Bacterial metabolisms influence the behavior of uranium (U) in deep geological repository (DGR) system because bacteria are ubiquitous in the natural environment. Nevertheless, most studies for the U(VI) bioreduction have focused on a few model bacterium, such as Shewanella putrefaciens, Desulfovibrio desulfuricans, and Geobacter sulfurreducens. In this study, the potential of aqueous U(VI) ((U(VI)aq) reduction by indigenous bacteria was examined under anaerobic conditions with addition of 20 mM sodium acetate for 24 weeks. Three different indigenous bacterial communities obtained from granitic groundwater at depths of 44–60 m (S1), 92–116 m (S2), and 234–244 m (S3) were applied for U(VI)aq reduction experiments. The S2 groundwater contained the highest U concentration of 885.4 μg/L among three groundwater samples, where U mainly existed in the form of Ca2UO2(CO3)3(aq). The S2 groundwater amended 20 mM of sodium acetate was used for the U(VI)aq bioreduction experiment. Variations in the U(VI)aq concentration and redox potential were monitored for 24 weeks to compare U(VI)aq removal efficiency in response to indigenous bacteria. The U(VI)aq removal efficiencies varied among three indigenous bacteria: 57.8% (S3), 43.1% (S2), and 37.7% (S1). The presence of the thermodynamically stable uranyl carbonate complex resulted in the incomplete U(VI)aq removal. Significant shifts in indigenous bacterial communities were observed through highthroughput 16S rRNA gene sequencing analysis. Two SRB species, Thermodesulfovibrio yellowstonii and Desulfatirhabdium butyrativorans, were dominant in the S3 sample after the anaerobic reaction, which enhanced the bioreduction of U(VI)aq. The precipitates produced by bacterial activity were determined to be U(IV)-silicate nanoparticles by a transmission electron microscope (TEM)-energy dispersive spectroscope (EDS) analysis. These results demonstrated that considerable U immobilization is possible by stimulating the activity of indigenous bacteria in the DGR environment.

Spent nuclear fuel (SNF) is the main source of high-level radioactive wastes (HLWs), which contains approximately 96% of uranium (U). For the safe disposal of the HLWs, the SNF is packed in canisters of cast iron and copper, and then is emplaced within 500 m of host rock surrounded by compacted bentonite clay buffer for at least 100,000 years. However, in case of the failure of the multi-barrier disposal system, U might be migrated through the rock fractures and groundwater, eventually, it could reach to the biosphere. Since the dissolved U interacts with indigenous bacteria under natural and engineered environments over the long storage periods of geologic disposal, it is important to understand the characteristics of U-microbe interactions under the geochemical conditions. In particular, a few of bacteria, i.e., sulfate-reducing bacteria (SRB), are able to reduce soluble U(VI) into insoluble U(IV) under anaerobic conditions by using their metabolisms, resulting in the immobilization of U. In this study, the aqueous U(VI) removal performance and change in bacterial community in response to the indigenous bacteria were investigated to understand the interactions of U-microbe under anaerobic conditions. Three different indigenous bacteria obtained from different depths of granitic groundwater (S1: 44–60 m, S2: 92–116 m, and S3: 234–244 m) were used for the reduction of U(VI)aq. After the anaerobic reaction of 24 weeks, the changes in bacterial community structure in response to the seeding indigenous bacteria were observed by high-throughput 16S rDNA gene sequencing analysis. The highest uranium removal efficiency of 57.8% was obtained in S3 sample, and followed by S2 (43.1%) and S1 (37.7%). Interestingly, SRB capable of reducing U(VI) greatly increased from 4.8% to 44.1% in S3 sample. Among the SRB identified, Thermodesulfovibrio yellowstonii played a key role on the removal of U(VI)aq. Transmission electron microscopy (TEM) analysis showed that the dspacing of precipitates observed in this study was identical with that of uraninite (UO2). This study presents the potential of U(VI)aq removal by indigenous bacteria under deep geological environment.

Deep geological repository (DGR) has been considered as a globally accepted strategy to dispose high-level radioactive wastes. During long storage periods of 100,000 years, uranium (U) could be migrated through fractures in deep granite aquifers and interact with indigenous bacteria under anaerobic condition. Anaerobic bacteria can reduce U(VI) and further precipitate in the form of U(IV)-oxide minerals by transferring electrons through c-type cytochrome. In this point of view, a comprehensive understanding of uranium-microorganisms interaction is necessary to guarantee the safety of high-level radioactive waste disposal. Although diverse bacterial communities are present in DGR environment, a number of studies have been focused on some model bacteria, such as Desulfovibrio, Geobacter, and Shewanella spp.. In this study, indigenous bacterial community in deep granitic groundwater at 234–244 m was inoculated to sterile uranium-contaminated granitic groundwater amended with 20 mM of sodium acetate, and then incubated under anaerobic condition for 12 weeks. Bio-reduction of U(VI) to U(IV) by indigenous bacteria in uranium-contaminated groundwater was investigated during whole operation period. Initial U(VI) concentration of 885.4 μg·L−1 gradually decreased to 586.1 μg·L−1, resulting in approximately 33.8% of aqueous U(VI) removal efficiency. Oxidation-reduction potential (ORP) value was gradually decreased from 175.4 mV to –243.0 mV after the incubation of 12 weeks. The decrease in ORP value was attributed to the presence of aerobic bacteria and facultative anaerobic bacteria in indigenous bacterial community. The shift in bacterial community structure was observed by 16S rRNA gene high-throughput sequencing analysis. Proteobacteria (55.6%), Firmicutes (24.1%), Actinobacteria (5.5%), and Bacteroidetes (5.4%) were dominant in initial indigenous bacterial community, while Proteobacteria (94.8%) was found to be the only abundant phylum after the reaction. In addition, great increase in the relative abundance of sulfate-reducing bacteria (SRB) was observed: the relative abundance of SRB increased from 11.4% to 44.3% after the reaction. This result indicates that the SRB played a key role in the removal of aqueous U(VI). This finding shows the potential of aqueous U(VI) removal by indigenous bacteria in DGR environment.

중금속으로 오염된 토양과 광미는 지하수 및 생태계에 추가적으로 피해를 발생시킨다. 이러한 독성 금속의 축적은 식물의 성장억제 및 인체의 발달이상, 발암과 같은 다양한 질병의 원인이 된다. 오염된 토양에서 중금속을 정화하는 방법으로는 고형화/안정화, 토양세척, 토양경작법 등과 같이 다양한 방법이 있다. 하지만 부지 및 오염특성에 따라 적절한 방법을 사용해야 한다. 적절한 방법 중 하나는 오염된 토양의 고형화/안정화이다. 본 연구의 목적은 오염된 토양 및 광미 내 존재하고 있는 중금속을 고형화/안정화 공법을 적용하여 정화하는 방법을 제안하는데 있다. 본 연구에서는 오염토양 내 중금속을 고형화/안정화 시키고 강도 증진을 위해 MICP 토착미생물과 산업폐기물인 굴패각, 폐석고를 배합하여 고화제로 사용하였다. 국내의 중금속 오염토양과 광미에서 MICP 토착미생물을 분리하였고 균체 지방산 분석을 통하여 동정을 진행하였다. 각각의 시료에서 분리한 균주를 동정한 결과 가장 많이 유사성을 보이는 균주는 Brevibacillus centrosporus 와 Bacillus megaterium 이었다. 또한 MICP 토착미생물의 최적 성장 조건을 도출하였으며, 산업폐기물과 MICP 토착미생물의 최적 배합비를 적용한 공시체의 일축압축강도 분석을 진행하였다. 그 결과 28일 경과 후 일축압축강도는 미국 EPA 폐기물처리 표준 기준을 만족하였으며, 위해성 평가를 위한 TCLP, SPLP 분석 결과 미국 EPA 기준을 만족하였다.

The purpose of this study was to suggest feasible disposal methods for heavy-metal-contaminated soil or mine tailings through solidification/stabilization. To improve the compressive strength and enhance the heavy-metal stabilization after solidification/stabilization, we used the industrial wastes (oyster shell powder and waste gypsum) and indigenous bacteria as immobilization agents. Three indigenous bacteria were isolated from each heavy-metal-contaminated soil or mine tailing site, and the bacteria were identified by cellular fatty acid composition analysis. The results of cellular fatty acid composition analysis showed that the closest strains of these bacteria are Brevibacillus centrosporus, Lysinibacillus sphaericus, and Bacillus megaterium. To the best of our knowledge, this research was the first report of biomineralization by Brevibacillus centrosporus. As a result of mixing additives with the optimum mixing ratio suggested in this study, the compressive strengths of specimens were satisfied in accordance with the US Environmental Protection Agency (EPA) waste treatment standard after 28 days of aging. Additionally, the results of the Toxicity Characteristics Leaching Procedure (TCLP) and Synthetic Precipitation Leaching Procedure (SPLP) analysis showed the successful immobilization of heavy metals after 28 days of specimen formation for solidification/stabilization.

폐광산에 방치되어 있는 폐광석으로부터 유용금속이온을 그 지역 토착박테리아를 이용하여 효과적으로 용출시키고자 하였다. 토착호산성박테리아를 중금속 이온에 내성이 형성될 수 있도록 중금속 이온에 주기적으로 반복 적응시켰다. 그 결과 적응실험이 진행될수록 성장-배양액의 pH가 더 안정적으로 감소하였다. CuSO4⋅5H2O에 9주와 12주 동안 적응시킨 박테리아를 이용하여 42일 동안 미생물용출을 수행한 결과, 용출-배양액의 pH는 적응 횟수에 비례하여 더 빠르게 감소하였다. 황동석과 Cu 함량이 고성 폐광석에 비하여 상대적으로 적게 포함된 연화 폐광석에서 더 많은 박테리아들이 부착하였고, 또한 Cu와 Fe 함량은 고성 박테리아 시료(각각의 용출률 = 66.77%와 21.83%)에 비하여 연화 박테리아 시료(각각의 용출률 = 92.79%와 55.88%)에서 더 많이 용출되었다. 따라서 중금속으로 오염된 광산에 오랫동안 서식한 토착호산성 박테리아를 이용한다면 또한 이 박테리아들을 목적중금속 이온이 포함된 성장-배양액에 계속하여 주기적으로 적응시킨다면, 폐광석으로부터 유용금속이온을 더 효과적으로 용출시킬 수 있을 것으로 확신한다.

폐광산에 방치되어 있는 폐광석으로부터 유용금속이온을 그 지역 토착박테리아를 이용하여 효과적으로 용출시키고자 하였다. 토착호산성박테리아를 중금속 이온에 내성이 형성될 수 있도록 중금속 이온에 주기적으로 반복 적응시켰다. 그 결과 적응실험이 진행될수록 성장-배양액의 pH가 더 안정적으로 감소하였다. CuSO4⋅5H2O에 9주와 12주 동안 적응시킨 박테리아를 이용하여 42일 동안 미생물용출을 수행한 결과, 용출-배양액의 pH는 적응 횟수에 비례하여 더 빠르게 감소하였다. 황동석과 Cu 함량이 고성 폐광석에 비하여 상대적으로 적게 포함된 연화 폐광석에서 더 많은 박테리아들이 부착하였고, 또한 Cu와 Fe 함량은 고성 박테리아 시료(각각의 용출률 = 66.77%와 21.83%)에 비하여 연화 박테리아 시료(각각의 용출률 = 92.79%와 55.88%)에서 더 많이 용출되었다. 따라서 중금속으로 오염된 광산에 오랫동안 서식한 토착호산성 박테리아를 이용한다면 또한 이 박테리아들을 목적중금속 이온이 포함된 성장-배양액에 계속하여 주기적으로 적응시킨다면, 폐광석으로부터 유용금속이온을 더 효과적으로 용출시킬 수 있을 것으로 확신한다.

방연석으로부터 유용금속이온을 용출시키기 위하여 토착박테리아를 실험실온도에서 최적의 pH 조건이 아닌 상태로 용출실험을 실시하였다. 이와 같은 조건에서도 0.4×0.2μm에서 0.5×1.7μm 범위의 막대 모양 박테리아들이 방연석 표면에 부착하였다. 미생물 용출실험 19일 후에, Pb, Fe, Zn 이온 함량이 비교시료에서 보다 박테리아 시료에서 각각 약 347, 222, 1.7배 이상으로 높게 용출되었다. 수많은 육각형 주상의 결정들이 방연석의 표변에 형성된 것이 관찰되었으며, 이들 결정들은 토착 박테리아의 미생물학적 산화작용에 의하여 방연석으로부터 생성된 것으로 생각된다. XRD 분석에서, 황산연광에 해당되는 회절선이 방연석 시료에서 관찰되었다. 만약 박테리아가 최적으로 생존할 수 있는 pH 조건과 온도 조건을 조성해 준다면 더 많은 유용금속 이온이 방연석으로부터 용출 될 것으로 기대된다.

광산찌꺼기로 방치되어 있는 황철석으로부터 유용금속이온을 효과적으로 용출시키기 위하여 황산을 첨가하지 않고 실험실온도에서 칼럼 미생물용출 실험을 수행하였다. 칼럼 미생물용출 실험 결과 2차 생성물의 형성을 발견할 수 없었고, 비교시료보다 박테리아 시료에서 Fe 이온 함량이 14배 이상으로 높게 용출되었다. SO42- 함량은 비교시료보다 박테리아 시료에서 약 2.99배 이상으로 높게 용출되었다. XRD 분석결과, 황철석의 (111), (200), (220), (311), (222), (230), (321) 결정면에 해당되는 강도가 비교시료에서 보다 박테리아 시료에서 감소하였고, (210)와 (211) 결정면의 강도가 박테리아 시료에서 증가하였다.

혼합유기질비료는 대두박, 채금박, 어분, 철분, 골분 및 황토를 원료로 광합성 미생물 SA16 균주를 접종하여 pellet 상태로 제조하여 사용하였다. 1. 혼합 유기질비료 시용이 시설상추의 생육 및 토양의 생물학적 변화에 미치는 영향 화학비료 3요소와 성분량이 동량인 혼합유기빌비료 90 kg/10a 처리구는 대조구보다 주당 엽수는 2장 정도 많았고 뿌리길이도 2cm 정도 길었으며 생체중은 51% 증수되었다. 혼합유기질비료 시용량별 수확량은 45>90>135 kg/10a 순으로 많았고 처리간에 유의성이 인정되었으며 최대 수확량을 얻을 수 있는 시용량은 73kg/10a로 나타났다. 상추수확량에 대한 소득 분석결과 혼합유기질비료 90 kg/10a 처리구에서 소득이 37% 증가되었고 최대 수량을 얻을 수 있는 혼합유기질비료를 73 kg/10a를 시용하면 소득이 41%증가될 것으로 생각된다.수확 후 토양 용적밀도는 혼합유기질 비료 90 kg/10a 처리구가 1.09 g/㎤로 가장 낮았으며 혼합유기질 비료 45 kg 처리구의 용적밀도가 1.19 g/㎤로 가장 높았다. 공극율은 혼합유기질 비료 45 kg 처리구가 58.8%로 가장 좋은 것으로 나타났으며 혼합유기질 비료 45 kg 처리구가 55.0%로 가장 낮았다. 토양 염류농도는 혼합유기질 비료 45 kg/10a을 제외하면 시험전 EC 농도 1.35 dS/m에 비해 모든 처리구에서 높아졌다. 특기할 사항은 토양의 NH4-N 함량으로 화학비료를 시용한 대조구에서 43 mg/kg으로 가장 높게 나타났으며 혼합유기질 비료 시용구간에는 10 mg/kg 내외로 차이가 없었다. 혼합유기질 비료 처리에 따른 토양중 호기성세균의 분포는 혼합유기질 비료 90 및 135 kg/10a 처리구가 12.4, 및 12.8×106 CFU/g로 가장 높았으며, 생육기보다 수확기의 호기성세균의 분포가 전체적으로 낮게 나타났다. 곰팡이수의 분포는 생육기에 혼합유기질 비료 90 kg/10a 처리구가 0.74×104 CFU/g로 가장 낮은 분포를 보였으며, 수확기의 곰팡이 수는 모든 처리구에서 고른 분포를 보였다. 2. 혼합유기질 시용이 얼갈이 배추 생육 및 토양의 생물학적 변화에 미치는 영향 얼갈이 배추의 포장 시험재배에서 엽수, 엽폭, 지하부 생체중, 지상부 건물중, 그리고 지하부 건물중 등은 혼합유기질 비료 시용구가 대조구인 퇴비구와 화학비료구보다 생장량이 양호하여 수량은 퇴비구에 비해 7.6%, 화학비료구에 비해 181% 증가하였다. 혼합유기질 비료 처리에서 통계적으로 F-test에서 유의한 형질은 지상부 생체중과 지상부 건물중이었고, LSD 0.05에서는 엽폭이 유의한 차를 보였다. 광합성 미생물 Rhodobacter azotoformans의 개체수는 105개로 표시되어 있었으나 수확 후 토양 중 개체수는 1.93×104 CFU/g으로 나타나 세균의 토양 토착능력이 우수한 것으로 나타났다.