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본교 환경공학과 장민 교수(교신저자) 연구팀의 윤소연 석박 통합 과정(제1저자), 김민지 석사 연구원, 종초은 연구교수 (공동 교신저자), 플라즈마바이오센터(PBRC) 최은하 교수(소장), 그리고 장민 교수(부소장)는 지하수 내 질산염의 생물학적 탈질 향상을 위한 바이오 촉매로서 친수성 황 담지 영가철 (S-nZVI)을 개발하고, 그 질산염 환원 기작을 규명하였다.
지하수는 전세계적으로 필수적인 수자원으로, 농업과 산업활동으로 인해 해외 및 국내 많은 지하수원이 질산염(NO3-)으로 오염되어 있다. 이러한 질산염이 오염된 물을 섭취 시, 유아에게 청색증을 유발하고 질산염의 환원부산물인 아질산염(NO2-)이 체내에서 발암물질인 N-nitro 화합물을 형성하는 등, 인간과 수생태계에 잠재적인 위협이 될 수 있다. 질산염 지하수 정화기술 중 원위치 (in-situ) 정화는 상대적으로 낮은 환경 영향, 적은 운영비용 및 에너지 소비로 인해 전세계적으로 각광받고 있는 정화기술이다. 원위치 탈질은 지중에 환원제와 탄소원을 주입하여 화학적 또는 생물학적 탈질을 촉진하는 방식으로 이루어진다. 질산염 지하수 처리기술 중 나노영가철 (nZVI)은 강력한 환원 능력, 무독성 및 낮은 생산비용으로 인해 전세계적으로 빈번하게 사용되는 환원 촉매임과 동시에, 탈질균의 전자공여체로 작용할 수 있는 촉매이지만, 피복(passivation)현상으로 nZVI 표면에 산화철(옥시수소) 층이 형성되면 질산염에 대한 nZVI의 반응성이 크게 감소될 수 있다. 무산소 조건에서 nZVI에 의한 질산염 환원은 양성자와 상호작용하는 nZVI의 높은 수분 이온화 능력으로 인해 주요 부산물이자 독성이 높은 암모늄(NH4+)의 고농도 발생을 초래할 수 있으며, nZVI 입자의 응집은 반데르발스(Van der Waals) 인력과 nZVI 입자 사이의 정전기 이중층 반발에 의해 발생하여 처리 성능을 저하시킨다. 또한, nZVI는 높은 환원능력으로 인해 지하수 및 토양 내 미생물에게 산화 스트레스를 유발하고, 세포막 기능을 교란시켜 미생물에 대한 독성 효과를 나타낸다. 따라서, 지하수의 생물학적 탈질에 대한 nZVI의 한계를 극복하기 위해 nZVI의 바이오 촉매로서의 생체 적응성 향상, 안정성 및 성능 개선이 반드시 필요하다.
본 연구에서는 nZVI와 황화철(FeS)의 복합재로 구성된, 친수성을 띄는 황 담지 영가철(S-nZVI)를 제조하여 일반적인 지하수 환경인 무산소 조건에서 탈질균인 Cupriavidus necator와 함께 질산염 환원에 적용하였다. 친수성 S-nZVI을 바이오 촉매로써 사용한 생물학적 탈질 시스템은, 질산염 저감에 있어 nZVI를 사용한 생물학적 탈질 시스템보다 높은 시너지 효과를 보였다. S-nZVI는 탈질 미생물에게 Fe2+와 H2와 같은 전자공여체를 제공하여 미생물의 질산염의 단계적 환원을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 연속 상향류 컬럼실험에서 S-nZVI 주입 컬럼은127일 동안 최대 2004 mg L-1의 총 질소 저감성능을 보여주었다. 컬럼실험 후 컬럼 내 토양 내 미생물 군집분석(Microbiome taxonomic profiling)을 실시한 결과, S-nZVI 주입 후 토양 내 Geobacter, Desulfosporosinus, Streptomyces 및 Simplicispira 종의 성장이 촉진된 것으로 나타났으며, 이와 같은 미생물의 대부분은 황산염을 환원시킬 수 있고, 탈질반응을 촉진시킬 수 있는 미생물로, S-nZVI가 생물학적 탈질 향상을 위한 바이오 촉매로써의 역할을 효과적으로 수행했음을 알 수 있다. S-nZVI는 높은 총 질소 제거성능과 효과적인 탈질 미생물 활성화 능력을 보여주어, 원위치 질산염 오염 지하수의 생물학적 처리에 있어 유망한 바이오 촉매로써 기존 기술의 대안이 될 수 있다고 기대된다.
한편, 본 연구는 한국연구재단 교육부 지원 및 과학 기술정보통신부 지원을 통한 기초과학연구 지원사업 (2021R1A6A1A03038785) 및 한국환경산업기술원 (2018002480006)의 지원으로 수행되었으며, 2023년 6월 15일자 과학전문지인 Journal of Hazardous Materials (IF: 14.22, JCR rank: 3.2%)에 "Hydrophilic sulfurized nanoscale zero-valent iron for enhancing in situ biocatalytic denitrification: Mechanisms and long-term column studies"의 제목으로 출판되었다.
