KR20020096861A - 유류 및 난분해성 유기화합물로 오염된 토양 정화용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유류분해능이 있는 슈도모나스(Pseudomonas) sp. Y2G1 (KCTC 18049P) 균주 5∼20%(w/w), 담체 70∼90%(w/w), 영양염류 5∼10%(w/w)로 구성된 유류 및 난분해성 유기화합물로 오염된 토양 정화용 토양조성물로 뛰어난 효과가 있다.

Description

유류 및 난분해성 유기화합물로 오염된 토양 정화용 조성물 {Composition for remidation of soils contaminated by oils and indegradable organic chemicals}

본 발명은 유류 및 난분해성 유기 화합물로 오염된 토양 정화용 조성물에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 본 발명은 유류 및 난분해성 유기화합물 분해균주와 담체 및 영양 염류로 구성된 토양 정화용 조성물에 관한 것이다.

토양은 물, 공기와 함께 가장 기본적인 환경의 구성 요소이며, 생물 존재의 기반이자 물질 순환의 매체로서 매우 중요하고 다양한 역할을 수행하고 있다. 토양이 물이나 공기와 크게 다른 점은 유동성이 거의 없다는 것이다. 토양속으로 유입된 오염 물질은 스스로 유동성을 가지지 않는 한 토양 공극내에 존재하는 토양수나 토양내의 공기에 의하지 않고는 거의 움직일 수 없는 특징을 가진다. 이 때문에 토양오염 문제는 그 심각성에 비하여 관심을 끌지 못하여 장기간 방치되기 쉽다.

그러나, 토양이 일단 유해물질에 오염되면 생물 존재 기반으로서의 본래 기능이 훼손되고 물질의 이동성이 나빠 장기간에 걸쳐 작물 오염 및 지하수 등의 환경오염을 유발시켜 생태계는 물론 사람의 건강 및 생활 환경에 악영향을 끼치게 된다.

현대 산업사회의 발달은 인간 생활의 편익에 앞서 다양하고 심각한 환경 오염의 거시적인 원인이 되고 있다. 유류 및 유기화합물에 의해서 발생되는 오염은 전 세계적으로 매우 심각한 환경문제로 대두되어지고 있다. 유출된 유류 및 유기화합물은 자연상태에서 휘발, 용해, 이동, 흡착, 분해 등 다양한 물리·화학·생물학적 기작에 의해 일부 자연정화가 이루어지고 있으나, 오염물질의 배출량이 점차증가함에 따라 자연정화기능도 상대적으로 감소되어지고 있다.

현재 오염된 토양의 정화를 위해 주로 생물학적 처리법이 널리 이용되어지고 있는데 이는 생물학적 처리법이 경제적이고 환경 친화적이기 때문이다.

오염토양의 생물학적 처리에 있어 가장 중요한 점은 오염물질의 생분해를 강화시킬 수 있는 요인들에 대한 조사와 이를 여러 가지 실험을 통해 최종적으로 생분해도의 극대화를 이끌어내는 것이라고 볼 수 있다.

대부분의 유류와 각종 유기 오염물질이 분해에 소요되는 시간과 양이 제한되지만, 미생물에 의해서 자연계에서 완전히 분해된다는 사실을 고려할 때 오염토양 및 지하수는 다양하고 새로운 미생물학적 처리법의 개발에 의해 보다 안전하고 경제적으로 회복될 수 있다.

선진 외국의 경우 오염 토양에 대한 많은 연구로 그 가능성과 미생물학적 정화 기술이 실용화가 이루어지고 있으나 국내의 경우, 이 분야에 대해서 그 기술이 미흡한 수준이다.

따라서, 본 발명 목적은 국내 현장의 오염 토양과 지하수의 정화작업시 가격이 저렴하고 자연환경에 독성을 지니지 않는 토양정화용 조성물을 개발하여 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적은 난분해성 유기물질을 분해할 수 있는 미생물 균주를 선별 동정하고 토양의 이화학적 성질에 관여하는 담체와 영양 염류를 공급하여 조성한 다음, 이를 실제 유류 분해 실험을 통하여 평가하므로써 달성하였다.

이하, 본 발명의 구성을 실시예를 통해 상세히 설명하지만 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명 조성물의 접종량의 크기가 유류 분해에 끼치는 영향을 나타낸 그래프,

도 2는 본 발명 조성물에 영양염류(비료)의 첨가량이 유류 분해에 미치는 효과를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명 조성물의 사용에 따른 토양수분함유량이 경유분해에 미치는 효과를 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명 조성물의 사용에 따른 온도가 경유분해에 미치는 효과를 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명 제품에 의한 석유화합물의 농도에 따른 분해능을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 유류 분해능이 있는 슈도모나스(Pseudomonas) sp. Y2G1 (KCTC 18049P) 균주 5∼20%(w/w), 담체 70∼90%(w/w), 영양염류 5∼10%(w/w)로 구성된 것을 특징으로 하는 유류 및 난분해성 유기화합물로 오염된 토양 정화용 조성물을 제공한다.

상기 담체는 톱밥, 점토광물, 모래 중 어느 하나를 선택하고 상기 영양염류는 요소, 황산암모늄 중 어느 하나를 선택하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명자들은 용인군 수지면 소재 밭토양으로부터 유류분해능이 있는 균주를 선별동정하였고 이를 슈도모나스(Pseudomonas) sp. Y2G1으로 명명한 후 2000년 10월 26일 한국생명공학원 유전자원센타에 이를 기탁하였으며 기탁번호는 KCTC 18049P이다.

상기 균주를 포함하는 본 발명 토양정화용 조성물의 바람직한 조성은 표 1과 같으며 그 이화학적 특성은 표 2와 같다.

토양정화용 조성물의 조성

구성성분(components)	중량비율(% w/w)
미생물균주	5∼20
담체(carrier)	70∼90
영양염류	5∼10

토양정화용 조성물의 특성

Properties	Results
pH	7.34
water content(%(w/w))	36.2
water holding capacity(%(w/w))	89.5
total organic content(%(w/w))	42.44
classification	sand	coarse(%(w/w))	64
		fine(%)	35
	clay(%(w/w))	1

상기 표 1에서 담체는 톱밥, 점토광물 모래가 적합하다. 또, 영양염류는 N·P가 함유된 어떠한 형태의 무기비료 예컨대, 요소(urea), 황산암모늄(ammonium phosphate)이 바람직하다.

담체는 토양내에서 구조물을 형성하고 영양을 공급할 수 있을 뿐 아니라, 산소공급이 원활하고 토양공극물을 높이며, 함수율을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 조성물은 약 알카리성을 유지하기 때문에 산성화된 오염토양에서 미생물의 활성에 알맞은 중성으로 완충작용을 하는 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 본 발명 조성물은 각종 영양물질이 포함되어 있어 미생물의 활성에 필요한 무기 영양염류를 공급하고 수분함유량이 높아 상대적으로 수분함량이 낮은 토양의 수분함량을 높여 미생물과 유해물질과의 결합 및 교환, 분해 작용을 원활하게 하는 역할을 수행하는 장점이 있다.

본 발명의 조성물의 접종량 및 유류 종류에 따른 분해능을 측정하면 미생물 제제의 첨가량이 증가할수록 경유, 등유, 원유 모두 분해율이 증가함을 알 수 있고, 따라서 사용된 미생물 제제가 경유 뿐만 아니라, 다양한 석유계 탄화수소에 의해 오염된 토양의 정화가 가능할 것으로 사료된다. 또한 5%(w/w)이상의 미생물 제제를 첨가함으로써 첨가되지 않은 순수토양에서의 분해율보다 40%이상 더 높은 분해율을 유지한다.

또한, 본 발명의 조성물에 영양염류를 첨가하는 것이 유류오염 토양의 정화에 미치는 영향을 조사한 결과 균주 단독으로 사용하는 것보다 영양염류를 첨가한 경우에 각각 석유화합물의 분해능이 증가하며 특히 영양염류의 첨가량이 증가하는 경우에 그 증가량에 비례하여 유류분해율이 증가된다.

한편, 오염된 토양의 복원에 있어 토양이 보유하고 있는 수분의 양은 분해물질과 미생물간의 접촉에 있어 매우 중요한 요인이 된다. 따라서, 토양에서 경유 분해능은 수분함량에 영향하는 바가 커서 토양의 수분함유량의 60%(w/w) 수분이 첨가되었을 때 가장 높은 분해율을 나타낸다. 또, 본 발명 제품의 첨가시 수분함유량의 50%(w/w) 수분이 첨가되었을때 70%이상의 분해율을 나타낸다. 따라서, 수분함유량은 토양내 미생물의 석유화학물 분해에 영향을 미치며 본 발명 제품을 사용시 수분함유량 50~60%(w/w)일 때 최대의 분해율을 나타낸다고 할 수 있다.

또한, 온도는 토양내 미생물의 성장속도 및 분해효소의 활성을 변화시킴으로써 오염물질의 생물학적 분해에 절대적인 영향력을 미치는데 본 발명에 있어 25℃에서 78.9%의 분해율을 나타내고, 35℃에서는 78.3%의 분해율로 25℃에서와 유사한 결과를 보인다. 반면에, 20℃이하에서는 분해율이 43%이하로 저하된다. 따라서 미생물에 의한 디젤의 분해는 온도에 영향을 받고 있다고 볼 수 있다. 순수토양의 경우에는 30℃에서 가장 높은 69.8%의 분해율을 나타내지만, 35℃에서는 분해율이 약 50%로 저하된다. 이에, 유류분해 토착미생물의 최적 분해 온도는 25~30℃임이 확인된다.

석유화합물의 농도에 따른 분해능을 조사한 결과, 일반적으로 유류의 생분해는 그 농도가 5%(w/w)(50,000ppm)이상이 되면 탄화수소(hydrocarbon)의 독성으로 인하여 분해율이 급격히 떨어지는 것으로 알려져 있으나, 본 발명의 경우에 있어서는, 경유의 경우 50,000ppm의 고농도에서 가장 높은 분해율을 나타내고, 원유의 경우는 100,000ppm에서도 높은 분해율을 나타낸다.

실시예 1 : 본 발명 조성물의 접종량 및 유류 종류에 따른 분해능 측정

본 발명의 실시예 사용된 균주는 본 발명자들이 용인군 수지면 소재 밭토양으로부터 유류분해능이 있는 균주를 선별동정하여 슈도모나스(Pseudomonas) sp. Y2G1으로 명명한 후 2000년 10월 26일 한국생명공학원 유전자원센타에 이를 기탁하여 KCTC 18049P의 기탁번호를 얻은 균주를 사용하였다.

또한 본 실시예에 사용되기 위한 유류오염 토양을 만들기 위하여 오염되지않은 토양을 용인시 수지면 소재 야산에서 채취한 후, 2㎜ 채로 걸러 큰 입자를 제거하고 사용하였다.

상기 오염되지 않은 토양에 triplicate로 하여 1%(w/w)농도의 경유(diesel), 등유(kerosene), 원유(crude oil)로 각각 오염시킨 후 본 발명 조성물 1, 3, 5, 10%(w/w)를 접종하고 멸균된 증류수를 첨가하여 토양의 수분함량을 수분유지력의(WHC) 50%(w/w)로 조절 후, 25℃에서 1주일간 배양하여 분해율을 측정하였다. 도 1에서와 같이 미생물 제제의 첨가량이 증가할수록 경유, 등유, 원유 모두 분해율이 증가함을 알 수 있었고, 따라서 사용된 미생물 제제가 경유 뿐만 아니라, 다양한 석유계 탄화수소에 의해 오염된 토양의 정화가 가능할 것으로 사료된다. 또한 5%(w/w)이상의 미생물 제제를 첨가함으로써 첨가되지 않은 순수토양에서의 분해율보다 40%이상 더 높은 분해율을 유지하였다.

실시예 2 : 영양염류의 첨가에 의한 유류분해능 측정

영양염류의 첨가가 유류오염 토양의 정화에 미치는 영향을 조사하기 위하여 상기 실시예 1의 토양 내의 유류의 양과 영양염류 양의 비율을 100:10:3(C:N:P)으로 유지하도록 영양염류(mixed form: urea 54 ㎎/g)를 첨가하였다. 대조구로 실험구와 동일한 조건으로 영양염류를 첨가하지 않은 것으로 준비했다. 실시결과, 도2에 나타난 바와 같이 본 발명 균주 단독으로 사용하는 것보다 영양염류를 첨가한 시험구에서 각각 석유화합물의 분해능이 증가하였으며 이 경우에도 영양염류의 첨가량이 증가하는 경우 유류분해율이 증가되었다.

실시예 3: 수분함량에 따른 분해효과

오염된 토양의 복원에 있어 토양이 보유하고 있는 수분의 양은 분해물질과 미생물간의 접촉에 있어 매우 중요한 요인이 된다. 따라서, 본 실험에서는 50, 60, 70, 80%(w/w)로 수분을 조절한 후 3%(w/w-soil)의 제제를 첨가하여 분해력 실험을 수행하였다. 실험결과 도 3에서 보듯, 토양에서 경유 분해능은 수분함량에 영향하는 바가 커서 토양의 수분함유량의 60%(w/w) 수분이 첨가되었을 때 가장 높은 분해율을 나타내었다.

또, 본 발명 제품의 첨가시 수분함유량의 50%(w/w) 수분이 첨가되었을때 70%이상의 분해율을 나타내었다. 따라서, 수분함유량은 토양내 미생물의 석유화학물 분해에 영향을 미치며 본 발명 제품을 사용시 수분함유량 50~60%(w/w)일 때 최대의 분해율을 나타냈다.

실시예 4: 온도에 따른 분해효과

온도는 토양내 미생물의 성장속도 및 분해효소의 활성을 변화시킴으로써 오염물질의 생물학적 분해에 절대적인 영향력을 미친다. 본 실험에서는 디젤의 분해에 있어 적용 가능한 온도범위를 조사하기 위해 최적화된 수분함량을 유지한 토양조를 10, 15, 20, 25, 30, 35℃로 변화를 주어 1주일간 분해력 실험을 수행하였다. 본 연구에서 실행한 미생물 제제에 의한 유류분해 실험의 결과 도 4에서와 같이 25℃에서 78.9%의 분해율을 나타내었고, 35℃에서는 78.3%의 분해율로 25℃에서와 유사한 결과를 보이는 것으로 나타났다. 반면에, 20℃이하에서는 분해율이 43%이하로저하되어, 미생물에 의한 디젤의 분해는 온도에 영향을 받고 있음을 알 수 있었다. 순수토양의 경우에는 30℃에서 가장 높은 69.8%의 분해율을 나타내었지만, 35℃에서는 분해율이 약 50%로 저하되었다. 이에, 유류분해 토착미생물의 최적 분해 온도는 25~30℃임이 확인 되었다.

실시예 5 : 석유화합물의 농도에 따른 분해능 측정

오염되지 않은 토양 10g에 경유와 원유를 1, 3, 5, 10%(w/w)로 각각 오염시킨 후 조성물 3%(w/w)를 접종하고 수분함유량을 50%(w/w)로 유지시켰다. 모든 시료는 triplicate로 25℃에서 1주일간 배양 후 분해율을 측정하였다. 유류의 생분해는 그 농도가 5%(w/w)(50,000ppm)이상이 되면 hydrocarbon의 독성으로 인하여 분해율이 급격히 떨어지는 것으로 알려져 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면 도 5에 나타낸 바와 같이, 경유의 경우 50,000ppm의 고농도에서 가장 높은 분해율을 나타내었고, 원유의 경우는 100,000ppm에서도 높은 분해율을 나타냈다.

토양에서 유류의 추출은 EPA 3550M에 이용하였고, EPA 8015M에 의하여 TPH(Total Petroleum Hydrocarbon)를 측량하여 정량분석 하였다. 유류의 추출은 오염토양 10g과 동일한 량의 무수황산나트륨(Na2SO4)을 혼합하여 토양내 수분을 제거하고 1ml의 1000ppm squalane(Sigma)을 internal standard로 첨가 후 추출용매인 n-hexane 20ml을 첨가한 후 30℃, 30분간 초음파 탈착하였으며, 이를 2회 반복 추출하였다. 추출 된 용매는, rotary evaporator(EYELA, Japan)를 이용하여 용매를 휘발시킨 후 1ml의 n-hexane으로 잔류 유류를 농축하여 GC/FID로 분석하였다.

분속에 사용된 GC model은 Hewlett-Packard Model 6890 Plus(U.S.A)이고, detector는 flame ionization detector(FID)를 사용하였으며, column은 Hewlett-Packard HP-5MS capillary column(0.25㎜ × 30m, 0.25 ㎛ diameter)을 사용하였다. Injector와 detector의 온도는 320℃와 240℃로 유지하였고, carrier gas로는 질소를 사용하였으며, 유속은 1.5ml/min, split ratio는 경유는 50:1, 등유는 25:1, 원유는 10:1이며 oven은 초기 45℃로 3분간 유지한 후 15℃/min의 승온속도로 300℃까지 승온시킨 후 분석하였다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 석유화합물 및 난분해성 유기화합물로 오염된 토양 정화용 조성물을 제공한다.

본 발명 조성물은 단입 구조로 사용시 토양의 통기성·투수성을 좋게 하고 토양 유실을 막아주며 단입 구조가 발달하게 되어 농작물·식물의 생육이 촉진될 것으로 기대된다.

본 발명 조성물의 또 다른 적용분야로서 생물학적 토양 및 수질정화 기술, 유류(등유, 경유, 원유, BTEX, 윤활유) 및 난분해성 화합물(방향족 화합물, 할로겐 유기화합물, PAH)을 처리하기 위한 미생물제제로도 사용할 수 있으므로 유류로 오염된 토양정화 및 토양개량산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 유류 분해능이 있는 슈도모나스(Pseudomonas) sp. Y2G1 (KCTC 18049P) 균주 5∼20%(w/w), 담체 70∼90%(w/w), 영양염류 5∼10%(w/w)로 구성된 것을 특징으로 하는 유류 및 난분해성 유기화합물로 오염된 토양 정화용 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 담체는 톱밥, 점토광물, 모래 중 어느 하나를 선택하고 영양염류는 요소, 황산암모늄 중 어느 하나를 선택함을 특징으로 하는 유류 및 난분해성 유기화합물로 오염된 토양의 정화용 조성물.