광운대 장민 교수 연구팀, 지하수 내 질산염의 생물학적 탈질 향상을 위한 친수성 황 담지 영가철 나노 소재 개발

중앙일보

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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.

왼쪽부터 윤소연 석박 통합 과정, 김민지 석사, 종초은 연구교수, 최은하 교수, 장민 교수

왼쪽부터 윤소연 석박 통합 과정, 김민지 석사, 종초은 연구교수, 최은하 교수, 장민 교수

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