남아시아와 동남아시아 지역의 지하수(Groundwater)는 일반적으로 세계보건기구(WHO; World Health Organization)의 권고 한계치보다 20~100배 더 높은 비소(arsenic) 농도를 함유하고 있다. 그 결과 방글라데시, 캄보디아, 미얀마, 베트남 및 중국 등의 지역에서 수많은 인구가 비소를 함유한 물을 음용함으로써 비소에 중독되고 있다.

미국 스탠퍼드 대학 소속의 연구진은 영양분으로 섭취하기 위하여 동남아시아 지하수에 유해한 비소를 배출하는데 책임이 있는 미생물(microbes)과 관련된 중요한 비밀을 풀었다. Nature Geosciences 저널에 발표된 연구 결과는 미래 토지 관리 및 미래 개발에 지침을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

비소는 히말라야 산맥으로부터 암석에서 산화철(iron oxide) 화합물과 결합되어 있으며, 주요 하천으로 씻겨 내려가거나 저지대 유역과 삼각주 지역에 침전된다. 과학자들은 산소가 존재하지 않을 때, 이러한 침전물에 서식하는 일부 박테리아가 호흡의 대안으로 비소와 산화철 입자를 사용할 수 있다는 것을 알고 있다. 그러나 미생물이 비소와 산화철 입자를 사용할 때, 미생물은 비소와 산화철을 분리하여 감추어져 있는 지하수로 독소를 전달하게 된다.

이러한 시스템에서 비밀은 미생물이 분리 공정(separation process)을 촉진하기 위하여 이용할 수 있는 명백한 에너지 공급원이라는 점이다.

지하수 비소 농도의 예측 모델을 제안하는 우리 능력을 실제로 제한하는 의문은 “미생물이 다양한 풍경과 침전물 깊이에 따라 영양분을 어떻게, 왜 이용하는가?”라고 스탠퍼드 산하 지구, 에너지 및 환경 과학부 소속의 교수인 지구 시스템 과학자인 Scott Fendorf는 밝혔다.

이 연구에서 Fendorf와 그의 연구팀은 비소를 배출하는 미생물(arsenic-releasing microbes)이 표면 근처에 위치한 식물 재료의 최근 침전을 섭취하는지 여부 또는 비소를 배출하는 미생물이 표면 아래 더 깊은 곳에 묻혀 있는 보다 더 오래된 생물 재료를 이용하는지 여부를 결정하기를 원했다. 두 번째 의문은 비소가 아시아 지역에서 얼마나 다양하게 배출되는지를 결정하는 것이다.

이러한 의문을 해결하기 위하여, Fendorf와 그의 연구팀은 일련의 현장 실험을 수행했다. 연구진은 캄보디아 메콩 강 삼각주(Mekong Delta)에서 두 가지 다른 환경으로부터 침전물 코어(sediment cores)를 수집했다. 한 곳은 계절성 습지로 이 지역 토양은 연중 일부의 기간만 비로 채워져 있으며, 다른 한 곳은 영구적 습지로 항상 침수되어 있는 지역이다.

연구진은 비소 오염에 의해 영향을 받고 있는 캄보디아, 베트남 및 다른 국가들이 발견되는 우세한 환경 유형이기 때문에, 습지(wetlands)에 초점을 맞추었다고 Fendorf는 밝혔다.

인공 지하수로 채워진 유리병에서 다른 깊이로부터 수거된 혼합된 침전물은 영구 습지의 수 피트 상층에 서식하는 산소가 결핍된 박테리아가 비소를 배출했다는 사실이 규명됐다. 그러나 계절성 습지의 동일한 얕은 층으로부터 수거된 침전물과 혼합된 물은 비소가 존재하지 않았다.

스탠퍼드 연구진은 계절성 습지의 얕은 층에 서식하는 박테리아가 침전물이 공기에 노출되어, 미생물이 산소에 접근할 때인 건조 기간 동안 소화가 가능한 식물성 재료를 모두 먹어치운다고 가정했다. 그 결과, 습지로 복원될 때 미생물은 영양분이 남아 있지 않게 되어 산화철로부터 비소 입자를 분해할 수 없게 된다.

이 가정은 과학자들이 계절성 습지 유리병에 탄소가 풍부하고 쉽게 소화가 가능한 당인 글루코오스를 추가할 때 미생물이 비소를 배출하기 시작함으로써 확인됐다.

계절성 습지의 얕은 지역에 서식하는 비소를 배출하는 박테리아는 반응성 탄소를 제한했다. 습지는 박테리아가 이용할 수 있는 형태의 탄소가 충분하지 않기 때문에 물로 비소를 배출하지 않았다고 Fendorf는 밝혔다. 동일한 실험이 아시아 대부분의 우물의 깊이인 지하 약 100피트 깊이에서 수거된 시료에서 반복됐다. 실험 결과는 영구 습지와 계절성 습지의 깊은 지하에 서식하는 박테리아가 유사하게 제한받으며, 일반적인 조건에서 지하수로 비소를 배출하지 않는다는 것을 보여주었다. 주의 깊은 조사는 비소 배출의 주범으로 영구 습지에서 박테리아라는 것을 보여주었다.

이 연구는 일반적인 조건 하에서 계절성 습지에 서식하는 미생물은 지하수에 비소를 추가하는 상당한 위험을 노출시키지 않는다고 제안했다. 그러나 만약 토지가 다른 용도로 개발되는 경우처럼 조건이 변한다면, 어떤 일이 일어날지 알 수 없다고 연구진은 밝혔다.

이러한 우려에 해답을 제공하기 위해 연구진은 두 번째 유형의 실험을 수행하여 멀리 떨어져 있는 습지를 영구 습지로 전환하기 위하여 영구적으로 물을 채워 시뮬레이션을 실시했다. 예측과 같이, 이 실험의 결과는 비소를 배출했다.

만약 당신이 댐을 건설하거나 수로를 변경하여 어떤 지역의 수문학을 변경한다면 또는 농업 관행을 변화시키거나 침전물에 산소 또는 영양분을 도입한다면, 비소의 배출이 변경될 것이라고 연구진은 제안했다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 12월 11일]

 

Groundwater in South and Southeast Asia commonly contains concentrations of arsenic 20 to 100 times greater than the World Health Organization's recommended limit, resulting in more than 100 million people being poisoned by drinking arsenic-laced water in Bangladesh, Cambodia, India, Myanmar, Vietnam and China.

Stanford scientists have solved an important mystery about where the microbes responsible for releasing dangerous arsenic into groundwater in Southeast Asia get their food. Their findings, published in the journal Nature Geosciences, could guide future land management and future development.

Arsenic is bound to iron oxide compounds in rocks from the Himalayas, and gets washed down the major rivers and deposited in the lowland basins and deltas. Scientists know that in the absence of oxygen, some bacteria living in those deposited sediments can use arsenic and iron oxide particles as an alternative means of respiration. When they do this, however, the microbes separate the arsenic and iron oxides and transfer the toxin into underlying groundwater.

 

The mystery in this system, though, is an obvious source of energy that the microbes can tap to fuel the separation process.

"The question that really limits our ability to come up with predictive models of groundwater arsenic concentrations is how and why does the food they use vary across the landscape and with sediment depth," said Earth system scientist Scott Fendorf, a professor at Stanford's School of Earth, Energy & Environmental Sciences.

In their study, Fendorf and his team wanted to determine if the arsenic-releasing microbes were feeding on recent deposits of plant material located near the surface, or whether they were tapping into older biomaterial buried deeper in the subsurface. A second question they wanted to answer was, How does arsenic release vary across the landscape in Asia?

To address these questions, Fendorf and his team performed a series of field experiments. They collected sediment cores from two types of environments in the Mekong Delta in Cambodia: seasonal wetlands - where the soil is saturated by rainwater for only part of the year - and permanent wetlands, which are continually inundated.

"We focused on wetlands because that is the dominant type of landscape found in Cambodia, Vietnam and other countries affected by arsenic contamination," said Fendorf, who is the Huffington Family Professor in Earth Sciences and also a senior fellow, by courtesy, at the Stanford Woods Institute for the Environment.

Mixing sediments collected from different depths in vials with artificial groundwater revealed that the oxygen-deprived bacteria living in the upper few feet of permanent wetlands were releasing arsenic. However, water mixed with sediments gathered from the same shallow layers of seasonal wetlands was arsenic free.

The Stanford scientists hypothesized that bacteria residing in the shallow layers of seasonal wetlands were eating all of the digestible plant material during dry periods, when sediments are exposed to air and the microbes have access to oxygen. As a result, no food is left for the microbes when the floods returned, rendering them unable to cleave arsenic particles from iron oxides.

This hypothesis was confirmed when the scientists added glucose - a carbon-rich and easily digestible sugar - to the seasonal wetland vial and the microbes began releasing arsenic.

"The arsenic-releasing bacteria living in the shallow regions of seasonal wetlands are 'reactive' carbon limited - that is, they don't release arsenic into the water because there isn't enough carbon available in a form they can use," Fendorf said.

The same experiment repeated with samples taken from about 100 feet underground - the depth of most drinking wells in Asia - showed that bacteria living deep beneath permanent and seasonal wetlands are similarly limited and and do not release arsenic into groundwater under normal conditions. The careful sleuthing has identified the bacteria in the permanent wetlands as the primary culprit of arsenic release.

The work suggests that, under normal conditions, microbes in seasonal wetlands don't pose a significant threat for adding arsenic to groundwater. But what if the conditions changed, the scientists wondered, as could happen when the land is developed for other uses?

To answer this question, the team conducted a second type of experiment, in which they simulated the conversion of a small, remote seasonal wetland into a permanent one by digging out a seasonal wetland plot and keeping it permanently filled with water. As predicted, this resulted in the release of arsenic. (The amount was small and transient, Fendorf said, and people were never threatened by the experiment.)

The findings have large-scale implications for projecting changes in arsenic concentrations with land development in South and Southeast Asia and for the terrestrial carbon cycle.

"If you change the hydrology of a region by building dams or levies that change the course of the water, or if you change agricultural practices and introduce oxygen or nitrate into sediments where they didn't exist before, that will alter the release of arsenic," Fendorf said.

 

[원문출처 : http://phys.org/news/2015-12-mystery-arsenic-groundwater.html]