Microbial Ecology of Heavy Metal Immobilized Soils nearby Closed Mine

Abstract

Heavy metals leaching from closed mines have been causing severe environmental problems in nearby soil ecosystems. Mine reclamation in Korea has been recently implemented based on the heavy metal immobilization (a.k.a., stabilization). Since the immobilization temporarily fixes the heavy metals to the soil matrix, the potential risk of heavy metal leaching still exists. Therefore the appropriate monitoring and the related policies are required to safeguard the soils, where all the cultivations occur. The current monitoring methods are based on either heavy metal concentration or simple toxicity test. Those methods, however, are fragmented and hence it is difficult to evaluate the site in an integrated manner. In this study, as the integrated approach, ecological functional state evaluation with a multivariate statistical tool was employed targeting physiochemical properties, heavy metal concentrations, microbial enzymatic activity, arsenic respiratory reductase gene quantity, and microbial community analysis. Total 60 soil samples obtained from three mines (Pungjeong, Jeomdong, Seosung) were analyzed. For the result of enzymatic assay and arsenic respiratory gene quantification, the stabilized layer soil and lower layer soil have shown the similar pattern in Pungjeong mine. In contrast, Jeomdong and Seosung mine have shown the similarity between the stabilized layer soil and the cover layer soil, indicating the possible contamination of the cover layer soil. For the microbial community analysis, we analyzed two samples from the stabilized soils nearby Seosung mine, and one sample from the control site which is far from mine. It was found that in the stabilized layer soils, both diversity and species richness at each level were the lowest among three samples. Furthermore, in the stabilized layer, the most of phyla decreased. However Proteobacteria increased remarkably. This result may be due to the resistance to heavy metals of Proteobacteria. Interestingly, there was dominant species in the stabilized layer soils, Methylobacter tundripaludum. This species showed the highest relative portion of microbial community at the species level in the stabilized layer soils. If we can confirm some dominant species in stabilized layer as a bio-indicator, we can use dominant species for detecting heavy metal contamination of stabilized layer.;폐광산은 방치된 광미 등으로 인하여 주변환경에 복합적인 중금속 오염을 야기한다. 이를 방지하기 위하여 국내에서는 1990년대 중반부터 석회석 등의 안정화제와 복토를 이용한 안정화 공법을 기반으로 토양개량사업이 시행 중이다. 복원된 토양의 상부에서는 작물의 재배로 인해 중금속이 고정된 안정화 층이 지화학적 변화를 겪게 되며 이에 따른 중금속의 용출 및 이동이 가능하므로 토양개량사업을 마친 토양에 대한 질 평가 등의 사후 관리는 반드시 필요하다. 토양의 질 평가를 하기 위해서는 이화학적 분석 또는 생물학적인 분석을 개별적으로 하기보다는 이들을 결합한 종합적인 분석이 필요하며 이를 통해 토양의 생태기능상태(ecological functional state)를 평가할 수 있다. 본 연구에서는 대상시료로 경상북도 봉화군 풍정 광산, 전라남도 광양시 점동 광산, 충청남도 서산시 서성 광산 인근 안정화 처리 토양과 안정화 처리가 되지 않은 오염, 비오염 토양을 선정하였다. 토양의 이화학적 성질인 pH, CEC, LOI와 중금속 농도를 측정하였고, 미생물 효소활성도와 비소환원유전자를 정량하였다. 또한, 오염도가 높게 측정된 서성광산 토양 중 일부를 선택하여 미생물 군집 분석을 시행하였다. 다변량 통계분석을 바탕으로 모든 데이터를 분석하여 토양 생태기능상태를 평가하였다. 안정화 심도 토양과 상부복토, 하부오염토 간의 상관관계를 확인한 결과, 안정화 심도 토양에서 중금속의 농도가 높게 측정되었으며, 풍정 광산에서는 안정화 처리 심도 토양이 하부오염토와 유사한 특성을, 점동, 서성 광산에서는 안정화 심도 토양이 상부복토와 유사한 특성을 나타내었는데 이는 점동, 서성 광산 주변 상부복토의 생태기능상태가 좋지 않을 수 있음을 시사한다. 미생물 군집 분석 결과 특정 종 (Methylobacter tundripaludum)이 안정화 처리 토양에서 우점하는 것을 확인하였다. 이 종은 대표적인 메탄산화세균으로 메타노박틴 (methanobactin)을 이용하여 구리, 아연 등의 중금속을 고정시키고 체외로 배출시키는 능력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그렇기 때문에 이 종이 우점하게 발견된 것은 중금속의 농도가 높은 환경임을 시사한다. 본 연구 결과를 바탕으로 효소활성도, 비소 호흡유전자를 이용하여 안정화 처리 토양의 생태기능 상태를 스크리닝 하고, 지표종의 양을 정량하여 생태기능 상태를 정밀히 파악하는 방법을 제언하였다. 본 연구에서는 Methylobacter속과 Thiobacillus속을 지표종으로 제언하였는데, 이 두 종이 지표종으로 사용되기 위해서는 종의 특성을 파악하는 연구가 선행되어야 할 것이다.