습지 퇴적토 토착미생물에 의한 지하수에서 탈질과 결합된 비소 산화 특성 규명 :Arsenic Oxidation Coupled to Denitrification in Groundwater by Wetland Indigenous Microorganisms

오설란

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자료유형: 학위논문

저자정보: 오설란 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원대학교 대학원)

지도교수: 문희선

발행연도: 2020

저작권: 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

습지 퇴적토 토착미생물에 의한 지하수에서 탈질과 결합된 비소 산화 특성 규명

오설란 2020.01 학위논문

2019

지하수 내 탈질 환경에서의 미생물에 의한 비소 산화 특성

오설란 , 김동훈 , 이정윤 외 1명 대한지질학회 학술대회 2019.10 학술대회자료

미생물에 의한 탈질 과정 동안의 비소 동시 산화 특성 평가

오설란 , 김동훈 , 문희선 지하수토양환경 2019.01 학술저널

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비소(As)와 질산염(NO3?)은 지하수에서 흔히 발견되는 주요 오염원으로써 비소와 NO3?에 의한 지하수 오염은 현재 전세계적으로 심각한 문제로 대두되고 있다. 그러나 비소와 NO3?을 동시에 처리할 수 있는 생물학적 처리 기술에 대한 연구는 미비한 편이다. 따라서 본 연구에서는 백석제습제 퇴적토 토착 미생물을 이용하여 혐기성 조건의 지하수에서 NO3-를 환원 제거 시키는 동시에 As(III)를 상대적으로 이동성과 독성이 낮은 As(V)로 산화 시킬 수 있는 기작을 규명하고자 하였다. 혐기성 환경에서 습지 퇴적토 토착 미생물에 의한 탈질 과정과 결합하여 As(III)를 산화시키는 반응의 가능성을 확인하기 위해 실험실 규모의 회분식 배양 실험을 실시하였다. 초기 NO3?, As(III) 및 전자 공여체로써의 아세테이트 농도 변화에 따른 NO3?의 환원과 As(III)의 동시 산화 정도를 평가하였으며, NO3?의 환원과 As(III)의 산화가 완료된 시점에 이들을 재주입하여 반응의 지속가능성 또한 평가하였다. 배양 기간 동안 NO3?, As(III), As(V) 및 아세테이트 농도가 모니터링 되었으며, 질소 환원 및 As(III) 산화 유전자 분석과 반응 기간 동안 미생물 군집 변화 분석을 실시하였다.
As(III), NO3? 및 습지 퇴적토를 주입한 조건 A에서는 초기에 주입된 As(III)가 완전히 산화되어 배양 5일 째에 총 비소 농도(0.74±0.02 mM)와 As(V) 농도(0.74±0.02 mM)가 일치하였다. 반면에 퇴적토를 주입하지 않은 조건 B와 NO3?을 주입하지 않은 조건 C에서는 As(III)의 산화가 일어나지 않았으며, 이를 통해 습지 퇴적토 토착 미생물에 의한 혐기성 환경에서 NO3? 환원과 결합하여 As(III)가 산화될 수 있는 가능성이 확인되었다. 이 기작에서 영향 인자인 초기 NO3?, As(III), 아세테이트의 농도를 변화시켜 As(III)의 산화 효율과 NO3?의 환원 효율을 극대화할 수 있는 최적 조건을 도출하였다. NO3-:Acetate 농도비는 실험적으로는 1:0.58의 값이 계산되었으며, 이는 화학양론식으로 계산된 1:0.57의 값과 유사하였다. NO3-:As 농도비는 실험적으로는 1:0.47, 화학양론식으로 1:0.4의 값이 계산되었다.
한편, NO3?의 환원과 As(III)의 산화가 종료 되었을 때 NO3?와 As(III) 및 아세테이트를 재주입하여 반응의 지속 가능성을 평가한 결과, 총 3번의 재주입 동안 As(III) 산화율 100%와 NO3? 환원율 100%로 안정적이고 지속 가능할 수 있음이 확인되었으며, 배양 마지막 날 시료의 미생물 군집 분석을 통하여 Diaphorobacter 속이 58.3%로 전체 군집에서 큰 비중을 차지하는 것으로 확인되었다. 또한 유전자 증폭을 통하여 15 일 시료에는 narG 유전자가 미생물 접종원(inoculum)에 비해 최대 21배(1.17×107 copies·g-1 soil)까지 증가된 것이 유전자 정량화를 통하여 확인되었다. aioA 유전자는 초기 접종원 보다 최대 9배(2.64×104 copies·g-1 soil)까지 증가하였으며, arxA 유전자가 존재하는 것이 확인되었다.
따라서 이러한 미생물에 의한 지하수 내의 NO3?와 As(III)의 동시 제거 반응 기작은 향후 As(III)와 NO3?로 오염된 지하수 처리에 적용할 수 있는 생물학적 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

The arsenic (As) and nitrate (NO3-) co-contamination in groundwater has been a serious public health issue in the various countries in the world. In this study, the objective of the study was to investigate the potential and mechanism of As(III) oxidation during nitrate reduction in groundwater under anaerobic conditions by using wetland indigenous microorganisms. For the purpose, the lab-scale batch experiments were performed to investigate the feasibility of As(III) oxidation combined with denitrification by wetland indigenous microorganisms. Simultaneous the As(III) oxidation and NO3- reduction process was evaluated in conditions of different initial NO3-, As(III), and acetate concentrations as the electron donor. In addition, As(III), NO3-, and acetate were periodically re-injected to assess the sustainability of the reaction when As(III) oxidation and NO3- reduction were completed. NO3-, As, and acetate concentrations were monitored during the incubation period, molecular biology analysis including nitrogen reduction and As(III) oxidation related functional gene analysis and microbial community analysis were performed. In condition A in which As(III), NO3-, and wetland sediment were added, the initially injected As(III) was completely oxidized to As(V) under anaerobic condition. This results suggested the feasibility of As(III) oxidation coupled to denitrification in anaerobic environment by wetland indigenous microorganisms. Furthermore, in this reaction, the optimum conditions for maximizing the oxidation efficiency of As(III) and the reduction efficiency of NO3- were investgated. The NO3-:Acetate ratio was calculated from experiment results and stoichiometric equation to be a value of 1:0.58 and 1:0.57, respectively. The NO3-:As ratio was theoretically calculated to be 1:0.4, but experimentally yielded 1:0.47. The re-spiking experiment showed that this reaction could be stable and sustainable with 100% As(III) oxidation and NO3- reduction efficiency for three cycles. The samples on 15th day of culture showed that the genus Diaphorobacter was 58% and occupy a large proportion in the whole population. It was confirmed that the narG gene was increased up to 21 times compared to microbial inoculum through gene quantification. The aioA gene was up to 9 times higher than inoculum. Therefore, These microbial processes can be used as development of process to treat co-contaminated groundwater with the As(III) and NO3-.

#지하수 #비소 산화 #탈질 #혐기성 환경 #미생물

1. 서 론 ·················································· 01
1.1 연구 배경 ·············································· 01
1.2 문헌 연구 ·············································· 09
1.2.1 지하수 내 비소 및 질산염 제거 기술 ······ 09
1.2.2 미생물학적 비소 및 질산염 산화 환원 특성
···················································· 13
1.2.3 비소 및 질산염의 생물학적 동시 처리 연구
동향 ·············································· 17
1.3 연구 목표 ·············································· 23
1.3.1 연구의 목적 ···································· 23
1.3.2 연구의 범위 ···································· 24
2. 연구 재료 및 방법 ··································· 25
2.1 습지 퇴적토 시료 채취 ······························ 25
2.2 탈질 및 비소 동시 산화 특성 회분식 배양 실험· 27
2.2.1 영향 인자 실험 ································ 27
2.2.1.1 미생물과 질산염 존재 영향 ········· 28
2.2.1.2 초기 질산염 농도 영향 ·············· 30
2.2.1.3 초기 비소 농도 영향 ················ 30
2.2.1.4 초기 아세테이트 농도 영향 ········ 30
2.2.2 재주입 실험(Re-spiking experiment) ······ 32
2.3 분석 방법 ············································· 33
2.3.1 배양 실험 시료 채취 ························· 33
2.3.2 상등액의 화학 분석···························· 33
2.3.3 XANES 분석··································· 34
2.3.4 DNA 추출 및 미생물 군집 분석 ··········· 35
2.3.5 qPCR 분석 ····································· 36
2.3.6 arxA 유전자 증폭 ····························· 38
3. 결과 및 고찰 ········································· 39
3.1 습지 미생물에 의한 질산염 환원과 비소 동시
산화 특성··············································· 39
3.1.1 습지 퇴적토 및 질산염 존재 영향 ·········· 39
3.1.2 초기 질산염 농도의 영향 ···················· 48
3.1.3 초기 비소 농도의 영향 ······················· 51
3.1.4 초기 아세테이트 농도의 영향 ··············· 53
3.2 질소 환원 및 비소 동시 산화 반응 지속가능성
평가 ······················································ 56
3.2.1 질소 환원 및 비소 동시 산화 특성 장기
모니터링 ·········································· 56
3.2.2 배양 전후의 미생물 군집 특성 비교 ·········· 60
3.2.3 질산염 환원 및 비소 산화 유전자 정량화 ··· 65
3.3 화학양론식 및 미생물 유전자 분석을 통한 메커
니즘 도출 ··············································· 72
4. 결론 ···················································· 77
참고문헌 ····················································· 81

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