암반 대수층 내 질산성 질소 오염 거동 특성에 따른 탄소원 기반 생물학적 자연저감촉진 평가

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는, 가축 매몰지 인근에 위치한 연구지역 (양평) 의 암반 대수층내 탄소원 주입에 의한 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 양상을 모니터링 및 평가하였다. 세 가지 탄소원 (succinate, acetate, fumarate) 을 현장 지하수에 주입하여 탈질 능력을 평가한 결과, acetate 가 지하수내 질산성 질소 제거효과와 미생물 활성도를 향상시키며 가장 적합한 탄소원으로 선정되었다. 또한, C/N ratio = 2.1 : 1 의 조건으로 acetate 가 주입되었을 때 가장 높은 비율의 탈질 미생물 (CN 2.1 (2.1%) > CN 4.2 (1.9%) > CN 7.0 (0.9%) > control (0.7%)) 이 존재함을 확인하였다. 암반 대수층의 지중환경 특성을 반영하여, 연구지역 지하수에 최적 탄소원 주입 조건을 바탕으로 탄소원을 주입하여 생물학적 탈질 반응을 촉진시-켰다. 그 결과, 지하수내 질산성 질소 저감 속도는 0.377 g-N/day 로 나타났으며, 탄소원의 영향을 받지 않은 지하수의 경우 같은 반응시간 동안 0.028 g-N/day 의 현저히 낮은 저감 속도를 보였다.
특히, 대표적인 탈질 미생물인Dechloromonas denitrificans sp. 의 비율 (주입 전; 0.0089%, 주입 후; 1.3067%) 이 급증하였고, 혐기성 종속 탈질 반응에 관여하는 nosZ gene 이 4.82 Log(gene copies L-1) 에서 9.71 Log(gene copies L-1)로 증가하였다. 이러한 결과로부터, 탄소원 주입에 의한 암반 대수층내 탈질 촉진 효과가 유전학적으로 확인되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the natural attenuation-potential and biogeochemical anaylsis in nitrate contaminated bed-rock aquifers located near the burial site of livestock by injection of C-sources was evaluated. The ability of denitrification was assessed by injecting different C-sources (succinate, acetate, fumrate) into the field groundwater, and acetate was derived as field-optimum sources as electron donors for microbial metabolic process, improving the effect of nitrate removal and microbial activity in the groundwater.
In addition, when acetate was injected by C/N ratio = 2.1 : 1, the ratio of denitrifying bacteria showed the highest ratio (CN 2.1 (2.1%) > CN 4.2 (1.9%) > CN 7.0 (0.9%) > control (0.7%)). Reflecting the geochemical characteristics of the bed-rock aquifers environment, acetate was injected into groundwater of research site to activate biological heterotrophic denitrification. As a result, the nitrate reduction rate was 0.377 g-N/day (YP-3), and for groundwater unaffected by acetate, it showed a significantly lower reduction rate of 0.028 g-N/day (YP-4) over the same reaction time. In particular, the ratio of the Dechloromonas denitrificans sp. which is a representative denitrification bacteria involved in anaerobic reduction of nitrate, increased (before injection; 0.0089%, after injection; 1.3067%). And the nosZ gene, which related denitrification pathway (N2O→N2), increased from 4.82 Log (gene copies L-1) to 9.71 Log (gene copies L-1). From these results, the effect of activating denitrification in the bed-rock aquifers by injection of C-source was genetically identified.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장. 서론 12
• 제 2 장. 이론적 배경 15
• 2.1. 질산성 질소 15
• 2.1.1. 지중환경 질산성 질소 거동 특성 16
• 2.1.2. 지하수내 질산성 질소 오염원 및 오염 현황 17
• 2.1.3. 지하수내 질산성 질소 오염 위해성 18
• 2.2. 질산성 질소 저감 방법 19
• 2.2.1. 물리화학적 저감 방법 19
• 2.2.2. 생물학적 저감 방법 21
• 2.3. 자연저감 (Natural Attenuation) 27
• 2.3.1. 자연저감 정의 및 특성 27
• 2.3.2. 자연저감 메커니즘 27
• 2.3.3. 자연저감 관측 기법 (Monitored Natural Attenuation) 37
• 2.3.4. 자연저감 관측 인자 41
• 2.4. 질산성 질소 자연저감 촉진 기법 45
• 2.4.1. 자연저감 촉진 기법 필요성 45
• 2.4.2. 탄소원 이용 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 연구 현황 46
• 제 3 장. 연구 방법 50
• 3.1. 실험 부지 선정 및 특성평가 50
• 3.1.1. 실험 부지 선정 50
• 3.1.2. 실험 부지 특성 평가 51
• 3.1.2.1. 지형 및 지질 특성 51
• 3.1.2.2. 오염원 특성 파악 52
• 3.1.2.3. 지하수 흐름 분석 방법 53
• 3.1.2.4. 주입정 및 관측정 설치 방법 54
• 3.2. 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 최적기법 개발 57
• 3.2.1. 시료 채취 방법 57
• 3.2.2. 최적 탄소원 도출 실험 방법 57
• 3.2.3. 최적 반응비 (C/N ratio) 도출 실험 방법 61
• 3.3. 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 최적기법 현장 적용 61
• 3.3.1. 추적자 실험 방법 (Push & Pull Test) 61
• 3.3.2. 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 기법 현장 적용 방법 63
• 3.3.3. 질산성 질소 자연저감 촉진 모니터링 방법 65
• 3.4. 분석 방법 68
• 3.4.1. 토양 지하수 기초 분석 방법 68
• 3.4.2. 미생물 성장도 활성도 분석 방법 68
• 3.4.3. 미생물 탈질 효소 유전자 분석 방법 69
• 3.4.4. 미생물 군집분석 방법 72
• 제 4 장. 연구 결과 73
• 4.1. 연구지역 특성 평가 결과 73
• 4.1.1. 토양/지하수 특성 평가 결과 73
• 4.1.2. 생물학적 평가 결과 77
• 4.1.3. 소결론 79
• 4.2. 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 최적기법 개발 결과 80
• 4.2.1. 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 최적 탄소원/반응비 (C/N ratio) 도출 결과 80
• 4.2.2. 미생물 탈질 효소 유전자 분석 결과 85
• 4.2.3. 미생물 군집분석 결과 88
• 4.2.4. 소결론 94
• 4.3. 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 최적기법 현장 적용 결과 95
• 4.3.1. 추적자 실험 결과 95
• 4.3.2. 질산성 질소 생물학적 자연저감 촉진 기법 현장 적용 및 모니터링 103
• 4.3.2.1. 화학적 모니터링 103
• 4.3.2.2. 생물학적 모니터링 107
• 4.3.3. 자연저감 촉진율 평가 112
• 4.3.4. 소결론 116
• 제 5 장. 결론 117
• 참고문헌 119