토착미생물의 생지화학적 활동에 의한 지하수의 산화/환원전위 변화 특성

이승엽,노열,정종태,Lee, Seung Yeop,Roh, Yul,Jeong, Jong Tae 대한자원환경지질학회 2014 자원환경지질 Vol.47 No.1

중금속류나 방사성 물질로 오염된 지하수를 원위치에서 처리(정화 혹은 고정화)하고자 할 때, 반드시 고려해야 할 지화학적 요소 중의 하나는 지하수의 산화/환원전위 값이다. 우리는 생지화학적 작용에 의한 현장 지하수의 산화/환원전위 변화 특성을 알아보기 위해 실험실 조건에서 한국원자력연구원의 심부지하수를 대상으로 전자공여체(젖산), 전자수용체(황산염) 및 토착미생물을 주입하여 시간별로 산화/환원전위 변화를 관찰하였다. 질소가스-충전 글로브박스에 있는 순수 지하수는 시간이 경과함에 따라 미약한 Eh 상승(약산화)이 있었다. 하지만, 젖산, 황산염 혹은 미생물이 주입된 지하수 대부분의 Eh는 감소(환원)하는 특성을 보여주었다. 특히, 국내 토착 황산염환원미생물인 '바쿨라텀'이 주입되었을 때, 지하수의 Eh가 -500 mV 근처까지 감소하여 강환원성 지하수로 바뀌었다. 이처럼 일반 금속환원박테리아에 비해 황산염환원박테리아의 지하수 환원화 능력이 매우 우수함에도 불구하고, 용존 황산철을 필요로 하였고 최종적으로 황화광물(예; 맥키나와이트)이 생성되면서 추후 반응에 관한 예측을 어렵게 하였다. 결과적으로, 미생물 외에도 미량의 영양물질 주입 여하에 따라 지하수의 산화/환원전위가 크게 달라졌으며, 이는 산화/환원전위의 영향을 받는 용존 오염 물질의 산화수, 용해도 및 수착 등의 특성들이 생물자극법에 의해 바뀌거나 조절될 수 있음을 의미한다. As we are trying to in-situ treat (purify or immobilize) heavy metals or radionuclides in groundwater, one of the geochemical factors to be necessarily considered is the value of oxidation/reduction potential (ORP) of the groundwater. A biogeochemical impact on the characteristic ORP change of groundwater taken from the KAERI underground was observed as a function of time by adding electron-donor (lactate), electron-acceptor (sulfate), and indigenous bacteria in a laboratory condition. There was a slight increase of Eh (slow oxidation) of the pure groundwater with time under a $N_2$-filled glove-box. However, most of groundwaters that contained lactate, sulfate or bacteria showed Eh decrease (reduction) characteristics. In particular, when 'Baculatum', a local indigenous sulfate-reducing bacterium, was injected into the KAERI groundwater, it turned to become a highly-reduced one having a decreased Eh to around -500 mV. Although the sulfate-reducing bacterium thus has much greater ability to reduce groundwater than other metal-reducing bacteria, it surely necessitated some dissolved ferrous-sulfate and finally generated sulfide minerals (e.g., mackinawite), which made a prediction for subsequent reactions difficult. As a result, the ORP of groundwater was largely affected even by a slight injection of nutrient without bacteria, indicating that oxidation state, solubility and sorption characteristics of dissolved contaminants, which are affected by the ORP, could be changed and controlled through in-situ biostimulation method.

금속환원미생물에 의한 수용액의 산화/환원전위 변화 및 생합성 맥키나와이트의 역할

이승엽 ( Seung Yeop Lee ),오종민 ( Jong Min Oh ),박민훈 ( Min Hoon Baik ),이용재 ( Yong Jae Lee ) 한국광물학회 2011 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.24 No.4

토양 하부 및 지하수에 생존하고 있는 미생물들이 지하수의 산화/환원전위 변화에 관여하는 사실을 알아보기 위해 미생물들을 주입한 수용액의 시간별 Eh 변화량을 측정하였다. 황산염환원 미생물이 주입된 경우 수용액의 Eh값이 5일 만에 -120 mV에서 -500 mV까지 떨어졌으며, 실험 결과 디설프리칸스 세균이 불가리스 세균보다 수용액을 환원하는 능력이 상대적으로 좋았다. 철환원 미생물인 스와넬라 세균의 경우 Eh값이 황산염환원 세균보다 조금 높은 -400 mV를 보여 주었다. 금속환원미생물에 의해 수용액의 Eh값이 떨어지는 동안 용존 황산염 혹은 산화철이 환원되고 맥키나와이트(FeS)라는 황화광물이 형성되기 시작하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 일반 지하수의 산화/환원전위는 그 지하수에 생존하고 있는 지하미생물들의 대사 활동에 많은 영향을 받고 있다는 사실과 극환원된 지하수 및 생기원 황화광물들이 풍부한 지하 환경은 산화 핵종들이 환원된 형태로 침전되어 핵종 이동이 억제될 가능성이 높은 곳으로 판단된다. In order to identify if bacteria surviving in soils and groundwater can change the oxidation/reduction potential of groundwater, Eh values of solution that contained bacteria were measured for 2 weeks. The Eh values of the solution reacted with sulfate-reducing bacteria decreased from -120mV to -500 mV in 5 days, and Desulfuricans was superior to Vulgaris in reducing the solution. The Eh value was relatively higher for the solution containing Shewanella, iron-reducing bacteria, showing-400 mV. During the Eh decrease by the metal-reducing bacteria, a sulfide mineral such as mackinawite (FeS) started precipitating through the microbial reducing process for sulfate and ferric iron. These results show that the ORP of natrual groundwater may be sensitive to the geomicrobial respiration. In addition, a subsurface environment where groundwater is highly reduced and sulfide minerals are largely biogenerated may be a good place to retard the migration of oxidized radionu-clides by making them precipitated as reduced forms.

진관내동 생태계보전지역에서 산화환원전위(Redox Potential)의 월별 변화

김재근 한국습지학회 2004 한국습지학회지 Vol.6 No.2

습지에서 물의 효과는 토양 속으로 공기의 확산을 방해한다는 것이다. 이로 인해 습지의 토양 속에서는 산화 상태가 환원상태로 바뀌는 생화학적인 과정을 유도하게 된다. 건조토양이 수화된 토양이 될 때 산화환원전위는 낮아지게 된다. 그러므로 산화환원전위를 통해 토양의 소화된 정도를 알 수 있고, 이를 통해 어느 정도 습지의 화학적 특징이 나타날 지를 예견할 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 진관내동 생태계 보전지역의 습지 토양 특성을 파악하기 위하여 2003년 5월부터 2004년 3월까지 산화환원 전위를 측정하였다. 깊이별 산화환원전위는 5월 10 cm 깊이에서 가장 높은 200 mV를 보였고 25 cm 깊이에서 가장 낮은 0 mV를 나타내었다. 이후 모든 깊이에서 낮아져 7월에는 약 -200 mV를 나타내었다. 이는 10월까지 지속되었으며, 이후 깊이가 낮을수록 산화환원전위의 증가폭이 크게 나타났다. 20 cm 깊이에서 측정한 5군데의 결과는 모두 비슷한 변화 양상을 보여주었다. 즉, 식물의 성장기 동안에는 낮은 값을 유지하다가 비성장기에는 증가하였다. 이러한 결과로부터 진관내동 생태계 보전지역의 토양은 환원된 상태의 습지 토양 특성을 잘 나타내고 있으며, 메탄화과정이 일어나고 있음을 알 수 있다. The most significant effect of excess water in wetlands is the isolation of the soil from the atmosphere and the prevention of O2 from diffusing into soil. The blockage of atmospheric O2 induces biological and chemical processes that change soil from oxidized into reduced state. When dry soil develop into hydric soil, redox potential is dropping. The redox potential is a indicator of hydric soil and affect chemical function of wetlands. To reveal characteristics of wetland soil, redox potential was measured in Jinkwannaedong ecological conservation area from May in 2003 to March in 2004. Redox potentials in May ranged from 5 mV at 25 cm depth to 200 mV at 10 cm depth. It decreased to about -200 mV at all depths and continued until October. In winter, redox potential was slowly increased; it was the highest at 5 cm depth and lowest at 20 cm depth. Annual variations of redox potential in 20 cm depth showed the same pattern at 5 sites; low in growing season and high in non-growing season. This results indicates that soils of study sites are in hydric state and methanogenesis is occurring in Jinkwannaedong ecological conservation area.

논 표면수의 인(P), pH 와 토양 산화환원전위(Eh)의 관계 특성

김영현 ( Young Hyeon Kim ),김진수 ( Jin Soo Kim ),장훈 ( Hoon Jang ) 한국농공학회 2009 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2009 No.-

논에서 영양물질의 농도특성을 정확히 파악하기 위해서는 영농활동에 따른 체계적인 모니터링을 통한 다양한 측정 자료가 필요하다. 그러나 현재 논에서 토양의 산화환원에 관한 연구 자료는 많지 않기 때문에 그의 특성을 파악하기에는 어려운 실정에 있다. 본 연구의 목적은 충북대학교 부속농장 필지논에서 2008년 영농기간을 중심으로 논에서의 영양물질인 총인(TP), 인산성 인(PO₄-P)과 pH, 산화환원전위(Eh)의 관계특성을 파악함으로써, 논으로부터의 영양물질 유출제어에 관한 기초 자료를 제공하는데 있다. 이 연구는 2008년 6월부터 10월까지 필지논에서 논 표면수의 TP 와 PO₄-P의 농도변화와 pH 와 토양의 산화환원전위(Eh)와의 관계 특성을 파악하였다. 관개기의 논에서 인은 분얼비 시기에 인성분이 시비되지 않았는데도 불구하고 분얼비 직후와 분얼비 1주일 후에 TP농도가 높게 나타났는데 이는 담수의 영향으로 논이 환원상태로 되어, 논바닥에 침전된 철이온에 흡착되어 있던 인이 철이온의 환원으로 함께 용출하기 때문이라고 생각된다. 산화환원전위(Eh)는 높아지면 산화경향을, 낮아지면 환원경향을 나타낸다. 본 연구기간 동안의 산화환원전위(Eh) 값은 비 관개기에 201~405 mV로 높게 나타났고, 관개기에는 93~195 mV로 낮게 나타났다. 논토양의 Eh와 담수의 pH의 관계는 Eh의 증가에 따라 담수의 pH값은 낮아지는 경향을 보였다. 또한 논에 담수를 실시하면 토양의 Eh는 환원경향을 띄어 수소이온(H⁺)이 감소하기 때문에 pH가 증가하는 경향을 나타냈다. 필지논 표면수의 인농도는 분얼비 직후 1주일후까지 TP 와 PO₄-P 농도는 같이 상승하다가 TP농도는 약 2주일까지 더 상승하여 2008년 최대값을 나타냈고 PO₄-P농도는 하강하였는데 이는 논 토양이 환원상태로 되면서 바닥에 있던 입자성 인이 논 표면으로 떠올랐기 때문으로 사료된다. 그 후에 담수가 끝나는 시점까지 농도는 낮아졌다. 강우량이 적은 관개초기에 인의 농도는 비교적 높게 나타났지만 강우량이 많은 여름에는 작물의 생장에 필요한 영양물질 섭취 등으로 인농도가 낮게 나타나 논은 인의 유출을 억제하고 있는 것으로 나타났다. 이와 같이 인의 유출특성 및 산화환원전위(Eh)의 변화에 따른 논에서의 유출부하 특성이 규명된다면, 환경부하가 적은 효과적인 물관리가 가능해 질 것으로 판단된다.

염산용액에서의 황동광 침출에 대한 산화환원전위의 영향

유경근,이재천,정진기,손정수 한국지구시스템공학회 2008 한국지구시스템 공학회지 Vol.45 No.1

침출속도를 개선하기 위한 방법으로서 황동광 침출의 산화환원전위 의존성이 연구되었고, 상대적으로 낮은 산화환원전위대에서 높은 침출속도를 나타내는 최적전위가 존재한다고 보고되었다. 본 연구에서는 산화제로서 Fe<SUP>3+</SUP> 이온을 포함하는 염산용액을 사용하여 50℃와 80℃에서 각각 침출실험을 진행하고 염산용액에서 황동광 침출의 산화환원전위 의존성을 조사하였다. 구리의 농도는 침출이 진행됨에 따라 증가하였으며, 80℃ 실험에서는 20분 후에, 50℃ 실험에서는 7시간 후에 농도가 급격히 증가하였다. 황동광 침출이 진행됨에 따라서 Fe<SUP>2+</SUP> 이온농도가 증가하여 산화환원전위는 감소하였다. 침출속도는 50℃ 침출실험에 비하여 80℃ 침출실험에서 빠르게 나타났으며, 440 mV(Ag/AgCl)에서 침출속도가 가장 빠른 것을 알 수 있었다. 이 결과는 염산용액에서도 황동광의 침출은 산화환원전위 의존성을 갖는다는 사실을 나타낸다.

필지논에서 시비조건 변화에 따른 인(P) 농도와 산화환원전위(Eh)의 변화 특성

김영현 ( Young Hyeon Kim ),김진수 ( Jin Soo Kim ),장훈 ( Hoon Jang ) 한국농공학회 2010 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2010 No.-

본 연구의 목적은 충북대학교 부속농장에서 2009~2010년 영농기간을 중심으로 담수된 논에서의 산화환원전위(Eh)의 변화와 시비에 따라 영양물질인 인(P)의 농도변화 특성을 파악함으로써, 논으로부터의 인의 유출제어에 관한 기초 자료를 제공하는데 있다. 이 연구는 동일 논의 시비조건을 다르게 하여 담수의 총인(T-P)과 인산염 인(PO₄-P)의 농도변화 및 토양산화환원전위(Eh)의 특성을 파악하였다. 시비조건은 2009년에 기비, 분얼비, 수비로 3차례, 2010년에는 분얼비를 제외한 2차례 시비하였다. 2009~2010년 관개기의 논에서 인은 분얼비 시기에 인성분이 시비되지 않았는데도 불구하고 T-P농도가 각각 0.68mg/L, 0.48mg/L로 상승하는 경향을 보였다. 이는 담수의 영향으로 논이 환원상태로 되어, 논바닥에 침전된 철이온에 흡착되어 있던 인이 철이온의 환원으로 함께 용출하였고, 또한 많은 일사량과 높아진 수온 때문에 논에 조류(algae)가 발생했기 때문으로 생각된다. 높은 Eh는 산화경향을, 낮은 Eh는 환원경향을 나타낸다. 2009년 Eh 값은 연속적으로 담수되었던 시기에 74~112 mV 가량 나타냈고, 그 이후에는 담수상태가 아닌 경우가 많아 179~636 mV로 높게 나타났다. 2010년에도 연속담수기간에는 80~124 mV, 그 이외에는 169~642 mV의 값을 나타냈다. 논 담수의 PO₄-P 농도는 담수 후 2주일후 정도 지나면 인성분을 시비하지 않아도 농도가 상승하는 경향을 보였다. 이는 논 토양이 환원상태로 되면서 바닥에 있던 인이 논 표면으로 떠오르는 재부유현상이 일어났기 때문으로 사료된다. 벼는 생육기간 중 상당기간 담수 상태에 있으므로 논 토양은 산화환원 조건이 변하며, 산화환원의 상태에 따라 표면수에 있던 인이 침전하거나 토양에 있던 인이 용출한다. 이러한 Eh의 변화에 따른 논 표면수의 인농도 변화 특성이 파악된다면 보다 친환경적인 논의 물관리가 가능해 질 것으로 판단된다.

염화철 에칭 용액 재생을 위한 액상 및 고상 산화제를 이용한 산화공정에 대한 연구

김대원(Dae-Weon Kim),박일정(Il-Jeong Park),김건홍(Geon-Hong Kim),채병만(Byung-man Chae),이상우(Sang-Woo Lee),최희락(Hee-Lack Choi),정항철(Hang-Chul Jung) 한국청정기술학회 2017 청정기술 Vol.23 No.2

비소 오염토양에서 비소제거를 위한 산화환원전위 연구

황민수,김소연,남정흠,강헌찬 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2014 No.-

폐광산 주변의 토양은 가까운 거리에 위치하고 있는 폐광산 지역 혹은 광물찌꺼기 적치장으로부터 광물찌꺼기나 폐석들이 유입되어 중금속에 오염되는 경우가 많으며 그 중 비소로 인한 오염이 가장 심각한 것으로 알려져 있다. 현재 환경부, 농림축산식품부 및 지자체 등에서 토양오염 개량 및 복원사업 요청이 지속적으로 증가하고 있는 추세이며 오염토양 복원 기술로는 토양오염도에 따라 표토 삭토, 심토 안정화처리 및 차단층 설치 등의 토양안정화 기술이 사용되어지고 있다. 그러나 본 연구자들은 토양으로부터 원천적인 중금속제거를 위해 부유선 별법을 적용하였으며 부유선별에 앞서 오염토양의 산화환원전위 연구를 진행하였다. 본 연구에서 사용된 시료는 주변 광미댐으로부터 광물찌꺼기가 유입되면서 FeAsS(Arsenopyrite)가 함께 유입되어 비소로 오염된 토양을 대상으로 하였다. 따라서 FeAsS의 Eh-pH Diagram을 통하여 FeAsS표면의 존재형태를 예측하고 부유선별에 적용하기 위하여 부유선별시 광액의 산화환원전위의 변화를 관찰하였다. pH별 부유선별 결과, Fe-As-S-H₂O pH-Eh Diagram 상에서 FeAsS의 표면이 Fe²⁺에서 Fe³⁺로 변화하고 Fe(OH)₃로 침전되는 경계선에 위치한 구간에서 실시한 부유선별의 비소제거율이 각각 83.41%와 83.24%로 제거효율이 높았으며 반면에 FeAsS의 표면이 완전히 Fe(OH)₃이 되는 구간에서의 부유선별은 비소제거율이 50% 이하로 크게 감소하는 경향을 확인하였다. 포수제로 사용한 K.A.X 첨가량에 따른 부유선별에서는 K.A.X첨가량이 증가할수록 Eh값이 감소하였으며 FeAsS표면에 Fe²⁺와 H₃AsO₃가 존재하는 pH 6, Eh -62mV 구간에서 비소제거율이 87.67%로 가장 높았다. 최종적으로 토양 내에 존재하는 FeAsS(Arsenopyrite)의 제거를 위한 부유선별에서 FeAsS표면이 Fe²⁺에서 Fe³⁺로 변화하여 Fe(OH)₃로 변하는 경계구간에서 Xanthate음이온의 표면흡착이 잘 이루어짐에 따라 비소제거효율이 증가한 것으로 사료되어진다. 사사: 본 연구는 국토교통부 건설교통기술 지역특성화사업 연구개발사업의 연구비지원(과제번호: 13RDRP B066470)에 의해 수행되었습니다.

비소 오염토양에서 비소제거를 위한 산화환원전위 연구

황민수,김소연,남정흠,강헌찬 한국폐기물자원순환학회 2014 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2014 No.11

폐광산 주변의 토양은 가까운 거리에 위치하고 있는 폐광산 지역 혹은 광물찌꺼기 적치장으로부터 광물찌꺼기나 폐석들이 유입되어 중금속에 오염되는 경우가 많으며 그 중 비소로 인한 오염이 가장 심각한 것으로 알려져 있다. 현재 환경부, 농림축산식품부 및 지자체 등에서 토양오염 개량 및 복원사업 요청이 지속적으로 증가하고 있는 추세이며 오염토양 복원 기술로는 토양오염도에 따라 표토 삭토, 심토 안정화처리 및 차단층 설치 등의 토양안정화 기술이 사용되어지고 있다. 그러나 본 연구자들은 토양으로부터 원천적인 중금속제거를 위해 부유선 별법을 적용하였으며 부유선별에 앞서 오염토양의 산화환원전위 연구를 진행하였다. 본 연구에서 사용된 시료는 주변 광미댐으로부터 광물찌꺼기가 유입되면서 FeAsS(Arsenopyrite)가 함께 유입되어 비소로 오염된 토양을 대상으로 하였다. 따라서 FeAsS의 Eh-pH Diagram을 통하여 FeAsS표면의 존재형태를 예측하고 부유선별에 적용하기 위하여 부유선별시 광액의 산화환원전위의 변화를 관찰하였다. pH별 부유선별 결과, Fe-As-S-H2O pH-Eh Diagram 상에서 FeAsS의 표면이 Fe2+에서 Fe3+로 변화하고 Fe(OH)3로 침전되는 경계선에 위치한 구간에서 실시한 부유선별의 비소제거율이 각각 83.41%와 83.24%로 제거효율이 높았으며 반면에 FeAsS의 표면이 완전히 Fe(OH)3이 되는 구간에서의 부유선별은 비소제거율이 50% 이하로 크게 감소하는 경향을 확인하였다. 포수제로 사용한 K.A.X 첨가량에 따른 부유선별에서는 K.A.X첨가량이 증가할수록 Eh값이 감소하였으며 FeAsS표면에 Fe2+와 H3AsO3가 존재하는 pH 6, Eh -62mV 구간에서 비소제거율이 87.67%로 가장 높았다. 최종적으로 토양 내에 존재하는 FeAsS(Arsenopyrite)의 제거를 위한 부유선별에서 FeAsS표면이 Fe2+에서 Fe3+로 변화하여 Fe(OH)3로 변하는 경계구간에서 Xanthate음이온의 표면흡착이 잘 이루어짐에 따라 비소제거효율이 증가한 것으로 사료되어진다.

전자발생장치(EPA)를 이용한 전자와 항산화 현상과의 상관관계에 대한 예비 연구

이동현(Dong-Hyun Lee),선창우(Chang-Woo Seon) 한국물리학회 2024 새물리 Vol.74 No.3

이 연구의 목적은 전자발생 장치를 통해 주사되는 전자의 체내에서의 역할, 특히, 신체의 산화환원 반응에 대한 연관성을 보고자 함이다. 질병의 시작은 혈액내 산염기 대사의 변화와 직접적으로 관련이 있다. 여러 요인에 의해 혈액내 산염기대사의 균형이 깨지면서 각 장기를 이루는 세포와 조직의 대사장해로 염증이 생기게 되고 이것이 반복되면 질병이 생기게 된다. 이 이론에 기초하여 산염기 대사균형을 조절하는 장치를 개발하여 효과 검증이 필요하였다. 이 연구는 소규모로 조사 대상에 대해 연구실험해보는 선행연구에 바탕을 두고 있다. 피실험자의 소변, 혈액을 이용하여 수소이온 농도와 산화환원 전위를 각각 측정했다. 이 장치는 음전자를 발생시켜 경피를 통해 혈액내로 진입하여 체내 대사후 생긴 산화 물질내의 수소이온 농도와 결합하여 수소원자로 변환시켜 환원효과를 가진다고 본다. 이 연구를 기반으로 향후 신체의 질병 상태와 산화환원 상태와의 연관성에 대한 많은 연구가 진행될 것으로 보인다. The aim of this study was to evaluate the correlation between electrons injected through an electron producing apparatus (EPA) and redox reactions of human body. The onset of the disease is directly related to changes in acid-base metabolism in the blood. When the balance of acid-base metabolism in the blood is broken due to various factors, inflammation occurs due to metabolic disorders in the cells and tissues that make up each organ. Based on this theory, it was necessary to develop a apparatus to control acid-base balance and verify its effectiveness. This study was based on the pilot study which means for one subject. The redox reaction of human body was measured by pH/ORP meters after sampling in the urine and blood of the subject. EPA generates minus electron that works for reduction which means neutralizing hydrogen ions of oxidized metabolites. It is expected that lots of study can be perfomed about the relation between redox reaction of human body and disease status.