KR20180012950A - 금속환원미생물과 미생물 생성 나노 자철석을 이용한 질산성질소와 육가 크롬 복합 오염수의 정화방법 - Google Patents

Abstract

생나노자철석을 이용한 간단한 공정으로 질산성질소와 중금속으로 오염된 복합 오염수를 처리하는 방법이 제공된다. 갯벌 퇴적물에서 선택적으로 배양된 금속환원미생물을 아카가네이트와 포도당이 포함된 형기성 배지에서 생나노자철석을 합성하고 배양액에 복합 오염수를 주입하여 미생물과 나노광물을 동시에 이용한 복합 오염수 처리 방법이다. 질산성질소의 환원 및 제거는 금속환원미생물에 의해 주로 제거되며, 중금속은 미생물과 더불어 생나노자철석에 의한 환원 및 침전으로 높은 정화 효율을 보인다. 따라서, 오염수 내 질산성질소와 중금속의 환원 및 침전에는 금속환원미생물과 생나노자철석을 동시에 이용하였을 때 복합적 및 촉매적 효과에 의해 빠르고 높은 정화 효율을 기대할 수 있다. 또한, 지하수나 토양 내 오염수 처리시 저독성의 생물학적 정화에 반응시간을 줄이고 효과를 극대화하는데 이용될 수 있을 것이다.

Description

금속환원미생물과 미생물 생성 나노 자철석을 이용한 질산성질소와 육각 크롬 복합 오염수의 정화방법{Method for simultaneous removal of nitrate and chromate in contaminated water using metal-reducing bacteria and biogenic magnetite nano-sized particles}

본 발명은 나노자철석을 이용한 복합 오염수 정화방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 금속환원미생물과 미생물을 포함하는 생나노자철석을 제조함으로써, 이를 이용한 질산성 질소와 육각 크롬이 포함된 복합 오염수의 정화방법에 관한 것 이다.

최근 환경부의 전국 지하수 수질 측정망 운영결과, 지하수의 수질 기준을 초과한 지점이 총 조사 지점의 5.2%에 달한다. 수질 기준을 초과한 지점에서 검출되는 수질오염 물질은 질산성질소(nitrate), 염소이온(chloride), 총대장균군수(E.coil.), 트리클로로에틸렌(TCE), 테트라클로로에틸렌(PCE), 비소(arsenic), 카드뮴(cadmium), 시안(cyanide) 등으로 나타났다. 이 중 질산성질소는 가축 매몰지나 농촌지역의 지하수질을 심각하게 오염시키는 대표적인 오염원으로 보고된다. 또한, 폐광산 주변 지역은 중금속 오염이 심각한데, 과거 채광이나 선광 및 제련과정 등의 광산 활동으로 인하여 배출된 광산 폐기물들(폐석, 광미, 광산폐수 등)에 의한 토양 및 수계와 같은 지구화학적 환경에서 중금속 성분인 As, Cd, Cu, Hg, Pb, Cr^{6 +} 등의 오염이 확인되었다. 이 중 크롬은 환경 특성에 따라 다양한 형태의 산화상태를 가지며 산화 및 환원 환경의 변화에 따라 독성과 유동성이 변화될 수 있으므로 독성과 유동성이 높은 Cr^{3 +}로 고정화 할 수 있는 기술이 요구된다. 미생물과 미생물 생성 나노물질을 이용하는 오염 처리 기술은 경제적이고 친환경적이며 저독성이라는 장점이 있다. 기존 연구에서 유기물 오염 물질 분해나 중금속 원소 고정에 다양한 미생물들이 직접 혹은 간접적으로 중요하게 작용하는 것으로 보고되었다. 따라서, 극한 환경과 오염지역에서 생존하는 미생물들의 종 다양성과 유전자 특성을 규명하는 미생물학적 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 금속환원미생물 이용은 중금속의 환원 및 침전 그리고 광물화작용에 탁월한 효과가 있음이 보고되었다. 또한, 중금속 오염물질의 정화를 위한 비생물학적 방법으로는 정화소재를 이용하여 흡착 이온치환 촉매 환원 등의 기작을 이용한 연구가 집중되고 있다. 최근 비표면적이 큰 나노소재를 오염 정화소재로 응용하는 연구가 진행되고 있지만, 국내외적으로 미생물 생성 나노광물을 산업적으로 이용하거나 정화소재로 응용한 연구는 미미한 실정이다. 또한, 이러한 화학적 정화방법은 대부분 여러 종류의 화학물질이 여러 단계의 공정을 거치는 방법으로 제조공정이 복잡하고 여러 독성을 함유하고 있기 때문에 또 다른 오염물이 생성된다는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미생물을 포함하는 나노 자철석을 제조하는 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 제조된 상기 미생물을 포함하는 나노 자철석을 이용함으로써, 간단한 공정으로 복합 오염수의 질산성 질소 및 육가 크롬을 정화하는 정화방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 갯벌퇴적물을 1차 농화배양하여 금속환원미생물을 생성하는 단계, 및 상기 금속환원미생물을 2차 농화배양하여 나노 크기의 자철석을 형성하는 단계를 포함하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 갯벌퇴적물을 1차 농화배양하여 금속환원미생물을 생성하는 단계는 포도당과 구연산철(Fe-citrate)이 포함된 성장배지에 갯벌퇴적물을 주입하여 배양하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 포함할 수 있다.

상기 포도당(glucose)은 5mM 내지 15mM로 주입하고, 상기 구연산철(Fe-citrate)은 1mM 내지 7mM로 주입하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 제공할 수 있다.

1차 농화배양은 실온 또는 상온의 상압조건에서 1일 내지 5일동안 배양하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 포함할 수 있다.

상기 금속환원미생물을 2차 농화배양하여 나노 크기의 자철석을 형성하는 단계는 아카가네이트와 포도당이 포함된 환원배지에 1차 농화배양된 상기 금속환원미생물을 포함시켜서 2차 배양을 수행하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 제공할 수 있다,

상기 아카가네이트의 농도는 50ml 내지 150ml이며, 미생물 배양액의 40mM 내지 60mM의 농도이며, 포도당은 5mM 내지 15mM의 농도로 주입되는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 포함할 수 있다.

금속환원미생물은 1% 부피비로 주입되는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 제공할 수 있다.

2차 배양은 상온 및 실온에서 상압의 조건으로 7일 내지 10일 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 포함할 수 있다.

상기 금속환원미생물을 2차 농화배양하여 나노 크기의 자철석을 형성하는 단계에서 상기 금속환원미생물은 포도당을 산화시켜 전자를 발생시키고, 아카가네이트가 전자수용체로써, 전자를 받아들여 금속이 포함된 미생물이 환원되어 금속환원미생물을 형성되는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법을 제공할 수 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 일 측면은 미생물이 포함된 생나노자철석과 복합 오염수에 주입하는 단계, 및 상기 미생물이 포함된 생나노자철석과 상기 복합 오염수가 반응하는 단계를 포함하는 복합 오염수 정화방법을 제공할 수 있다.

미생물이 포함된 생나노자철석과 복합 오염수에 주입하는 단계에서 상기 복합 오염수는 NaNO₃와 CrK₂O₄를 이용하여 질산성질소(NO₃)와 육가크롬(Cr⁶⁺)으로 오염된 복합 오염수로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법을 포함할 수 있다.

상기 복합 오염수는 40ppm 내지 60ppm의 NO₃ 및 40ppm 내지 60ppm의 Cr^{6 +}로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법을 제공할 수 있다.

미생물이 포함된 생나노자철석과 복합 오염수에 주입하는 단계에서 상기 생나노자철석은 1g/L 내지 3g/L 이 주입되는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법을 포함할 수 있다.

상기 미생물이 포함된 생나노자철석과 상기 복합 오염수가 반응하는 단계에서 상기 복합 오염수를 주입한 후 반응시간은 1주 내지 3주간 150rpm이내로 교반하며 반응시키는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 갯벌 퇴적물을 이용하여, 미생물을 포함하는 나노 자철석을 제조함으로써, 복합 오염수를 간단하고 친환경적인 방법으로 정화할 수 있다.

나아가, 제조된 나노 크기의 자철석을 이용하여 오염수를 정화하고 처리 후에 이용된 나노 크기의 자철석을 회수함으로써, 경제성 및 효율성이 향상된 오염수 정화방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미생물 포함하는 생나노자철석의 제조단계를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 오염수 정화방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입하여 반응시켜 변화하는 것을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입한 후 2주동안의 크롬의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입한 후 2주동안의 질산성질소의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 전의 생나노자철석 입자의 광물학적 특성 변화를 관찰하기 위한 XRD 분석 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 후의 생나노자철석 입자의 광물학적 특성 변화를 관찰하기 위한 XRD 분석 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 회수된 생나노자철석과 크롬 침전물의 TEM-EDS, STEM-mapping 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 전의 생나노자철석 입자 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 후의 생나노자철석 입자 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

나노 자철석과 생나노자철석은 구조 및 구성성분이 동일한 것으로 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미생물 포함하는 생나노자철석의 제조단계를 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 미생물 포함하는 생나노자철석의 제조단계를 나타낸 순서도가 개시된다.

도 1의 S100은 갯벌 퇴적물을 1차 농화배양하여 금속환원 미생물을 생성하는 단계이다.

먼저, 갯벌 퇴적물을 미생물 성장 배지에 넣고 1차 농화배양하여 금속환원미생물을 생성시킨다. 예를 들어, 갯벌 퇴적물은 0.5ml 내지 1.5ml를 포함할 수 있다. 또한, 철환원 미생물 배양을 위해서는 전자 공여체로서 포도당(glucose)과 전자수용체로서 구연산철(Fe-citrate)을 주입할 수 있다. 다만, 상기 포도당(glucose)은 5mM 내지 15mM로 주입하고, 상기 구연산철(Fe-citrate)은 1mM 내지 7mM로 주입하는 것이 바람직하다. 또한, 철 환원에 관여하는 철환원미생물을 선택적으로 농화배양할 수 있다. 예를 들어, 상기 철환원미생물은 대사과정에서 발생하는 전자를 통해 구연산철(Fe-citrate)을 환원시킬 수 있는 미생물이면 그 종류를 한정 하지 않는다. 다만, 상기 철환원미생물은 슈와넬라 속(Shewanella sp.), 클로스트리듐 속(Clostridium sp.), 비브리오 속(Vibrio sp.) 미생물로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 철환원미생물은 추후에 나노 크기의 생나노자철석의 합성에 필요하므로 호흡단계 및 에너지 획득 단계에 철이나 금속을 이용하는 미생물 종이 철환원력이 높은 것일수록 효과적일 수 있다. 또한, 상기 철환원 미생물은 철이나 금속에 높은 농도에서도 내성이 있는 종으로 농화배양하는 것이 바람직하다. 다만, 1차 농화배양은 실온 또는 상온의 상압조건에서 1일 내지 5일동안 배양될 수 있다.

도 1의 S200은 S100단계를 통해 생성된 금속환원 미생물을 2차 농화배양하여 나노 크기의 자철석을 형성하는 단계이다.

도 1의 S200을 참조하면, 농화배양된 금속환원미생물을 이용하여 금속광물을 환원시키는 단계가 개시된다.

먼저, 상기 농화배양된 금속환원미생물을 이용하여 환원되는 금속광물은 아카가네이트일 수 있다. 상기 아카가네이트는 다양한 미생물들의 복합적인 작용에 의하여 보다 빠른 속도로 환원될 수 있다. 예를 들어, 아카가네이트는 나노 크기의 자철석 입자의 전구체로서, 금속환원미생물과 포도당이 포함된 혐기성 배지에 주입되어 환원될 수 있다. 예를 들어, 아카가네이트의 농도는 50ml 내지 150ml일 수 있으며, 미생물 배양액의 40mM 내지 60mM의 농도로 주입될 수 있으며, 포도당은 5mM 내지 15mM의 농도로 주입될 수 있다. 특히, 금속환원미생물은 1% 부피비로 주입하는 것이 바람직하다. 또한, 아카가네이트로 환원시키는 단계에서 철환원미생물은 혐기성 미생물이므로 산소가 차단된 혐기성 조건에서 진행하는 것이 바람직하다. 다만, 베양액은 pH8 내외이며, 상온 및 실온에서 상압의 조건으로 7일 내지 10일 동안 반응시키는 것이 바람직하다.

따라서, 금속환원미생물은 포도당을 산화시켜 전자를 발생시키고, 아카가네이트가 전자수용체로써, 전자를 받아들여 금속이 포함된 미생물이 환원되어 금속환원미생물이 형성된다. 다만, 금속환원미생물은 철 및 금속을 포함하여 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 오염수 정화방법을 나타낸 순서도이다.

도 2를 참조하면, 복합 오염수 정화방법을 나타낸 순서도가 개시된다.

도 2의 S100을 참조하면, 제조된 생나노자철석에 복합 오염수를 주입한다.

먼저, 복합 오염수를 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 복합 오염수는 NaNO₃와 CrK₂O₄를 이용하여 질산성질소(NO₃)와 육가크롬(Cr⁶⁺)으로 오염된 복합 오염수로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 복합 오염수는 40ppm 내지 60ppm의 NO₃ 및 40ppm 내지 60ppm의 cr^{6 +}로 구성될 수 있다. 또한, 생나노자철석은 1g/L 내지 3g/L 이 주입될 수 있다. 또한, 생나노자철석 입자는 자력회수를 통해 증류수로 3회 이상 세척한 후 압열멸균된 증류수 100ml가 포함된 유리병에 주입하여 사용된다.

도 2의 S200을 참조하면, 상기 생나노자철석과 제조된 복합 오염수는 혼합되어 화학적인 반응이 일어난다.

상기 복합 오염수를 주입하고 150rpm이내로 교반하여 원활한 반응이 일어나도록 유도할 수 있다. 상기 복합 오염수를 주입한 후 반응시간은 1주 내지 3주간 교반하며 반응시키는 것을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

단, 하기에 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<제조예1 >

갯벌 퇴적물 내 금속환원 미생물의 배양

갯벌 퇴적물 내에 존재하는 금속환원미생물을 선택적으로 농화배양하기 위해 100ml 성장배지에 10mM의 포도당과 5mM의 구연산철(Fe-citrate)을 주입한 후 갯벌 퇴적물 슬러지 1ml를 주입할 수 있다. 이때, 반응 온도는 상온 및 실온에서 진행되며 상압의 조건에서 3일동안 배양될 수 있다. 또한, 배양된 금속환원미생물의 종 다양성을 확인하기 위해 농화배양된 미생물의 DNA 및 RNA를 추출한 후 PCR을 이용하여 16S rRNA 분석을 수행한다. 분석결과 철환원미생물인 슈와넬라 속(Shewanella sp.), 클로스트리듐 속(Clostridium sp.), 비브리오 속(Vibrio sp.) 미생물을 포함하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

<제조예 2>

나노크기의 자철석 입자 형성

농화배양된 철환원 미생물은 40mM의 아카가네이트와 10mM의 포도당이 주인된 100ml 성장배지(pH 8)에 1% 부피비로 주입할 수 있다. 또한, 상온 및 실온에서 상압의 조건에서 10일간 배양될 수 있다. 특히, 7일이 경과하면 자석에 붙는 검은색의 침전물이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

<제조예 3>

미생물 반응에 의한 침전물의 광물 특성

미생물 반응에 의해 형성된 침전물의 구성 광물을 관찰하기 위하여 XRD를 분석하여 구성 광물의 구성성분을 확인한다. 또한, TEM-EDS 분석을 통하여 형태 및 입자크기를 확인할 수 있다. 예를 들어, XRD 시료는 다음과 같이 준비된다. 먼저, 이온화 되어 있는 Cl을 제거하기 위하여 증류수를 이용하여 원심분리 한다. 예를 들어, 코니칼 튜브에 시료를 10ml씩 정량하여 넣고 그 다음에 2000 rpm에서 5분간 원심분리한다. 원심분리된 시료의 상층액은 버리고 증류수로 10ml만큼 채운 후 다시 원심분리한다. 상기 원심분리는 동일한 방법으로 3회 반복하여 수행된다. 원심분리로 침전된 입자 시료는 알코올을 첨가하고 혼합하여 한 방울씩 슬라이드 글라스에 떨어뜨리고 자연건조 시킨다. 자연건조된 시료의 XRD 분석결과, 7일동안 반응시키고 검은색의 침전물이 생긴 시료에 침천물은 자철석으로 확인된다. 또한, 소량의 능철석도(siderite)도 포함된 것을 확인할 수 있다.

TEM-EDS 분석조건은 다음과 같다. 가속전압 40kV, 전류 20mA, 스캔 스피드 5θ/min 으로 TEM-EDS 분석 조건은 설정된다. 그 다음 TEM-EDS 분석 시료는 다음과 같이 준비된다. 먼저, 알코올 0.2ml을 채취하여 시료에 넣고 희석한다. 이어서, 주사기를 이용하여 알코올에 희석된 시료 약간을 채취하여 구리로 코팅된 그리드에 한방을 떨려드린 후 자연건조 시킨다. 이때, 가속전압은 200kV이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 에 따른 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입하여 반응시켜 변화하는 것을 나타낸 사진이다.

도 3을 참조하면, 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입하여 반응시켜 변화하는 단계에 대한 사진이 개시된다.

도 3의 1은 생나노자철석을 주입하지 않은 대조군이다. 또한, 도 3의 2는 복합 오염수에 생나노자철석을 주입하여 2주간 반응시킨 제 1의 실험군이다. 도 3의 3은 복합 오염수에 금속환원미생물을 주입하여 반응시킨 제 2의 실험군이다. 도 3의 4는 복합 오염수에 생나노자철석을 주입하여 반응시킨 제 3의 실험군이다. 도 3의 5는 복합 오염수에 압열멸균된 미생물 배양액과 생나노자철석 입자를 주입하여 반응시킨 제 4의 실험군이다.

이하 실험예는 상세히 설명된다.

단, 하기 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실험예 1>

복합 오염수( 질산성질소 및 육가크롬 )와 생나노자철석의 반응

실험을 위해 NaNO₃와 CrK₂O₄를 이용하여 질산성질소(NO₃)와 육가크롬(Cr^{6 +}) 으로 오염된 복합 오염수를 제조한다. 앞서 제조된 생나노자철석 입자(0.2g)는 자력회수를 통해 증류수로 3회 이상 세척한 후 압열멸균된 증류수 100ml가 포함된 유리병에 주입한다. 이어서 복합 오염수(50 ppm의 NO₃ 및 50 ppm cr^{6 +})를 주입하고 일정한 속도(150rpm이내)로 교반하여 원활한 반응이 일어나도록 유도하며 2주간 유지한다. 이렇게 2주간 유지한 샘플이 제 1의 실험군이다. 이때, 생나노자철석을 주입하지 않은 샘플이 대조군이다. 모든 실험군은 0.2M의 HCl을 이용하여 초기 pH 3으로 조절되는 것을 포함한다.

<실험예 2>

복합 오염수( 질산성질소 및 육가크롬 )와 금속환원미생물 및 생나노자철석과의 반응

미생물의 영향과 미생물 및 생나노자철속의 복합적 효과를 확인하기 위하여 미생물이 포함된 실험조건이 구성된다. 도 3의 제 3실험군은 미생물 배양액 100 ml에 아카가네이트 40mM와 포도당 10mM를 주입하고 금속환원미생물을 1ml 주입하여 미생물에 의해 자철석 나노입자의 합성을 유도하는 조건에서 복합 오염수의 변화를 확인한 샘플이다. 또한, 도 3의 제 4실험군은 생나노자철석(0.2g)을 포함하는 미생물 배양액 100 ml에 복합 오염수를 주입하여 복합 오염수의 변화를 확인한 샘플이다. 또한, 도 3의 제 5실험군은 살아있는 미생물과 죽은 미생물의 효과를 비교하고자 이미 합성된 생나노자철석 입자(0.2g)를 포함하는 미생물 배양액 100ml를 압열멸균한 후 복합 오염수를 주입하여 복합 오염수의 변화를 비교하기 위한 샘플이다.

복합 오염수에서 질산성질소의 농도변화는 IC 분석으로 측정하고, 중금속인 크롬의 농도변화는 ICP로 측정한다. 또한, 생나노자철석과 반응 후 침전물은 XRD, TEM-EDS/STEM-mapping 및 XPS 분석으로 광물학적 특성을 확인한다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입한 후 2주동안의 크롬의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입한 후 2주동안의 질산성질소의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4 내지 도 5를 참조하면, 생나노자철석이 포함된 미생물 배양액에 복합 오염수를 주입한 후 2주동안의 크롬 및 질산성질소의 농도 변화를 나타낸 그래프가 개시된다.

먼저, 대조군에서는 복합 오염수의 농도 변화가 거의 없지만 증류수에 생나노자철석만 포함하는 경우 질산성질소의 저감 효율은 10 %내외로 적었고 크롬 농도는 약 10일 후 100 % 제거된 것을 확인할 수 있다. 미생물 배양액에서 실험된 나머지 실험에서 크롬은 미생물과 미생물 생성 광물을 포함하는 모든 실험군에서 90 %이상의 제거 효율을 보이며, 3가철인 아카가네이트보다 생나노자철석이 포함된 경우가 반응속도가 빠르고 제거효율이 놓았다. 특히, 살아있는 미생물과 생나노자철석이 모두 포함된 실험군에서는 30분 이내에 100 %제거로 가장 높은 제거효율을 나타낸다.

반면, 질산성질소는 살아있는 금속환원미생물이 포함된 배양액에서만 뚜렷한 저감 효율을 나타내며, 아카가네이트와 미생물이 주입된 경우는 2주 후 65%의 저감 효율을 나타낸다. 하지만, 생나노자철석과 미생물이 포함된 배양액에서는 12일 이내에 100% 제거된 것을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 전의 생나노자철석 입자의 광물학적 특성 변화를 관찰하기 위한 XRD 분석 결과 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 후의 생나노자철석 입자의 광물학적 특성 변화를 관찰하기 위한 XRD 분석 결과 그래프이다.

도 6 내지 도 7를 참조하면, 복합 오염수와의 반응 전과 후의 생나노자철석 입자의 광물학적 특성 변화를 관찰하기 위한 XRD 분석 결과 그래프가 개시된다. .

복합 오염수와 생나노자철석을 2주간 반응 후 회수한 침전물로 광물학적 특성을 분석한다. 먼저, 도 6은 반응 전의 샘플이며, 도 7은 반응 후의 샘플이다.

XRD 분석결과, 반응 전 후의 광물학적 특성의 변화는 없으며, 50ppm의 복합 오염수가 첨가된 조건에서는 금속환원미생물이 존재하더라도 아카가네이트가 자철석으로 환원되지 않는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 회수된 생나노자철석과 크롬 침전물의 TEM-EDS, STEM-mapping 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8를 참조하면, 회수된 생나노자철석과 크롬 침전물의 TEM-EDS, STEM-mapping 분석 결과를 나타낸 그래프가 개시된다.

침천물의 TEM-EDS, STEM-mapping 분석결과, 상기 회수된 생나노자철석과 크롬 침전물에서는 크롬과 철 성분이 검출됐고, 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 특히, 미생물 생성 나노 자철석 주변에 크롬 침전물이 분포된 것을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 전의 생나노자철석 입자 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 복합 오염수와의 반응 후의 생나노자철석 입자 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9 내지 도 10을 참조하면, 복합 오염수와의 반응 전과 후의 생나노자철석 입자 XPS 그래프가 개시된다.

도 9 내지 도 10의 XPS그래프를 통해 크롬제거 기작이 자철석에 흡착되기 보다는 크롬(Cr^{6 +})이 환원되어 크롬(Cr^{3 +})수산화물 침전물 형성이 더 우세한 것을 확인할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (14)

1. 갯벌퇴적물을 1차 농화배양하여 금속환원미생물을 생성하는 단계; 및
   상기 금속환원미생물을 2차 농화배양하여 나노 크기의 자철석을 형성하는 단계를 포함하는, 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 갯벌퇴적물을 1차 농화배양하여 금속환원미생물을 생성하는 단계는
   포도당과 구연산철(Fe-citrate)이 포함된 성장배지에 갯벌퇴적물을 주입하여 배양하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 포도당(glucose)은 5mM 내지 15mM로 주입하고, 상기 구연산철(Fe-citrate)은 1mM 내지 7mM로 주입하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
4. 제 2항에 있어서, 1차 농화배양은 실온 또는 상온의 상압조건에서 1일 내지 5일동안 배양하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 금속환원미생물을 2차 농화배양하여 나노 크기의 자철석을 형성하는 단계는
   아카가네이트와 포도당이 포함된 환원배지에 1차 농화배양된 상기 금속환원미생물을 포함시켜서 2차 배양을 수행하는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 아카가네이트의 농도는 50ml 내지 150ml이며, 미생물 배양액의 40mM 내지 60mM의 농도이며, 포도당은 5mM 내지 15mM의 농도로 주입되는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 금속환원미생물은 1% 부피비로 주입되는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
8. 제 5항에 있어서, 상기 2차 배양은 상온 및 실온에서 상압의 조건으로 7일 내지 10일 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 금속환원미생물을 2차 농화배양하여 나노 크기의 자철석을 형성하는 단계에서
   상기 금속환원미생물은 포도당을 산화시켜 전자를 발생시키고, 아카가네이트가 전자수용체로써, 전자를 받아들여 금속이 포함된 미생물이 환원되어 금속환원미생물을 형성되는 것을 특징으로 하는 미생물이 포함된 생나노자철석 제조방법.
10. 미생물이 포함된 생나노자철석을 복합 오염수에 주입하는 단계; 및
    상기 미생물이 포함된 생나노자철석과 상기 복합 오염수가 반응하는 단계를 포함하는 복합 오염수 정화방법.
11. 제 10항에 있어서, 미생물이 포함된 생나노자철석과 복합 오염수에 주입하는 단계에서
    상기 복합 오염수는 NaNO₃와 CrK₂O₄를 이용하여 질산성질소(NO₃)와 육가크롬(Cr⁶⁺)으로 오염된 복합 오염수로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 복합 오염수는 40ppm 내지 60ppm의 NO₃ 및 40ppm 내지 60ppm의 Cr⁶⁺로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법.
13. 제 10항에 있어서, 미생물이 포함된 생나노자철석을 복합 오염수에 주입하는 단계에서
    상기 생나노자철석은 1g/L 내지 3g/L 이 주입되는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법.
14. 제 10항에 있어서, 상기 미생물이 포함된 생나노자철석과 상기 복합 오염수가 반응하는 단계에서
    상기 복합 오염수를 주입한 후 반응시간은 1주 내지 3주간 150rpm이내로 교반하며 반응시키는 것을 특징으로 하는 복합 오염수 정화방법.

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