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학위논문
저자정보

서윤주 (이화여자대학교, 이화여자대학교 대학원)

지도교수
조경숙
발행연도
2020
저작권
이화여자대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

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Rhizoremediation은 식물과 근권미생물 간의 생태적 상승작용을 이용하여 유류오염토양을 친환경적, 경제적으로 정화할 수 있는 생물학적 처리기술이다. 식물 및 토양개량제와 같은 rhizoremediation의 조절 요소들은 토양의 탄소와 질소 순환을 변화시킬 수 있다. 그러나 토양의 온실가스배출은 아직까지 rhizoremediation 관련 연구의 주요한 인자로 고려되지 않고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 rhizoremediation 기술을 토양의 정화효율뿐만 아니라 온실가스배출 측면에서도 조사하고자 하였으며, 실내 및 실외 pot experiment를 통해 식물 조건, 토양개량제의 종류 및 디젤오염농도의 영향을 규명하였다.
95일간 진행한 실내 실험에서는 식물 무식재, 옥수수(Zea mays), 톨페스큐(Festuca arundinacea) 식재의 세 가지 조건과 화학비료, 퇴비, biofertilizer의 세 가지 토양개량제가 rhizoremediation의 효율과 식물생장, 그리고 토양의 잠재 온실가스 배출량에 미치는 영향을 관찰하였다. TPH (Total petroleum hydrocarbon) 제거효율, 토양의 최종 탈수소효소활성과 alkB 유전자(alkane 화합물 분해효소) 양은 옥수수와 톨페스큐를 식재하고 퇴비를 첨가한 토양에서 가장 높았다. Compost를 첨가하면 토양미생물의 IAA (indole-3-acetic acid, 식물생장호르몬)의 생성능과 식물뿌리 생장이 향상되었다. Biofertilizer를 첨가한 조건에서는 pmoA 유전자(메탄산화효소) 양이 증가하였고 이에 상응하게 유류오염토양의 잠재메탄배출량도 낮았다. 미생물군집의 기질이용도를 평가하는 인자인 AWCD (Average well color development)는 퇴비, biofertilizer, 화학비료를 첨가한 토양 순으로 높았다. 실내 실험 토양의 미생물군집분석 결과, TPH를 분해한다고 알려진 Nocardioides, Marinobacter, Immundisolibacter, Acinetobacter, Kocuria, Mycobacterium, Pseudomonas, Alcanivorax, 식물생장촉진능력이 있는 Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Pseudomonas, 메탄산화능력이 있는 Methylocapsa, Methylosarcina 등의 다양한 미생물의 존재를 확인할 수 있었다.
107일간 진행한 실외 실험에서는 식물 무식재, 옥수수, 톨페스큐, 알팔파(Medicago sativa) 식재의 네 가지 조건과 토양개량제(control, 퇴비 첨가)의 영향을 관찰하였다. TPH 제거효율과 최종 탈수소효소활성은 식물 식재 여부에 무관하게 유의한 차이가 없었는데, 이는 실험 과정 중 기온이 지나치게 높아졌기 때문인 것으로 추측된다. 퇴비를 첨가한 경우의 TPH 제거효율, 최종 탈수소효소활성, alkB 유전자 양, IAA 생성능은 control 토양(퇴비 무첨가) 보다 유의하게 높았다. 옥수수의 뿌리 생장은 퇴비를 첨가함에 따라 촉진되었으나, 톨페스큐의 뿌리 생장의 유의한 차이는 없었다. 알팔파는 디젤 오염된 토양에 정상적으로 적응하지 못하였다. 퇴비를 첨가한 토양에서는 control 토양(퇴비 무첨가)보다 pmoA 유전자 양이 높은 것으로 나타났다. AWCD는 식물 종류와 토양개량제 첨가에 따라 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났으나, 일관된 경향은 확인되지 않았다.
Rhizoremediation에 미치는 유류 농도(5,000~100,000 mg-TPH·kg-soil-1)의 영향을 조사한 107일 동안의 실외 실험 결과, 디젤오염농도가 높아질수록 TPH 제거효율은 감소하였다. 톨페스큐의 뿌리생장도 디젤오염농도가 높아질수록 더 크게 저해 받는 것으로 나타났다. 그러나 최종 탈수소효소활성, alkB 유전자 양, IAA 생성능, 잠재메탄배출량 및 pmoA 유전자 양은 디젤오염농도에 비례하는 경향을 보였다. AWCD는 디젤오염농도에 따라 유의한 차이를 보이는 것으로 나타났으나, 일관된 경향은 확인되지 않았다.
미생물군집구조 변화에 주요한 영향을 미치는 인자를 확인하기 위하여 실내 실험 토양과 실외 실험 토양의 미생물군집구조에 대한 유사도 분석을 수행하였다. 분석 결과, 동일한 식물을 식재한 토양의 미생물군집구조는 높은 유사도를 보였다. 반면 동일한 토양개량제를 첨가한 토양의 미생물군집구조 간의 유사도는 실험 조건이나 시간에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다. 또한 높은 디젤오염농도는 토양 미생물군집구조를 유의하게 변화시키는 것으로 나타났다.
본 연구에서 옥수수와 톨페스큐는 토양의 정화효율을 향상시키고 오염환경에 대한 높은 저항성을 보였다. 퇴비는 토양정화효율, 식물생장 및 온실가스배출의 세 가지 측면에서 우수한 효과를 보이는 토양개량제였다. 토양의 높은 디젤오염농도는 낮은 정화효율, 식물생장저해, 높은 잠재메탄발생량 등 표면적인 인자에는 부정적인 영향을 미쳤으나, 식물과 근권미생물 간의 생태적 상승작용을 통해 각 과정에 기여하는 미생물의 활성은 증가한 것으로 나타났다. 각 조절 요소가 rhizoremediation의 정화효율 및 온실가스배출에 미치는 영향에 대한 정보는 향후 기후변화에 대응하는 지속가능한 정화기술로의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차

Ⅰ. 서론 1
A. 연구배경 및 필요성 1
B. 연구 목적 및 내용 2
Ⅱ. 선행연구 고찰 4
A. 유류오염토양정화를 위한 rhizoremediation 기술 4
B. Rhizmremediation의 조절 요소 7
C. Rhizoremediation 과정에서의 온실가스배출 23
Ⅲ. 재료 및 방법 26
A. Pot experiment 26
B. 토양의 물리화학적 특성 37
C. 토양효소활성측정 38
D. GHG (Greenhouse gas) incubation 40
E. CLPP (Community Level Physiological Profiling) 분석 42
F. 기능성 유전자 정량분석 44
G. 토양 미생물 군집분석 47
H. 통계분석 50
Ⅳ. 결과 51
A. 실내 실험 51
B. 실외 실험 82
C. 농도별 실외 실험 116
V. 고찰 140
A. 식물, 토양개량제, 디젤오염농도에 따른 TPH 제거효율 및 토양미생물활성 140
B. 토양개량제와 디젤오염농도에 따른 식물생장 및 IAA 활성 149
C. 식물, 토양개량제, 디젤오염농도에 따른 rhizoremediation의 온실가스배출특성 155
D. Rhizoremediation의 주요 조절 요소와 토양의 정화효율, 식물생장, 온실가스배출특성 간의 관계 평가 162
Ⅵ. 결론 174
참고문헌 178
Abstract 192

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