KR20130093422A - 스트론튬 고정 방법 및 이를 위한 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 홍조단괴 유래 미생물을 이용하여 오염수 내의 용존 스트론튬을 생물학적으로 고정시키는 방법에 관한 것으로, 홍조단괴 유래 미생물을 농화배양하는 단계; 및 상기 농화배양된 미생물을 오염수에 처리하고 반응시킴으로써, 오염수 내의 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물로 고정시키는 단계를 포함하는 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법을 제공한다. 상기 생물학적 스트론튬 고정 방법은 화학적 스트론튬 고정화 기술에 비하여 그 고정 공정이 간결하고 친환경적인 장점이 있고, 상온에서도 빠른 속도로 스트론튬을 고정화할 수 있어 산업현장에 적용되기에 충분하며, 스트론튬이 최종적으로 스트론티아나이트의 형태로 고정되기 때문에 자원의 재활용이라는 측면에서도 효용성을 가진다.
Description
본 발명은 스트론튬의 고정 방법 및 이를 위한 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 홍조단괴 유래 미생물을 이용하여 오염수 내의 용존 스트론튬을 생물학적으로 고정시키는 방법 및 이를 위한 조성물에 관한 것이다.
지구 온난화 문제와더불어 최근 일본에서 발생한 원자력 발전소 사고 이후, 방사성 물질에 의한 환경오염과 그로 인한 인체오염이 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 방사성 스트론튬은 핵무기 시험과 원자력 발전 사로로 인하여 환경 중으로 유출 가능한 핵종으로서, 전체의 90 % 이상이 뼈의 수산화인회석(hydroxyapatite) 구조에 침착되어 장기간 존재하면서 뼈와 골수 세포의 DNA에 작용하여 암, 백혈구 감소증, 백혈병 등을 유발시키는 방사독성이 강한 핵종으로 알려져 있다.
일본 원전사고의 등급이 체르노빌 사태와 같은 최악의 수준인 7단계로 오르면서 체르노빌 때 등장했던 방사능 불질이 후쿠시마 주변 토양과 식물에서 나타나고 있다. 일본의 원전사고로 인하여 후쿠시마현 나미에정에서 2점, 이타테촌에서 1점의 토양 샘플을 채취, 분석한 결과 스트로튬-90은 최대 토양 1 ㎏당 32 베크렐이 검출되었고, 반감기가 50일인 스트론튬-89의 경우 최대 260 베크렐이 검출되었다. 과거 40여년간 선진 각국의 많은 과학자들은 방사선 장애의 예방 약재를 비롯하여 방사성 동위원소의 체내 오염에 대한 배설 촉진제, 장해의 회복을 위한 치료제 등 주로 의과학적 방법을 꾸준하게 연구하여 왔으나, 뚜렷한 성과를 내지 못하고 있는 실정이다.
핵 물질은 이온 상태로 존재하게 되면 음이온이나 양이온의 상태로 쉽게 지하수로 흘러들어 퍼지게 되는데, 일부 미생물들은 이온화 금속이온을 환원 및 침전, 또는 흡착시키는 반응을 일으키고, 금속을 고체 형태로 지하수 아래에 침전시킨다. 이러한 미생물들을 이용한 고준위 핵폐기물의 처리를 연구하는 학계에서는 수십만년 동안 지하에 저장되는 고준위 핵물질의 확산을 막는데 중요한 역할을 할 것으로 평가해 왔고, 최근에는 금속환원 미생물과 금속이 다량 함유된 석탄회를 이용하여 이산화탄소 및 금속을 격리하는 연구가 진행된 바 있으나, 미생물을 이용하여 이온 상태로 존재하는 스트론튬의 고정에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 반응속도가 증가된 효율적인 스트론튬 고정 방법 및 이를 위한 조성물을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 홍조단괴 유래 미생물을 농화배양하는 단계; 및 상기 농화배양된 미생물을 오염수에 처리하고 반응시킴으로써, 오염수 내의 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물로 고정시키는 단계를 포함하는 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법을 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 홍조단괴 유래 미생물들의 농화배양물을 유효성분으로 포함하고, 오염수 내 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물로 고정시키는 오염수 내 용존 스트론튬 고정용 조성물을 제공한다.
본 발명의 생물학적 스트론튬 고정 방법은 화학적 스트론튬 고정화 기술에 비하여 그 고정 공정이 간결하고 친환경적인 장점이 있다. 또한, 상온에서도 빠른 속도로 스트론튬을 고정화할 수 있어 산업현장에 적용되기에 충분하며, 스트론튬이 최종적으로 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)의 형태로 고정되기 때문에 자원의 재활용이라는 측면에서도 효용성을 가진다.
다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 제주도 북제주군 우도의 서광리 해안에서 채취된 홍조단괴의 사진이다.
도 2는 제주도 북제주군 우도의 서광리 해안에서 채취된 홍조단괴를 X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD)한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물 내에 존재하는 미생물들의 16S rRNA-DGGE 분석 결과를 나타내는 계통분석도이다.
도 4는 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물에 의하여 스트론튬 탄산염광물이 생성되는 과정 및 결과를 나타내는 사진이다.
도 5는 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물에 의하여 생성된 스트론튬 탄산염광물을 XRD로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물에 의하여 생성된 스트론튬 탄산염광물을 SEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
도 2는 제주도 북제주군 우도의 서광리 해안에서 채취된 홍조단괴를 X-선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD)한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물 내에 존재하는 미생물들의 16S rRNA-DGGE 분석 결과를 나타내는 계통분석도이다.
도 4는 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물에 의하여 스트론튬 탄산염광물이 생성되는 과정 및 결과를 나타내는 사진이다.
도 5는 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물에 의하여 생성된 스트론튬 탄산염광물을 XRD로 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물에 의하여 생성된 스트론튬 탄산염광물을 SEM-EDS로 분석한 결과를 나타낸 그림 및 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1.
스트론튬의 고정 방법
본 발명의 일 측면은 홍조단괴 유래 미생물을 농화배양하는 단계; 및 상기 농화배양된 미생물을 오염수에 처리하고 반응시킴으로써, 오염수 내의 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)로 고정시키는 단계를 포함하는 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법을 제공한다.
본 발명의 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법은 1)홍조단괴 유래 미생물을 농화배양하는 단계; 및 2)상기 단계 1)에서 농화배양된 미생물을 오염수에 처리하고 반응시킴으로써, 오염수 내의 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물로 고정시키는 단계를 포함한다.
상기 단계 1)의 상기 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양은 1')홍조단괴를 채취하는 단계; 및 2')상기 단계 1')에서 채취된 홍조단괴를 D-1 배지(Sanchez-Roman et al., 2009/Sanchez-Roman et al., 2011), MH(Mueller-Hinton) 배지(Rodroguez-Valera et al., 1981) 및 살린(Saline) 배지(Chahal et al., 2011)로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 배지에 넣고 호기적 환경에서 배양하는 단계를 포함하는 배양방법에 의하여 수행된다. 상기와 같은 배지의 조성은 하기 표 1과 같다.
상기 단계 1')의 홍조단괴는 세포 내 혹은 세포벽 사이에 탄산염광물인 방해석을 침전시키면서 자라는 홍조류에 의하여 방해석의 주성분인 탄산칼슘이 침전되어 형성된 자생광물의 집합체이다. 즉, 상기 홍조단괴는 홍조류에 의해서 탄산칼슘이 침전되어 형성된 단괴(nodule)를 의미한다. 상기 홍조단괴를 구성하는 탄산칼슘은 홍조류의 생물학적 대사에 의하여 침전되는데, 상기 탄산칼슘은 홍조류 주위에 존재하는 방해석과 같은 탄산염광물에서 유래한다. 상기 탄산염광물은 다양한 원인에 의하여 생성된 것일 수 있지만, 그 중 한 가지 원인으로 탄산염광물 생성 미생물의 대사에 의하여 생성될 수 있고, 이러한 탄산염광물을 생성하는 미생물은 상기 홍조단괴에도 존재할 수 있다. 따라서, 상기 단계 1')에서 이용되는 홍조단괴는 탄산염광물 생성 미생물의 소스(source)가 된다.
상기 단계 1')의 홍조단괴는 탄산염광물 생성 미생물을 포함한다. 상기 탄산염광물 생성 미생물은 대사과정에서 수중의 용존 금속 양이온, 더욱 바람직하게는 스트론튬 양이온을 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온과 결합시켜 탄산염광물을 형성하는 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli)을 비롯한 홍조단괴에 서식하면서 탄산염광물 형성에 기여하는 다양한 미생물을 모두 포함한다.
상기 단계 1')의 홍조단괴는 크기가 3 ㎝ 내지 10 ㎝인 것을 채취하는 것이 바람직하고, 상기 홍조단괴는 크기가 5 ㎝ 내지 7 ㎝인 것을 채취하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 홍조단괴의 크기가 3 ㎝ 보다 작으면 상기 탄산염 생성 미생물의 절대적인 수가 적은 문제가 있고, 상기 홍조단괴의 크기가 10 ㎝ 보다 크면 상기 홍조단괴의 단위 면적당 존재하는 탄산염 생성 미생물의 수, 즉 탄산염 생성 미생물의 밀도가 낮아지는 문제가 있기 때문에 상기 단계 2')에서 미생물을 농화배양하는 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 제주도 북제주군 우도의 서광리 해안에서 채취된 크기가 5 ㎝ 내지 7 ㎝인 홍조단괴를 이용하여 탄산염광물 생성 미생물을 농화배양하였다(도 2 참조).
상기 단계 2')의 배지는 탄산염 생성 미생물을 농화배양하는데 이용되는 배지라면 제한되지 않고 이용될 수 있으나, D-1 배지, MH 배지, 살린(Saline) 배지 등이 이용될 수 있다. 상기와 같은 배지는 탄산염 생성 미생물의 성장에 필요한 효모추출물(yeast extract)과 프로테오스 펩톤(proteose-peptone) 또는 영양 배지(nutrient broth)를 포함하고 있기 때문에, 미생물의 성장에 적합하며, NaCl이 포함되어 있어 바다에서 서식하는 미생물이 성장하기에 적합하다.
상기 단계 2')의 배지에는 칼슘 양이온, 마그네슘 양이온 또는 스트론튬 양이온이 첨가된 것이 바람직하다. 홍조단괴 내에 존재하는 미생물들 중 탄산염광물의 생성에 관여하는 미생물을 농화배양하기 위해서, 상기 미생물들이 생물학적 대사 과정에서 CO3 2-를 탄산염광물로 고정하기 위해 이용하는 칼슘 양이온, 마그네슘 양이온 또는 스트론튬 양이온 등과 같은 양이온을 배지에 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 칼슘 양이온, 마그네슘 양이온 또는 스트론튬 양이온의 첨가는 칼슘염, 마그네슘염 또는 스트론튬염을 첨가하는 것이 바람직하고, 상기 칼슘 양이온, 마그네슘 양이온 또는 스트론튬 양이온의 첨가는 칼슘 아세테이트, 마그네슘 아세테이트 및 스트론튬 아세테이트로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 첨가하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 단계 2')의 배양은 홍조단괴가 존재하는 해양환경과 유사한 호기적 환경에서 수행된다. 본 발명의 구체적인 실시예에서 이용한 제주도 우도 유래의 홍조단괴는 주도 우도의 천해환경에서 주로 형성되어 존재하는데, 상기 홍조단괴는 홍조류에 의하여 형성되었다고 보고된 바 있다. 그러나, 상기 홍조단괴를 형성하는 핵의 역할을 하는 물질이 형성되는 메카니즘에 관하여는 밝혀진 바가 없다. 이에, 본 발명자들은 홍조단괴 내에 존재하는 미생물들이 홍조단괴 형성 과정에서 최초 핵의 역할을 할 수 있는 탄산칼슘을 형성할 수 있을 것으로 판단하였다. 따라서, 홍조단괴가 형성될 수 있는 지역의 환경과 유사한 호기성 조건을 형성하여 홍조단괴 내의 미생물을 농화배양하였다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 제주도 북제주군 우도의 서광리 해안에서 채취된 홍조단괴를 Agate와 Mortar를 이용하여 분쇄한 후, 분쇄된 홍조단괴 약 5 g을 D-1 배지에 넣고, 칼슘 아세테이트 및 마그네슘 아세테이트 혼합물를 주입한 후에 7일 동안 호기성 조건 하에서 배양하여 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물을 수득하였다.
상기 단계 2)의 농화배양된 미생물은 비브리오 알기놀리티쿠스(Vibrio alginolyticus), 비브리오 오웬시이(Vibrio owensii), 비브리오 쿠이(Vibrio xuii), 비브리오 블니피쿠스(Vibrio vulnificus), 비브리오 플루비알리스(Vibrio fluvialis), 비브리오 네레이스(Vibrio nereis), 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli), 바고코커스 플루비알리스(Vagococcus fluvialis), 푸소박테리움 페르포에텐스(Fusobacterium perfoetens), 틴달리아 캘리포그니엔시스(Tindallia californiensis), 아르코박터 마리누스(Arcobacter marinus), 파라박테로이데스 고르도니이(Parabacteroides gordonii) 및 프로릭시박터 벨라리이보란스(Prolixibacter bellariivorans)로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 미생물을 포함할 수 있고, 상기 미생물은 비브리오 알기놀리티쿠스(Vibrio alginolyticus), 비브리오 오웬시이(Vibrio owensii), 비브리오 쿠이(Vibrio xuii), 비브리오 블니피쿠스(Vibrio vulnificus), 비브리오 플루비알리스(Vibrio fluvialis), 비브리오 네레이스(Vibrio nereis), 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis) 및 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli)로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 미생물을 포함하는 것이 더욱 바람직하나 이에 한정되지 아니한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서 상기 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물 내에 존재하는 철환원미생물의 다양성을 확인하기 위하여 16S rRNA-DGGE 분석을 실시한 결과, 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis) 및 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli)를 비롯한 다양한 종의 미생물이 확인되었다(도 3 참조).
상기 단계 2)의 오염수는 인위적 산업활동에 의해 과다하게 유발된 스트론튬이 용해된 물을 의미하는 것으로, 고정 대상이 되는 스트론튬이 용해되어 있는 해수 또는 담수이다. 상기 고정 대상이 되는 스트론튬은 용해되어 상기 해수 또는 담수 중에서 스트론튬 양이온(Sr2+)의 형태로 존재할 수 있다. 상기 오염수에는 스트론튬 외에도 다양한 음이온이 존재할 수 있다. 특히, 상기 음이온은 탄산 음이온(CO3 2-) 또는 탄산수소 음이온(HCO3 -)일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온은 상기 오염수 내에 존재하는 스트론튬 양이온과 결합하여 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트의 형태로 고정되는데, 본 발명에서는 상기 음이온과 양이온의 결합이 홍조단괴 유래의 미생물의 생물학적 대사에 의해서 촉진된다.
상기 단계 2)의 처리는 상기 오염수에 상기 단계 1)에서 농화배양된 홍조단괴 유래 미생물을 주입하는 것으로, 상기 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물은 상기 오염수의 전체 부피에 대하여 0.5 w/v% 내지 1.5 w/v%의 농도로 주입되는 것이 바람직하다. 상기 농화배양물이 상기 오염수의 전체 부피에 대하여 0.5 w/v% 보다 낮은 농도로 주입되면, 오염수 내 용존 스트론튬이 고정되는데 오랜 시간이 소요되는 문제가 있다. 또한 상기 농화배양물이 상기 오염수의 전체 부피에 대하여 1.5 w/v% 보다 높은 농도로 주입되면, 상기 농화배양물 내의 과잉 미생물의 호흡에 의해 용존 산소의 농도가 낮아져 오염수가 혐기성 환경이 되고, 결국에는 부패하게 되는 문제가 있다. 따라서, 오염수에 처리되는 미생물의 양을 적절하게 조절하는 것이 매우 중요한 바, 상기 농화배양물의 농도를 적절히 조절하여 처리할 필요가 있다.
상기 단계 2)의 처리는 상기 오염수에 상기 단계 1)의 농화배양물과 함께 추가적으로 탄산 음이온(CO3 2-) 또는 탄산수소 음이온(HCO3 -)의 주입이 병행될 수 있다. 특히, 오염수 내 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온의 농도가 낮은 경우, 오염수 내의 스트론튬 양이온이 탄산염광물로 쉽게 고정되지 않기 때문에 이를 보다 원활하게 하기 위하여 상기 탄산 음이온(CO3 2-) 또는 탄산수소 음이온(HCO3 -)을 공급해 주는 것이다. 상기 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온의 공급은 탄산염 또는 탄산수소염을 처리함으로써 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다.
상기 단계 2)의 반응은 주입된 상기 단계 1)의 농화배양물 내 홍조단괴 유래 미생물이 상기 오염수 내에서 생물학적 대사를 진행하여 오염수 내의 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트의 형태로 고정하는 과정으로서, 상기 농화배양물 내의 홍조단괴 유래 미생물이 호기성 미생물인 바, 산소가 충분히 공급되는 호기성 조건에서 진행되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 농화배양물 내 홍조단괴 유래 미생물들은 생물학적 대사를 통해 용존 스트론튬 양이온을 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온과 결합시킴으로써 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트를 형성하고, 상기 스트론티아나이트의 형태로 수중 용존 스트론튬을 고정한다. 또한, 상기 반응은 상온, 상압의 조건에서 7일 동안 진행되는 것이 바람직하다. 상기 반응은 상기 농화배양물 내에 포함된 다양한 미생물들의 복합적인 상호작용을 통하여 보다 빠른 속도로 탄산염으로 고정한다.
상기 단계 2)의 탄산염광물은 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)일 수 있으나, 상기 오염수 내에 스트론튬 양이온의 농도 보다 칼슘 양이온 또는 마그네슘 양이온의 농도가 상대적으로 높으면 탄산칼슘 또는 탄산 마그네슘으로 구성되는 방해석으로 탄산염광물이 생성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 1.0 w/v%의 홍조단괴 유래 미생물 농화배양물을 100 mmol의 스트론튬-아세테이트와 함께 오염수에 첨가하여 7일 동안 배양한 결과, 4일이 경과하면서부터 삼각플라스크 내의 탁도가 증가하면서 먼저 하얀 침전물이 생성되기 시작하였고, 7일이 경과하면서 부터는 상당량의 침전물이 관찰됨을 확인하였다(도 4 참조). 또한, 상기 침전물의 XRD 분석 결과, d(104) 피크는 3.52 Å으로 측정되어 스트론티아나이트인 것으로 확인되었고(도 5 참조), SEM-EDS 분석 결과, 상기 침전물이 구형의 스트론티아나이트를 관찰할 수 있었다(도 6 참조).
2.
스트론튬의 고정용 조성물
본 발명의 다른 측면은 홍조단괴 유래 미생물들의 농화배양물을 유효성분으로 포함하고, 오염수 내 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트의 형태로 고정시키는 오염수 내 용존 스트론튬 고정용 조성물을 제공한다.
본 발명의 오염수 내 용존 스트론튬 고정용 조성물은 홍조단괴 유래 미생물들의 농화배양물을 유효성분으로 포함한다.
상기 오염수 내 용존 스트론튬 고정용 조성물은 상기 "1. 스트론튬의 고정 방법 "에서 구체적으로 설명된 스트론튬 고정 방법에 이용되는 조성물이다. 따라서, 상기 조성물의 이용 방법에 대한 설명은 상기 1. 스트론튬의 고정 방법 "의 설명을 원용하고, 이하에서는 본 발명의 조성물에 대한 다른 특성만을 설명하도록 한다.
상기 조성물의 제조에 이용되는 홍조단괴는 상기 "1. 스트론튬의 고정 방법 "항목에서 구체적으로 설명된 바와 동일하다. 따라서, 상기 조성물의 제조에 이용되는 홍조단괴 또한 탄산염광물 생성 미생물을 포함하고, 상기 홍조단괴 유래 미생물은 대사과정에서 수중의 용존 금속 양이온을 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온과 결합시켜 탄산염광물을 형성하는 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli)을 비롯한 홍조단괴에 서식하면서 탄산염광물 형성에 기여하는 다양한 미생물을 의미한다.
상기 농화배양물은 상기 "1. 스트론튬의 고정 방법 "항목에서 구체적으로 설명된 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양 방법에 의하여 제조될 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 단계 1') 및 단계 2')를 포함하는 농화배양 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기 농화배양물은 브리오 알기놀리티쿠스(Vibrio alginolyticus), 비브리오 오웬시이(Vibrio owensii), 비브리오 쿠이(Vibrio xuii), 비브리오 블니피쿠스(Vibrio vulnificus), 비브리오 플루비알리스(Vibrio fluvialis), 비브리오 네레이스(Vibrio nereis), 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli), 바고코커스 플루비알리스(Vagococcus fluvialis), 푸소박테리움 페르포에텐스(Fusobacterium perfoetens), 틴달리아 캘리포그니엔시스(Tindallia californiensis), 아르코박터 마리누스(Arcobacter marinus), 파라박테로이데스 고르도니이(Parabacteroides gordonii) 및 프로릭시박터 벨라리이보란스(Prolixibacter bellariivorans)로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 미생물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 본 발명의 구체적인 실시예에서 상기 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물 내에 존재하는 철환원미생물의 다양성을 확인하기 위하여 16S rRNA-DGGE 분석을 실시한 결과, 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis) 및 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli)를 비롯한 다양한 종의 미생물이 확인되었다(도 3 참조).
상기 조성물은 상기 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물에 탄산 음이온(CO3 2-) 또는 탄산수소 음이온(HCO3 -)을 추가적으로 포함할 수 있다. 특히, 오염수 내 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온의 농도가 낮은 경우, 오염수 내의 스트론튬 양이온이 탄산염광물로 쉽게 고정되지 않기 때문에 이를 보다 원활하게 하기 위하여 상기 탄산 음이온(CO3 2-) 또는 탄산수소 음이온(HCO3 -)을 공급해 주는 것으로서, 상기 조성물에 탄산염 또는 탄산수소염을 추가함으로써 포함될 수 있다.
상기 오염수는 인위적 산업활동에 의해 과다하게 유발된 스트론튬 금속이 용해된 물을 의미하는 것으로, 고정 대상이 되는 스트론튬이 용해되어 있는 해수 또는 담수이다. 상기 고정 대상이 되는 스트론튬은 용해되어 상기 해수 또는 담수 중에서 스트론튬 양이온(Sr2+)의 형태로 존재할 수 있다. 상기 오염수에는 스트론튬 외에도 다양한 음이온이 존재할 수 있다. 특히, 상기 음이온은 탄산 음이온(CO3 2-) 또는 탄산수소 음이온(HCO3 -)일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온은 상기 오염수 내에 존재하는 스트론튬 양이온과 결합하여 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)의 형태로 고정되는데, 본 발명에서는 상기 음이온과 양이온의 결합이 홍조단괴 유래의 미생물의 생물학적 대사에 의해서 촉진된다. 상기 조성물에 포함된 농화배양물 내 다양한 미생물들은 복합적인 상호작용을 통하여 상기 음이온과 양이온의 결합을 보다 효과적으로 촉진할 수 있다.
상기 조성물이 상기 오염수 내에 처리되면, 상기 조성물에 포함된 농화배양물 내 홍조단괴 유래 미생물이 상기 오염수 내에서 생물학적 대사를 진행하여 오염수 내의 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물의 형태로 고정하게 되고, 상기 스트론튬 탄산염광물은 스트론티아나이트일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 1.0 w/v%의 홍조단괴 유래 미생물 농화배양물을 100 mmol의 스트론튬-아세테이트와 함께 오염수에 첨가하여 7일 동안 배양한 결과, 4일이 경과하면서부터 삼각플라스크 내의 탁도가 증가하면서 먼저 하얀 침전물이 생성되기 시작하였고, 7일이 경과하면서 부터는 상당량의 침전물이 관찰됨을 확인하였다(도 4 참조). 또한, 상기 침전물의 XRD 분석 결과, d(104) 피크는 3.52 Å으로 측정되어 스트론티아나이트인 것으로 확인되었고(도 5 참조), SEM-EDS 분석 결과, 상기 침전물이 구형의 스트론티아나이트를 관찰할 수 있었다(도 6 참조).
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
홍조단괴의 채취 및 분석
<1-1>
우도 주변 해수의 특성 분석
제주도 우도 각 해변 해수의 화학적 특성을 알아보기 위하여 pH를 측정하고, ICP-AES(inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry) 분석을 실시하였다. 해수의 pH는 약 50 ml의 해수시료를 채취한 다음, Orion pH meter를 이용하여 측정하였다. 상기 pH meter는 pH가 각각 4, 7, 10인 용액으로 pH를 측정한 후 보정하여, 해수의 pH를 측정하였다. 해수 내 존재하는 양이온의 양을 측정하기 위하여 해수시료를 채취한 후에 침전물이 형성되지 않도록 질산을 1 ㎖ 추가한 후에 기초과학지원연구원 서울분소에 분석을 의뢰하여 측정하였다.
pH 측정 결과, 제주도 우도 주변 해수는 평균적으로 5 내지 8 정도로 약산성과 중성 사이인 것으로 측정되었다(표 2). 또한 ICP-AES 분석 결과, 제주도 우도 주변 해수 내의 칼슘 이온(Ca2+) 농도는 약 400 ㎎/ℓ인 것으로 측정되었다(표 3).
일반적으로 탄산염 광물인 방해석(CaCO3)이 염기성 환경(pH= 9.3 내지 9.8) 및 높은 포화도(Saturation Index = 1 내지 1.4)(포화도란, Ca와 CO3 2-의 농도가 높아 화학적으로 CaCO3가 침전될 수 있는 농도를 의미한다.)의 상온 조건에서 화학적으로 형성된다는 점을 고려할 때, 제주도 우도 해변 중, 서쪽 서광리 해빈에서 발견되는 홍조단괴는 화학적인 작용이 아닌 다른 생성원인에 의하여 형성되었음을 알 수 있다.
<1-2>
홍조단괴의
채취
제주도 우도 서쪽 서광리 해빈 근처에서 간조 때를 이용하여 해수 안에 존재하는 크기 5 ㎝ 내지 7 ㎝의 홍조단괴를 손으로 직접 채취하였다(도 1).
홍조단괴 유래 미생물의 농화배양 및 분석
<2-1>
홍조단괴 유래 미생물의 농화배양 방법
상기 실시예 <1-2>에서 채취한 홍조단괴를 Agate와 Mortar를 이용하여 분쇄하였다. 상기 홍조단괴의 분쇄물 5 g을 상기 표 1과 같은 조성의 D-1 배지 100 ㎖가 담긴 500 ㎖의 삼각 플라스크병에 주입하고, 산소와 이산화탄소의 유입이 가능한 스펀지로 삼각플라스크의 입구를 막은 후에 햇빛이 비치는 상온 및 상압의 실험실 조건에서 7일 동안 배양하여, 탄산염 생성 미생물을 농화배양하였다(도 2). 상기 탄산염 생성 미생물의 농화배양에 이용된 D-1 배지는 121 ℃에서 20분 동안 고압멸균한 다음 이용하였다.
<2-2>
홍조단괴 유래 탄산염 생성 미생물의 농화배양물에 대한 분석
상기 실시예 <2-1>에서 농화배양한 홍조단괴 유래 탄산염 생성 미생물의 농화배양물 내에 존재하는 철환원미생물의 다양성을 확인하기 위하여 농화배양된 미생물에서 핵산을 추출한 후 PCR을 이용하여 16S rRNA 분석을 실시하였다. 추출된 미생물의 핵산 1 ㎕을 주형으로 하여 universal primer로 알려진 9F (5'-GAG TTT GAT CCT GGC TCA G-3'), 1542R (5'-AGA AAG GAG GTG ATC CAG CC-3') 프라이머, 0.1 ㎕의 Taq 폴리머라제(Taq polymerase) (5 unit/㎕, TAKARA), 2 ㎕의 10X PCR 버퍼 및 1.6 ㎕의 dNTP의 반응 혼합물 20 ㎕를 만들어 세균의 16S rRNA의 일부를 PCR로 증폭하였다. PCR 증폭 산물은 1% 아가로즈 젤 전기영동(Agarose gel electrophrosis)시킨 뒤 EtBr(ethidium bromide)로 염색(stain)한 다음, PCR 산물의 생성여부를 확인하였다. 상기 PCR 산물은 다시 GC 클램프(clamp)가 붙은 프라이머를 이용하여 증폭한 후, DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)를 실시하였다. 상기 DGGE상의 밴드(band)를 추출하여 염기서열 분석을 수행하였다.
그 결과, 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis) 및 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli)를 비롯하여, 비브리오 알기놀리티쿠스(Vibrio alginolyticus), 비브리오 오웬시이(Vibrio owensii), 비브리오 쿠이(Vibrio xuii), 비브리오 블니피쿠스(Vibrio vulnificus), 비브리오 플루비알리스(Vibrio fluvialis), 비브리오 네레이스(Vibrio nereis), 바고코커스 플루비알리스(Vagococcus fluvialis), 푸소박테리움 페르포에텐스(Fusobacterium perfoetens), 틴달리아 캘리포그니엔시스(Tindallia californiensis), 아르코박터 마리누스(Arcobacter marinus), 파라박테로이데스 고르도니이(Parabacteroides gordonii) 및 프로릭시박터 벨라리이보란스(Prolixibacter bellariivorans) 등, 총 234 종의 미생물이 확인되었다(도 3).
상기와 같은 미생물들은 홍조단괴의 생성에 한 역할을 하였을 것으로 예측된다. 즉, 상기와 같은 홍조단괴는 상기와 같은 미생물들, 특히 탄산염 생성 미생물들의 대사에 의하여 수중의 용존 스트론튬이 수중의 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온과 결합하여 고정되고 스트론튬 탄산염광물이 형성되는 메커니즘에 의해 형성되는 것으로 판단된다. 또한, 이러한 스트론튬 탄산염광물의 형성 과정은 상기와 같은 다양한 미생물들은 복합적인 상호작용을 통하여 보다 빠른 속도로 탄산염으로 고정하는 것으로 판단된다.
수중 용존 스트론튬의 고정 및 스트론튬 탄산염광물의 합성
<3-1>
수중 용존 스트론튬의 고정 및 스트론튬 탄산염광물의 합성
표 1과 같은 조성의 고압멸균한 D-1 배지 100 ㎖가 담긴 500 ㎖의 삼각 플라스크병에 상기 실시예 <2-1>에서 농화배양한 배양물(이하, '농화배양물'이라 한다.)을 상기 배지의 부피를 기준으로 1 w/v%의 농도로 접종한 후, 100 mmol의 Sr-아세테이트를 첨가하여 햇빛이 비치는 산소와 이산화탄소의 유입이 가능한 스펀지로 삼각플라스크의 입구를 막은 후에 햇빛이 비치는 상온 및 상압의 실험실 조건에서 7일 동안 반응시켰다.
그 결과, 4일이 경과하면서부터 삼각플라스크 내의 탁도가 증가하면서 가장 먼저 하얀 침전물이 생성되기 시작하였고, 7일이 경과하면서 부터는 상당량의 침전물이 관찰되었다(도 4).
<3-2>
생성된 침전물의 지화학적 및 광물학적 특성 분석
상기 실시예 <3-1>에서 생성된 침전물의 지화학적 및 광물학적 특성을 분석하기 위하여, XRD 및 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 상기와 같은 분석을 위하여 생성된 침전물을 원심분리기를 이용하여 분리한 후에, 침전물을 상온에서 건조한 후에 건조된 침전물에 대하여 XRD, XRF 및 SEM-EDS을 실시하였다.
생성된 침전물의 XRD 분석 결과, d(104) 피크는 3.52 Å으로 측정되어 스트론티아나이트인 것으로 확인되었다(도 5). 또한 SEM-EDS 분석 결과, 상기 침전물이 구형의 스트론티아나이트를 관찰할 수 있었다(도 6).
상기와 같은 결과로부터, 상기 실시예 <3-1>에서 생성된 침전물은 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트의 형태로 고정됨을 알 수 있고, 상기 실시예 <2-1>의 농화배양물을 이용하여 홍조단괴 유래 미생물들이 대사에 의해 홍조단괴를 형성하는 원리를 이용하여 수중의 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물로 고정시킬 수 있음을 확인하였다.
Claims (6)
- 홍조단괴 유래 미생물을 농화배양하는 단계; 및
상기 농화배양된 미생물을 오염수에 처리하고 호기성 조건에서 반응시키는 단계를 포함하고,
상기 오염수 내 용존 스트론튬은 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)로 고정되는 것인 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 미생물을 농화배양하는 단계는
홍조단괴를 채취하는 단계; 및
상기 채취된 홍조단괴를 칼슘염 또는 마그네슘염이 포함된 D-1 배지, MH 배지 및 살린(Saline) 배지로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 배지에 넣고 호기적 환경에서 배양하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법. - 제2항에 있어서, 상기 칼슘염 또는 마그네슘염은 칼슘 아세테이트, 마그네슘 아세테이트, 및 칼슘아세테이트와 마그네슘 아세테이트의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 농화배양된 미생물은 상기 오염수의 전체 부피에 대하여 0.5 w/v% 내지 1.5 w/v%의 농도로 처리되는 것을 특징으로 하는 오염수 내 용존 스트론튬의 고정 방법.
- 홍조단괴 유래 미생물들의 농화배양물을 유효성분으로 포함하고, 오염수 내 용존 스트론튬을 스트론튬 탄산염광물인 스트론티아나이트(strontianite, SrCO3)로 고정시키는 오염수 내 용존 스트론튬 고정용 조성물.
- 제5항에 있어서, 상기 홍조단괴 유래 미생물의 농화배양물은 비브리오 알기놀리티쿠스(Vibrio alginolyticus), 비브리오 오웬시이(Vibrio owensii), 비브리오 쿠이(Vibrio xuii), 비브리오 블니피쿠스(Vibrio vulnificus), 비브리오 플루비알리스(Vibrio fluvialis), 비브리오 네레이스(Vibrio nereis), 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli), 바고코커스 플루비알리스(Vagococcus fluvialis), 푸소박테리움 페르포에텐스(Fusobacterium perfoetens), 틴달리아 캘리포그니엔시스(Tindallia californiensis), 아르코박터 마리누스(Arcobacter marinus), 파라박테로이데스 고르도니이(Parabacteroides gordonii) 및 프로릭시박터 벨라리이보란스(Prolixibacter bellariivorans)로 구성된 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염수 내 용존 스트론튬 고정용 조성물.
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