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Microbiology and Biotechnology Letters

총설(Review)

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Environmental Microbiology / Microbial Diversity  |  Environmental Microbiology

Microbiol. Biotechnol. Lett. 2020; 48(2): 99-112

https://doi.org/10.4014/mbl.1911.11014

Received: November 25, 2019; Revised: January 12, 2020; Accepted: February 18, 2020

유류오염토양 근권정화기술 동향 및 온실가스 배출 특성

Rhizoremdiation of Petroleum Hydrocarbon-contaminated Soils and Greenhouse Gas Emission Characteristics: A Review

Yoonjoo Seo and Kyung Suk Cho *

Ewha Woman University

Abstract

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Rhizoremediation, based on the ecological synergism between plant and rhizosphere microorganisms, is an environmentally friendly method for the remediation of petroleum hydrocarbon-contaminated soils. In order to mitigate global climate change, it is necessary to minimize greenhouse gas emissions while cleaning-up contaminated soils. In rhizoremediation, the main factors affecting pollutant remediation efficiency and greenhouse gas emissions include not only pollutant and soil physicochemical properties, but also plant-microbe interactions, microbial activity, and addition of amendments. This review summarizes the development in rhizoremediation technology for purifying oil-contaminated soils. In addition, the key parameters and strategies required for rhizoremediation to mitigate climate change mediation are discussed.

Keywords: Rhizoremediation, petroleum hydrocarbon, contaminated soil, plant, rhizomicroorganism, greenhouse gas mitigation

서론

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가솔린, 디젤, 윤활유 등과 같은 석유계 탄화수소(petroleum hydrocarbon, PH)는 인간과 생태계를 위협하는 대표적인 환경오염물로, 토양, 지하수 및 해양으로 유입되는 경우 생태적 기능을 심각하게 저하시킨다[1−3]. 이러한 유류에 의한환경오염이 발생하는 주요 경로는, 석유 및 LNG(액화 천연가스) 등의 액체를 저장하는 지하탱크의 누출, 유조선의 해난사고 등으로 인한 기름 유출, 수송 과정 및 산업 공정에서의 배출을 들 수 있다[3, 4].

유류에 의해 토양이 오염되면, 토양은 극도의 소수성 환경으로 전환되어 식물과 토양 미생물들이 이용 가능한 유효수분(available water)과 질소 및 인 등과 같은 영양분이 감소하게 된다. 또한, 오염된 유류 및 전환(혹은 분해) 산물이 토양 생태계에 독성물질로 작용하게 된다. 이로 인해 식물, 미생물, 및 미소동물 등을 비롯한 다양한 토양생물상의 다양성이 감소하고 활성이 저해 되어 토양 생태계에 악영향을 미치게 된다[5, 6]. 유류 오염으로 인해 토양 식생 훼손 뿐 아니라 휘발성 PH로 인한 악취 등으로 인해 토양의 심미적인가치와 더불어 경제적인 가치도 떨어지게 된다[7, 8]. 또한,강우에 의한 유출로 인해 오염 토양으로부터 유류오염물이주변 토양, 하천 및 지하수로 유입되어 오염이 확산되는 문제가 발생한다[7].

유류 오염 토양을 환경친화적으로 정화하는 방법으로 식물과 근권미생물 사이의 생태적 상승작용(synergism)에 기반을 둔 rhizoremediation이 큰 주목을 받고 있다[9, 10].그런데 전지구적 문제인 기후변화에 대응하기 위해서는 오염 토양을 정화하는 과정에서 온실가스 배출량을 최소화할수 있는 기후변화 대응 정화기술이 도입될 필요가 있다. 이에 본 총설에서는 유류 오염토양을 정화하기 위한rhizoremediation 기술 개발 동향을 정리하고, 기후변화 대응 rhizoremediation 기술 개발 방향에 대해 고찰하고자 한다.

유류 오염토양 정화 기술 종류 및 기후변화 대응rhizoremediation 기술 개발의 필요성

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석유계 탄화수소화합물은 탄소원자수에 따라 구분되는데(Fig. 1), 탄소원자 4−10개인 화합물은 휘발성이 강한 가솔린류이고, 탄소원자 11−16개인 화합물은 반휘발성이며 대표적으로 디젤류가 여기에 속한다. 탄소원자 18−36개인 화합물은 휘발성이 거의 없는 왁스 성분이 여기에 속한다[11]. 탄소원소 개수가 작아질수록 끓는점이 낮아져 휘발성이 커진다. 석유계 탄화수소의 화학적 구조에 따라, n-alkane, iso-alkane, cyclo-alkane, aromatic, naphthenic acid, phenol 및 polyaromatic 등으로 구분할 수 있다. 이렇게 복잡한 화학 조성 및 독성을 가지는 유류를 처리하기 위한 기술은 크게 물리화학적 방법 또는 생물학적 방법으로 구분할 수 있다.

Figure 1.Property and chemical structure of petroleum hydrocarbons.

물리화학적 방법은 오염을 신속하게 처리할 수 있고, 추가적인 오염물질의 확산을 막을 수 있다는 장점을 지니며, 발굴법, 열처리법, 토양증기추출법, 소각법, 세척법, 휘발법, 안정화법 등의 다양한 기술이 이용되어왔다[1]. 그러나 물리화학적 처리방법은 그 과정 중에 환경이 파괴될 수 있고, 많은에너지가 소모되는 고비용 방식이라는 단점으로 인해 대중수용성(public acceptance)이 낮은 한계점이 있다[1].

이러한 물리화학적 방법의 단점을 극복할 수 있는 방법으로 개발된 생물학적 방법은 친환경적이고 경제적인 방법으로 주목 받고 있다[1, 12]. 이 방법은 오염물질을 분해할 수 있는 생물의 자연적인 대사활동을 활용하기 때문에, 에너지사용량이 적게 소요되며, 일반적으로 유류 오염물을 이산화탄소와 물로 무기화하므로, 부산물에 의한 2차 오염문제는거의 없다. 그러나 생물학적 방법은 물리화학적 처리방법보다 오염 정화시간이 많이 소요되고, 환경 내 오염물질 분포와 다양한 환경 인자들(C/N 비율, pH, 수분함량, 온도, 용존산소 농도 등)에 따라 정화효율이 크게 좌우된다[1, 7].

유류 오염 토양의 생물학적 정화방법의 종류와 각 방법의정화원리 및 특성을 Table 1에 정리하였다. 인위적으로 오염된 환경에 전혀 관여하지 않는 natural attenuation 기술은 자연적인 정화작용에 의존하여 토양 및 지하수의 유류오염을 처리한다[13]. 미생물의 유류 분해 효율에 영향을 미치는 공기(산소) 주입, 영양제 및 계면활성제 등의 첨가 등과같은 환경인자를 조절함으로써 토양 환경 내에 존재하는 토착 미생물의 활성을 증대시키는 방식으로는 biostimulation, bioventing 및 biosparging 등의 기술이 있다[14−16]. Bioaugmentation 방법은 유류 분해 미생물 컨소시움 등과같은 미생물제제를 적극적으로 오염 토양에 첨가하여 토양의 생물상을 조절함으로써 정화 효율을 향상시키는 방법이다[17].

Table 1 . Biological technologies for the remediation of petroleum hydrocarbon (PH)-contaminated soils.

Major PH-degrading contributorMethodsPrinciple and property
No human interventionNatural attenuation• Partially biological method
• Transformation, immobilization or reduction of PH to less toxic compounds by natural processes
MicroorganismsBioremediation•Mineralization of PH to CO2 and water by microorganisms under natural conditions
Biostimulation• Stimulation of microbial degradation of PH by adjusting environmental parameters, or adding of limiting nutrients/ biosurfactants
Bioventing/Biosparging• Improvement of ventilation or adding air (oxygen) for activating microorganism
Bioaugmentation• Addition of PH-degrading microorganisms for enhancing remediation efficiency
PlantsPhytodegradation• Degradation of PH by enzymatic activities
Phytovolatilization• Conversion of PH to volatile forms and further release into atmosphere
Plants + MicroorganismsRhizoremediation• Degradation of PH in rhizosphere by microorganisms
• Stimulating the population of pH-degrading microorganisms by plant rhizospheric effects


유류 오염 정화능력을 지닌 식물을 기반으로 수행되는phytoremediation에서는 유류 오염물질은 독성이 없는 다른물질로 전환되거나 토양으로부터 추출되어 회수될 수 있고,식물의 뿌리 등에 흡착하여 외부 생태계로부터 격리되거나, 식물체 내에서 동화 및 분해될 수 있다[18−20]. 한편rhizoremediation은 식물의 근권에 존재하는 다양한 미생물을 활용하여 오염물질의 처리 효율을 높이는 방식이다[1, 21].

Rhizoremediation은 유류 오염토양을 정화하기 위한 유망한 생물학적 방법이지만, 이 기술을 이용한 기존 연구들은오염물인 유류 제거 효율에만 초점을 맞추어 기술 개발을 수행하고 있다. 그런데 최근에는 기후변화 대응 및 완화를 위해 에너지 분야뿐 아니라 환경정화기술 개발에 있어 온실가스 배출을 최소화하는 기후변화 대응 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. 온실가스 중 CH4과 N2O는 이산화탄소보다 지구 온난화 잠재력(global warming potential)이 각각 28배및 310배 높은 대표적인 non-CO2 온실가스(GHGs)이다[22].따라서 토양정화기술 개발에 있어서 오염물 제거효율 뿐 아니라, non-CO2 GHGs 배출을 최소화할 수 있는 기후변화 대응 rhizoremediation 기술 개발이 필요하다.

기후변화 대응 rhizoremediation 기술에서, 오염정화효율과 non-CO2 온실가스 배출량에 영향을 미치는 주요인자는오염물질 특성 및 토양의 물리화학적 특성 뿐 아니라, 식물-미생물 상호작용, 미생물 활성, 그리고 첨가제 및 강화제 첨가 여부로 구분할 수 있다(Fig. 2). 이러한 주요인자에 대한다음 절에서 자세히 고찰하고자 한다.

Figure 2.Major parameters affecting remediation performance.

Rhizoremediation에 이용되는 식물 종류 및 특성

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Rhizoremediation은 식물과 근권미생물간의 시너지 효과를 이용하는 기술이므로, 식물-근권미생물 조합이 매우 중요하며, 식물과 근권미생물은 상호간에 긴밀하게 영향을 미치고 받는데, 식물이 근권미생물에 미치는 주요 영향을 Fig. 3에 도시하였다. 식물뿌리의 발달은 근권미생물에게 적절한서식 환경을 제공하고, 토양층 내 기공을 생기게 하여 호기성 근권미생물에게 (공기)산소를 공급하여 생장을 활성화시킬 수 있다[23]. 또한, 발달된 기공을 통해 이산화탄소와 메탄 등과 같은 가스 확산을 촉진하여 이산화탄소를 탄소원으로 이용하는 질산화세균 등과 같은 독립영양세균이나, 메탄을 탄소원으로 이용하는 메탄산화세균의 생장을 활성화시킬 수 있다[24].

Figure 3.Effect of plants on rhizobacteria in rhizoremediation.

식물 뿌리를 통해 배출되는 뿌리삼출물(root exudates)은근권미생물의 탄소원 혹은 질소원 등으로 이용되거나, 근권미생물 생장에 필요한 growth factor로 이용되기도 한다[25].뿌리삼출물은 토양의 불용성 무기물을 근권미생물에 이용가능한 상태로 용해시키기도 한다. 뿌리삼출물은 근권미생물 군집의 종풍부도와 종균등도를 높여 종다양성을 증가시킬 수 있다[26]. 또한, 뿌리삼출물은 유류오염분해세균 뿐 아니라, 메탄산화세균 및 아산화질소 환원세균 등과 같이 non-CO2 온실가스를 제거하는 세균 활성을 향상시킬 수 있다[27].

Rhizoremediation의 효율은 어떤 종의 식물과 미생물의 상승작용에 기반을 둘 것이냐에 따라 크게 좌우될 수 있으며,따라서 적합한 식물의 선정이 필수적이다. 일반적으로 오염물질에 대한 저항성이 높고, 광범위한 근계(root system)를형성할 수 있는 식물이 rhizoremediation에 적합하다고 알려져 있다. 지금까지 다양한 초본식물, 콩과식물, 농작물,관엽식물, 관목 및 나무들이 유류오염 처리를 위한rhizoremediation 기술에 선정되어 연구되어 왔다(Fig. 4). 유류 오염 토양 정화에 활용된 식물 종류와 정화 효율을 Table 2에 정리하였다. Rhizoremediation 과정에서는 하나 또는 둘이상의 식물을 복합적으로 사용할 수 있으며, 토양 조건에따라 적절한 토양개량제(soil amendment)를 첨가하기도 한다. 12.4 mg/kg-soil의 polyaromatic hydrocarbon (PAH)로 오염된 토양에서부터 300,000 mg/kg-soil의 유류(total petroleum hydrocarbon, TPH)로 오염된 슬러지까지 다양한오염 수준의 환경이 rhizoremediation의 대상으로 선정되었고, 제거효율은 연구에 따라 상이하게 나타났다.

Table 2 . Previous studies on plants used in the rhizoremediation of oil-contaminated soils (2011−2019).

PlantSpeciesInitial concentration (mg-TPH kg-soil-1)AmendmentRemoval efficiencyReference
GrassesVetiveria zizanioides252,000Wheat husk, microbial consortia and nutrients72.0% TPH reduction in treated versus 33.4% in control30
Cyperus brevifolius80,000Nutrients86.5% reduction after 360 days31
Lolium multiflorum34,000Biochar, compost and diesel degrading bacteria consortia85% TPH removal observed in vegetated soil32
Lolium multiflorum15,000Inorganic nutrients plus endophytes85% degradation of TPH in inoculated and higher levels of nutrients33
Lolium multiflorum3000, 6000 & 15,000Controlled release fertilizer (CRF)85%, 66% and 73% degradation at 3,000, 6,000, and 15,000 mg/kg, respectively34
Lolium perenne10,000Rhodococcus erythropolis CD 106 strain31.2% degradation of TPH in the planted, inoculated soil and 16.8% in the planted, non-inoculated soil35
Festuca arundinacea, Lolium perennephenanthrene 300, fluoranthene 200, benzopyrene 5Pseudomonas putida UW4PGPB significantly enhanced PAH dissipation in the planted soil36
Brassia scoparaia20,000~30,000No amendments31% reduction of TPH in vegetated soils37
Schoenoplectus senegalensis, Fuirena umbellata, Cyperus tuberosus17,000Rhizobacteria consortia46.9% TPH reduction at 14 day38
Meliotus albus7,500AMF such as Glomus Zac-1917.7% TPH degradation compared to control39
Festuca arundinacea4,407PGPR inoculummore than 50% reduction of aliphatic hydrocarbons40
LegumesMedicago sativaPAH 12.4Organic fertilizer11.6% removal compared to non-vegetated control42
Medicago sativa L., Glycine max, Arachis hypogea, Lablab purpureus, Pheseolus vulgaris, Cajanus cajan30,000No amendments93.7% removal of C21-C30 components in G. max-planted soil43
Agronomic cropsZea mays300,000Inorganic fertilizer and bacterial consortia59% higher degradation in combined treatment44
Hordeum vulgare, Avena sativa40,000, 60,000,& 80,000Poultry manure biochar1.02 and 0.75 times higher TPH reduction(%) in barley and oat cultivated soil than unplanted soil45
Triticum estivumPAH 78.2Fungal strains (Rhizophagus irregularis)13% TPH removal46
Brassica napus L.6,000Organic amendment produced from recycling of urban organic waste85% TPH removal at harvest time47
Flower cropsZinnia hybrida26,000Basal fertilizer and perliteSignificant lowet TPH concentration after 60 days in the planted soil than in the unplanted soil48
Gaillardia aristata, Echinacea purpurea10,000No amendments37.1% & 49.2% TPH reduction49


Figure 4.Characteristics of different types of plants used in rhizoremediation.

초본식물(grasses)류는 rhizoremediation 과정에서 가장많이 사용되는 식물로서, 유류로 오염된 토양에서도 광범위한 근계를 형성할 수 있다는 장점을 가진다. 넓은 표면적을가지는 뿌리로부터 분비되는 뿌리삼출물은 토양에서 수용성유기물, 영양물질 및 미생물 생장인자(growth factor)등으로작용할 수 있다. 이로 인해 근권미생물의 활성이 높아져 오염물의 분해효율을 증가시킬 수 있다(Fig. 4). 또한 다른 식물에 비해 최초 파종 후 생장속도가 빠르고, 다양한 기후조건을 가지는 오염환경에서도 적용이 용이하다는 장점을 지닌다[28]. 2% (w/w)의 TPH로 오염된 토양에서 12종의 초본식물을 선정하여 뿌리 생장을 측정한 연구에서는 바랭이(Digitaria ciliaris), 우산잔디(Cynodon dactylon), 쥐보리(Festuca perennis)의 뿌리가 각각 1398 cm, 858 cm, 185 cm에길이생장을 보였다고 보고된 바 있다[29]. 벼과식물인 비라나(Vetiveria zizanioides)와 미생물 컨소시움을 이용하여 고농도로 오염된 토양(252,000 mg/kg-soil)을 90일 동안 정화한 결과, 식물을 도입하지 않은 경우에는 유류 제거 효율이33.4% 이었으나, 비라나 식재시 제거효율이 72.0%로 향상되었다[30]. 유류 오염 토양(80,000 mg/kg-soil)에 파대가리(Cyperus brevifolius)를 식재하여 360일동안 정화한 결과86.5%의 유류 제거효율을 얻을 수 있었다[31]. Hussain 등[32]은 3.4% (w/w)의 고농도의 원유로 오염된 토양에 쥐보리(Lolium multiflorum)를 활용하여 rhizoremediation을 수행한 결과, 최종적으로 85%의 유류 제거효율을 얻을 수 있었다. 저농도부터 고농도 유류로 오염된 토양 정화에 쥐보리를 식재한 결과 66−85%의 유류를 제거할 수 있었다[33, 34].호밀풀(Lolium perenne)만을 식재한 오염 토양에서 유류 제거효율은 16.8%이었으나, 식물생장촉진 근권미생물(Plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)과 호밀풀을 함께적용하면 유류 제거효율이 31.2%로 향상되었다[35]. 또한,큰김의털(Festuca arundinaceae)과 호밀풀을 도입한 연구에서는 PGPR을 토양개량제로 첨가하자 PAH 제거율이 유의하게 향상되었다[36]. 댑싸리(Brassia scoparaia), 고랭이(Schoenoplectus senegalensis), 흰전동싸리(Meliotus albus)및 톨페스큐(Festuca arundinacea)를 활용하여 유류오염 토양을 정화한 결과, 유류 제거효율은 각각 31%, 46.9%, 17.7%및 50%이었다[37−40].

콩과 식물(Legumes)은 질소고정미생물과의 공생관계를 통해 대기 중의 질소를 고정시켜 질소원으로 활용할 수 있다는 특성을 지닌다. 따라서 특히 질소원이 부족한 토양환경에서 활용하기 적합한 종으로 알려져 있다(Fig. 4). 콩과식물은 초본류에 비해 생장속도가 느리다는 단점이 있지만, 일부 난분해성 유류오염물질에 대해서는 더 높은 제거효율을 보인다고 보고되었다[41]. Rhizoremediation에 활용되는 대표적인 콩과식물은 알팔파(Medicago sativa L.)로서 생장조건이충족되는 경우 약 900 cm의 뿌리를 형성할 수 있는 것으로알려져 있다[42]. Fu 등[42]는 알팔파와 유기비료를 이용하여 12.4 mg-PAH kg-soil-1로 오염된 토양을 정화하였으며,식물이 없는 조건 대비 11.6% 높은 제거효율을 확인하였다. 최근 연구에서는 알팔파 뿐만 아니라 땅콩(Arachis hypogea), 편두(Lablab purpureus), 비둘기콩(Cajanus cajan)도 유류 오염 토양에 활용 가능한 후보 식물임이 보고되고있다[43]. 특히 콩(Glycine max)의 경우 오염토양에서 성공적으로 생장하지 못했음에도 불구하고 C21-C30 탄화수소화합물은 93.7%까지 제거할 수 있었다

농작물(agronomic crops)은 높은 바이오매스를 지니고 있고 일반적으로 중금속을 식물체 내에 높은 농도로 축적할 수있는 hyperaccumulator로 알려져 있으나, 최근 농작물을 활용하여 토양의 유류오염을 제거하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다(Fig. 4). Shahzad 등[44]는 고농도의 유류로 오염된 슬러지를 처리함에 있어서 옥수수(Zea mays)가 고농도의 유류에 내성을 가지고 있으면 유류 제거 효율이 높음을보고하였다. 무기비료와 PGPR consortium을 토양개량제로서 함께 첨가한 경우, TPH 제거효율은 옥수수만 있는 조건보다 59% 향상되었다. 옥수수 이외에 보리(Hordeum vulgare),귀리(Avena sativa), 밀(Triticum estivum) 및 유채(Brassica napus L.) 등이 유류 오염 정화용 식물로 활용되고 있다[45−47].

관상식물(flower crops)은 생물학적 처리기법의 부가가치인 자연경관의 심미성을 극대화할 수 있는 장점을 가진다(Fig. 4). 페루 백일초(Zinnia hybrida)를 유류오염정화에 도입한결과, 식재하지 않는 토양에 비해 유의하게 정화효율이 향상되었다[48]. Liu 등[49]는 천인국(Gaillardia aristata)과 자주루드베키아(Echinacea purpurea)를 비롯한 14종의 관엽식물의 TPH 오염정화능력을 관찰하였으며, 천인국과 자주루드베키아는 10,000 mg-TOP kg-soil-1의 TPH로 오염된 토양에 대하여 각각 37.1%, 49.2%의 제거효율을 보였다. 관엽식물이 rhizoremediation 과정에서 오염 생태계에 미칠 수있는 영향에 대한 정보는 다른 식물에 비해 부족하며, 이에대한 추가적인 연구가 요구된다.

관목 및 나무(shrubs and trees)는 다른 식물종에 비해 생장에 오랜 시간이 요구되지만, 완전히 성장하였을 때 광범위하고 다양한 근권을 형성하며 종에 따라 500년 이상 생존이 가능한 다년생식물로서 보다 지속 가능한 처리로서의가능성을 지닌다(Fig. 4). 초본류가 PAH 및 TPH 제거를 위해 이용된 반면, 나무는 주로 BTEX(Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene)의 제거를 대상으로 연구가 이루어져왔다. Rhizoremediation 과정에서 초본류와 나무의 차이를비교한 연구에서는 탄화수소 제거효율 측면에서 두 식물이거의 차이를 보이지 않았다고 보고하였다[50].

Rhizoremediation 에 이용되는 근권미생물 종류및 특성

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근권(rhizosphere)은 식물 활동에 영향을 받아 높은 미생물 활성을 보이는 토양의 특정 영역으로, 위치적으로는 식물뿌리 반경 1−2 mm의 영역을 지칭한다[51]. 근권에 서식하는 세균 및 곰팡이를 근권미생물이라고 하는데, 특히 식물생장을 촉진하는 근권세균을 PGPR이라고 한다[52]. 근권미생물은 식물에 미치는 영향을 Fig. 5에 도시하였다. 근권미생물에 체외로 배출하는 다양한 대사산물(indole acetic acid (IAA), gibberellins, cytokinins 등)은 식물 생장을 촉진하는phytohormones으로 이용될 수 있다[53−55]. 또한, 근권미생물이 유기물(유류)를 분해해서 생산된 발효산물인 아세트산,부틸산 등과 같은 유기산은 인산염과 같은 불용성 광물을 용해시켜 식물이 이용할 수 있는 형태로 전환시킬 수 있다[56, 57]. 식물은 고온, 가뭄 뿐 아니라 오염토양 등 극한 환경에서 스트레스를 받으면 조속 숙성을 야기시키는 ethylene을 합성하게 된다. 그런데 근권미생물 중에는 ethylene의 전구물질인 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC)를분해할 수 있는 ACC deaminase 활성을 가지고 미생물이 있다[58, 59]. Siderophore 생산하는 근권미생물은 저농도의 철을 식물이 이용 가능할 수 있는 수준의 농도로 축적할 수 있다[60, 61]. 항균제 생산 근권미생물은 식물 병원성 곰팡이의생장을 저해하여 식물병원균으로부터 식물을 보호하기도 한다[62, 63]. 질소고정세균에 의해 생산된 질소화합물은 식물생장에 필요한 질소원으로 이용될 수 있다[64]. 또한, 식물에독성을 야기하는 오염물은 근권미생물에 의해 체외효소에의해 무독화될 수 있다[52, 65]. 이와 같이 근권미생물의 다양한 기능에 의해 식물 생장이 촉진될 수 있으며, 이러한 근권미생물과 식물의 긴밀한 상호작용에 의해 유류 오염토양의 정화효율이 향상될 수 있다.

Figure 5.Effect of rhizobacteria on plants in rhizoremediation.

근권토양으로 순수 분리한 미생물을 포함하여 다양한 근권미생물과 식물을 이용하여 유류 오염 토양을 처리하고자한 2011년 이후 연구 사례를 Table 3에 정리하였다. 디젤 오염 토양의 정화에 이용되는 근권세균은 식물종(Axonopis affinis (카펫그라스), Scirpus triqueter (세모고랭이), Phragmites australis (갈대) 등)에 차이가 있음에도 불구하고 주로 Pseudomonas spp.가 많이 사용되고 있다[66−68]. Pseudomonas spp. 근권세균을 첨가한 토양에서는 catalase와 dehydrogenase와 같이 토양 미생물 활성 등의 인자와 밀접한 연관을 가지는 토양효소활성이 증가하였다고 보고된 바 있다[66, 67].또한, Pseudomonas spp.의 ACC deaminase 활성 및Pseudomonas spp.이 생산한 siderophore 및 IAA에 의해 식물 생장 촉진 되어, 궁극적으로 오염 정화효율이 향상되는효과를 얻을 수 있었다[66, 68].

Table 3 . Previous studies on rhizomicroorganisms used in the rhizoremediation of oil-contaminated soils (2011−2019).

Pollutant & level (mg-TPH kg-soil-1)RhizomicroorganismsPlant partnerMain results / Role of PGPRReference
Diesel, 10,000Pseudomonas sp. ITRH25, Pantoea sp. BTRH79, Burkholderia sp. PsJN, individually and in combinationAxonopus affinis (Carpet grass)•Increasing total numbers of culturable hydrocarbon-degrading bacteria, plant biomass production, hydrocarbon degradation and reducing genotoxicity
•PGPR: 1-amino-cyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) deaminase activity		66
Diesel, 6,000 mg kg-1Pseudomonas sp. J4AJScirpus triqueter•Increasing diesel degradation rate by increasing catalase and dehydrogenase in the contaminated soil Enhancing plant growth by detoxification of diesel67
Diesel, 50,000 mg kg-1Pseudomonas aeruginosa L10Phragmites australis (reed)•Efficiently degrading C10–C26 n-alkanes as well as PAHs (naphthalene, phenanthrene, and pyrene)
•Enhancing plant growth by siderophore, indole-3-acetic acid (IAA) release, ACC deaminase activity		68
Crude oil, 20,000Arbuscular mycorrhiza fungiSuaeda salsa (seepweed)•Stimulating crude oil removal by adding N addition69
Crude oil, 10,000 or 30,000Pseudomonas aeruginosa consortium isolated from two aged oil-contaminated saline soils)Salicornia persica (Salicornia) Festuca arundinacea (Tall fescue)•Boosting the degradation of TPH up to 5~17%
•Increasing dehydrogenase activity and the abundance of the bacteria (3.5~10 folds)
•Reducing soil phytotoxicity in a saline soil		70
Crude oil, 1,000~4,000Pseudomonas putidaSuaeda heteroptera Kitag, Nereis succinea•Promoting crude oil degradation in the combination of S. heteroptera, N. succinea and P. putida71
Crude oil, 10,462Bacillus safensis ZY16Chloris virgata Sw.•Elevating 25.7% of crude oil removal over phytoremediation without strain ZY16
•Promoting plant biomass		71
PAHs, (Pye+Phe), 400Acinetobacter sp. Glomus mosseae (mycorrhizae) individually and in combinationLolium multiflorum (ryegrass)•Increasing soil peroxidase activities by the growth of ryegrass → Enhancing PAH degradation72
PAHs (anthracene), 10Bacillus sp. SBER3Populus deltoids•Producing IAA , ACC deaminase, and siderophore
•Having phosphate solubilization activity
•Inhibiting phytopathogenic fungi
•Rhizoctonia solani, Macrophomina phaseolina, Fusarium oxysporum, and Fusarium solani
•Enhancing plant growth		73
PAHs (Pyr), 43Arbuscular mycorrhizal fungiMedicago sativa L. (alfalfa)•Improving PAH removal efficiency75
PAHs (Pyr), 100Klebsiella pneumoniae AWD5, Pseudomonas aeruginosa PDB1Rice•Degrading pyrene
•Producing IAA and ACC deaminase
•Having phosphate solubilization activity
•Releasing siderophore
•Increasing rice growth		74
Aged TPH-contaminated soil at oilfield, 16,920Klebsiella sp. D5ATall fescue•Enhancing TPH removal in saline-alkaline soil
•Promoting plant growth
•PGPR: ACC deaminase, IAA production		76
Aged TPH-contaminated soil at oilfield, 4,407Klebsiella sp. D5A Pseudomonas sp. SBTestuca arundinacea L. (tall fescue)•Increasing TPH degradation rate, particular high molecular weight (C21–C34) aliphatic hydrocarbons and PAHs40
Aged TPH+Heavy metal contaminated soil, 3,800Pseudomonas aeruginosaMedicago sativa L. (alfalfa)•Enhancing TPH and heavy metal removal
•Promoting plant growth and alleviated plant stress		77


2년동안 유류에 오염된 염농도 높은 근권토양에서 분리한Pseudomonas aeruginosa를 포함한 4종 근권세균 컨소시움은 원유 오염 토양 정화에 활용되었다[70]. He 등[71]은 근권세균인 P. putida를 2종의 식물(Suaeda heteroptera 및Nereis succinea)을 함께 활용하였을 때 식물 사이의 시너지효과에 의해 원유 오영 토양 정화 효율이 향상되었다고 보고하였다. 근권세균 Bacillus safensis를 원유 오염 토양에 적용하였을 때 이 균주를 사용 없이 식물(Chloris virgata)하지않을 때 보다 원유 제거 효율이 25.7% 향상되었고, 식물의생체량도 증가하였다[71].

Polyaromatic hydrocarbon (PAH) 오염 토양 정화에 활용된 근권미생물은 Acinetobacter sp. [72], Bacillus sp. SBER3 [73], Klebsiella pneumoniae AWD5 [74], P. aeruginosa PDB1 [74] 등과 같은 세균과 Glomus mosseae [72] 및 수지상 균근균[75] 등과 같은 곰팡이류도 활용되었다. Bacillus sp. SBER3, K. pneumoniae AWD5, 및 P. aeruginosa PDB1는 식물 생장을 촉진하는 IAA, ACC deaminase siderophore 생산 활성을 가지고 있고, 식물이 이용할 수 있도록 불용성 인산염을 가용화할 수 있었다[73, 74].또한, Bacillus sp. SBER3는 식물병원곰팡이에 대한 항생물질을 생산하여 식물병원균을 저해할 수 있었다[73].

Klebsiella sp. D5A, Pseudomonas sp. SB 및 P. aeruginosa등을 이용하여 유류로 오염된 현장 토양을 대상으로rhizoremediation 연구도 진행되었다[40, 76, 77]. Klebsiella sp. D5A는 염농도가 높고 알칼리성 토양 조건에서도 TPH를 분해할 수 있는 균주로 ACC deaminase 및 IAA 생산 활성을 보유하여 식물 생장을 향상시킬 수 있었다[76]. Hou 등[40]은 유류 오염 토양 정화과정에서 정화효율과 세균 군집사이의 상관성을 분석한 결과, TPH 분해 효율에 영향을 미치는 인자는 TPH 분해세균과 biosurfactant 생산세균임을밝혔다. 또한, Agnello 등[77]은 유류와 중금속으로 오염된현장 오염 토양을 알팔파(Medicago sativa)와 P. aeruginosa을이용하여 처리한 결과, P. aeruginosa 균주 적용에 의해 TPH와 중금속 제거 효율의 향상, 오염 환경하에서의 식물 스트레스 경감 및 식물 생장 향상 효과가 확인되었다.

Rhizoremediation 효율 향상을 위한 첨가제 및강화제 종류 및 특성

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적절한 토양 개량제의 도입은 전반적인 phytoremediation의 효율을 증진시킬 수 있다는 사실이 많은 선행연구에서 보고되고 있다[78]. 토양 개량제는 크게 유기 개량제와 무기 개량제로 구분할 수 있다. 퇴비(compost), 농공폐기물(agro-industrial waste), biochar, 부식물질(humic substances)및 하수오물을 재활용처리한 바이오 고형물(biosolids) 등의물질이 유기 개량제에 포함되며, 석회(lime)나 zerovalent iron grid 등이 무기 개량제에 포함된다.

토양 개량제는 또한 환경에 구체적으로 개입하는 방식에따라 환경인자 조절, 토양생물상 조절, 그리고 두 인자를 모두 조절하는 방식으로도 분류할 수 있다(Fig. 6). 환경인자조절 개량제는 토양의 비옥도, 수분함량 및 질소, 인, 칼륨영양분과 같은 토양의 물리화학적 특성을 향상시키고, 이를통해 식물과 미생물의 오염물질 분해 효율을 증진시킬 수 있다[34]. Inorganic fertilizer는 대표적인 환경인자조절 개량제로서 오염토양에 부족하기 쉬운 질소, 인, 칼륨을 보충하는 역할을 수행한다. 최근 연구에서는 영양분을 점차적으로토양으로 방출하는 controlled-release fertilizer (CRF) 방식을 적용하여 유류오염토양에서의 식물성장장애 극복 및 TPH제거효율 향상효과를 확인하였다[34].

Figure 6.Characteristics of amendments for enhancing rhizoremediation performance.

또 다른 환경인자조절 개량제인 biochar는 농업, 축산업,임산업 및 하수처리에서 발생한 다양한 바이오매스를 열분해(pyrolysis)하여 얻을 수 있는 숯의 일종이다. 표면적이 넓고, 공극률이 높으며, pH와 양이온치환능력(cation exchange capacity, CEC)가 높다는 특성을 가지고 있어 그 자체로도흡착을 통해 오염물질을 제거할 수 있는 기능을 가진다[79].이와 같은 특성은 토양의 비옥도, 수분함량, 통기성 및nutrient retention 등을 높일 수 있기 때문에 결과적으로 토양 미생물의 활성에도 긍정적인 영향을 끼친다. 또한, biochar의 표면적이 넓기 때문에 토양미생물이 서식할 수 있도록 적합한 환경을 제공해줄 수 있다는 특징도 지닌다[80]. 최근 연구를 통해 장기적으로 biochar를 첨가한 토양에서 식물생장촉진미생물이 성공적으로 서식할 수 있음이 확인되었다[81].

토양생물상조절 개량제는 Rhizoremediation 과정에서 토양 내 오염물질은 식물 독성(phytotoxicity)을 유발하고, 오염물질에 저항성이 있다고 알려진 식물의 생장도 저해할 수있다. 또한 오염된 토양의 미생물군집은 생물다양성과 바이오매스가 낮아 식물이 자라기에 적합한 환경을 조성하기 어렵다. 토양생물상조절 개량제는 이처럼 오염환경의 토착미생물(indigenous microorganisms)이 오염물질을 충분히 분해할 수 없다고 판단될 경우, 또는 낮은 농도로 오염된 토양의 오염물질 제거 속도를 높이고 싶을 경우에 첨가할 수 있다[82]. 유류오염처리를 위한 rhizoremediation 과정에 첨가되는 토양생물상조절 개량제로는 유류분해미생물과 식물생장촉진미생물을 활용할 수 있다.

최근 연구에서는 79개 이상의 속에 해당하는 미생물들이유류를 분해할 수 있다고 밝혀졌으며[83], 이들 중 식물생장촉진능력도 함께 보유하고 있다고 알려진 Pseudomonas, Bacillus, Acinetobacter, Rhodococcus 및 Arthrobacter와같은 미생물을 첨가하는 방식이 rhizoremediation 연구에서활발히 시도되고 있다. Rhodococcus sp.을 접종한 연구에서는 접종하지 않은 토양의 두배에 해당하는 TPH 제거효율(31.2%)을 보였으며, 식물의 생장도 향상되었다는 결과를 관찰하였다[35].

Rhizoremediation 과정에서 토양의 환경인자와 생물상은밀접한 관계를 가지고 있으며, 따라서 두 인자를 함께 조절하는 것 또한 오염물질 분해효율을 높일 수 있는 방안이다. Organic fertilizer 및 퇴비는 많은 양의 미생물과 영양분을동시에 포함하고 있으며, 따라서 토양의 비옥도를 높이고 식물의 생장을 촉진하며, 유류오염물질의 분해를 향상시키는효과를 가져올 수 있다. 퇴비는 하수슬러지나 가축분뇨 등을재활용하여 생산될 수 있기 때문에 경제적으로 유리하다는장점을 가진다. 디젤로 오염된 토양을 유채(Brassica napus L.)로 처리한 최근 연구에서는 생활폐기물을 재활용한 유기비료를 첨가하였으며, 85%의 TPH 제거효율을 관찰하였다[47].

Rhizoremediation 과정에서의 non-CO2 온실가스 배출 특성

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식생은 토성 및 가스 이동 경로에 영향을 미치거나 식생잔재물과 뿌리삼출물 형태로 탄소원 제공 등에 의해 온실가스 배출에 영향에 미친다[23, 24, 84]. 식물은 광합성 산물의상당량을 뿌리를 통해 뿌리삼출물로 주변 환경에 분비한다. 뿌리삼출물의 화학적 조성은 식물종뿐만 아니라 식물의 생장단계와 환경조건에 따라 차이가 있으나, 주요 성분은 당,유기산 및 아미노산이다. 뿌리삼출물은 pH 조절, 토양미생물의 영양원으로 이용되거나, 독성물질을 무독화하기도 하고, 무기물과 영양물과 착화합물을 형성하기도 한다[25, 85−87]. 이러한 뿌리삼출물은 근권 토양에서 탄소와 질소화합물의 생지화학적 순환에 직간접적으로 영향을 미쳐 CH4과 N2O의 플럭스(flux)까지 영향을 미치게 되는 것으로 보고되고 있다[88−90]. 논에 질소 비료를 시비 여부에 따라 발생량을 비교한 결과, 질소 비료를 54−108 kg/ha 시비한 경우가 벼의바이오매스가 10.1−17.3% 증가하였고, CH4의 배출량은12.7−22.9% 감소하였다[26]. CH4 배출량이 감소한 이유는뿌리삼출물(주성분: malic acid, succinic acid, citric acid)에의해 메탄산화세균의 양이 증가하고 활성이 향상되었기 때문이었다[26]. 한편, 열대 이탄 지역에서 야자수(Raphiataedigera) 와 활엽상록수(Campnosperma panamensis)의뿌리삼출물에 의해 CH4의 배출량이 증가되었다[91].

옥수수 수확량을 높이기 위해 PGPR인 Azospirillum lipoferum CRT1을 토양에 접종했을 때, 토양의 C, N, P 등과 같은 영양분의 조건에 따라 N2O 배출량이 증가하기도 하고 감소하기도 하였다[92]. 탈질반응에 탄소원이 상대적으로큰 제한인자가 되는 토양 환경 조건에서는 옥수수로부터 배출되는 뿌리삼출물이 탈질세균과 N2O 환원세균의 탄소원으로 이용되어 N2O의 순생산량(net production)은 증가하였다[92]. 그러나, 탄소원이 상대적으로 작은 제한적인 조건에서는 N2O의 순생산량은 감소하였다[92].

식물 생장과 토양미생물 활성을 촉진하기 위해 사용하는비료와 같은 토양개량제에 의해 CH4 및 N2O 배출량이 영향을 받는다[27]. 농경지에 볏짚과 요소를 비료로 첨가한 조건에 비해, biochar와 SRF (slow-release fertilizer)를 주입한조건에서 곡물(벼)의 수확량도 증가하였고, 토양 내 메탄산화세균의 증가에 의해 CH4 발생량도 감소하였다[93]. 모닝글로리(Ipomoea aquatic Forssk.)를 식재한 토양에 분뇨 및biochar를 첨가하였을 때, 이들 첨가제의 의해 질산화 및 탈질반응에 의한 N2O 발생량이 감소하였고 N2O가 질소로 환원되는 반응도 향상되었다[94].

일반적으로 근권세균의 군집의 다양성이 증가할수록 그 기능이 다양해지고, 외부교란(오염물 성상 및 농도 변화, 토양pH, 중간대사산물 독성 등)에 대해 저항성과 탄력성이 증가하여 근권세균 군집의 stability가 증가하게 된다[95]. 따라서 오염물 제거효율을 높이고 동시에 non-CO2 GHGs 배출량을 저감하기 위해서는, 근권세균 군집의 다양성을 높게 유지할 수 있는 조건을 도출하는 것이 필요하다. 오염물질인유류는 탄소와 질소로 구성된 화합물로 이를 분해하는 근권세균은 PHs 및 중간분해산물을 탄소원으로 이용한다. 즉, PHs로 오염된 토양은 탄소 과잉 환경이므로 분해효율 향상을 위해서는 질소와 인 등을 제공 가능한 첨가제 사용이 필요하다. C:N:P 비율과 같은 영양분 비율은 오염물질 제거효율과 non-CO2 GHGs 배출량에 직접적으로 영향을 미친다.즉, 유류 분해 효율이 높음과 동시에 CH4과 N2O 배출량을최소화되는 nutrient balance 조건이 있을 것으로 사료된다.따라서, [근권세균-식물] 조합, [오염물질-첨가제] 영양물 균형 및 근권세균 군집 활성과 기능의 영향에 관한 축적된 정보의 종합적인 분석을 통해, 근권세균의 군집 다양성을 높게유지되면서 유류 분해 효율이 높음과 동시에 CH4과 N2O 배출량을 최소화할 수 있는 기후변화 대응 rhizoremediation기술 개발이 가능할 것으로 기대된다.

결론

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종래에는 오염물 제거효율에만 초점을 맞추어서 토양오염정화 기술개발이 진행되어 왔으나, 전지구적 기후변화 문제대응책으로 오염물 제거효율 향상과 동시에 온실가스 배출저감을 달성할 수 있는 기후변화 대응 토양오염정화기술에대한 수요는 향후 점점 증대 될 전망이다. 근권에서의 식물과 근권미생물의 상호작용에 대해서는 생명과학 및 농임학분야에서는 비교적 활발한 연구를 통해 다양한 정보가 축적되어왔다. 근권미생물과 식물을 이용하여 오염토양을 정화하고자 하는 rhizoremediation과 phytoremediation 기술 혁신을 위해서는 오염토양이 정화되는 과정에서 이들의 상호작용에 대한 이해가 필요함에도 불구하고 관련 정보가 아직은 미비하다. 따라서, 향후 오염토양 정화에 관여하는 이들식물과 미생물의 생리적 활성 특성 뿐 아니라 총유전체와 메타대사체 정보를 축적하기 위한 연구가 많이 진행될 필요가있다. 이러한 지식정보는 rhizoremediation과 phytoremediation기술 혁신에 매우 유용하게 활용될 수 있으며, 미생물-식물혹은 미생물-미생물 사이의 생태학적 상호작용에 대한 관련학문 분야의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

요약

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유류 오염 토양을 환경친화적으로 정화하는 방법으로 식물과 근권미생물 사이의 생태적 상승작용(synergism)에 기반을 둔 rhizoremediation이 큰 주목을 받고 있다. 전지구적문제인 기후변화에 대응하기 위해서는 오염 토양을 정화하는 과정에서 온실가스 배출량을 최소화할 수 있는 기후변화대응 정화기술이 도입될 필요가 있다. 기후변화 대응rhizoremediation 기술에서, 오염정화효율과 non-CO2 온실가스 배출량에 영향을 미치는 주요인자는 오염물질 특성 및토양의 물리화학적 특성 뿐 아니라, 식물-미생물 상호작용, 미생물 활성, 그리고 첨가제 및 강화제 첨가 여부로 구분할수 있다. 본 총설에서는 유류 오염토양을 정화하기 위한rhizoremediation 기술 개발 동향을 정리하고, 기후변화 대응 rhizoremediation 기술 개발 방향에 대해 고찰하였다.

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