Rhizoremediation에 의한 유류오염토양 정화효율 및 온실가스 배출 특성

Abstract

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.;Rhizoremediation is a biological method for the remediation of petroleum-polluted soils based on the synergism between plants and rhizospheric microorganisms. Major factors of rhizoremediation, such as plants and soil amendments, can alter the carbon and nitrogen cycle of the soil ecosystem. However, greenhouse gas emissions of the soil have not been considered yet as a major factor in the rhizoremediation research. In this study, the rhizoremediation was investigated not only in terms of soil remediation efficiency but also in greenhouse gas emissions. The effects of the plant type, soil amendments, and diesel contamination level were observed through the indoor and outdoor pot experiment. In a 95-day indoor experiment, the effects of the plant type (no plant, maize, tall fescue) and soil amendments (chemical nutrient, compost, biofertilizer) on the TPH (Total petroleum hydrocarbon) removal efficiency, plant growth, and greenhouse gas emissions were observed. TPH removal efficiency, dehydrogenase activity, and alkB gene (alkane compound degrading enzyme) abundance were the highest in the composted soil in which maize and tall fescue were planted. Compost addition enhanced the IAA (indole-3-acetic acid, phytohormone) production activity of the soil and root growth of the plants. Under the conditions in which biofertilizer was added, the abundance of pmoA gene (methane oxidizing enzyme) was increased and the potential methane emission of diesel-contaminated soil was correspondingly low. AWCD (Average well color development), a factor that evaluates the substrate use of soil microbial community, was the highest when the soil was added with compost and the lowest when added with the chemical nutrient. In the microbial community structure analysis, various TPH degrading microorganisms (Nocardioides, Marinobacter, Immitisolibacter, Acinetobacter, Kocuria, Mycobacterium, Pseudomonas, Alcanivorax), plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) (Bradyrhizobium, Mesorhizobium, Pseudomonas), and methane oxidizing microorganisms (Methylocapsa, Methylosarcina) were observed in the rhizosphere soil of the indoor pot experiment. In a 107-day outdoor experiment, the effects of the plant type (no plant, maize, tall fescue, alfalfa) and compost (control, compost added) were observed. TPH removal efficiency and dehydrogenase activity were found not to be affected by plant types, which is assumed to be due to the excessively high temperatures during the experiment. TPH removal efficiency, dehydrogenase activity, alkB gene abundance, and IAA production activity of the soil were enhanced when compost was added. Root growth of maize was more active when compost was added, and no significant difference was observed in the root length of tall fescue by compost addition. Alfalfa was unable to adapt successfully to the diesel contaminated soil. The abundance of pmoA gene was increased when compost was added. AWCD showed significant differences depending on the rhizoremediation condition, but no consistent trend was identified. In the 107-day outdoor experiment, the effects of the diesel contamination level (5,000~100,000 mg-TPH ·kg-soil-1) were observed. TPH removal efficiency tended to decrease as diesel contamination level increased. Root growth of tall fescue was also found to be significantly inhibited by high diesel concentration. However, dehydrogenase activity, alkB gene abundance, IAA production activity, potential methane emission, and pmoA gene abundance showed a proportional tendency with the diesel contamination level. AWCD showed significant differences depending on the concentration of diesel, but no consistent trend was identified. Similarity analysis of the microbial community structure was conducted to identify major factors in alteration of the soil microbial community structure. The microbial community structures of the soil with identical plant types showed high similarity. On the other hand, the similarity between microbial community structures in soil with the same soil amendments varied greatly depending on the experimental conditions or time. Also, the high concentration of diesel was found to significantly change the soil microbial community structure. In this study, maize and tall fescue improved the soil remediation efficiency and showed high tolerance to the TPH-contaminated environment. Compost was a suitable soil amendment for rhizoremediation with excellent effects in three aspects: soil remediation efficiency, plant growth and, greenhouse gas emissions. The high concentration of diesel had a negative effect on rhizoremediation, such as low remediation efficiency, plant growth degradation, and high methane emissions, but the activity of microorganisms contributing to each process increased through the synergism between plants and rhizospheric microorganisms. The effects of major rhizoremediation factors on soil remediation efficiency and greenhouse gas emissions discussed in this study are expected to contribute to the development of sustainable biological remediation technologies in response to global climate change.