수소 산화-철·황산염 환원 미생물의 철 환원과 셀레늄 고정: 고준위 방사성폐기물 처분장 환경에서의 지구화학적 역할 = Fe(III) Reduction and Se(IV) Immobilization by H2-Oxidizing Iron- and Sulfate-Reducing Microorganisms: Geochemical Roles in High-Level Radioactive Waste Disposal Environments

국문 초록 (Abstract)

고준위 방사성폐기물 지중 처분장(방폐장) 환경은 시멘트의 영향으로 강알칼리성(pH > 13)을 띠고 폐기물의 방사성 붕괴 및 발열로 인해 고온(약 100℃)이 될 것으로 예상된다. 백만 년 동안의 장기적인 처분 환경에서 금속의 부식과 물의 방사선 분해는 수소(H2)의 축적을 초래하여 처분장의 안정성을 저해할 가능성이 있다. 따라서 방폐장 환경에서 수소를 소모하면서 금속이온과 방사성 핵종을 환원 및 고정하는 미생물은 방폐장의 장기적 안정성 향상에 중요한 역할을 담당할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 국내의 심부 지하수와 갯벌 퇴적물 내에서 수소를 전자공여체로 사용하는 수소산화-철환원미생물(Iron reducing bacteria, IRB)과 황산염환원미생물(Sulfate reducing bacteria, SRB)의 종 다양성을 조사하고 알칼리성 환경(pH 8-10)에서의 생장과 환원작용의 특성 그리고 미생물의 활성에 따른 방사성 핵종인 셀레늄(Se) 환원에 대해 알아보고자 하였다.
미생물 배양을 위한 시료는 한국원자력연구원 지하처분연구시설(KURT)의 심부 지하수(280-340 m 깊이)와 전남 무안(MA) 갯벌 퇴적물(20 cm 깊이)을 채취하여 실험에 사용하였다. 수소산화-철환원미생물의 농화배양은 성장 배지 100 mL에 전자수용체 ferric-citrate (5 mM)와 전자공여체 수소 가스(20% H2-80% N2), 시료 1%(v/v)를 주입한 후, 25℃에서 혐기적으로 배양하였다. 황산염환원미생물은 전자수용체로 ferrous ammonium sulfate 2.35 mM을 이용하고 철환원미생물과 동일한 방법으로 농화배양하였다. 지하수와 갯벌로부터 농화배양된 철 환원미생물은 철수산화물(akaganeite)과 수소 가스(20% H2-80% N2)를 포함하는 배지에서 2주간 배양하여 미생물의 생장과 철환원능력을 평가하였고 알칼리 환경에서의 미생물 활성을 비교하고자 알칼리성 배지(pH 8, 9, 10)에서 철수산화물과 황산염환원 실험을 각각 진행하였다. 이들에 의한 방폐장 환경에서의 방사능핵종 확산 방지 가능성 평가하기 위해, 열처리된 벤토나이트를 포함한 배지에 전자수용체로 4가 셀레늄[Se(IV)] sodium selenite를 주입하였다. 이때 철환원미생물은 ferric-citrate (5 mM)를, 황산염환원미생물은 sodium sulfate (20 mM)를 추가로 주입하여 전자수용체로 이용하고 수소 가스(20% H2-80% N2)는 전자공여체로 이용하였다. 미생물 활성에 따른 차이를 비교하기 위해 배지 대신 증류수 기반의 평형수를 대조군으로 이용하였다.
미생물의 농화배양 전과 후의 미생물 군집 변화를 알아보고자 차세대 염기서열 분석(Next generation sequencing, NGS)을 실시하였으며, 미생물 활동에 의한 지화학적 변화는 Eh-pH와 유도결합 플라즈마 분광(Inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)분석으로 확인하였다. 침전물의 광물학적 특성은 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD)분석과 투과전자현미경(Field emission transmission electron microscope, FE-TEM)분석을 통해 확인하였다.
지하수와 갯벌 퇴적물의 수소산화-철환원미생물(IRB)을 농화배양한 결과 각각 7일과 1일 후, Fe3+로 인해 노란색이었던 배지는 Fe2+로 환원되면서 무색으로 변하였다. 지하수와 갯벌 퇴적물의 황산염환원미생물(SRB)을 농화배양한 결과, 각각 7일과 11일 후, 검은색의 침전물을 생성하며 변화가 관찰되었다. NGS 분석 결과, 심부지하수로부터 농화배양된 수소산화-철환원미생물(KURT_IRB)은 주 구성 미생물(속)이 Paludirhabdus이고 황산염환원미생물(KURT_SRB)은 Desulforamulus로 나타났다. 갯벌 퇴적물로부터 농화배양된 수소산화-철환원미생물(MA_IRB)은 주 구성 미생물(속)이 Citrobacter, Terrisporobacter, Paraclostridium 그리고 Shewanella 등이며, 황산염환원미생물(MA_SRB)은 Romboutsia, Methanosarcina, Lacrimispora 그리고 Desulforamulus 등으로 나타났다. 이처럼 농화배양된 KURT 미생물은 우점종이 단일균으로 구성된 반면에 MA는 다양하고 복잡한 미생물의 군집을 나타냈다. 철환원작용과 관련하여, KURT_IRB는 akaganeite를 환원하지 못하였지만, MA_IRB는 4일 후 magnetite로 상전이 시켰다. 이러한 MA_IRB는 pH 8-9에서 활발한 생장과 철환원작용을 나타낸 반면 pH 10에서는 거의 변화가 관찰되지 않아 강알칼리환경에서의 생장은 불리한 것으로 판단하였다. 황산염환원미생물인 KURT_SRB와 MA_SRB 또한 pH 8-9에서 황산염환원반응이 관찰되었으며, TEM-EDS 분석을 통해 비정질의 FeS가 생성된 것을 확인하였다.
방폐장 환경 모사 실험을 통한 셀레늄[Se(IV)]의 거동을 조사한 결과, IRB가 생장한 평형수에서 Se 제거율은 대조군에서 33.7%, KURT_IRB는 39.2%, MA_IRB는 43.1%로, 배지에서 대조군은 82.9%, KURT_IRB는 53.8%, MA_IRB는 79.8%로 나타났다. SRB를 이용한 평형수에서 Se 제거율은 대조군에서 49.3%, KURT_SRB는 48.1%, MA_SRB는 75.7%로, 배지에서 대조군은 99.9%, KURT_SRB는 100%, MA_SRB는 100%로 나타났다. 이를 통하여 미생물의 생장이 활성화되는 환경에서 환원작용이 더 촉진되고 방사성핵종의 확산이 지연될 수 있음을 확인하였다.
그러므로 고준위 방폐장의 주변 환경(pH < 10)에서 수소산화-철·황산염환원미생물(예: Paludirhabdus, Desulforamulus, Shewanella 속 외)은 수소를 소모하는 대사작용을 통해 철과 황산염을 환원하고 동시에 셀레늄을 침전시켜 방폐장 환경의 장기적인 안정성을 향상시키고 방사성 오염물질 확산 방지에 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Deep geological repositories for high-level radioactive waste are expected to become hyperalkaline (pH > 13) due to the influence of cement, and elevated temperatures (up to ~100 °C) as a result of radioactive decay. Over geological timescales of hundreds of thousands to millions of years, steel corrosion and radiolysis of water can lead to the accumulation of hydrogen (H2), and may cause a risk to repository stability. Therefore, microorganisms capable of oxidizing H2 while reducing and immobilizing metal ions and radionuclides may play an important role in enhancing the long-term safety of a repository system.
The objectives of this study were to investigate the diversity of hydrogen-oxidizing iron-reducing bacteria (IRB) and sulfate-reducing bacteria (SRB) enriched from deep-groundwater and tidal-flat sediments in Korea, and to evaluate their growth characteristics and metal reduction under alkaline pH conditions (pH 8-10). Furthermore, examined their ability to reduce and immobilize selenium (Se), a redox-sensitive radionuclide.
Samples were collected from deep groundwater (280-340 m depth) at the KAERI Underground Research Tunnel (KURT) and from tidal-flat sediments (20 cm depth) in Muan (MA), Korea. Hydrogen-oxidizing IRB were enriched using ferric citrate as the electron acceptor and a H2/N2 gas mixture (20%/80%) as the electron donor, while SRB were enriched using ferrous ammonium sulfate as the electron acceptor. Iron-reduction experiments were conducted using iron oxyhydroxide (akaganeite) and hydrogen gas, and microbial activity was evaluated under different alkaline pH conditions (pH 8, 9, and 10). To assess radionuclide immobilization under repository-relevant conditions, microorganisms were incubated in media containing heat-treated bentonite with selenium(IV) [Se(IV)] added as sodium selenite. Identical experiments were performed using both growth media and distilled-water-based equilibrium water to compare the effects of microbial activity. Microbial community changes were analyzed using next-generation sequencing (NGS), while geochemical variations were monitored through Eh-pH measurements and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). The mineralogical characteristics of precipitates were identified using X-ray diffraction (XRD) and field-emission transmission electron microscopy (FE-TEM).
Enriched IRB cultures from deep-groundwater and tidal-flat sediments changed yellow to colorless within 7 and 1 days, respectively, whereas enriched SRB cultures produced black precipitates within 7 and 11 days. NGS results showed Paludirhabdus as the dominant genus in KURT_IRB and Desulforamulus in KURT_SRB. In contrast, tidal-flat enrichments (MA_IRB and MA_SRB) showed diverse microbial communities, including Citrobacter, Terrisporobacter, Paraclostridium, Shewanella, Romboutsia, Methanosarcina, and Lacrimispora. Among IRB cultures, MA_IRB was capable of reducing akaganeite to magnetite within 4 days and demonstrated active growth and reduction at pH 8-9, whereas activity was strongly inhibited at pH 10. Both KURT_SRB and MA_SRB formed amorphous FeS precipitates at pH 8-9.
Selenium reduction experiments showed that in equilibrium water, Se removal efficiencies were 33.7% (control), 39.2% (KURT_IRB), and 43.1% (MA_IRB), whereas in growth media, the efficiencies were 82.9% (control), 53.8% (KURT_IRB), and 79.8% (MA_IRB). For SRB, Se removal efficiencies in equilibrium water were 49.3% (control), 48.1% (KURT_SRB), and 75.7% (MA_SRB), while all SRB cultures in growth media showed nearly complete removal (≈100%). These results indicate that microbial activity significantly enhances reduction and immobilization, thereby decreasing the mobility of redox-sensitive radionuclides.
Hydrogen-oxidizing metal-reducing microorganisms—such as Paludirhabdus, Desulforamulus, and Shewanella—could contribute to stabilizing the near-field environment of high-level radioactive waste repositories (pH < 10). By oxidizing hydrogen and reducing iron, sulfate, and selenium, these microorganisms are expected to promote radionuclide immobilization and enhance the long-term geochemical stability of deep geological disposal systems.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서언 1
• 2. 연구 방법 6
• 가. 미생물 분리원 채취 6
• 나. 수소산화-철환원미생물의 농화배양과 철 환원 작용 7
• 1) KURT 지하수와 무안 갯벌 퇴적물 내 철환원미생물 7
• 가) 농화배양 7
• 2) 농화배양한 미생물을 이용한 철 환원 작용 실험 10
• 3) 알칼리 환경에서의 철 환원 작용 실험 12
• 다. 황산염환원미생물의 농화배양과 황산염 환원 작용 14
• 1) KURT 지하수와 무안 갯벌 퇴적물 내 황산염환원미생물 14
• 가) 농화배양 14
• 2) 알칼리 환경에서 황산염 환원 작용 실험 16
• 라. 수소산화-철․황산염환원미생물의 셀레늄 환원 18
• 1) 방폐장 환경에서의 셀레늄 환원 실험 18
• 마. 분석 방법 21
• 1) 지화학적 분석 21
• 2) 광물학적 분석 22
• 3) 미생물 종 다양성 분석 23
• 3. 연구 결과 24
• 가. 지하수의 지화학적 특징 24
• 나. 수소산화-철․황산염환원미생물의 농화배양 26
• 1) 철환원미생물 26
• 2) 황산염환원미생물 28
• 3) 미생물의 종 다양성 29
• 다. 알칼리 환경에서의 미생물의 철․황산염 환원 작용 32
• 1) 일반 배지에서의 철 환원 작용 및 광물상전이 32
• 2) 알칼리 환경에서의 철 환원 작용 및 지화학적/광물학적 특징 36
• 3) 알칼리 환경에서의 황산염 환원 작용 및 지화학적/광물학적 특징 40
• 라. 수소산화-철․황산염환원미생물에 의한 셀레늄 환원 46
• 4. 토의 58
• 가. KURT 심부 지하수 및 갯벌 퇴적물 유래 수소산화미생물의 군집 특성과 철 환원 및 황산염환원 작용 58
• 나. 고준위 방사성폐기물 처분장 환경에서의 수소산화-철․황산염환원미생물의 역할 60
• 5. 요약 및 결론 63
• 참고문헌 65
• Abstract(영문초록) 75