KR20170025283A

KR20170025283A - 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치 및 이를 이용한 중금속 정화방법

Info

Publication number: KR20170025283A
Application number: KR1020150121537A
Authority: KR
Inventors: 오석진; 권형규; 전진영; 이성호
Original assignee: 부경대학교 산학협력단
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-08
Also published as: KR101725655B1

Abstract

본 발명은 본 발명은 일정 부피를 갖고 미세조류를 생장시킬 수 있는 반투막 주머니, 반투막주머니의 양단 또는 일단에 고정되어 반투막주머니를 밀폐시킬 수 있는 실링클립, 실링클립의 일면에 장착되고 반투막주머니 내부에 빛을 공급할 수 있는 LED, LED에 에너지를 공급할 수 있는 전기공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물의 식물정화장치를 제공함으로써 친환경적으로 중금속을 정화하고 중금속을 흡수 또는 흡착한 미세조류는 상위영양단계의 생물로 먹이전송이 되지 않게 회수하여 바이오오일 등의 산업화에 이용 가능하도록 한 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물의 식물정화장치를 제공한다.

Description

발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치 및 이를 이용한 중금속 정화방법{Phytoremediation apparatus for heavy metal contaminated sediment using LED and microalgae and phytoremediation method of use thereof}

본 발명은 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치 및 정화방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 미세조류를 반투막 주머니에 격리시켜 미세조류의 중금속 흡수 및 흡착능력이 증가하는 발광다이오드 파장을 이용하여 중금속 오염퇴적물을 현장에서 중금속을 반투성막 내에서 미세조류가 흡수 또는 흡착시켜 상위영양단계의 생물로 먹이전송이 되지 않도록 회수하여 바이오오일 등의 산업화에 이용하도록 한 중금속 오염퇴적물 정화장치에 관한 것이다.

연안퇴적물의 경우, 특히 주요항구 및 산업단지 인근해역의 경우 여러 경로를 통하여, 연안해역으로 유입이 되어, 연안퇴적물이 중금속이 심각하게 오염이 되어 있는 실정이다. 이를 정화하기 위한 항만 및 하천 정비사업으로 인해 많은 양의 준설토가 발생하고 있고, 이 준설토의 적절한 처리와 관련하여 정부, 학계, 시민단체 등에서 논의가 활발히 진행되고 있다. 특히, 항로유지 및 오염해역 준설사업으로 발생하는 준설토는 현재 폐기물로 분류되어 단순히 외해에 투기하거나 또는 육상매립용 토양으로 처리되고 있어, 환경오염의 문제가 있으며 이를 처리하는 데에 막대한 비용이 소요되고 있다.

국내외로 육상의 토양오염 정화는 입자분리, 세척, 추출, 화학적처리, 생물학적처리, 고형/안정화, 열처리 등 7가지 정화기술이 주로 사용되고 있다. 해양퇴적물은 토양과 하천 퇴적물에 비해 대개 입자의 크기가 작은 입경 4~63 μm 정도의 니질과 입경 4 μm 이하의 점토질로 구성되고, 유기물 함량이 많으며, 염분을 함유하고 있다. 또한 입자가 작아질수록 표면적이 증가하므로, 오염물질들이 흡착 또는 결합하기가 용이하여 오염도는 상대적으로 증가한다. 특히, 항만퇴적물은 Cu, Pb, Zn의 오염도가 상대적으로 높은 것으로 알려져 준설토 처분에 의한 2차적인 오염을 방지하기 위해서는 적절한 조치가 필요한 실정이다.

미국, 유럽, 일본 등의 경우, 해저면에서 제거(준설)한 오염된 퇴적물에 함유된 중금속을 제거하기 위하여, 오염 물질들의 제거 원리가 유사한 상기 7가지 토양오염 정화기술이 주로 사용되고 있으며, 준설토는 재활용하거나 연안, 육상, 해상 등에서 고립처분하고 있다. 국내의 경우는 항만준설토의 약 90%가 연안투기장에 매립되거나 외해투기로 처리되고 있으며, 약 10%만 재활용되고 있는 실정이다. 특히, 해양오염 퇴적물에 활용 가능한 오염토양 정화기술은 미세입자(입경 75 μm 이하)에 함유된 중금속 제거에 한계가 있기 때문에 매우 제한된다.

한편, '생물환경복원'은 환경오염물질을 분해 또는 제거하는데 생물의 능력을 이용하는 친환경적인 환경복원 방법이다. 생물을 이용한 복원방법 중 식물의 이용 또는 미생물의 이용에 따라서 식물환경복원(phytoremediation)과 미생물환경복원(bioremediation)으로 구분한다. 이들 복원기법은 물리화학적인 기술에 비해 비용이 1/10~1/6에 지나지 않는데, 이는 식물이 정화에 필요한 에너지를 태양 에너지로부터 얻기 때문이다. 또한 복원을 위한 공학적 방법이나 화학적 방법에 비해 2차 오염의 위험이 적으며, 생태계와 생물다양성을 보호하기에 친환경적이다. 최근에 이러한 복원기법을 바탕으로 육상과 해양에서 박테리아부터 식물 등의 환경정화생물을 이용하여 오염물질을 제거하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다.

미생물의 중금속에 대한 반응기작은 크게 대사 비의존형과 대사 의존형의 두 가지로 구분할 수 있다. 대사 비의존형은 살아 있는 세포 또는 죽은 세포의 세포벽 표면에 있는 리간드나 작용기와 금속이온이 복합체를 형성하여 흡착시키게 되는 과정을 의미한다. 미생물의 세포벽 성분인 단백질, 핵산 및 다당류 등의 생체고분자(biopolymer)가 중금속을 결합할 수 있는 부위(sites)를 가지고 있으며, 세포벽에 카르복실기(carboxyl), 황산기(sulfhydryl), 수산기(hydroxyl), 인산기(phosphate) 및 아미노기(amino)와 같은 음이온으로 하전된 리간드기는 양이온이 대부분인 중금속과의 결합능이 우수하다. 또한 이들 리간드의 종류에 따라서 미세조류는 특정 중금속에 대한 선택성을 가진다.

미생물의 대사 의존형 반응기작은 살아있는 세포가 에너지를 소비하여 세포내로 금속을 전달시켜, 무기금속화합물 동화과정을 거치면서 체내에 축적하는 것을 의미한다. 특히, 전자전달계(electron transport system)와 효소 등과 같은 특수화된 세포기능이 개입하여 세포막을 거쳐 세포내로 중금속이 유입된다. 이때, 금속전달 시스템은 매우 다양한 특이성을 가지며, 금속이 세포내로 전달된 후 액포(vacuole)와 같은 특정 소기관 내에 분산되는 것으로 알려져 있다.

최근에는 식물환경복원의 일환으로 미세조류(microalgae)를 이용한 폐수처리, 중금속 흡착, 이산화탄소의 생물학적 고정화 등 미세조류의 환경정화 능력이 주목받고 있다. 미세조류는 폐수 속의 질소나 인과 같은 영양염을 흡수하여 성장하고, Fe, Cu, Zn, Ni, Co, Mg, Mn 등과 같은 미량 금속을 세포 내에서 촉매로 사용하거나, 구조지지체 또는 생화학적 기작에 사용한다. 금속이온 중 Fe은 산화환원 전자전달계의 시토크롬(cytochrome), Mg은 엽록소의 핵심적인 구성성분, Mo은 질소고정효소인 nitrogenase의 조효소의 구성인자로서 세포 내에서 필수적인 역할을 한다. 또한 Cu와 Zn 등도 성장을 위해 필수적인 미량성분이다. 이외에도 Cd, Pb, Ag과 같은 중금속을 흡착하여 제거할 수 있고, 특정 종은 방사능 물질을 흡수하는 것으로도 보고된 바 있다.

그러나, 중금속을 흡착하거나 흡수한 미생물 또는 미세조류가 생태계에서 순환되면 먹이사슬의 상위단계로 중금속이 집적될 위험이 있다. 따라서 미세조류를 오염 토양, 폐수, 또는 오염 준설토 등의 처리에 이용하여 환경문제 해결에 적합하게 적용하는 연구 개발이 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-0697671호에는 해상, 호상, 하상 퇴적토, 항만준설토, 논토양 및 하수처리과정의 슬러지 등의 통기불량, 배수불량의 문제점을 가진 모든 점토질성 미립토의 물리성의 문제와 생장에 부적합한 pH, 과다 이온 등의 치환 등 화학성 문제를 개량하고, 산업 발달로 인하여 중금속 등에 오염된 토양을 복원하기 위하여 칼슘, 마그네슘, 철, 또는 알루미늄화합물 및 수목 수피나 참나무류 목질을 분쇄하여 완전 발효시킨 유기물 등을 포함하는 점토질성 미립토의 토양 개량제를 개시하고 있다. 대한민국 등록특허 제10-1033023호에는 준설토의 매립량을 최소화하고, 자원으로서의 재활용을 극대화하며, 특히 유기물 및 중금속으로 오염된 미세 준설토를 친환경적으로 처리하여 오염 준설토의 효율적인 처리를 증대시키도록 하기 위하여 유입된 준설 퇴적토로부터 소정 입도 이하의 오염토를 선별하고, 선별된 오염토를 공정수와 혼합한 혼합수에 처리 공정에 필요한 약품이나 재료를 투입하고, 오염토와 공정수가 혼합된 혼합수로부터 금속성 물질을 분리하고, 유기물은 산화시키는 방법을 포함하는 오염퇴적토 처리 방법 및 처리 시스템을 개시하고 있다. 대한민국 공개특허 제10-2013-0108851호에는 조류가 에너지원을 얻는 광합성에 필요한 빛 에너지 파장 중에서 청색광의 세기를 조절함으로써 적조를 이루는 조류가 광합성을 활성화 또는 광합성 시스템의 이상을 초래하도록 하여 친환경적인 조류를 제어하는 방법으로, 청색광의 세기를 조절하여 조류의 생육을 촉진시킬 수 있을 뿐 아니라, 적조를 발생시킨 미생물이 흡수하는 파장을 과잉으로 공급하여 사멸시키는 방법으로 수질오염과 생태계의 피해를 방지하고 적조제거비용을 감소시키는 등 효율적이고 친환경적이며 안정적인 적조제거 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 문헌의 기술은 미세조류를 반투막 주머니에 격리시키고 미세조류의 중금속 흡수 및 흡착능력이 증가하는 발광다이오드 파장을 이용하여 중금속 오염퇴적물의 현장에서 제거하며, 중금속을 흡수 또는 흡착한 미세조류는 상위영양단계의 생물로 먹이전송이 되지 않도록 반투성막 내에서 회수하여 바이오오일 등의 산업화에 이용하도록 한 본 발명의 중금속 오염퇴적물의 식물정화장치와는 목적과 구성 및 효과에 있어서 차이를 보인다.

해양퇴적물은 토양과 하천 퇴적물에 비해 대개 입자의 크기가 작은 니질, 접토질로 구성되면서도, 유기물 함량이 많고, 염분이 많으며, Cu, Pb, Zn의 오염도가 높아 이를 처리하는 데에 많은 비용이 소모될 뿐만 아니라 2차 오염 발생의 우려가 있었다. 따라서 본 발명은 중금속 오염도가 상대적으로 높은 것으로 알려져 준설토 와 현장 중금속 오염 퇴적물을 적절하게 정화시키고 처리하기 위하여 물리, 화학적 방법에 의한 오염제거보다 비용과 효과 면에서 뛰어난 생물환경복원 방법으로 현장 퇴적물 및 준설토 내의 중금속을 제거하는 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 일정 부피를 갖고 미세조류를 생장시킬 수 있는 반투막 주머니, 반투막주머니의 양단 또는 일단에 고정되어 반투막주머니를 밀폐시킬 수 있는 실링클립, 실링클립의 일면에 장착되고 반투막주머니 내부에 빛을 공급할 수 있는 LED와 LED에 에너지를 공급할 수 있는 전기공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물정화장치를 제공한다.

본 발명은 항만 및 하천 정비사업으로 인해 발생하는 많은 양의 중금속 오염 준설토나 연안 오염퇴적물에 생물복원방법으로 미세조류를 생장시키고 중금속을 흡착 또는 흡수하게 함으로써 그동안 외해 등에 투기되거나 육상 매립되어 2차적인 환경오염을 유발하고 이를 처리하기 위하여 막대한 비용이 소모되었던 것을 저비용, 친환경적으로 중금속을 제거하면서 2차적인 환경파괴와 먹이사슬을 통한 중금속 집적을 방지할 수 있으며, 회수한 미세조류를 산업에 재이용할 수 있다.

도 1는 본 발명에 따른 4종의 미세조류의 현미경 사진이다. (a)는 Phaeodactylum tricornutum의, (b)는 Nitzschia sp.의, (c)는 Skeletonema costatu의, (d)는 Chlorella vulgaris.의 현미경 사진이다.
도 2은 본 발명의 미세조류의 실내 배양실험을 위한 광량과 광 파장 조절이 가능한 배양기의 사진이다.
도 3는 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)된 Cu의 농도를 나타낸 표이다.
도 4은 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 Cu에 대한 세포당 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)된 Zn의 농도를 나타낸 표이다.
도 6은 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 Zn에 대한 세포당 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)를 나타낸 그래프이다.
도 7은 반투막(semipermeable membrane)을 이용하여 중금속 오염원 내의 Cu 및 Zn을 제거하는 방법을 나타낸 그림이다.
도 8은 반투막(semipermeable membrane)으로 형성된 주머니에 Chlorella vulgaris를 접종한 모습을 나타낸 사진이다.
도 9는 Chlorella vulgaris를 접종한 반투막(semipermeable membrane) 주머니를 수영만에서 채취한 퇴적토의 퇴적물(sediment)에서 파장에 따라 배양한 후, Cu와 Zn의 제거량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 Chlorella vulgaris를 접종한 반투막(semipermeable membrane) 주머니를 수영만에서 채취한 퇴적토의 공극수(pore water)에서 파장에 따라 배양한 후, Cu와 Zn의 제거량을 나타낸 그래프이다.
도 11은 Control 및 각 파장에서 Chlorella vulgaris를 접종한 반투막(semipermeable membrane) 주머니를 퇴적물 및 공극수에 침지시킨 후, 3일간 배양한 다음, 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)된 Cu의 농도를 나타낸 표이다.
도 12는 본 발명에 따른 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 식물정화장치의 LED를 장착한 실링클립의 분해 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 배터리 내장형 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치의 사시도이다.
도 14는 본 발명에 따른 태양광 발전을 통한 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치의 사시도이다.
도 15는 본 발명에 따른 복수 반투막 주머니형 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치의 사시도이다.
도 16은 본 발명에 따른 태양광 발전을 통한 복수의 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치를 나타낸 사시도이다.

본 발명은 일정 부피를 갖고 미세조류를 생장시킬 수 있는 반투막 주머니, 반투막주머니의 양단 또는 일단에 고정되어 반투막주머니를 밀폐시킬 수 있는 실링클립, 실링클립의 일면에 장착되고 반투막주머니 내부에 빛을 공급할 수 있는 LED, LED에 에너지를 공급할 수 있는 전기공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치를 제공한다. 이하 본 발명을 구체적인 예를 들어 상세히 설명한다.

I. 중금속 흡수와 흡착 우수 미세조류 선정 및 유효파장의 선택

본 발명자들은 선행연구에서 Nitzschia sp., Thalassiosira minima, Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp. Chaetoceros sp., Cyclotella nana 등의 규조류와 Prorocentrum minimum, Prorocentrum dentatum, Cochlodinium polykrikoides 등의 와편모조류는 청색 가시광선 파장에서, Chlorella vulgaris, Chlorella pyrenoidosa, Haematococcus pluvialis 등의 녹조류는 적색 가시광선 파장에서 성장률이 높은 것을 확인하였다. 따라서 파장에 따른 미세조류의 중금속 흡착능력 및 생장률을 확인하여 중금속 흡착에 유용한 미세조류 및 파장범위를 결정하였다.

1. 미세조류의 준비

도 1는 본 발명에 따른 4종의 미세조류의 현미경 사진이다. (a)는 Phaeodactylum tricornutum, (b)는 Nitzschia sp., (c)는 Skeletonema costatu (d)는 Chlorella vulgaris.의 현미경 사진이다. Phaeodactylum tricornutum(KMMCC-309)과 Chlorella vulgaris(KMMCC-190)는 한국해양미세조류은행(Korea Marine Microalgae Culture Center)에서 분양받았으며, Nitzschia sp.는 2010년 4월 수정만 퇴적물로부터 분리하였고, Skeletonema costatum은 2013년 4월 자란만 표층해수로부터 분리하였다.

미세조류의 분리는 pasteur pipette(Ф 50-100 μm)을 이용하여 현미경하에서 수행하였으며, 분리된 세포는 여과해수(Sterivex-GS; 0.22 μm filter unit, Millipore, MA US)에 4-5회 세척한 후 배양튜브(TB-2800, Tokyo, Japan)에 이식하였다. 실험용 배지는 동해 외양수를 바탕으로 한 f/2-Si(Guillard and Ryther, 1962) 배지로, selenium(Na₂O₃Se)의 최종농도가 0.001 μM이 되게 첨가하였다. 유지배양을 위한 수온과 염분은 현장에 상응하는 조건(20℃, 30 psu)으로 하였으며, 광량은 약 70 μmol/ m²/s(12L : 12D; cool-white fluorescent lamp)로 조절하였다. 모든 미세조류는 피펫세척법 및 AM9 항생제를 이용하여 무균화를 수행하였으며, 2차 생물학 오염을 막기 위하여 모든 실험기구는 고압증기멸균기(202 Kpa, 30min) 또는 건조멸균(185℃, 1hr)하여 사용하였다.

2. 미세조류의 파장에 따른 중금속 흡착 및 흡수 실험

미세조류의 중금속 반응기작은 대사 비의존형(metabolism-independent)과 대사 의존형(metabolism-dependent)으로 구분되며, 전자는 살아있는 세포 또는 죽은 세포의 세포벽, 세포 외 고분자물질 등에 의한 중금속의 표면흡착을 말하며(extracellular phase), 후자는 살아있는 세포가 에너지를 소비하여 세포막을 거쳐 세포내로 전달(intracellular phase)하는 것이다.

따라서 배양실험을 통해서 이들 2가지 반응기작을 구분할 필요가 있다. Extracellular와 intracellular를 구분하기 위해서 Flankin et al.(2000)에 의거하여 분석을 실시하였다.

도 2은 본 발명의 미세조류의 실내 배양실험을 위한 광량과 광 파장 조절이 가능한 배양기의 사진이다. 발광 다이오드를 사용하면, 단일 파장을 사용하여 광량을 조절할 수 있어 미세조류에 의하여 가장 효율적으로 Cu 또는 Zn를 제거할 수 있는 파장을 확인할 수 있다.

먼저, 30 ppb Cu와 100 ppb Zn으로 조제된 300 mL L1-AK 배지에 대수성장기까지 성장한 미세조류 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema sp., 및 Chlorella vulgaris를 약 1×10⁵ cells/mL이 되게 접종한 후, 청색광(450nm), 황색광(590nm), 적색광(650nm) 및 형광(혼합파장)에서 150μmol/m²/s의 광량으로 조사하며 3일간 배양하였다.

배양이 끝난 후, 흡착된 중금속 Cu와 Zn의 농도를 측정하기 위하여 4,000 rpm으로 원심분리한 다음, 배양액 40 mL를 취하여 0.45 μm membrane filter로 여과를 실시하였다. 여과지에 포집된 algal pellet를 0.02 M EDTA를 이용하여 재부유시켰다. 세포벽에 흡착된 Cu와 Zn을 제거하기 위해서 약 30초 동안 흔들고 난 후, 20분 동안 4000 rpm에서 원심분리를 실시하였다. 이후 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS)를 이용하여 extracelluar의 Cu와 Zn의 농도를 측정하였다. 또한 algal pellet은 HNO₃ 2 mL를 첨가하여 acid-digest를 실시하였으며, 이 시료는 HNO₃이 약 3%로 될 때까지 초순수로 희석한 후 intracellular의 Cu와 Zn을 측정하였다.

3. 미세조류의 파장에 따른 Cu의 흡착 및 흡수 결과

도 3은 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)된 Cu의 농도를 나타낸 표이다.

Cu의 흡수(intracellular phase)는 Phaeodactylum tricornutum의 경우, 청색파장에서 0.23, 황색파장에서 0.14, 적색파장에서 0.12, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.19×10^-15g/μm³, Nitzschia sp.는 청색파장에서 0.23, 황색파장에서 0.14, 적색파장에서 0.22, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.14×10^-15g/μm³, Skeletonema costatum의 경우 청색파장에서 0.16, 황색파장에서 0.17, 적색파장에서 0.09, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.18×10^-15g/μm³의 흡수를 보여 규조류의 경우 청색파장에서 그 Cu 흡수율이 높은 것을 알 수 있다. 그러나 Chlorella vulgaris의 경우, 청색파장에서 0.59, 황색파장에서 0.75, 적색파장에서 1.09, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.83×10^-15g/μm³의 Cu 흡수를 나타내어 녹조류인 Chlorella vulgaris는 적색파장에서 Cu의 흡수율이 가장 높은 것으로 나타났다.

Cu의 흡착(extracellular phase)은 Phaeodactylum tricornutum의 경우, 청색파장에서 2.48, 황색파장에서 1.84, 적색파장에서 1.92, 그리고 혼합파장인 형광에서 1.15×10^-17g/μm², Nitzschia sp.는 청색파장에서 1.38, 황색파장에서 0.41, 적색파장에서 0.22, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.97×10^-17g/μm², Skeletonema costatum의 경우 청색파장에서 0.38, 황색파장에서 0.16, 적색파장에서 0.16, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.27×10^-17g/μm²의 흡착을 보여 규조류의 경우 흡착도 청색파장에서 그 Cu 흡착률이 높은 것을 알 수 있다. 그러나 Chlorella vulgaris의 경우, 청색파장에서 3.51, 황색파장에서 4.25, 적색파장에서 4.28, 그리고 혼합파장인 형광에서 4.02×10^-17g/μm²의 Cu 흡착를 나타내어 녹조류인 Chlorella vulgaris는 흡착도 적색파장에서 Cu의 흡착률이 가장 높은 것으로 나타났다.

도 4은 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 Cu에 대한 세포당 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)를 나타낸 그래프이다. 도 4에서 보는 바와 같이, Phaeodactylum tricornutum와 Chlorella vulgaris의 Cu 흡착 및 흡수능이 뛰어났고, 특히 적색파장에서 Chlorella vulgaris의 Cu 흡착 및 흡수능이 가장 좋은 것을 알 수 있었다.

4. 미세조류의 파장에 따른 Zn의 흡착 및 흡수 결과

도 5는 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)된 Zn의 농도를 나타낸 표이다.

Zn의 흡수(intracellular phase)는 Phaeodactylum tricornutum의 경우, 청색파장에서 0.58, 황색파장에서 0.34, 적색파장에서 0.52, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.41×10^-15g/μm³, Nitzschia sp.는 청색파장에서 0.18, 황색파장에서 0.03, 적색파장에서 0.04, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.12×10^-15g/μm³, Skeletonema costatum의 경우 청색파장에서 0.17, 황색파장에서 0.08, 적색파장에서 0.10, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.14×10^-15g/μm³의 흡수를 보여 규조류의 경우 청색파장에서 그 Zn 흡수율이 높은 것을 알 수 있다.

그러나 Chlorella vulgaris의 경우, 청색파장에서 1.99, 황색파장에서 1.56, 적색파장에서 2.40, 그리고 혼합파장인 형광에서 1.04×10^-15g/μm³의 Zn 흡수를 나타내어 녹조류인 Chlorella vulgaris는 적색파장에서 Zn의 흡수율이 가장 높은 것으로 나타났다.

Zn의 흡착(extracellular phase)은 Phaeodactylum tricornutum의 경우, 청색파장에서 2.88, 황색파장에서 0.87, 적색파장에서 2.98, 그리고 혼합파장인 형광에서 1.33×10^-17g/μm², Nitzschia sp.는 청색파장에서 4.48, 황색파장에서 1.00, 적색파장에서 0.35, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.20×10^-17g/μm², Skeletonema costatum의 경우 청색파장에서 3.12, 황색파장에서 0.80, 적색파장에서 0.39, 그리고 혼합파장인 형광에서 3.18×10^-17g/μm²의 흡착을 보여 규조류의 경우 흡착도 청색파장에서 그 Zn 흡착률이 높은 것을 알 수 있다. 그러나 Chlorella vulgaris의 경우, 청색파장에서 7.35, 황색파장에서 5.92, 적색파장에서 9.13, 그리고 혼합파장인 형광에서 6.91×10^-17g/μm²의 Zn 흡착를 나타내어 녹조류인 Chlorella vulgaris는 흡착도 적색파장에서 Cu의 흡착률이 가장 높은 것으로 나타났다.

도 6은 각 파장에서의 Phaeodactylum tricornutum, Nitzschia sp., Skeletonema costatum 그리고 Chlorella vulgaris의 Zn에 대한 세포당 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)를 나타낸 그래프이다. 도 6에서 보는 바와 같이, Phaeodactylum tricornutum와 Chlorella vulgaris의 Zn 흡착 및 흡수능이 뛰어났고, 특히 적색파장에서 Chlorella vulgaris의 Zn 흡착 및 흡수능이 가장 좋은 것을 알 수 있었다.

이와 같은 결과, 적색광의 LED 조사에서 Chlorella vulgaris를 배양함으로써 Cu 및 Zn를 효율적으로 제거할 수 있음을 확인하였다. 미세조류는 Cu를 세포내로 수송하여 광합성 효소 활성에 사용하며 Zn은 DNA 또는 RNA 중합효소 활성에 이용하면서 Cu 및 Zn를 활발히 흡수하는 것으로 사료된다. 또한 세포벽에 분포하는 탄수화물, 핵산, 단백질 단편이 리간드로 작용하여 이러한 생체분자에 Cu 및 Zn가 흡착한다.

II. 반투막을 이용하여 격리시킨 미세조류의 중금속 제거효과

상기 실험을 통하여 Chlorella vulgaris의 뛰어난 중금속 흡수 및 흡착능을 확인하였다. 그러나, 이를 준설토나 해양퇴적물의 중금속오염 제거에 사용하기 위하여는 중금속을 흡수, 흡착한 미세조류를 토양 등의 목적 오염원으로부터 분리하는 과정을 거쳐야 한다. 중금속을 흡착하거나 흡수한 미생물 또는 미세조류가 생태계에서 순환되면 먹이사슬의 상위단계로 중금속이 집적될 위험이 있기 때문이다.

따라서 본 발명은 물과 중금속 이온 등은 통과할 수 있으나, 고분자 물질, 미세조류 등은 통과할 수 없는 반투과성 막(semipermeable membrane)을 사용하여 미세조류격리시키고 연안 퇴적물(sediment)이나 공극수(pore water) 등의 정화시키려는 오염원에 노출시킴으로써 미세조류가 중금속을 흡수, 흡착한 후에 용이하게 회수될 수 있도록 하였다.

도 7은 반투막(semipermeable membrane)을 이용하여 중금속 오염원 내의 Cu 및 Zn을 제거하는 방법을 나타낸 그림이다. 반투막 주머니 내부에 접종된 미세조류는 반투막을 통과하여 밖으로 나가지 못하며 반투막 주머니 내부에서만 생장하게 된다. 그러나 반투막을 통하여 물과 함께 중금속이 통과하므로 반투막 내부의 미세조류에 중금속이 흡착 및 흡수된다. 중금속을 흡착 및 흡수한 미세조류는 외부 반투막 주머니 내부에만 머물기 때문에 용이하게 회수할 수 있으며, 회수된 미세조류는 바이오오일 등의 산업에 재이용이 가능하다.

이러한 반투막을 이용하여 격리시킨 미세조류의 중금속 제거효과를 확인하기 위하여 부산광역시 해운대구의 수영만 매립지에서 채취한 퇴적토에서의 Cu와 Zn의 제거효과를 확인하였다.

도 8은 본 발명에 따른 반투막(semipermeable membrane)으로 형성된 주머니에 Chlorella vulgaris와 배양액을 담은 모습을 나타낸 사진이다. 퇴적토를 퇴적물(sedient)과 공극수(pore water)로 나눈 후, 도 8과 같이 미세조류가 담긴 반투막 주머니를 각각 침수시킨 다음, 청색파장(450nm), 황색파장(590nm), 적색파장(650nm), 형광(혼합파장), 및 암막처리(Control)한 후, 3일간 배양하였다. 이 후, 상기 I과 같은 방법으로 퇴적물과 공극수에서의 Cu 및 Zn의 제거량과 미세조류의 Cu 및 Zn 흡착(adsorption) 및 흡수(absorption)을 확인하였다.

수영만에서 채취한 표층 퇴적토를 퇴적물(sediment)과 공극수(spore water)로 분리한 다음, 각각의 Cu와 Zn의 농도를 ICP-MS를 이용하여 측정하였다. 여기에 Chlorella vulgaris를 담은 반투막 주머니를 넣은 후, 암막 및 각 파장에서 3일간 배양한 후, 퇴적물과 공극수의 Cu와 Zn의 농도를 측정하여 초기 농도로부터 제거된 Cu와 Zn의 양을 계산하였다.

도 9는 Chlorella vulgaris를 접종한 반투막(semipermeable membrane) 주머니를 수영만에서 채취한 퇴적토의 퇴적물(sediment)에서 파장에 따라 배양한 후, Cu와 Zn의 제거량을 나타낸 그래프이다. 암막처리한 control에서는 Cu는 0.58, Zn은 0.94 mg/kg이 제거되었으나, 청색광하에서 미세조류 배양 후, Cu는 7.95와 12.19, Zn은 mg/kg가 제거되었으며, 적색광하에서 미세조류 배양 후는 Cu는 12.99, Zn은 19.57 mg/kg이 각각 제거되어 적색광에서 퇴적물의 Cu와 Zn의 제거효과가 뛰어난 것을 확인하였다.

도 10은 Chlorella vulgaris를 접종한 반투막(semipermeable membrane) 주머니를 수영만에서 채취한 퇴적토의 공극수(pore water)에서 파장에 따라 배양한 후, Cu와 Zn의 제거량을 나타낸 그래프이다. 공극수에서의 Cu와 Zn의 제거량은 control에서는 0.23, 0.92 mg/kg이었으나, 청색광 아래 미세조류 배양 후, 18.39, 1.89 mg/kg, 적색광 아래에서 미세조류 배양 후, 62.16, 3.92 mg/kg가 제거된 것을 확인하였다.

도 11은 Control 및 각 파장에서 Chlorella vulgaris를 접종한 반투막(semipermeable membrane) 주머니를 퇴적물 및 공극수에 침지시킨 후, 3일간 배양한 다음, 흡착(extracellular phase)과 흡수(intracellular phase)된 Cu의 농도를 나타낸 표이다.

Cu의 흡수(intracellular phase)는 암막처리한 control에서는 0.09, 청색파장에서 0.86, 황색파장에서 0.34, 적색파장에서 0.98, 그리고 혼합파장인 형광에서 0.58×10^-15g/μm³의 Cu 흡수를 나타내었으며, Cu의 흡착(extracellular phase)은 암막처리한 control에서는 1.20, 청색파장에서 4.19, 황색파장에서 2.50, 적색파장에서 4.36, 그리고 혼합파장인 형광에서 3.15×10^-17g/μm²의 Cu 흡수를 나타내었다.

Zn의 흡수(intracellular phase)는 암막처리한 control에서는 0.13, 청색파장에서 1.28, 황색파장에서 0.93, 적색파장에서 2.28, 그리고 혼합파장인 형광에서 1.01×10^-15g/μm³의 Zn 흡수를 나타내었으며, Cu의 흡착(extracellular phase)은 암막처리한 control에서는 0.52, 청색파장에서 5.38, 황색파장에서 4.98, 적색파장에서 6.21, 그리고 혼합파장인 형광에서 5.27×10^-17g/μm²의 Zn 흡수를 나타내었다.

이와 같은 결과를 통하여 Chlorella vulgaris를 반투막으로 격리시켜도 퇴적물 또는 공극수의 오염원에서 적색광 LED 아래에서 중금속 Cu와 Zn 제거율이 뛰어났으며, 반투막 사용으로 인하여 미세조류를 정상기까지 생장시키면서 중금속을 흡수, 흡착시킨 후, 회수도 용이하게 할 수 있다. 더욱이 회수한 미세조류를 산업에 2차적으로 사용할 수 있어 2차 오염에 대한 우려없이 준설토나 연안 오염퇴적물의 정화에 용이하게 사용할 수 있음을 확인하였다.

III. 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치 제작

상기 실험과 같이, 중금속 흡착 및 흡수 기능이 뛰어난 미세조류를 반투막 주머니에 접종하고 미세조류의 종류에 따라 중금속 흡착 및 흡수가 뛰어난 파장의 발광 다이오드의 빛을 조사하여 오염해양퇴적물 및 준설토의 오염된 중금속을 제거할 수 있는 식물정화장치를 제작하였다.

도 12는 본 발명에 따른 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 식물정화장치의 LED를 장착한 실링클립(100)의 분해 사시도이다. 반투막 주머니(300) 내에서 생장하는 미세조류의 생장 및 중금속 흡착, 흡수를 유도하기 위한 LED(200) 전구를 장치의 실링클립(100) 외부에 장착시킨다. 실링클립(100)이 반투막 주머니(300)와 접하는 방향으로 미세조류 종류에 따라 생장 및 중금속 흡착, 흡수가 극대화되는 파장의 LED를 장착한다. 본 발명의 일실시예에서는 Chlorella vulgaris를 접종한 반투막 주머니에 적색 LED(650 nm)의 LED를 장착하였다. LED의 빛이 직진하는 성질을 이용하여 해저 또는 퇴적물 안에서도 반투막주머니(300) 내부에 미세조류에 필요한 파장의 빛을 공급할 수 있다. LED는 반투막주머니(300)의 측면부에 더 형성시킬 수 있다(미도시) LED(200)는 실링클립 일측에 형성된 LED삽입홈((120)에 삽입시켜 고정한다.

도 13은 본 발명에 따른 배터리 내장형 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치의 사시도이다. LED에는 배터리 또는 대체에너지를 이용한 자가발전을 통하여 에너지를 공급할 수 있다. 배터리를 내장하는 경우, LED에 에너지를 공급하는 전선형태의 전기공급부b(220) 등이 형성되지 않아 편리하다. 수은, 또는 리튬 등의 소형 배터리를 LED(200)와 함께 실링클립(100)의 전기공급부a(210)에 삽입한다. 그러나 배터리에 사용되는 물질 또한 또 다른 오염원이 될 수 있으므로 배터리를 사용하는 중금속 오염퇴적물 정화장치의 경우 장치의 방수와 배터리 회수를 철저히 수행하도록 하여야 한다.

도 14는 본 발명에 따른 태양광 발전을 통한 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치의 사시도이다. LED에 대체에너지를 이용한 자가발전을 통하여 에너지를 공급할 수 있다. 대체에너지는 태양광, 풍력 등을 사용할 수 있으며, 오염을 제거하려는 곳과 가까운 지역에서 전력을 공급받아 사용할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 태양광을 사용하였으며, 전력이 공급되는 LED전선(200)은 실링클립(100)의 전선고정부(130)에 고정되도록 하였다.

도 15는 본 발명에 따른 복수 반투막 주머니형 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치의 사시도이다. 미세조류에 의한 중금속 흡수, 흡착을 증가시키기 위하여 반투막주머니(300)를 복수개 연결하여 사용할 수 있다. 이때 LED(200)의 광파장이 효율적으로 미세조류에 도달하도록 하기 위하여 LED(200)를 양면에 장착한 실링클립(100)을 반투막주머니 사이에 고정한다. 이와 같은 방법으로 반투막주머니(300)의 개수를 늘려 중급속 흡수, 흡착을 증가시킬 수 있다.

도 16은 본 발명에 따른 태양광 발전을 통한 복수의 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치를 나타낸 사시도이다. 태양광 발전으로 생성한 전기를 본 발명에 따른 중금속 오염퇴적물 정화장치의 LED(200)를 켜는 데에 이용할 수 있으며, 본 실시예와 같이 하나의 태양광발전단위에 복수개의 중금속 오염퇴적물 정화장치를 연결하여 사용할 수 있다. 태양광판넬(400)은 부이(420)에 의해 소호나 해수 위에 떠서 발전한다. 충전지(410)에 충전된 전기는 주전선(430)에 연결된 각 중금속 오염퇴적물 정화장치에 연결되어 LED를 밝히는 데에 이용되며, 중금속 흡수, 흡착 후, 미세조류를 회수할 때에 이러한 부이(420)가 중금속 오염퇴적물 정화장치의 위치를 표시할 수 있으므로 유용하다.

IV. 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화방법

상기와 같이 본 발명에 따른 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치를 이용하여 중금속 오염 퇴적물 정화방법을 확립하였다.즉, 미세조류를 반투막 주머니에 접종하는 단계(A), 상기 (A)단계의 미세조류가 포함된 반투막 주머니를 오염퇴적물에 침지시키는 단계(B), 상기 (B)단계에서 침지시킨 미세조류를 발광 다이오드로 광조사하면서 배양하여 중금속의 흡착 또는 흡수를 증가시키는 단계(C), 상기 (C)단계의 미세조류를 회수하는 단계(D);를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화방법을 확립하였다.

이때 (A)단계의 미세조류는 Phaeodactylum tricornutum, Chlorella vulgaris, Nitzschia sp. 또는 Skeletonema costatum 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 또한 상기 (C)단계의 발광 다이오드는 적색광, 청색광 또는 혼합형광 중 어느 하나를 선택하여 사용하거나 복수개를 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 이와 같은 발광다이오드와 미세조류를 이요한 중금속 오염퇴적물의 식물정화방법으로 구리(Cu) 또는 아연(Zn) 중 하나 또는 이들을 함께 오염퇴적물로부터 제거할 수 있으며, 반투막에 의하여 주변환경과 분리되어 정화를 수행한 미세조류는 자연환경에 유출되지 않고 회수되어 사용된다.

본 발명은 중금속 오염해양퇴적물과 항만 및 하천 정비사업으로 인해 발생하는 많은 양의 준설토에 함유된 중금속을 제거하고 이를 적절하게 처리하기 위하여 물리,화학적 방법에 의한 오염제거보다 비용과 효과 면에서 뛰어난 생물환경복원 방법으로, 미세조류를 증식시켜 중금속을 흡착 또는 흡수하게 함으로써 그동안 외해 등에 투기되거나 육상 매립되어 2차적인 환경오염을 유발하고 이를 처리하기 위하여 막대한 비용이 소모되었던 것을 저비용, 친환경적으로 중금속을 제거하면서 2차적인 환경파괴와 먹이사슬을 통한 중금속 집적을 방지할 수 있으며, 회수한 미세조류를 산업에 재이용할 수 있어 산업상 이용가능성이 있다.

100 : 실링클립 110 : 클립체결부
120 : LED삽입홈 130 : 전선고정부
200 : LED 210 : 전기공급부a
220 : 전기공급부b 300 : 반투막주머니
400 : 태양광판넬 410 : 충전지
420 : 부이 430 : 주전선
a : 수면

Claims

일정 부피를 갖고 미세조류를 생장시킬 수 있는 반투막주머니;
상기 반투막주머니의 양단 또는 일단에 고정되어 반투막주머니를 밀폐시킬 수 있는 실링클립;
상기 실링클립의 일면에 장착되고 반투막주머니 내부로 특정 파장의 빛을 공급할 수 있는 LED와 LED에 전기에너지를 공급할 수 있는 전기공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 미세조류는 Phaeodactylum tricornutum, Chlorella vulgaris, Nitzschia sp. 또는 Skeletonema costatum 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 LED는 적색광, 청색광 또는 혼합형광 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 미세조류는 Chlorella vulgaris이며, LED는 적색광인 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 중금속은 구리(Cu) 또는 아연(Zn) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 전기공급부는 태양광 에너지를 이용한 전기를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물의 식물정화장치.
미세조류를 반투막 주머니 내부에 접종하고 반투막주머니 입구를 밀봉하는 단계(A);
상기 (A)단계의 미세조류가 접종된 반투막 주머니를 오염퇴적물에 침지시키는 단계(B);
상기 (B)단계에서 침지시킨 반투막 주머니 내부의 미세조류에 발광 다이오드로 광조사하면서 배양하여 중금속의 흡착 또는 흡수를 증가시키는 단계(C);
상기 (C)단계의 중금속이 흡착된 미세조류를 회수하는 단계(D);를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화방법.
제7항에 있어서, 상기 (A)단계의 미세조류는 Phaeodactylum tricornutum, Chlorella vulgaris, Nitzschia sp. 또는 Skeletonema costatum 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물의 식물정화방법.
제7항에 있어서, 상기 (B)단계의 발광 다이오드는 적색광, 청색광 또는 혼합형광 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화방법.
제7항에 있어서, 상기 (C)단계의 중금속은 구리(Cu) 또는 아연(Zn) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물 정화방법.
제7항에 있어서, (B)단계의 발광 다이오드로 광조사는 배터리 또는 태양광 에너지를 이용한 전기를 사용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드와 미세조류를 이용한 중금속 오염퇴적물의 식물정화장치.