Sorption of sulfathiazole by giant miscanthus-derived biochar amended agricultural soils

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Biochar is an effective sorbent for the sorption of organic pollutants because of its carbon-enriched structure, large surface area, and various hydrophilic functional groups. Application of biochar on contaminated sites has received great attention for the restoration of contaminated soil environments in recent years.
Sulfonamides (SAs) are among the most frequently detected antibiotics in terrestrial environment and thus pose a potential risk of enhancing antibiotic resistance in bacteria. The behaviors of SAs in soil environments need to be understood to mitigate their adverse effects and the related risks to human health. Sulfathiazole (STZ) was chosen as the model chemical because it is the most dominantly and widely used agronomic among SAs in Korea.
The aim of this study was to investigate to the effect of biochar-amendment on the sorption of STZ by biochar-amended soils. The biochar was manufactured from Giant-Miscanthus at two pyrolysis temperatures: 400℃ and 700℃ (labeled GMC-400 and GMC-700, respectively). The sorption isotherm experiments were conducted at pH 5 and pH 7 and the data was fitted with the Freundlich model (FM). Upon attaining sorption equilibrium, desorption studies were conducted on selected samples and the sorption-desorption hysteresis (H) index was estimated. The organic carbon-normalized sorption coefficient Koc was calculated to assess the impact of organic carbon domain for the sorption of STZ.
The magnitude of the sorption coefficient (Kd*) of soils amended with GMC-400 (3.96-9.96 L kg-1) was higher than those amended with GMC-700 (1.27-3.38 L kg-1). The sorption capacity of GMC-400-amended soils increased significantly by up to 76.94% with the aging period increasing from 0 to 6 months, whereas no statistical difference was observed in soils amended with GMC-700 during the 6 month period. Results of FTIR and SEM-EDX revealed that the O-containing functional groups of the GMC-400-amended soil increased and the micropores of GMC-700 were deformed. This suggested that the main interaction mechanism between STZ and biochar was hydrogen bonding. The sorption of STZ on biochar-amended soils was pH-dependent in the order pH 2 (92.30 and 64.00 mg kg-1) > pH 5 (65.51 and 42.46 mg kg-1) > pH 7 (46.37 and 24.09 mg kg-1). The H index from the desorption study increased with aging, due to the enhanced sorption sites.
The results of this study demonstrate that Giant Miscanthus-derived biochar produced at low temperature (e.g., 400℃) can be applied to soils to enhance the magnitude of STZ sorption by natural soils, thereby effectively reducing the mobility of STZ released from livestock farming sites.

국문 초록 (Abstract)

바이오차는 다양한 작용기와 넓은 비표면적을 가지며 탄소를 다량 함유하고 있는 물질로, 환경 중 유기오염물질에 대하여 효과적인 흡착능을 가지고 있다. 이러한 이유로 오염물질을 흡착하는 토양개량제로 주목받고 있고, 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
설폰아마이드는 가축의 질병 예방을 목적으로 널리 사용되는 항생물질이다. 그러나 이 항생물질은 생분해성이 낮아 환경 중에서 오랜 시간 동안 잔류하는 것으로 보고되고 있다. 특히 축산폐수가 처리되지 않고 방류되거나 가축 분뇨 퇴비로 사용 후 수계로 유출된다. 이렇게 환경 중 잔류하는 설폰아마이드는 항생제 내성 병원균을 발생시키고 생태계와 인간을 위협하는 등 문제를 일으킨다. 따라서 이들 물질의 관리에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 연구에서는 바이오차가 토양에 투여 되었을 때 오염물질에 대한 흡착 특성 평가를 목적으로 한다. 특히, 바이오차의 열분해 온도와 숙성 기간에 따른 토양 표면 변화를 관찰하고, 토양용액의 pH 변화가 항생제 종분화와 흡착 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 토양의 평균 pH 범위에 속하는 pH 5와 pH 7에서 등온 흡착식 측정실험을 진행하고, Freundlich 등온 흡착식을 적용하였다. 대상 물질로는 대표적인 설폰아마이드계 항생물질인 설파디아졸을 선정하였다. 바이오차의 원료로는 거대억새를 사용하였으며 400℃, 700℃에서 열분해 시킨 후, 토양에 5%의 비율(w/w)로 혼합하여 야외에서 0개월, 3개월, 6개월 동안 숙성 기간을 거쳤다.
설파디아졸에 대한 바이오차의 흡착능력은 열분해 온도, 숙성 기간, 용액 pH에 영향을 받았다. 열분해 온도에 따른 바이오차는 400℃ (3.96-9.96 L kg-1) 가 700℃ (1.27-3.38 L kg-1) 보다 높은 흡착능력을 보였다. 용액 pH에 따라서는 pH 2 (92.30 and 64.00 mg kg-1) > pH 5 (65.51 and 42.46 mg kg-1) > pH 7 (46.37 and 24.09 mg kg-1) 순이었다. 특히, 700℃와 달리 400℃ 바이오차는 토양에서의 숙성기간이 지날수록 설파디아졸에 대한 흡착능력이 최대 76.94% 까지 증가하였다. 이는 숙성기간에 따라 바이오차 표면이 산화되어 산소를 포함한 작용기의 증가로 인한 것이며 FTIR과 SEM-EDX 분석을 통하여 이를 확인했다. 반면에 700℃ 바이오차는 높은 열분해 온도로 인하여 공극의 대부분이 파괴되었고, 숙성기간에 따른 표면 변화가 적었다. 결과적으로 STZ와 바이오차 사이의 주된 결합이 수소결합이라는 것을 의미하였다. 추가적으로 흡탈착 hysteresis를 평가하여 숙성기간을 거친 바이오차가 탈착에 대한 저항력 또한 높은 것을 확인했다.
본 연구결과들을 토대로 종합할 때, 낮은 온도에서 열분해 된 거대억새 유래 바이오차는 토양에 개량되어 오랜 기간 동안 STZ의 안정화에 대하여 우수한 효과를 보인다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. INTRODUCTION 1
• Ⅱ. MATERIALS AND METHODS 5
• 2.1 Biochar and antibiotics 5
• 2.1.1 Biochar-amended soils 5
• 2.1.2 Antibiotics 6
• 2.2 Physicochemical analysis of biochar-amended soils 8
• 2.3 Sorption and desorption isotherm experiment 9
• 2.4 Data analysis 11
• 2.5 Statistical analysis 14
• Ⅲ. RESULTS AND DISCUSSION 15
• 3.1 Soil characteristics 15
• 3.2 Effect of pyrolysis temperature on STZ sorption 18
• 3.3 Effect of aging period of biochar on STZ sorption 25
• 3.4 Possible mechanisms for STZ sorption as a function of solution pH 30
• 3.5 Sorption isotherm model 33
• 3.6 Desorption 38
• Ⅳ. CONCLUSION 41
• Ⅴ. REFERENCE 43