가에 영향을 주었던 것으로 분석된다. 그러므로 도 5에서와 같은 분해과정에서 Fe 성분의 증가가 촉매적인 작용을 하여 리보플라빈을 통한 전자의 전달이 향상되어 RDX 분해가 향상되는 것을 알 수 있었다.

또한, 도 10에 나타난 바와 같이, 측정된 RDX의 분해반응속도는 리보플라빈의 농도 10, 50 및 100 μM에 대하여 각각 0.0108, 0.0145 및 0.0208 h^-1이었다. 분해반응속도 상수의 증가는 전자 셔틀인 리보플라빈의 농도가 본 발명의 촉매를 이용한 RDX의 분해에 결정적인 영향을 준다는 것을 보여준다. 그러므로 리보플라빈 농도의 증가가 직접적인 RDX로의 전자의 전달과 간접적으로 생물학적인 Fe(II)의 농도를 증가시켜 촉매로써의 역할을 향상시킬 수 있었던 것을 알 수 있었다.

또한, 도 11에 나타난 바와 같이, CN32의 농도가 증가할수록 RDX 분해반응속도가 향상되는 것이 관찰되었다. CN32 농도가 3.5 × 10⁶ 세포/mL일 때의 분해반응의 속도 상수는 0.0007 h^-1이었고 농도가 100배 증가한 3.5 × 10⁸ 세포/mL일 때는 분해반응속도 상수가 약 15.3배 빨라진 0.0107 h^- ¹ 이었다. CR 반응조에서와 마찬가지로 CLR 반응조에서도 분해반응속도 상수가 0.0169 h^-1에서 0.0265 h^- ¹로 CN32의 농도가 3.5 × 10⁶ 세포/mL에서 3.5 × 10⁸ 세포/mL로 높아질수록 증가하는 것이 관찰되었다. 두 가지의 결과는 RDX의 분해반응속도가 CN32의 농도에 현저하게 영향을 받는다는 것을 보여준다. 또한 CLR 반응조에서의 RDX 분해반응속도가 같은 농도의 CN32가 들어있던 CR 반응조보다 각각 24.1, 2.5 및 5.3배 빨라진다는 것은 주목할 만한 결과이다. 이 결과는 레피도크로사이트의 첨가가 리보플라빈이 RDX 분해반응시 촉매로써 작용을 하는 것에 중대한 영향을 끼친다는 것을 나타내고 있다.

본 발명의 촉매를 이용한 사격장 토양 내 RDX 의 분해

본 발명에 따른 촉매가 화약물질로 오염된 실제 토양을 정화시킬 수 있는 지를 확인하기 위하여, 경기도 D지역 사격장에서 각기 다른 세 지점의 토양을 채취한 다음, 본 발명의 촉매를 첨가하여 RDX를 분해를 관찰하였다.

1) 토양 샘플의 분석

먼저, 채취한 토양의 특성을 분석하기 위하여 XRD 분석으로 토양 표면의 성상을 확인하고, X-선 형광(XRF) 분석으로 토양의 성분을 분석하였다.

구체적으로, 토양 샘플을 체로 거른 다음, 150 ㎛ 이하의 토양입자를 모아 준비하고, 5° 내지 80°의 2 θ 범위에서 4°/분의 속도로 스캔하고, XRD 패턴을 분석하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.

또한, XRF 분석의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	TiO₂
1번 토양 (%)	68.4	13.8	5.02	0.75	1.22	3.88	2.12	0.34
3번 토양 (%)	65.3	15.7	6.69	0.32	0.96	2.96	0.56	1.13

도 12에 나타난 바와 같이, 세 지점의 토양 샘플이 유사한 형태의 XRD 피크특성값을 보이는 것을 알 수 있었고, 그 특성은 석영(SiO₂)의 특성을 나타내는 것으로 분석되어 토양 샘플을 체취한 지역의 토양은 공통적으로 석영의 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

또한 표 1에 나타난 바와 같이, 1번 및 3번 토양샘플은 약 70%의 석영성분을 포함하고 있어, XRD 분석 결과와 유사한 결과를 보여주는 것을 확인하였다. 특이한 점은, 토양 성분 중 Fe₂O₃ 성분이 약 5~7 %가 포함되어 있는 것이다. 이에, 이러한 Fe 성분이 본 발명의 촉매 반응 시스템의 특성상 미생물과의 상호작용시에 RDX 분해 반응을 향상시키는 효과가 있음을 예측할 수 있다.

2) 본 발명의 촉매를 이용한 사격장 토양 내 RDX 의 분해

본 발명에 따른 화약물질 분해용 촉매의 RDX 분해반응의 지속성이 어느 정도 유지될 수 있는지 확인하기 위하여 토양 3번 샘플에 대하여 3번의 반응 싸이클을 통한 RDX 분해반응을 상기와 동일한 방법으로 실시하였으며, 그 결과를 도 13 및 하기 표 2에 나타내었다.

구분	CR	CSR	CLR
첫 번째 싸이클(h^-1)	0.0874	0.1452	0.2098
두 번째 싸이클(h^-1)	0.0065	0.0898	0.1255
세 번째 싸이클(h^-1)	-	0.0101	0.0611

도 13에 나타난 바와 같이, 대조군 반응조와 SR(토양 + 리보플라빈) 반응조에서 RDX의 감소현상이 관찰되지 않은 것으로 보아 RDX 분해 반응 동안 반응조 내의 흡착이나 증발, 사격장 토양으로 인한 RDX의 감소 등과 같은 요인의 영향은 없었던 것으로 분석되었다. CR, CSR(CN32 + 토양 + 리보플라빈) 및 CLR 반응조에서는 첫 번째 RDX 분해반응부터 활발한 RDX의 분해반응이 관찰되었다. 그러나 두 번째 RDX 분해반응부터는 CR 반응조의 분해반응속도 상수가 첫 번째 반응의 분해반응 속도 상수보다 13.44배 감소한 것을 확인하였고(표. 2), 두 번째 분해반응 후반부에서는 RDX 농도가 감소하는 경향이 거의 관찰되지 않았다. 이것은 CN32가 전자공여체로부터 제공받은 전자를 모두 사용하고 난 다음 다른 어떤 물체로부터도 전자를 생산하지 못하였기 때문에 RDX를 더 이상 분해하지 못했던 것으로 판단된다.

반면에, CSR 반응조와 CLR 반응조에서는 첫 번째 반응에서의 분해반응속도보다 두 번째 분해반응에서 각각 1.61과 1.67배가 감소한 분해반응속도가 관찰되었고, 두 번째 분해반응 끝까지 지속적으로 RDX를 분해하는 경향을 나타내었다. 상술한 바와 같이 본 실험에 사용한 사격장 토양에는 약 7%의 Fe(III) 성분이 포함되어 있으므로, CSR 반응조의 이러한 Fe(III)성분이 CN32와의 상호작용을 통해서 향상된 RDX의 분해반응을 보인 것으로 분석되었다. 이러한 상호작용의 영향으로 RDX 분해반응의 지속성도 증가되었고, 더욱 향상된 분해반응 속도가 나타난 것이 실험을 통해서 관찰되었다. 이러한 결과는 철 환원 미생물이 존재할 경우에 지형적 환경이 Fe 성분을 가지고 있다면 오염물질들을 분해하기 위한 환원제로 활용될 수 있는 가능성을 나타내고 있다.

그러나 세 번째 분해 싸이클에서 CSR 반응조의 RDX 분해반응속도 상수는 0.0101 h^- ¹로 두 번째 분해 싸이클보다 약 8.89배가 감소하여 CLR 반응조에서의 세 번째 RDX 분해반응속도 상수가 0.0611 h^- ¹로 두 번째 분해 싸이클보다 약 2.05배가 감소한 것보다 더욱 현저히 감소한 것을 나타낸 것은 CLR 반응조의 레피도크로사이트가 CSR 반응조의 사격장 토양보다 상대적으로 더욱 풍부한 Fe(III) 성분을 포함하고 있었기 때문인 것으로 판단된다. 그러므로 RDX 분해 반응 동안 반응성의 지속성은 사격장 토양과 레피도크로사이트의 Fe(III) 성분의 양에 현저한 영향을 받은 것을 알 수 있다.

3) 레피도크로사이트 및 토양의 성분비가 RDX 분해반응에 미치는 영향

레피도크로사이트와 사격장 토양의 성분비가 RDX 분해반응에 미치는 영향을 확인하기 위하여 CLSR의 레피도크로사이트 및 토양의 3가지 성분비(1:10, 1:50, 1:100)에 대하여 RDX 분해반응을 총 3회 수행하였으며, 그 결과를 도 14 및 하기 표 3에 나타내었다.

구분	CLSR 1:10	CLSR 1:50	CLSR 1:100
첫 번째 싸이클(h^-1)	0.2560	0.1646	0.1286
두 번째 싸이클(h^-1)	0.1589	0.1588	0.0961
세 번째 싸이클(h^-1)	0.0631	0.0355	0.0129

도 14에 나타난 바와 같이, 대조군 반응조에서 RDX의 감소하는 경향이 관찰되지 않은 것으로 보아 반응조 내에서의 흡착이나 증발과 같은 요인에 의한 RDX의 감소는 발생하지 않았던 것으로 판단된다. 이 실험으로부터 얻어진 결과를 보면 RDX 분해반응이 3번의 싸이클에 걸쳐 진행될수록 RDX 분해반응 속도 상수가 감소되는 것을 알 수 있다. 이것은 앞에서의 실험과 마찬가지로 RDX 분해 반응이 지속될수록 RDX를 분해하는 능력이 점점 감소하는 경향을 나타내는 것을 보여준다. 각 반응조간 RDX 분해반응 속도의 차이는 Fe(III) 성분의 양에 기인하여 발생한 것으로 분석된다. CLSR(CN32 + 레피도크로사이트 + 토양 + 리보플라빈) 1:100 반응조에서의 두 번째와 세 번째 분해반응속도 상수는 각각 0.0961 h^-1과 0.0129 h^- ¹ 로 첫 번째 분해반응속도 상수인 0.1286 h^-1 보다 약 1.33배와 7.45배가 감소한 것을 알 수 있었다. 반면 CLSR 1:50 반응조에서의 두 번째와 세 번째 분해반응속도 상수는 각각 0.1588 h^-1과 0.0.0355 h^- ¹ 로 첫 번째 분해반응속도 상수인 0.1646 h^-1 보다 약 1.03배와 4.47배가 감소하였고, CLSR 1:10 반응조에서의 두 번째와 세 번째 분해반응속도 상수는 각각 0.1589 h^-1과 0.0631 h^- ¹ 로 첫 번째 분해반응속도 상수인 0.2560 h^-1 보다 약 1.61배와 2.51배가 감소하여 레피도크로사이트의 성분비가 높을수록 RDX 분해반응이 더욱 오래 지속되는 것이 관찰되었다. 이러한 실험결과는 레피도크로사이트와 사격장 토양의 성분비가 RDX 분해반응의 지속성과 분해반응속도에 현저한 영향을 미친다는 것을 나타내고 있다.

결과적으로, RDX는 CN32 및 리보플라빈의 존재하에 분해되었으며, 철 함유 토양광물, 예를 들어 레피도크로사이트가 존재하는 경우, 그 분해속도가 현저히 증가하였다. 또한, RDX의 환원적 분해는 CN32, 레피도크로사이트 및 리보플라빈의 농도가 증가함에 따라 증가하였으며, 이는 박테리아의 증가에 따라 리보플라빈이 빠르게 환원되고, 철 공급원의 증가에 따라 이의 촉매효과가 증진되었을 뿐 아니라, 전자셔틀의 증가에 따라 생물체 유래 Fe(II)가 빠르게 생성되었기 때문임을 확인하였다. 따라서 본 발명에 따른 철 함유 토양 광물, 철 환원 박테리아 및 리보플라빈을 포함하는 촉매는 토양 내 화약물질을 효과적으로 분해할 수 있다.

Claims

리보플라빈 및 철 환원 박테리아(dissimilatory iron reducing bacteria)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화약물질 분해용 촉매.
제1항에 있어서,
철 함유 토양 광물(IBSMs; iron bearing soil minerals)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화약물질 분해용 촉매.
제1항에 있어서,
상기 철 환원 박테리아는 쉬와넬라 푸트리파시엔스(Shewanella putrefaciens CN32)인 것을 특징으로 하는 화약물질 분해용 촉매.
제1항에 있어서,
상기 화약물질은 고리형 니트라민계 화합물인 것을 특징으로 하는 화약물질 분해용 촉매.
제2항에 있어서,
상기 철 함유 토양 광물은 레피도크로사이트(lepidocrocite), 자철석(magnetite), 논트로나이트(nontronite), 적철석(hematite) 및 침철석(goethite)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 화약물질 분해용 촉매.
제1항에 따른 리보플라빈 및 철 환원 박테리아(dissimilatory iron reducing bacteria)를 포함하는 촉매를 사용하여 화약물질을 환원적으로 분해하는 단계를 포함하는 화약물질 분해 방법.
제6항에 있어서,
철 함유 토양 광물(IBSMs; iron bearing soil minerals)을 추가로 포함하는 촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는 화약물질 분해 방법.
제6항에 있어서,
상기 철 환원 박테리아는 쉬와넬라 푸트리파시엔스(Shewanella putrefaciens CN32)인 것을 특징으로 하는 화약물질 분해 방법.
제7항에 있어서,
상기 철 함유 토양 광물은 레피도크로사이트(lepidocrocite), 자철석(magnetite), 논트로나이트(nontronite), 적철석(hematite) 및 침철석(goethite)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 화약물질 분해 방법.
제6항에 있어서,
상기 화약물질은 고리형 니트라민계 화합물인 것을 특징으로 하는 화약물질 분해 방법.