KR101949655B1 - 미생물매개 탄산칼슘 침전을 이용한 토양 유실 방지용 조성물 및 이를 이용한 토양 유실 방지 방법 - Google Patents

미생물매개 탄산칼슘 침전을 이용한 토양 유실 방지용 조성물 및 이를 이용한 토양 유실 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 배양액, 요소 및 칼슘을 포함하고, 상기 요소 및 칼슘은 동일한 비율로 존재하며, 각각의 농도가 1 M 이하인, 토양 유실 방지용 조성물 및 이를 이용한 토양 유실 방지방법에 관한 것이다.

Description

미생물매개 탄산칼슘 침전을 이용한 토양 유실 방지용 조성물 및 이를 이용한 토양 유실 방지 방법{Composition for preventing soil loss using Microbially Induced Calcite Precipitation (MICP) and method using the same}
본 발명은 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)의 미생물매개 탄산칼슘 침전을 이용한 토양 유실 방지용 조성물 및 이를 이용한 토양 유실 방지 방법으로서, 보다 구체적으로는 강우에 의한 토양 유실 방지 방법에 관한 것이다.
미생물 매개 탄산칼슘 침전(Microbially Induced Calcite Precipitation, MICP)은 일반적으로 자연환경에서 우레아제(urease)의 반응을 통한 생체 광물 생성작용 (Biomineralization)에 의해 발생하는 결과로, 미생물의 표면에 탄산칼슘 (calcite, CaCO3)이 석출되는 반응이다. 미생물의 세포막은 (-)전하를 띠며, 주위 환경에서 Ca2+를 포함한 다양한 (+)양이온을 유인하여 자신의 세포막에 CaCO3를 생성시키게 되는데 이러한 반응은 우레아제라는 요소 분해효소에 의해 유도된다(YongGyeong Kim, Chang-Ho Kang, Soo Ji Oh, and Jae-Seong So. (2014). Isolation and Characterization of Calcite Forming Bacteria from Various Environments in Korea. Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal 29(5): 323-327 (2014)).
우레아제는 요소를 가수분해하여 암모니아와 탄산이온을 생성하는 촉매 효소로, 생성된 암모니아는 주변의 pH를 상승시켜 탄산칼슘 생성에 유리한 환경을 제공한다. 자연에 존재하는 요소는 미생물의 우레아제에 의해 분해되어 NH3와 H2CO3를 생성하고, 생성된 NH3와 H2CO3는 물에서 분해되어 탄산이온 및 암모늄 이온을 형성하게 되며 이때 형성된 탄산이온은 미생물의 세포벽에 붙은 칼슘이온과 반응하여 탄산칼슘을 생성하게 된다. 이의 반응 메커니즘은 다음과 같다.
CO(NH2)2 + 2H2O → 2NH3 +H2CO3
2NH3 + 2H2O + H2CO3 ↔ CO3 2- + 2NH4 ++ 2H2O
Ca2 + + Cell → Cell-Ca2 +
Cell-Ca2 + + CO3 2- → Cell-CaCO3
이러한 MICP 능력이 있는 것으로 알려진 미생물에는　스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 스포로사시나 우레애(Sporosarcina Ureae), 프로테우스 불가리스(Proteus vulgaris), 바실러스 스패리쿠스(Bacillus sphaericus), 믹소콕커스 잔투스(Myxococcus xanthus), 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 헬리코박터 파일로리(Helicobacterpylori)등이 있다.　
MICP는 환경정화 및 건축자재 개발의 생물학적 응용방법으로 활용될 수 있으며, 물리적 화학적 방법과는 달리 추가적인 환경오염 등의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
이러한 배경 하에, 본 발명자 들은 MICP 미생물 중 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)를 이용한 토양 유실 방지용 조성물에 포함되는 우레아 및 칼슘의 최적 농도와 조성비를 발견하고, 이를 토양 유실 방지 방법에 적용할 경우 토양의 유기물 함량 및 토양 입자크기가 탄산칼슘 침전량에 영향을 미치는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 탄산칼슘 침전을 통한 토양의 강도증진 효율을 향상시킬 수 있는 토양 유실 방지용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 토양 입자크기 및 토양의 유기물 함량을 고려하여 토양 유실 방지용 조성물의 주입횟수를 조절하는 토양 유실 방지 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 배양액, 요소 및 칼슘을 포함하고, 상기 요소 및 칼슘은 동일한 비율로 존재하며, 각각의 농도가 1 M 이하인, 토양 유실 방지용 조성물이 제공된다.
일 측에 따르면, 상기 요소 및 칼슘의 농도는 450 mM일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 스포로사시나 파스테우리 배양액은 6 g/L 요소 및 30 g/L Tryptic soy broth 배지를 포함하는 조성물에서 스포로사시나 파스테우리를 회분 배양한 것이고, 상기 회분 배양은 상기 조성물과 헤드스페이스의 부피비가 1:7.8 내지 1:8.3이고, 30℃, 180rpm에서 24시간동안 수행되는 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 스포로사시나 파스테우리 배양액의 OD 값은 6일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 스포로사시나 파스테우리 배양액 부피는 상기 토양 유실 방지용 조성물 부피의 1/6일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 1) 토양의 유기물 함량을 측정하는 단계; 및 2) 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 유실 방지용 조성물을 토양에 주입하는 단계; 를 포함하고, 상기 단계 2)는, 상기 단계 1)에서 측정된 토양의 유기물 함량이 2.5%인 경우 상기 조성물을 5회 이상 주입하고, 유기물 함량이 0%인 경우 상기 조성물을 2회 이상 주입하는 것인, 토양 유실 방지방법이 제공된다.
일 측에 따르면, 상기 토양의 입자크기는 75 μm 내지 1000 μm일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 토양 유실은 강우에 의한 것일 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 토양은 중금속 오염 토양일 수 있다.
본 발명의 토양 유실 방지용 조성물은 요소 및 칼슘을 동일한 비율로 포함함으로써 토양의 탄산칼슘 침전을 통한 토양의 강도증진 효율을 최대로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 토양 유실방지 방법은 토양의 유기물함량 및 입자크기를 고려하여 토양 유실 방지용 조성물의 주입횟수를 조절함으로써, 높은 유실저감률을 달성할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 다양한 요소 및 칼슘 농도의 용액에서 스포로사시나 파스테우리의 요소 가수분해로 인한 암모니아 농도 증가 및 탄산칼슘 침전에 따른 칼슘 농도의 감소를 측정한 것이다.
도 2는 요소 및 칼슘의 농도가 200 mM, 450 mM 및 1000 mM인 경우의 탄산칼슘 침전량 및 침전량 대비 관입저항을 측정한 것이다.
도 3은 요소 및 칼슘의 농도가 450 mM인 조성물을 처리한 경우 모래에서의 주입 횟수에 따른 탄산칼슘 침전량 및 침전량 대비 관입저항을 나타낸 것이다.
도 4는 요소 및 칼슘의 농도가 450 mM인 조성물을 처리한 경우 토양 입자 크기에 따른 탄산칼슘의 침전량 및 침전량 대비 관입저항을 측정한 것이다.
도 5는 요소 및 칼슘의 농도가 450 mM인 조성물을 처리한 경우 토양의 유기물 함량에 따른 탄산칼슘의 침전 양상을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 토양 유실 방지용 조성물을 모래, 임야토양의 판형 시편에 주입한 경우 주입횟수에 따른 변화를 관찰한 것이다.
도 7은 본 발명의 토양 유실 방지용 조성물을 모래, 임야토양의 판형 시편에 주입하여 형성된 모래판 및 시편의 응집력을 관찰한 것이다.
도 8은 본 발명의 토양 유실방지 방법을 모래에 적용한 경우 강우에 의한 토양 유실방지율을 비교한 것이다.
도 9는 본 발명의 토양 유실방지 방법을 임야토양에 적용한 경우 강우에 의한 토양 유실방지율을 비교한 것이다.
도 10은 유기물 함량이 2.0%(토양 1), 0.8%(토양 2), 1.4%(토양 3)인 현장 토양에 본 발명의 토양 유실방지 방법을 적용한 후, 8.5°, 33 mm/hr 수준의 강우에 노출되었을 때의 토양 유실저감율을 나타낸 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)는 스포로사시나 속 균주에 속하는 미생물로, 요소가 존재하는 환경에서 요소 가수분해 효소인 우레아제(urease)를 생산한다.
본 발명자들은 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)를 포함하는 토양 유실 방지용 조성물이 특정 요소 및 칼슘 농도에서 탄산칼슘 침전량 대비 강도증진 효과가 높고, 이를 이용한 토양 유실 방지방법에 있어 높은 토양 유실방지율을 달성하기 위해서는 토양의 유기물 함량 및 입자크기를 고려해야 한다는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 배양액, 요소 및 칼슘을 포함하고, 상기 요소 및 칼슘은 동일한 비율로 존재하며, 각각의 농도가 1M 이하인, 토양 유실 방지용 조성물이 제공된다.
도 1을 참고하면, 요소가 1500 mM 농도로 존재하는 경우 칼슘과 혼합하더라도 주입해준 칼슘이 제거되지 않고, 요소와 칼슘의 농도가 1000 mM 이하인 경우 주입해준 칼슘이 모두 제거되며, 최적의 효율을 위해 요소와 칼슘의 농도 비율이 1:1인 것이 바람직한 것을 확인할 수 있다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 요소 및 칼슘의 농도는 450 mM인 것이 보다 바람직하다.
구체적으로, 상기 스포로사시나 파스테우리 배양액은 6 g/L 요소 및 30 g/L Tryptic soy broth 배지를 포함하는 조성물에서 스포로사시나 파스테우리를 회분 배양한 것이고, 상기 회분 배양은 상기 조성물과 헤드스페이스의 부피비가 1:7.8 내지 1:8.3이고, 30℃, 180 rpm에서 24시간동안 수행되는 것일 수 있다. 만약 배지 조성물과 헤드스페이스의 부피비가 1:7 이하인 경우에는 180 rpm에서 48시간 동안 배양할 수도 있다.
상기 배양액은 0.1 M 농도(6 g/L)의 요소를 포함함으로써, 고농도 요소를 포함하는 배양액에 비해 free 암모니아 발생을 저해하여 스포로사시나 파스테우리의 요소 가수분해율 및 생장률을 증가시켜 탄산칼슘 침전량을 높일 수 있다.
또한, 상기 스포로사시나 파스테우리 배양액의 OD 값은 6일 수 있고, 본 발명의 토양 유실 방지용 조성물을 제조함에 있어 상기 스포로사시나 파스테우리 배양액 부피를 상기 토양 유실 방지용 조성물 부피의 1/6로 하여 조성물의 OD 값이 1이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 1) 토양의 유기물 함량을 측정하는 단계; 및 2) 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 유실 방지용 조성물을 토양에 주입하는 단계; 를 포함하고, 상기 단계 2)는, 상기 단계 1)에서 측정된 토양의 유기물 함량이 2.5%인 경우 상기 조성물을 5회 이상 주입하고, 유기물 함량이 0%인 경우 상기 조성물을 2회 이상 주입하는 것인, 토양 유실 방지방법이 제공된다.
본 발명의 토양 유실방지방법은 모래 크기(75-1000 μm)의 입자를 주로 갖는 토양에서 적용될 수 있다. 다만, 주된 입자크기에 따라 탄산칼슘 침전량 대비 강도 증진효과에 차이가 있으므로 기술의 적용수준을 조정할 필요가 있으며, 특히 입자크기가 작을수록 탄산칼슘 침전량 대비 관입저항이 낮아지므로 적용횟수를 높이는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어 토양 유실은 바람 또는 강우에 의한 토양 유실일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 토양 유실 방지용 조성물 및 토양 유실방지방법을 적용할 수 있는 토양의 예시로는 모래, 중금속 오염 토양 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 중금속 오염 토양의 경우 중금속 농도에 따라 스포로사시나 파스테우리의 요소 가수분해가 저해될 수 있다. 오염 토양에는 Cu, Cd, Pd, Zn, Ni, As, Cr(VI) 등의 다양한 중금속이 존재할 수 있으며, 토양 용액, 토양 공극수, 토양 간극수 등에 포함된 중금속이 효소 활성을 저해할 수 있다. 용액에 포함된 중금속 농도에 따른 요소 가수분해율을 측정한 결과는 다음과 같다.
요소 가수분해율(%: 중금속에 노출되지 않은 스포로사시나 파스테우리의 가수분해율에 대한 중금속 노출 스포로사시나 파스테우리의 가수분해율
농도(μM)
중금속		 0.1 1 10 100 1000 10000
Cu - - 52 20 2 1
Cd - - - 62 36 6
Zn - - - 62 19 10
Pb - - - - 26 20
Ni - - - - 34 22
As - - - - 59 65
Cr(VI) - - - - 79 73
* - : 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않음
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, Cu의 요소 가수분해 저해효과가 가장 큰 것으로 확인되었으며, Cu 농도가 1000 μm 이상으로 증가하는 경우 요소 가수분해가 급격하게 저해되어 MICP를 이용한 토양 유실방지 기술의 적용이 어렵다. 따라서, 토양 유실방지방법을 적용하기 전 토양의 중금속농도를 미리 확인함으로써 요소 가수분해율 저해 효과를 고려하여 토양 유실 방지용 조성물의 주입 횟수 등을 설정할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기술된 것으로서, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 토양 유실 방지용 조성물의 제조
실시예 : 1-1 스포로사시나 파스테우리 배양액의 제조
3차 증류수를 Tryptic soy broth (TSB)(BD Korea)에 가하여 배양용 배지 조성물의 TSB 농도를 30 g/L가 되도록 하였다. 그 다음, 121℃, 1.45 atm에서 15분간 autoclave하여 멸균하고, autoclave한 배지 조성물을 clean bench 내에서 40℃까지 자연냉각 시켰다. 배지 조성물 부피의 10%에 해당하는 부피로 1 M (60 g/L) 농도의 우레아 용액을 제조한 후, clean bench 내에서 제조한 우레아 용액을 0.2 μm 필터로 걸러 자연 냉각한 배지 조성물에 주입하여 최종 우레아 농도가 0.1 M (6 g/L)인 배지 조성물을 제조하였다. 제조된 배지 조성물에 스포로사시나 파스테우리 용액(Korean Collection for Type Cultures, KCTC 3558균주)를 배지 조성물의 1/100 부피로 주입하고, 이를 밀폐 가능한 bottle에 담았다. 이후, 30℃의 온도에서 교반 하면서 24시간 동안 배양하여 스포로사시나 파스테우리 배양액을 제조했다. 상기 배양액은 증류수와 1:2 부피비로 혼합하며, 이 때 혼합된 배양액의 OD값은 약 2 였다.
실시예 1-2: cementation 용액의 제조
토양 유실 방지용 조성물의 최종 요소 및 칼슘 농도를 각각 200 mM(시료 1), 450 mM(시료 2), 1000 mM(시료 3)로 하기 위해 최종 목표 농도의 2배 농도를 갖는 cementation 용액(400, 900, 2000 mM)을 제조하였다. Cementation 용액은 3차증류수에 요소 및 칼슘 시약을 넣어 완전히 녹이고 용액의 pH를 조절하는 방식으로 제조한다. 각 목표 농도의 용액을 제조하기 위해 cementation 용액 1 L 당 주입해야 할 요소 및 칼슘 시약의 양은 다음과 같다; 200 mM: 요소(urea) 24 g, 칼슘(CaCl2·2H2O) 59.2 g; 450 mM: 요소(urea) 54 g, 칼슘(CaCl2·2H2O) 132.4 g; 1000 mM: 요소(urea) 120 g, 칼슘(CaCl2·2H2O) 294 g. 용액의 pH는 2 N HCl 용액 혹은 2N NaOH용액을 주입하여 조절한다.
상기 실시예 1-1 및 1-2에서 제조된 스포로사시나 파스테우리 배양액 및 cementation 용액을 1:1의 비율로 혼합하여 최종 토양 유실 방지용 조성물을 제조하였다.
실시예 2: 토양 유실 방지용 조성물의 요소 및 칼슘의 최적 농도 결정
상기 실시예 1에서 제조된 3가지의 토양 유실 방지용 조성물을 입자 크기가 150-500 μm인 모래를 원통형 bottle에 2cm 높이로 담아 제작한 시편에 주입(1회 주입 시 모래 50 g 당 조성물 15 mL 주입)하여 탄산칼슘 농도(침전량) 및 탄산칼슘 침전량에 대한 관입저항을 측정하여 도 2에 나타냈다. 관입저항은 needle penetrometer를 이용하여 표토의 강도를 측정하였다.
그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 조성물의 요소 및 칼슘 농도가 증가할수록 탄산칼슘 침전량이 증가하는 양상을 보이나, 침전량 대비 관입저항의 효율은 시료 1(200 mM), 시료 2(450 mM)에서 동일하고 시료 3(1000 mM)에서는 효율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 시료 2와 같이 요소 및 칼슘을 450mM로 함유하는 조성물의 경우 조성물 주입횟수 당 탄산칼슘 침전량 및 침전량 대비 관입저항이 높고, 토양에 빠르게 탄산칼슘을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 3: 토양 입자크기에 따른 탄산칼슘 침전량 및 관입저항 평가
실시예 3-1: 탄산칼슘 침전량
원통형 bottle에 입자 크기가 75-150 μm, 150-200 μm, 300-355 μm, 500-1000 μm인 모래로 2 cm 높이의 시편을 제작하였다. 3개의 시편에 실시예 1에서 제조한 시료 2 조성물을 주입(1회 주입 시 모래 50 g 당 조성물 15 mL 주입)하여 주입횟수 당 탄산칼슘 침전량을 측정하였다.
그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 네 종류의 입자크기에서 탄산칼슘 침전이 일어나며 용액 주입에 따른 탄산칼슘 침전량은 동일한 것을 확인할 수 있다.
실시예 3-2: 침전량에 대한 관입저항
원통형 bottle에 입자 크기가 75-150 μm, 150-500 μm, 500-1000 μm 인 모래로 2 cm 높이의 시편을 제작하고, 상기 실시예 1에서 제조한 시료 2 조성물을 주입(1회 주입 시 모래 50 g 당 조성물 15 mL 주입)하여 탄산칼슘 침전량, 관입저항 및 침전량 대비 관입저항을 측정하였다.
도 3을 참고하면, 주입횟수가 증가할수록 탄산칼슘 침전량은 함께 증가하며, 관입저항의 경우 주입횟수가 7회 이상인 경우 25 N/mm으로 유지되어 Effective bridge를 형성한 탄산칼슘만이 토양강도를 증가시킨다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 토양 입자크기에 따른 탄산칼슘 침전량 대비 관입저항은 토양 입자크기가 작을수록 낮아지는 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 이러한 실험결과는 본 발명의 토양 유실방지방법 적용 시, 입자크기가 작은 토양일수록 조성물의 주입횟수를 증가시켜야 한다는 것을 시사한다.
실시예 4: 토양 유기물 함량에 따른 탄산칼슘 침전 및 관입저항 평가
원통형 bottle에 입자 크기가 150-500 μm인 모래 및 Peat를 혼합하여 2 cm 높이의 시편을 제작하였다. Peat와 모래의 혼합비율을 달리함으로써 각각 유기물 함량이 0%, 1%, 2.5% 및 5%인 시편을 준비하였다. 4개의 시편에 상기 실시예 1에서 제조한 시료 2 조성물을 주입(1회 주입 시 모래 50 g 당 조성물 15 mL 주입)하여 주입횟수 당 탄산칼슘 침전량 및 탄산칼슘 침전량에 대한 관입저항을 측정하였다.
그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 네 종류의 peat 함량에서 탄산칼슘 침전이 일어나며 용액 주입에 따른 탄산칼슘 침전량은 유사한 것을 확인할 수 있다. 관입저항의 경우, 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 동일한 탄산칼슘 침전량에 대해 관입저항은 유기물 함량이 높을수록 낮아지는 양상을 보이며, 이는 토양에 함유된 유기물이 탄산칼슘 결정의 성장을 저해하기 때문인 것으로 판단된다.
실시예 5: 바람 및 강우에 의한 토양유실 방지효과 평가
실시예 5-1: 판형 시편 제작
모래(Sand, 유기물함량 0%) 및 임야토양(Loamy sand, 유기물함량 2.6%)을 준비하고, 크기 30 cm x 30 cm 및 20 cm x 20 cm 인 판에 각각의 토양을 담아 판형 시편을 제작하였다.
제작한 판형 시편에 상기 실시예 1에서 제조한 시료 2 조성물을 모래 시편에 1, 2, 3, 4, 5회, 임야토양 시편에 1, 3, 5, 7, 8회 표면 살포하고, 토양의 응집여부를 관찰하였다. 그 결과, 도 6및 7에 나타낸 바와 같이 모래의 경우 2회, 임야토양의 경우 5회 적용 시 토양의 응집을 관찰할 수 있었으며 응집이 나타난 토양의 경우 물에서 풀어지지 않는 것을 확인하였다.
실시예 5-2: 강우에 의한 토양유실 방지효과 - 시편 대상
상기 실시예 5-1에서 제조한 판 크기 20 cm x 20 cm의 모래 및 임야토양 시편에 각각 상기 실시예 1에서 제조한 시료 2 조성물을 0, 1, 2, 3, 4, 5회(모래), 0, 1, 3, 5, 7, 8회(임야토양) 표면 살포하였다. MICP가 적용된 상기 시편에 강우강도 13.5, 33, 75 mm/hr 및 경사 조건을 5.1, 8.5, 15°로 하여 경사면 방향으로 유실된 토양의 양을 측정하고 그 결과를 도 8 및 9에 나타냈다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 모래 시편의 경우 주입횟수 2회부터 강우에 의한 토양유실 방지효과가 나타나고, 도 9에 나타낸 바와 같이 임야토양 시편에서는 주입횟수 5회부터 강우에 의한 토양유실 방지효과가 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 상기 실시예 4에서 나타난 결과와 마찬가지로 임야토양의 유기물 함량이 더 많기 때문인 것으로 판단된다.
그 다음, 강우로 인한 토양유실 방지 효과를 유실저감율을 평가하였다. 유실저감율은 하기 식을 이용하여 계산하고, 그 결과를 표 2에 나타냈다.
Figure 112018096747219-pat00001
유실저감률(%) 임야토양 모래
강우강도(mm/hr)
경사도(°)		 13.5 33 75 13.5 33 75
5.1 41 79 72 - 44 90
8.5 76 64 65 76 70 90
15 70 73 67 65 82 87
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 유실저감률은 임야토양보다 모래에서 높은 경향을 보였으며, 8.5° 이상의 경사도와 33, 75 mm/hr 조건의 강우강도에서 유실저감률은 임야토양에서 64~73%, 모래에서 70~90% 수준임을 확인할 수 있다.
실시예 5-3: 강우에 의한 토양유실 방지효과 - 현장토양 대상
중금속으로 오염된 부지에서 3종류의 토양을 채취하고, 토양특성(유기물함량, CEC, 토성) 및 전함량농도를 분석(USEPA 3052) 결과를 표 3 및 4에 나타냈다.
토양1 토양2 토양3
유기물함량(%) 2.00 0.82 1.44
CEC (cmol/kg) 18.77 3.05 9.43
토성 loam sand loamy sand
Sand/Silt/Clay 39.00/38.36/22.64 90.40/3.52/6.08 80.16/13.60/6.24
Figure 112018096747219-pat00002
측정한 결과를 바탕으로, 유기물 함량을 고려하여 상기 실시예 1에서 제조한 시료 2 조성물을 토양 1, 2, 3에 대해 각각 5회, 3회, 4회 주입 후 8.5°, 33 mm/hr의 강우 조건으로 인한 유실저감율을 도출하였다. 그 결과, 도 10에 나타낸 바와 같이 토양 유실저감율은 토양 1~3에서 각각 56%, 69%, 82% 수준으로 나타나, 현장토양에 대해서도 강우에 의한 토양유실을 효과적으로 방지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

  1. 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 배양액, 요소 및 칼슘을 포함하고, 상기 요소 및 칼슘의 농도가 450mM인 토양 유실 방지용 조성물로서,
    상기 스포로사시나 파스테우리 배양액은 6 g/L 요소 및 30 g/L Tryptic soy broth 배지를 포함하는 조성물에서 스포로사시나 파스테우리를 회분 배양한 것이고,
    상기 회분 배양은 상기 조성물과 헤드스페이스의 부피비가 1:7.8 내지 1:8.3이고, 30℃, 180 rpm에서 24시간동안 수행되는 것인, 토양 유실 방지용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스포로사시나 파스테우리 배양액의 OD 값은 6인, 토양 유실 방지용 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스포로사시나 파스테우리 배양액 부피는 상기 토양 유실 방지용 조성물 부피의 1/6인, 토양 유실 방지용 조성물.
  6. 1) 토양의 유기물 함량을 측정하는 단계;
    2) 토양 유실 방지용 조성물을 토양에 주입하는 단계; 를 포함하는 토양 유실 방지방법으로서,
    상기 단계 2)는, 상기 단계 1)에서 측정된 토양의 유기물 함량이 2.5% 이상인 경우 상기 조성물을 5회 이상 주입하고, 유기물 함량이 0%인 경우 상기 조성물을 2회 이상 주입하는 것이며,
    상기 토양 유실 방지용 조성물은 스포로사시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii) 배양액, 요소 및 칼슘을 포함하고, 상기 요소 및 칼슘의 농도가 450mM인 토양 유실 방지용 조성물로서,
    상기 스포로사시나 파스테우리 배양액은 6 g/L 요소 및 30 g/L Tryptic soy broth 배지를 포함하는 조성물에서 스포로사시나 파스테우리를 회분 배양한 것이고,
    상기 회분 배양은 상기 조성물과 헤드스페이스의 부피비가 1:7.8 내지 1:8.3이고, 30℃, 180 rpm에서 24시간동안 수행되는 것인, 토양 유실 방지방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 토양의 입자크기는 75 μm 내지 1000 μm인, 토양 유실 방지방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 토양 유실은 강우에 의한 것인, 토양 유실 방지방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 토양은 중금속 오염 토양인, 토양 유실 방지방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113047326A (zh) * 2021-04-13 2021-06-29 同济大学 一种超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置及其应用
CN113155567A (zh) * 2021-04-20 2021-07-23 浙江科技学院 一种空心圆柱试样micp固化制样仪及制样方法
CN113402037A (zh) * 2021-07-13 2021-09-17 中国科学院新疆生态与地理研究所 黄库里菌在处理重金属污染废水中的应用

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111672900B (zh) * 2020-06-01 2021-08-10 合肥工业大学 一种微生物诱导碳酸钙沉淀修复土壤重金属污染的方法
TWI788271B (zh) * 2022-06-27 2022-12-21 國立中正大學 利用微生物誘導碳酸鈣沉澱使砂土顆粒膠結的方法
CN117286071A (zh) * 2023-10-17 2023-12-26 四川大学 一种培养基以及巴氏八叠芽孢球菌的培养方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120120087A (ko) * 2011-04-21 2012-11-01 조선대학교산학협력단 연약 지반 개량용 조성물 및 이러한 조성물을 사용하는 바이오 그라우트 방법
KR20170006331A (ko) * 2015-07-07 2017-01-18 한국지질자원연구원 요소분해효소 생산능을 가지는 스포로사르시나 속 파스테우리 균주 및 이의 용도

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110073780A (ko) * 2009-12-24 2011-06-30 주식회사 클레이맥스 미생물을 이용한 고기능성 흙조성물
CN103173376B (zh) * 2012-11-16 2014-10-29 清华大学 利用产脲酶微生物制备高强度微生物砂浆的方法
AU2016100971A4 (en) * 2015-07-07 2016-07-28 Korea Institute Of Geoscience And Mineral Resources (Kigam) Method for remediating contaminated soil using microorganism strain having ability to produce urease
CN106223348B (zh) * 2016-07-18 2018-10-02 河海大学 一种微生物-土工格栅联合加筋方法
CN106947492B (zh) * 2017-02-24 2019-09-10 河海大学 一种复合固沙模型及其制备方法和应用
CN108589650A (zh) * 2018-05-07 2018-09-28 浙江大学 一种基于微生物固化的防波堤加固方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120120087A (ko) * 2011-04-21 2012-11-01 조선대학교산학협력단 연약 지반 개량용 조성물 및 이러한 조성물을 사용하는 바이오 그라우트 방법
KR20170006331A (ko) * 2015-07-07 2017-01-18 한국지질자원연구원 요소분해효소 생산능을 가지는 스포로사르시나 속 파스테우리 균주 및 이의 용도

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Advances in Materials Science and Engineering, Vol.2015, pp.1-14(2015.08.09.) *
Environ.Sci. Technol., Vol.5, pp.1557-1564(2013.02.) *
Environmental Geotechnics, PDF available, pp.1-7(Epub.2018.01.) *
J. Appl. Microbiol., Vol.111, pp.338-349(2011.08.) *
Journal of Applied Microbiology, Vol.118, pp.1321-1332(2015.03.21.) *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113047326A (zh) * 2021-04-13 2021-06-29 同济大学 一种超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置及其应用
CN113047326B (zh) * 2021-04-13 2021-12-07 同济大学 一种超深基坑中水平减渗帷幕形成用装置及其应用
CN113155567A (zh) * 2021-04-20 2021-07-23 浙江科技学院 一种空心圆柱试样micp固化制样仪及制样方法
CN113155567B (zh) * 2021-04-20 2024-05-10 浙江科技学院 一种空心圆柱试样micp固化制样仪及制样方法
CN113402037A (zh) * 2021-07-13 2021-09-17 中国科学院新疆生态与地理研究所 黄库里菌在处理重金属污染废水中的应用

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