KR19990010032A

KR19990010032A - 유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법

Info

Publication number: KR19990010032A
Application number: KR1019970032651A
Authority: KR
Inventors: 김상진; 손재학; 권개경; 심두섭
Original assignee: 박병권; 한국해양연구소
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1999-02-05

Abstract

본 발명은 유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여하여 유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법에 관한 것이다.

Description

유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법

유조선의 난파, 유류저장 탱크의 파손 등으로 유출된 유류에 의해 오염된 지역을 미생물 입장에서 살펴보면 탄소원인 유류만이 과잉으로 공급된 상태로서, 질소원이나 인 등의 다른 영양물질의 부족으로 인하여 미생물에 의한 유류분해가 극히 제한된 상태이다. 따라서, 부족한 영양상태를 충족시켜주지 않고 그대로 방치한다면 미생물에 의한 유류분해 효과는 나타나기 어렵다.

이에, 일부 과학자들은 유류에 의해 오염된 지역에, 과잉으로 공급된 탄소원에 비해 상대적으로 부족한 상태에 있는 질소원과 인을 공급할 목적으로, 무기영양제를 투여하는 방법을 제안하였다. 이 방법에 사용되는 대표적인 상품으로는 지용성의 “이니폴(Inipol)” 시리즈의 무기영양제가 개발되었다(Pritchard Costa, Env. Sci. Technol., 25, 372, 1991; Lee et al., Bioremediation; application of slow release fertilizers on low energy shorelines, in Proc. 1991 Intl. Oil Spill Conference, Am, Petroleum Institute Publ., pp.449-453, API, Washington DC. 1991; Fayad et al., Bull. Environ. Contam. Toxicol., 49, 787, 1992; Bragg et al., Nature, 366, 413, 1994).

그러나, 유류에 의해 오염된 지역에서의 환경 요인이 실험실 수준과는 매우 다르기 때문에, 질소원과, 인을 포함한 다른 무기영양원이 혼합된 상태로 제제화된 무기영양제는 실험실 수준에서는 어느 정도 효과를 나타내지만, 현장에서는 유류처리 효과가 두드러지게 나타나지 않는다.

이에, 본 발명자들은 무기영양제의 공급에 있어서, 실험실 수준에서 뿐만 아니라 현장 적용시에도 유류처리 효과를 높일 수 있는 방법을 제공하기 위하여 예의 연구를 수행하였으며, 그 결과로서 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여하는 경우 현장에서도 높은 유류처리 효과가 나타남을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법에 있어서, 실험실 수준에서 뿐만 아니라 현장 적용시에도 높은 유류처리 효과를 나타내는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여하여 유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 구성을 보다 상세하게 설명한다.

토양에 영양원을 지속적으로 공급하기 위한 이러한 무기영양제제 및 그의 제조방법은 농업용 비료를 제조하는 분야에서 널리 통용되고 있는 기술이지만, 유류에 의해 오염된 지역에 적용하기 위해서는 15일 이상, 바람직하게는 30일 이상 지속적으로 방출될 수 있어야 한다.

본 발명에 따른 처리방법에서 질소원을 지속적으로 용출하는 제제로는, 예를 들면 한국특허 공고 85-1175호 공보에 기재된 바와 같이, 유동층 피복기 중에서 요소에 규산나트륨을 피복시킨 후, 냉각, 건조 및 열처리하여 얻은 요소를 지속적으로 용출하는 제제를 사용할 수 있다.

요소를 지속적으로 용출하는 제제의 제조방법을 구체적으로 소개하면, 입경 3∼5mm의 요소 입자 500g을 유동층 피복기(Uni-Clatt, 일본 大川原 제작소)중에서, 5×10^-2㎥/초의 공기속도로 조절하여 유동화시키면서 온도를 70℃로 30분간 예열하고, 30%의 규산나트륨액 150g을 7㎖/분의 속도로 유동층에 공급하면서 1.0㎏/㎠의 노즐 압력으로 분무하여 피복시킨 후, 상온까지 냉각하고, 건조시킨 후 100℃에서 2시간 열처리하여 제조한다.

본 발명의 처리방법에서 질소원의 공급 이외에 인(P)의 공급도 중요한데, 인은 단독 포집이 어렵기 때문에, 본 발명에서는 인을 지속적으로 방출하는 제제로서 시판되고 있는 혼합형 지속성 무기영양제를 사용한다.

본 발명에 따른 처리방법에서, 질소원을 지속적으로 방출하는 제제나, 인을 포함한 다른 무기영양원을 지속적으로 방추ㅍ하는 제제(이하 “무기영양염 제제”라 한다)는 1회 또는 2회 이상 반복적으로 투여할 수 있다.

이하, 각종 시험예를 통하여 본 발명의 방법에 따른 유류처리 효과를 검증한다.

[시험예 1]

거제도 동부지역을 대상으로 4개의 실험구를 만들었다. 실험에서 요소를 지속적으로 방출하는 제제는 상술한 방법에 의해 제조된 것이며, 인은 시판되고 있는 혼합형 지속성 무기영양제를 구입하여 사용하였다. 또한, 유류분해 미생물로는 칸디다 리폴리티카 180(Candida lipolytica 180), 슈도모나스속 균주 12-5(Pseudomonas sp. 12-5), 모락셀라속 균주 12-7(Moraxella sp. 12-7)을 이용하였다.

현장적용 실험에 이용된 3종의 미생물은 본 실험실에서 분리된 종으로, 그 분리방법은 다음과 같다.

슈도모나스속 균주 12-5와 모락셀라속 균주 12-7은 1993년 12월 남해도지역으로부터, 칸디다 리폴리티카 180은 시화호로부터 분리된 것이다.

시료를 원유고형배지((NH₄)₂SO₄1g, K₂HPO₄0.3g, 박토한천 15g, 아라비안산원유 0.2%, 숙성해수 750㎖, 정제수 250㎖)에 접종한 후 25℃에서 2주간 배양한 후 생장된 군락을 순수분리하였다. 분리된 군락을 0.2%의 아라비안산 원유를 첨가한 최소성장배지((NH₄)₂SO₄1g, K₂HPO₄0.3g, 숙성해수 750㎖, 정제수 250㎖)에 접종하여 3일간 배양하였다. 배양후 배양액으로부터 클로로포름을 이용하여 잔류유분을 추출하였ㄷ. 추출된 유분을 실리카 및 알루미나 젤을 이용하여 직쇄형 탄화수소와 방향족 탄화수소를 분리한 후, 직쇄형 탄화수소는 가스 크로마토그래피(GC/FID)로, 방향족 탄화수소는 액체 크로마토그래피(HPLC)로 측정하였다. 유류분해율을 다음과 같다.

[표 1]

현장 실험에 이용한 유류분해 미생물제제의 특성

[실험예 1-1]

칸디다 리폴리티카 180, 슈도모노스속 균주 12-5, 모락셀라속 균주 12-7을 조벨 2216e 배지에서 배양한 다음, 8000rpm에서 15분간 원심분리하여 균체를 수확하고, 링거액(pH.2; Merck사 제품)으로 3회 세척한 다음, 규조토(diatomaceous erath; Sigma사 제품)에 흡착시켰다.

[시험예 1-2]

1995년 9월 21일 유조선 유일호로부터 유출된 벙커-C유에 오염된 거제도 동부지역은 모래 표면으로부터 50∼60cm 깊이에서 5∼10cm 정도의 고형화된 기름층을 형성하고 있었다.

1995년 10월 25일부터 1996년 5월 4일까지 195일간 실험하였다.

현장에서 오염된 유류와 모래를 동일한 비율로 균질화하여, 하기 표 2에서와 같이 4개의 실험구를 만들었다(가로 1m×세로 1m×깊이 10cm). 설치한 실험구는 초기 60일동안 매일 1회씩 갈아주어 산소를 공급하였다.

[표 2]

0, 14. 49, 80, 195일째에 시료를 100㎖씩 채취하여, 물리화학적 및 생물학적 요인은 현장에서 분석하였고, 유류분석은 실험실까지 냉동상태로 운반하여 분석하였다.

실험기간의 온도는 최고 22℃, 최저 -8℃, 평균 7.2℃이었다. 모래로 구성되어 함수율은 실험초기에 평균 7.8%±5%이었다.

[실험예 1-2-1] 요소, 암모니아성 질소, 인산염의 변화

요소는 프라이스와 해리슨 방법(Price Harrison, Crit, Rev. Microbiol., 19, 217, 1987), 암모니아성 질소와 인산염은 수질분석법(APHA, Standard Method for the exam. of water and wastewater, 16th Ed., Washington DC, 1985)을 이용하였다.

분석은 시료 1㎤을 멸균수 100㎖에 첨가한 후, 블렌더 믹서(Blender mixer; Waring사 제품)로 2분간 혼합하고 5분간 정치시킨 후, 0.45㎛의 여과지를 통과한 여과액을 분석하였다. 그 결과는 표 3에 나타내었다.

[표 3a]

요소(㎍-N/g-건조모래)

[표 3b]

암모니아성 질소(㎍-N/g-건조모래)

[표 3c]

인산염(㎍-P/g-건조모래)

표 3의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 요소의 경우, 대조군은 평균 0.03㎍-N/g-건조모래이었지만, 무리영양염 제제를 처리한 실험구에서는 평균 0.51㎍-N/g-건조모래로 대조군에 비해 평균 17배 농도를 유지하였다.

암모니아성 질소의 경우 대조군에 비하여 무기영양염 제제를 처리한 실험구는 2.9∼3.8배 증가되었는데, 이는 미생물에 의해 공급된 요소가 분해되어 생성된 것으로 판단된다.

인산염의 경우 대조군에 비하여 무기영양염 제제를 처리한 실험구는 8.7∼17.8배 증가되었다.

[실험예 1-2-2] 표면장력의 변화

표면장력은 시료 10㎤에 동량의 탈이온수를 첨가하고, 10분간 초음파(브란손 8210) 처리한 후 시료를 0.22㎛의 여과지를 통과시켜 여과액 3㎖을 취하여 표면장력기(피셔사 제품)으로 표면장력을 측정하였다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.

[표 4]

표면장력(dyne/㎝)

표 4의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 표면장력 평균값은 실험구 1(대조군)의 경우 75.1dyne/㎝로 증류수의 표면장력과 비슷하였지만, 무기영양염 제제를 처리한 실험구에서는 초기 75.2dyne/㎝, 14∼49일후에는 67.5dyne/㎝, 80일 이후에는 70.7dyne/㎝으로, 무기영양제를 첨가한 실험구에서 실험기간 동안 항상 유화활성도가 높았다.

[실험예 1-2-3] 잔류하는 유류성분의 변화

잔류하는 유류성분은 TLC/FID 분석법(Goto et al., J. Mar. Biotechnol., 2, 45, 1994)를 이용하였다. 그 결과를 표 5에 나타내었다.

C₂₀이하의 저분자 탄화수소는 증발하였고, 휘발성이 낮은 고분자 유류성분이 해변에 잔류하고 있음을 GC로 확인하였다. 또한 직쇄상 탄화수소, 방향족 탄화수소, 아스팔트 및 레진 성분을 합한 총량은 건조모래 g당 7.4∼9.5㎎으로, 평균 8.48㎎이었다.

[표 5a]

TLC/FID에 의해 분석한 직쇄상 탄화수소의 분해율(%)

[표 5b]

TLC/FID에 의해 분석한 방향족 탄화수소의 분해율(%)

[표 5c]

TLC/FID에 의해 분석한 총 유류의 분해율(%)

표 5의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 195일간의 처리기간 동안 실험구 1(대조군)은 총유류의 65%가 분해되었다. 반면에 질소원과 인을 포함한 무기영양염제제를 별도로 투여한 경우(실험구 2, 3, 4), 총 유류의 분해율은 80%, 85%, 70%로 대조군에 비해 빠른 분해를 보였다. 이는 무기영양염 제제를 처리한 경우 미생물에 의한 유류분해능을 향상시킴을 알 수 있다.

무기영양염 제제와 유류분해 미생물제제를 동시에 투여한 경우(실험구 3)와 투여하지 않은 경우(실험구 2)를 비교해 보면, 총 유류의 분해율은 5%의 차이를 보였다. 또한 유류의 성분 중 직쇄상 탄화수소와 방향족 탄화수소를 비교해 보면, 직쇄상 탄화수소의 분해율은 실험구 2와 3에서 2%의 차이를 나타냈으나, 난분해성 물질과 발암물질을 포함하고 있는 방향족 탄화수소의 분해율은, 무기영양염 제제를 투여한 실험구 2와, 현장의 미생물을 생장시켜 투여한 실험구 4를, 유류분해 미생물 제제를 투여한 실험구 3과 비교하였을 때 뚜렷한 차이를 보여주고 있다. 즉 현장의 토착 미생물은 그들의 환경에 잘 적응되어 있어 초기에는 빠른 분해를 하지만 유류에 포함되어 있는 다양한 방향족 탄화수소를 분해하는데는 한계성을 가지고 있으므로 유류에 포함되어 있는 다양한 방향족 탄화수소를 분해하는데는 한계성을 가지고 있으므로 유류분해능이 우수한 유류분해 미생물 제제를 투여한 경우 방향족 탄화수소의 탁월한 분해능에 의해 분해율을 향상시켰다.

결과적으로 현장에 오염된 유류의 분해에 있어 무기영양염 제제를 투여하였을 때 분해효과를 증진시킬 수 있으며, 더욱이 우수한 유류분해 미생물 제제를 동시에 투여하였을 때 더 높은 분해효과를 나타냈다.

[실험예 1-2-4] 미생물의 수

미생물의 수는, 시료 1㎤에 멸륜된 해수 100㎖을 첨가하고, 블렌더-믹서(Waring사 제품)로 2분간 혼합하고 5분간 정치시킨 후, 상등액을 평판배지에 도말하였다. 종속영양세균은 조벨 2216e 평판배지에서 25℃에서 7일간 배양하여 형성된 군락을 계수하였으며, 유류분해 미생물은 원유한천 배지에 도말한 후 25℃에서 2주간 배양하였다. 195일간의 현장실험동안 종속영양세균 수의 변화를 표 6에 나타내었다.

[표 6]

각 실험구에서 종속영양세균 수(CFU/g-건조모래)의 변화

표 6의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 유류분해율에서와 같이 무기영양염 제제를 투여한 경우(실험구 2, 3, 4)와 투여하지 않은 경우(실험구 1)에 종속영양세균 수의 변화에 있어 뚜렷한 차이를 보여주고 있다. 또한 각 실험구의 평균 종속영양세균 수는 실험구 3, 2, 4, 1의 순으로 낮아지고 있어 무기영양염 제제와 유류분해 미생물 제제를 투여한 실험구에서 가장 높은 분포를 보여주고 있고, 무기영양염 제제를 첨가하지 않은 실험구에서 가장 낮은 분포를 나타내고 있다. 그리고 49일 이후에 종속영양세균 수가 감소하는 것은, 미생물이 이용하기 쉬운 탄화수소가 서서히 고갈되었기 때문으로 생각된다.

[실험예 2] 이니폴 EAP22와 무기영양염 제제의 성능 비교 실험

유처리제로 시판되고 있는 지용성 영양염제인 이니폴 EAP22(Inipol EAP22)와, 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여하는 무기영양염 제제(이하 “무기영양염 제제”라 한다)의 효능을 비교하기 위하여 다음과 같은 실험을 하였다.

[실험구의 설정]

시화 간척지역의 모래로 구성된 지역을 대상으로 3개의 실험구(빈지름 180㎜, 높이 250㎜)를 주위 환경과 격리하기 위해 모래에 매설하였으며, 실험구의 조건은 하기 표 7에서와 같다. 또한 유류의 최종농도가 3%가 되도록 인위적으로 오염시킨 후 37일 동안 5회에 걸쳐 관찰하였다.

[표 7]

실험구의 처리조건

시료 채취는 각각의 실험구로부터 100㎤의 시료를 얻어 멸균된 용기에 담아 실험실까지 냉장보관 상태로 운반하였다.

측정항목 및 측정방법

질소원(암모니아, 아질산 및 질산염 질소)과 인을 수질분석방법(APHA, Standard method for the exam. of water and wastewater, 16th Ed., washington DC, 1985)을 이용하여 측정하였다.

또한, 잔류 유류량, C₁₇/프리스탄 및 C₁₈/파이탄 비율의 측정은 크란 등(Krahn등, Marine Environmental Research 31:175-196, 1991)의 방법을 이용하여 잔류 유분을 추출하였다. 추출된 유분을 실리카 및 알루미나 젤을 이용하여 직쇄상 탄화수소와 방향족 탄화수소를 분리한 후, 가스 크로마토그래피(GC/FID)를 이용하여 측정하였다. 생물분해지표인 C₁₇/프리스탄 및 C₁₈/파이탄 비율은 분석된 자료를 이용하여 환산하였다.

[결과]

[표 8]

질소와 인의 변화

표 8의 결과로 부터, 질소원을 다른 무기영양원과 구별하지 않고 혼합된 형태로 제제화하여 투여한 실험구 2(이니폴 EAP22 투여군)에 비하여, 본 발명에 의한 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여한 실험구 3(무기영양염 제제 투여군)에서 질소와 인이 보다 지속적으로 공급되었음을 알 수 있다.

[표 9]

종속영양세균 수의 변화(CFU/g-건조모래)

표 9의 결과로부터, 이니폴 EAP22를 투여한 실험구에서 3일 이후 세균의 수가 지속적으로 유지되나, 무기영양염 제제를 투여한 경우 8일 이후 감소됨을 알 수 있다. 그러나, 이니폴과 무기영양염 제제를 투여한 실험구 2, 3의 평균 종속영양세균 수는 각각 1.3×10⁸CFU/g-건조모래, 2.18×10⁸CFU/g-건조모래로 무기영양염 제제를 투여한 실험구에서 다소 높게 유지됨을 알 수 있다.

[표 10]

유류의 분해율(%)

[표 11]

C₁₇/프리스탄 및 C₁₈/파이탄 비율

표 10과 표 11의 결과에서, 유류분해에 있어 이니폴 EAP22와 무기영양염 제제의 효과를 뚜렷하게 비교할 수 있다. 즉, 37일간의 실험결과에 따르면, 이니폴 EAP22와 무기영양염 제제를 투여하는 것이 유류분해 세균의 유류분해능을 촉진시키는데 가장 효과적임을 알 수 있다.

또한, 이러한 유류의 분해가 미생물에 의해 이루어졌음을 나타내는 생물학적 유류 분해의 지표인 C₁₇/프리스탄과 C₁₈/파이탄 비율의 결과로부터, 37일째의 C₁₇/프리스탄과 C₁₈/파이탄 비율을 비교하면, 이니폴 EAP22를 투여한 실험구는 1.7과 2.9로 나타났으나, 무기영양염 제제를 투여한 실험구는 0.9와 1.1로 유류 분해율과 더불어 생물학적으로 빠른 분해가 진행되었음을 알 수 있다.

이상의 결과로부터, 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여하는 방법이, 질소원을 다른 무기영양원과 구별하지 않고 혼합된 형태로 제제화하여 투여하는 방법에 비하여, 무기영양원의 지속적인 공급능이 우수하며, 미생물의 생장을 촉진시킴과 동시에 유류 분해능을 촉진시킴으로써 유류 분해율을 증가시키고, 생물학적인 분해지표인 C₁₇/프리스탄과 C₁₈/파이탄 비율을 감소시키는데 탁월한 효과를 나타냄을 알 수 있다.

본 발명에 따른 유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법에 의하면, 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여함으로써, 실험실 수준에서 뿐만 아니라 현장 적용시에도 높은 유류처리 효과를 나타낸다.

Claims

유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법에 있어서, 질소원을 지속적으로 방출하는 제제를, 인을 포함한 다른 무기영양원과 별도로 제제화하여 투여하는 것을 특징으로 하는 유류에 의해 오염된 토양을 미생물학적으로 처리하는 방법.
제1항에 있어서, 유류 분해능을 갖는 미생물 제제를 함께 투여함을 특징으로 하는 방법.