Experimental Study on Stabilization of Heavy Metals by Biofilm Developed on Soil Particle Surface

토양 입자 표면에 형성된 바이오필름을 통한 중금속 고정화 실험 연구

  • 고명수 (광주과학기술원 환경공학과) ;
  • 박현성 (한국광해관리공단 광해기술연구소) ;
  • 김경웅 (광주과학기술원 환경공학과) ;
  • 이종운 (전남대학교 에너지자원공학과)
  • Received : 2010.01.14
  • Accepted : 2010.02.23
  • Published : 2010.04.30

Abstract

The effects of indigenous microbial biofilm which was artificially developed on soil particle surface on mobility of toxic heavy metals in contaminated paddy soil were investigated. Among various dilutions of nutrients such as tryptic soy broth (TSB), Luria-Bertani (LB) broth and yeast extract, 50%-diluted LB medium appeared to result in development of the highest biofilm biomass on soil particles. Experiments on heavy metals biosorption were conducted using biofilm developed on soil particles with 50%-diluted LB medium at pH 4 and 7. Biofilm led to higher removal efficiency of Pb, Cd, Ni, and Zn than abiotic controls at pH 4 and 7 while there was no significant differences in removal efficiency for Cr and As. Addition of phosphate ion to biofilm around soil particles showed that heavy metals adsorption preferentially occurred by bacterial biofilm over phosphate formation.

폐광산 주변 논토양을 대상으로 하여 토착미생물 바이오필름 형성을 통한 미생물학적 중금속 고정화 여부를 실험적으로 확인하였다. 다양한 농도의 tryptic soy broth(TSB), Luria-Bertani(LB) broth, 효모 추출물 등 영양분을 공급한 결과, 50% 희석한 LB 배지가 가장 높은 바이오필름 생물량 형성을 유도하였다. 바이오필름이 형성된 토양에 pH 4와 7의 조건에서 Pb, Cd, Ni, Zn 및 As, Cr 용액을 주입한 결과, 바이오필름은 pH에 관계없이 무생물학적 비교시료에 비하여 용존 중금속들을 잘 제거하였으나, As와 Cr은 비교시료와 큰 차이가 없었다. 바이오필름에 인산이온을 주입한 결과, 인산염 형성을 통한 중금속 제거보다 바이오필름에 의한 중금속 흡착이 우선적으로 발생하는 것으로 나타났다.

Keywords

References

  1. 고일원, 이철효, 이광표, 김경웅, 2004, "토양세척에 의한 비소 및 중금속 오염토양의 복원," 한국지하수토양환경학회지, 제9권 4호, pp. 52-61.
  2. 고명수, 이종운, 박현성, 신중수, 방기문, 전효택, 이진수, 김주용, 2009, "탄소원을 공급한 폐금은광산 주변 논토양 내 중금속의 지구미생물학적 거동 연구," 자원환경지질, 제42권 5호, pp. 413-426.
  3. 김상호, 전효택, 이종운, 2009, "토양 내 토착미생물에 의한 바이오필름 형성과 흡착을 통한 용존 중금속 제거," 자원환경지질, 제42권 5호, pp. 435-444.
  4. 송대성, 이종운, 고일원, 김경웅, 2007, "국내 일부 오염 토양 및 퇴적물 내 토착 미생물에 의한 중금속의 지구화학적 거동 연구," 자원환경지질, 제40권 5호, pp. 575-585.
  5. 이종운, 전효택, 2000, "원소의 지구화학적 거동에 미치는 박테리아의 영향: 지구미생물학의 최근 연구 동향," 자원환경지질, 제33권 5호, pp. 353-365.
  6. 이종운, 이상우, 김경웅, 이진수, 전효택, 2006, "폐 금광산 주변 혐기성 퇴적물에서 비소 거동에 미치는 지구미생물학적 영향," 한국지구시스템공학회지, 제43권 5호, pp. 448-457.
  7. 장해영, 전효택, 이종운, 2009, "미생물학적 황산염 환원에 의한 토양 내 비소와 구리의 원위치 침전," 자원환경지질, 제42권 5호, pp. 445-455.
  8. 하원경, 이종운, 정명채, 2006, "우라늄의 지구미생물학적 환원성 고정화와 장기적 안정성 연구," 한국지구시스템공학회지, 제43권 4호, pp. 331-338.
  9. 환경부, 2001, 폐금속광산 오염실태 정밀조사결과.
  10. 환경부, 2009, 토양오염공정시험기준, 환경부고시 제 2009-255호.
  11. Adriano, D.C., 2001, Trace Elements in Terrestrial Environments, 2nd Ed, Springer, pp. 350-410.
  12. Alexander, M., 1999, Biodegradation and Bioremediation, 2nd Ed, Academic Press, pp. 378-384.
  13. Basta, N.T. and Tabatabai, M.A., 1992, "Effect of cropping systems on adsorption of metals by soils; I. single-metal adsorption," Soil Sci., Vol. 153, No. 2, pp.108-114. https://doi.org/10.1097/00010694-199202000-00004
  14. Brown, D.A., Kamineni, D.C., Sawicki, J.A. and Beveridge, T.J., 1994, "Minerals associated with biofilms occurring on exposed rock in a granitic Underground Research Laboratory," Appl. Environ. Microbiol., Vol. 60, pp. 3182-3191.
  15. Brown, D.A., Sherriff, B.L., Sawicki, J.A. and Sparling, R., 1999, "Precipitation of iron minerals by a natural microbial consortium", Geochim. Cosmochim. Acta, Vol. 63, pp. 2163-2169. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(99)00188-X
  16. Costerton, J.W., Lewandowski, Z., DeBeer, D., Caldwell, D., Korber, D. and James, G, 1994, "Biofilms, the customized microniche," J. Bacteriol., Vol. 176, pp. 2137-2142. https://doi.org/10.1128/jb.176.8.2137-2142.1994
  17. Harvey, J., Keenan, K.P. and Gilmour, A., 2007, "Assessing biofilm formation by Listeria monocytogenes strains," Food Microbiol., Vol. 24, pp. 380-392. https://doi.org/10.1016/j.fm.2006.06.006
  18. Kaplan, D.I. and Knox, A.S., 2004, "Enhanced contaminant desorption induced by phosphate mineral additions to sediment," Environ. Sci. Technol., Vol. 38, pp. 3153-3160. https://doi.org/10.1021/es035112f
  19. Kumpience, J., Larerkvist, A. and Maurice, C., 2008, "Stabilization of As, Cr, Cu, Pb and Zn in soil using amendments - a review," Waste Management, Vol. 28, pp. 215-225. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2006.12.012
  20. Lawrence, J.R., Swerhone, G.D.W. and Kwong, Y.T.J., 1998, "Natural attenuation of aqueous metal contamination by an algal mat," Can. J. Microbiol., Vol. 44, pp. 825-832. https://doi.org/10.1139/w98-083
  21. Lee, J.-U. and Beveridge, T.J., 2001, "Interaction between iron and Pseudomonas aeruginosa biofilms attached to Sepharose surfaces," Chem. Geol., Vol. 180, pp. 67-80. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(01)00306-0
  22. Lovely, D.R. and Coates, J.D., 1997, "Bioremediation of metal contamination," Curr. Opin. Biotechnol., Vol. 8, pp. 285-289. https://doi.org/10.1016/S0958-1669(97)80005-5
  23. Melamed, R., Cao, X., Chen, M. and Ma, L.Q., 2003, "Field assessment of lead immobilization in a contaminated soil after phosphate application," Sci. Tot. Environ., Vol. 305, No. 1-3, pp. 117-127. https://doi.org/10.1016/S0048-9697(02)00469-2
  24. O'Toole, G.,A. and Kolter, R., 1998, "Initiation of biofilm formation in Pseudomonas fluorescens WCS365 proceeds via multiple, convergent signalling pathways: A genetic analysis," Mol. Microbiol., Vol. 28, pp. 449-461. https://doi.org/10.1046/j.1365-2958.1998.00797.x
  25. Ownby, D.R., Galvan, K.A. and Lydy, M.J., 200, "Lead and zinc bioavailability to Eisenia fetida after phosphorus amendment to repository soils," Environ. Poll., Vol. 136, No. 2, pp. 315-321.
  26. Scheckel, K.G., Ryan, J.A., Allen, D. and Lescano, N.V., 2005, "Determining speciation of Pb in phosphate-amended soils: Method limitations," Sci. Tot. Environ., Vol. 350, No. 1-3, pp. 261-272. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2005.01.020
  27. Shi, Z. and Erickson, L.E., 2001, "Mathematical model development and simulation of in situ stabilization in lead-contaminated soils," J. Haz. Mater., Vol. 87, No. 1-3, pp. 99-116. https://doi.org/10.1016/S0304-3894(01)00212-6
  28. Trudinger, P.A. and Swaine, D.J., 1979, Biogeochemical Cycling of Mineral-forming Elements, Elsevier, pp. 293-314.
  29. Valls, M. and de Lorenzo, V. 2002, "Exploiting the genetic and biochemical capacities of bacteria for the remediation of heavy metal pollution," FEMS Microbiol. Rev., Vol. 26, pp. 327-338. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2002.tb00618.x
  30. Vecchio, A., Finoli, C., Di Simine, D. and Andreoni, V. 1998, "Heavy metal biosorption by bacterial cells," Fresenius J. Anal. Chem., Vol. 361, pp. 338-342. https://doi.org/10.1007/s002160050899
  31. Watkins, L. and Costerton, J.W., 1984, "Growth and biocide resistance of bacterial biofilms in industrial systems", Chem. Times Trends, Oct., pp. 35-40.