유류오염 토양 정화 과정에서 메탄 배출에 미치는 메탄 산화 세균의 접종 효과

Abstract

기후 변화에 대응하기 위해서는 메탄과 같은 온실가스 배출량을 최소화하는 기술 개발이 필요하다. Rhizoremediation은 식물의 뿌리 근권 미생물을 이용한 생물학적 정화 기술로 유류오염 토양과 같은 오염 물질의 제거를 위한 기술로 이용되고 있다. 유류오염을 정화하는 과정에서 다양한 탄소 화합물의 분해로 메탄 가스가 발생하게 되지만 그와 관련된 연구가 드물게 진행되고 있다. 최근 들어 관심이 집중되고 있는 기후 변화에 대응하기 위해서는 오염물질 정화과정에서 메탄과 같은 온실가스 배출량을 최소화하는 기술 개발이 필요하다. 본 연구는 우선 유류오염 토양 정화 과정 중 근권 미생물에 의한 디젤 분해와 잠재 메탄 산화능에 대한 평가를 진행하였다. 디젤 20,000 mg-diesel · kg-dry soil-1로 오염시킨 토양을 일주일 동안 에이징 한 후, 화분에 담고 식물을 식재한 뒤 식물을 식재하지 않은 조건 (NP), 옥수수를 식재한 조건 (MP), 톨페스큐를 식재한 조건 (TP)으로 야외 토양실험을 약 110일간 진행하였다 (옥수수는 폭우에 의해 83일에 실험 중단). 근권 미생물에 의한 TPH 분해능과 메탄 산화능, 그리고 근권토양 미생물 군집에 대한 분석을 진행하였다. 110일에 잔류 TPH 농도가 토양 오염 우려 기준인 2,000 mg-diesel · kg-dry soil-1 이하로 떨어졌지만 NP와 MP, TP사이의 유의미한 차이는 존재하지 않았다. 잠재 메탄 산화능은 대부분 시간이 지날수록 산화능이 향상하는 경향을 보였다. 하지만 평균 메탄 산화 속도는 시간이 지날수록 식물을 식재하지 않은 조건인 NP가 식물을 식재한 MP와 TP보다 약간의 유의미한 차이를 보이며 빠르게 나타났다. 최대 메탄 산화 속도는 MP가 실험 중반부터 빨랐으며 58일의 최대 메탄 산화 속도가 7.447 μmol · g-dry soil-1 · h-1로 가장 빨랐다. 토양 근권 미생물의 초기 군집구성은 NP와 MP, TP사이에 몇몇 genus의 비율에 차이가 있었지만 실험이 진행될수록 비슷한 군집을 형성하였다. 디젤 오염 토양 내 미생물 활성을 이용한 정화 효율 및 잠재 메탄 산화능 실험 이후에는 유류오염 토양 정화 과정 중 배출되는 메탄의 배출에 미치는 메탄 산화 세균의 접종 효과를 평가하였다. 옥수수와 톨페스큐 근권 토양을 접종원으로하며 메탄을 유일 탄소원과 에너지원으로 공급하며 농화배양해 얻은 메탄 산화 컨소시움으로부터 Methylocytis sp. JHTF4와 Methyloversatilis sp. JHM8 균주를 순수 분리하였다. 두 균주의 최대 메탄 산화능은 각각 123.78, 321.8 μmol-1 · g-dry cell · h-1이었다. 10,000 mg-diesel · kg-dry soil-1의 디젤로 오염시킨 토양을 일주일간 에이징 한 후, 오염토양을 화분당 2 kg씩 넣어주었다. 식물 (옥수수 또는 톨페스큐)만 식재한 조건 (CM, CT), 식물과 JHTF4 균주를 접종한 조건 (MCM, MCT), 그리고 JHM8 균주를 접종한 조건 (MVM, MVT)으로 총 6가지 조건의 화분 실험을 야외에서 진행하였다. 화분에 식물을 식재하고 JHTF4와 JHM8 균주 배양액을 각각 20 mL 접종해 주었다. 식물만 식재하고 균주를 접종하지 않은 CM과 CT 화분의 토양을 대조군으로 이용하였다. 토양의 잠재 메탄 산화 능력 측정을 위해 토양 2 g을 무기염 배지(NMS 배지)와 함께 혈청병에 넣고 50,000 ppm의 메탄을 주입한 후, 30℃에서 배양하며 headspace의 메탄 농도를 측정하였다. 균주를 접종하지 않은 조건에서 디젤 제거율은 81.5 ~ 85.4%, 균주를 접종한 조건의 디젤 분해율은 86.1 ~ 88.4%로 향상되었다. JHTF4 균주 접종 없이 옥수수와 톨페스큐를 식재한 조건의 근권토양 잠재 메탄 산화능은 35일차까지 최대 11 μmol · g-dry soil-1 · h-1까지 증가하였지만 그 후 63일에는 감소하였다. 또한 JHTF4와 JHM8 균주 접종에 의해 메탄 산화능은 최대 약 1.1~1.2배 향상되었다. 이러한 결과로부터 유류오염 토양에서 식물 근권 토양에 메탄 산화 세균을 접종함으로써 메탄 배출량을 최소화할 수 있음을 알 수 있었다.;For continuous climate change, it is necessary to develop a technique that mitigate methane emissions like by-product of diesel-contaminated soils. Rhizoremediation is a biological degradation that uses microorganism activities in plant roots. Many studies have been conducted mainly focusing on the efficiency of removing contaminants. As mentioned, it is necessary to mitigate methane gases emitted from diesel-contaminated soil degradation for stop increasing climate. In the first year’s study, the efficiencies of rhizosphere microorganisms were investigated. Soil was polluted with 20,000 mg-diesel · kg-dry soil-1 then planted maize and tall fescue in the pot. Pots are named NP (no planted), MP (maize planted), and TP (tall fescue planted). TPH concentration and methane oxidation potential rate was estimated. All soil TPH concentrations fell to 2,000 mg-diesel · kg-dry soil-1 which is soil contamination standard. But there is no significant difference between NP, MP, and TP. The methane oxidation potential was improved over time. Average methane oxidation rate of MP and TP was continuously increased. The bacterial community of soils found a little difference and proportion of microorganisms are stabilized over time. In the next year, the inoculation effect of methane oxide bacteria on methane emission in the process of rhizoremediation diesel-contaminated soil was evaluated. The strains of Methylocytis sp. JHTF4 and Methyloverstilis sp. JHM8 were identified from the methane oxide consortium obtained by agricultural culture while supplying methane as the only carbon source and energy source. The maximum methane oxidation capacity of this strain was 123.78 and 321.8 μmol-1·g-dry cell-1·h-1, respectively. The soil was contaminated with 10,000 mg-diesel·kg-drysoil-1, aged for one week, and then the contaminated soil was added 2 kg per pot. Six conditions of pot experiments were conducted outdoors: conditions in which only plants (maize or tall fescue) were planted (CM, CT), conditions in which plants and JHF4 strains were inoculated (MCM, MCT), and conditions in which plants and JHM8 strains were inoculated (MVM, MVT). Maize and tall fescue were planted in the pot, respectively, and 20 mL of JHTF4 and JHM8 strain cultures solutions were inoculated. As a control group, only plants were planted and pots without strains were prepared. For estimate potential methane oxidation capacity of the soil, 2 g of soil was put into a serum bottle with an NMS medium, and 50,000 ppm of methane was injected, and the methane concentration was measured while incubating at 30°C. The TPH removal efficiency of CM and CT was 81.5 to 85.4%. And inoculated soils (MCM, MVM, MCT, MVT) showed improved TPH removal efficiencies from 86.1 to 88.4%. Soil methane oxidation potential rate of CM and CT increased by up to 11 μmol·g-dry soil-1·h-1 until day 35 and then decreased on day 63. The methane oxidation potential rate was improved by up to 1.1 to 1.2 times by JHTF4 and JHM8 (relative index compared to CM and CT). From these results, it was found that Methylocystis sp. JHTF4 and Methyloversatilis sp. JHM8 can be used to mitigate methane emissions in the rhizoremediation of diesel-contaminated soils.