Humic substances (HS), which are a naturally occurring mixture of organic compounds, play an important role in both pollutant chemistry and the biogeochemistry of natural waters and soils. HS may undergo various interactions with xenobiotic chemicals, which result in a removal or detoxification of the toxic pollutants. One of the prominent interactions is oxidative covalent binding that incorporates xenobiotics into HS. In addition, organic pollutants can also be involved in the humification process with naturally occurring lignin derivatives through oxidative coupling reaction in the presence of appropriate reaction catalysts. Therefore, both humic substances and humification process are currently being considered as a promising candidate for pollution remediation.
The interaction reaction may be affected by the characteristics of HS, which again strongly depend on the degree of humification and its source. Waste landfill can be considered as a huge bioreactor that produces a relatively high amount of HS during organic degradation process. The terrestrial environments contaminated by leachate from unsanitary or improperly designed or operated sanitary landfills can be significantly affected by the composition of the leachates. From the fact that leachate contains a relatively high amount of HS as well as other organic pollutants, the understanding of the characteristics and role of the HS in the contaminated aquifer is critical to estimate the degree and effect of the pollution and, in turn, to establish an optimal remediation strategy. Therefore, in this study, humic and fulvic acids extracted from several landfill leachates with different landfill ages were characterized using elemental analysis and various spectroscopic methods. Molecular size distribution of the HS was also determined using batch ultrafiltration technique and permeation coefficient model. The element analysis and spectral features obtained from UV/Vis., IR, and $1^H$ and ${13}^C$ NMR showed that the aromatic character in the leachate HS was relatively lower than that of commercial humic acid (Aldrich Co.), and higher in the HS of older landfill leachate. Fluorescence spectra indicated that humic acids had a relatively higher content of condensed aromatic compounds than the fulvic acids obtained from the same sources, and the spectrum of commercial humic acid showed that aromatic compounds might be present in a much more condensed and complex form. Molecular size distribution data revealed that the leachate humic acids contained a higher percentage of smaller molecules of the <10,000 daltons, compared to that of the commercial humic acid (45~49% vs. 33%), and molecular size of the leachate HS had a tendency to increase as landfill age increased. These results indicate that the HS from landfill leachates were in an early stage of humification, and the degree of humification increased as the landfilling age increased, which implies important information on various related researches, such as interactions of HS with pollutants in terrestrial environments, and optimization of leachate treatment processes with respect to landfill age.
As mentioned already, xenobiotic chemicals can be transformed or covalently bound to humic materials in the presence of appropriate catalysts such as oxidoreductive enzymes or metal (hydr)oxides present in terrestrial systems. However, there is limitation of substrates that are oxidizable by the catalysts.
To coup with the shortcoming so-called mediator system was introduced using redox-active substrates. In this study, 13 natural phenolic compounds were evaluated as mediators for the transformation of cyprodinil, a broad-spectrum fungicide, chosen as a model compound that cannot be oxidized by enzyme or metal oxides. From the experiments with laccase from Trametes villosa, a significant transformation was obtained in laccase-phenol mediator systems using monomethoxy phenols, syringaldehyde, vanillic acid, and vanillin. These phenols have the similarity of possessing methoxy group(s) on their aromatic rings. The same mediated system was also evaluated with birnessite, one of the commonly occurring mixed valence manganese oxide. With only birnessite, transformation of the model compound was not significant or negligible, while phenols that showed a significant reactivity in the presence of laccase also exhibited a significant mediating capacity in the transformation. The formation of cross-coupled products between cyprodinil and phenols was confirmed by radiocounting and mass spectrometry analysis. However, other systems using phenols that also possess methoxy group(s), such as 2,6-dimethoxyphenol, syringic acid, and ferulic acid showed little effect on the transformation of cyprodinil. As a result, it can be inferred that cyprodinil is transformed through the cross-coupling reaction with oxidized phenol by the laccase or birnessite. The transformation rate is controlled both by the degree of radical formation from phenolic compound and by the reactivity of the radical compound toward cyprodinil. The methoxy group on aromatic ring acts an important role to enhance the reactivity towards cyprodinil, although the position and types of other functional group also affect the efficiency.
From the experiments with respect to birnessite loading, cyprodinil transformation rate of the systems involving syringaldehyde, m-methoxy-phenol, and vanillin was increased as birnessite loading increased, which indicates the adsorption of the reaction products on birnessite surface. On the other hand, in the reactions with o- and p-methoxyphenol and vanillic acid, the cyprodinil transformation was not affected by birnessite loadings, while the transformation rate was increased as phenol concentration increased. In the reactions at various pH conditions, the best cyprodinil transformation was observed at pH value around 6.0.
The presence of humic acid in both laccase- and birnessite-mediated systems affects the transformation rate of cyprodinil, and this may be caused from the enhancing or/and inhibitory effects on the reaction. In the systems that showed no significant cyprodinil transformation in the absence of humic acid, the transformation was enhanced by 2.9~17.1% with laccase and 3.3~17.9% with birnessite in the presence of Leonardite humic acid at concentration of 400 mg/L. Even in the control system containing no phenolic compound, the transformation was enhanced to 10.2% with laccase and 19.8% with birnessite, which probably indicates the possibility of binding of cyprodinil on humic acid in the presence of the oxidoreductive catalysts. On the other hand, humic acid inhibited the transformation in the systems that resulted in a significant cyprodinil transformation. The inhibition effect by HS may be explained by competitive adsorption with phenols for the active sites on the enzyme or birnessite surface. Another competition relation may also be formed between HS and cyprodinil for oxidized phenols. The available amount of the oxidized phenols for cross-coupling with cyprodinil may be reduced from the binding of oxidized phenol radicals to humic acid. Complex formation of phenols to humic substances may also be enhanced by the enzyme or birnessite. Formation of strong complex between Mn(III) centers on the birnessite surface and carboxyl group of humic acid may also result in the reduction of cyprodinil transformation.
The result of this study demonstrates the feasibility of mediator systems with oxidoreductive catalysts especially for the removal of refractory organic pollutants. Because these reactions are accompanied by detoxification or immobilization, they are currently considered as a tool for the remediation of contaminated environments.
자연적으로 발생하여 자연계 내에 존재하게 되는 휴믹물질은 수환경 및 토양환경 내에서 오염물질의 거동에 많은 영향을 미치게 된다. 즉, 다양한 오염물질과 함께 상호작용을 일으키며, 이러한 결과로서 유기오염물질을 제거하기도 한다. 이러한 상호작용중 산화에 의한 공유결합반응은 오염물질을 휴믹물질 내로 결합시켜 제거하게 된다. 또한 유기오염물질은 일반적인 토양환경 내에 존재하는 적절한 반응촉매에 의해 리그닌 등의 분해에 의해 자연적으로 존재하는 유기물과 함께 산화에 의한 결합(coupling) 반응(휴믹화 반응)을 일으켜 휴믹물질의 형성에 관여하게 되며, 이로부터 오염물질로서 지니고 있는 독성 등의 본래의 성질을 잃어버림으로써 자연환경 내에서 제거되기도 한다. 따라서 휴믹물질 및 휴믹물질의 형성과정은 현재 오염복원을 위한 새로운 방법으로서 고려되고 있다.
오염물질의 휴믹물질과의 상호작용은 휴믹물질의 특성에 의해 영향을 받게 되며, 휴믹물질의 특성은 다시 휴믹화의 정도 및 그 기원 등에 의해 영향을 받게 된다. 하나의 거대한 생물반응조로 간주되어질 수 있는 폐기물 매립지는 유기물의 분해반응을 통해 비교적 많은 양의 휴믹물질을 생성하게 된다. 불량매립지나, 혹은 위생매립지일 경우라도 부적절한 설계 혹은 부적절한 운영 등으로 인해 유출된 침출수로 오염된 지하환경은 침출수의 구성 성분에 의해 크게 영향을 받게 된다. 침출수는 다양한 유기오염물질과 함께 상대적으로 많은 양의 휴믹물질을 함유하고 있으며, 따라서 이러한 휴믹물질의 특성 및 오염대 내에서의 다양한 역할에 대한 이해는 오염의 정도와 오염에 의한 영향 등의 파악에 필수적이라고 할 수 있으며, 이로부터 적절한 복원기법의 수립이 가능하게 된다. 따라서 본 연구에서는 매립 연령이 다른 세 곳의 매립지로부터 채수한 침출수에서 휴믹산 및 풀빅산을 추출하여 원소분석 및 다양한 분광학적 분석을 실시하여 이들에 대한 특성분석을 실시하였다. 또한 이들 휴믹물질에 대해 회분식 한외여과기법 및 투수계수모형을 사용하여 분자량 분포 분석을 실시하였다. 원소분석과 자와선, 적외선, $1^H$ 및 ${13}^C$ 핵자기공명 분석 결과 침출수로부터 추출된 휴믹물질의 방향족 성분이 Aldrich사로부터 구입한 휴믹산에 비해 낮은 특성을 보이고 있음을 확인하였으며, 이러한 특성은 매립연령이 증가할수록 증가하고 있었다. 또한 형광분광분석 결과로부터 동일한 침출수로부터 추출된 휴믹산은 풀빅산에 비해 더 높은 축합방향족 고리화합물의 형태로 존재하고 있음을 확인하였으며, Aldrich사의 휴믹산 분자는 보다 복잡한 축합 방향족 고리화합물의 성분을 더 많이 함유하고 있음을 알 수 있었다. 분자량 분포 분석 결과 침출수 휴믹물질(45~49%)은 Aldrich사의 휴믹산(33%)에 비해 10,000 daltons 이하의 분자량이 낮은 분자 함유량이 더 높음을 알 수 있었으며, 매립연령이 증가할수록 휴믹산의 분자량도 증가하는 경향을 보이고 있었다. 이러한 결과로부터 매립지 침출수중에 존재하는 휴믹산은 상대적으로 휴믹화의 정도가 낮으며, 이러한 휴믹화의 정도는 매립연령이 증가할수록 증가하고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 토양환경 내에서 휴믹물질과 오염물질간의 상호작용이나 매립 연령에 따른 침출수 처리공정의 최적화 등 다양한 관련 연구에 중요한 정보를 제공하게 될 것으로 기대된다.
앞에서 언급된 바와 같이 다양한 오염물질들은 산화-환원 효소나 금속 산화물 등 적절한 촉매의 존재 하에서 휴믹화 반응을 일으키거나 휴믹물질과 공유결합반응을 일으켜 결합함으로써 제거될 수 있다. 이러한 촉매에 의해 제거될 수 있는 오염물질은 제한적이라는 단점을 가지고 있으나, 반응매개체를 사용함으로써 이들 촉매에 의해 제거할 수 있는 오염물질의 범위를 확대하는 것이 가능해진다. 본 연구에서는 13가지의 리그닌 등의 분해에 의해 자연적으로 발생하는 페놀계 화합물을 매개체로 사용하여 이들의 효율을 평가하기 위해 살균제의 일종인 사이프로디닐(cyprodinil)을 모델 화합물로 선정하여 이의 제거실험을 실시하였다. Trametes villosa로부터 추출한 laccase를 이용한 실험에서는 monomethoxy phenols, syringaldehyde, vanillic acid, 및 vanillin 등을 사용한 경우 유의할 만한 수준의 사이프로디닐의 제거효율을 얻을 수 있었다. 이러한 페놀들은 methoxy-기를 가지고 있다는 공통점을 가지고 있다. 이러한 변환효율을 평가하기 위한 실험은 망간산화물의 일종인 버네사이트(birnessite)에 대해서도 실시하였다. 버네사이트만으로는 사이프로디닐의 변환을 일으킬 수 없었으며, laccase를 사용했을 경우 유의할만한 수준의 제거효율을 보여주었던 페놀화합물들이 이 경우에 대해서도 좋은 반응성을 보여주었다. 사이프로디닐과 이들 페놀화합물간의 상호결합(cross-coupling)에 의한 반응산물들은 방사능의 측정 및 분자량 측정분석으로부터 확인할 수 있었다. 그러나 2,6-dimethoxyphenol, syringic acid, 및 ferulic acid 등은 methoxy기를 함유하고 있음에도 불구하고 사이프로디닐의 변환에 거의 영향을 미치지 못하였다. 결론적으로 사이프로디닐은 laccase나 혹은 버네사이트에 의해 산화된 페놀과 상호결합을 일으킴으로써 변환되어짐을 알 수 있다. 반응 효율은 페놀화합물로부터의 라디칼 형성 정도와 이러한 라디칼 화합물의 사이프로디닐에 대한 반응성에 의해 영향을 받게 되며, 페놀화합물 내에 존재하는 methoxy기는 이의 위치나 기타 다른 작용기의 존재에 의해 영향을 받기는 하나 상호결합 반응에 있어서 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있다.
버네사이트의 양을 변화시켜가면서 실험한 결과 syringaldehyde, m-methoxyphenol, 및 vanillin을 사용한 경우 사이프로디닐의 제거효율은 버네사이트의 양에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 이는 반응산물들이 버네사이트의 표면에 흡착하고 있음을 의미하는 것이라고 할 수 있다. 반면에 o- 및 p-methoxyphenol이나 vanillic acid를 사용한 경우 사이프로디닐과의 반응은 버네사이트의 양에 의해 영향을 받지 않았던 반면, 페놀의 양이 증가함에 따라 효율이 증가하였다. 다양한 pH 조건에서 실시한 실험에서는 pH 6.0 정도에서 가장 좋은 효율을 보여주었다.
Laccase 혹은 버네사이트에 의한 반응에 있어서 휴믹산은 사이프로디닐의 제거에 영향을 미치게 되며, 이는 휴믹산이 반응에 상승, 혹은 저해적용을 일으키기 때문이다. 휴믹산이 존재하지 않을 경우 사이프로디닐의 제거효율이 미미하였던 페놀화합물을 사용하여 실험한 결과 Leonardite 휴믹산(400 mg/L)의 존재에 의해 laccase를 사용한 경우는 2.9~17.1%, 버네사이트를 사용한 경우에는 3.3~17.9%의 효율이 증가하는 특성을 보여주었다. 페놀화합물을 사용하지 않은 대조실험의 경우에 있어서도 laccase를 사용한 경우와 버네사이트를 사용한 경우 각각 10.2% 및 19.8%로 반응효율이 증가하였으며, 이는 촉매의 존재시 사이프로디닐이 휴믹산에 결합되어 제거됨을 보여주는 것이라고 할 수 있다. 반면, 사이프로디닐의 제거효율이 좋았던 경우에 있어서는 휴믹산이 고농도(20 mg/L 이상)로 존재할 경우 반응에 저해를 보이고 있었다. 이러한 휴믹산에 의한 반응에의 저해현상은 효소, 혹은 버네사이트의 활성표면에 대해 페놀화합물과 경쟁관계를 가지게 됨으로써 비롯되어질 수 있다. 또한 휴믹물질은 촉매에 의해 산화된 페놀화합물에 대해 사이프로디닐과도 경쟁관계를 형성할 수 있다. 이로부터 사이프로디닐과의 상호결합을 일으키는 산화된 페놀화합물의 가용한 양은 휴믹산과의 결합에 의해 감소하게 된다. 페놀화합물과 휴믹산간의 착화합물 형성 역시 이러한 촉매의 존재에 의해 증가하게 될 것이다. 버네사이트 표면의 Mn(III)과 휴믹산의 카르복실기간의 강한 착화합물 형성 역시 사이프로디닐 변환효율 감소의 한 원인이 될 수 있다.
본 연구에서는 매개체를 사용한 산화-환원 촉매에 의한 반응으로부터 특히 난분해성 유기오염물질의 제거를 위한 가능성을 평가하였다. 이러한 반응으로부터 생성되는 반응산물은 원래의 독성을 상실함은 물론 환경내에서 고정화에 의한 이동성의 상실에 의해 제거되어질 수 있기 때문에 오염된 환경의 복원을 위한 수단으로서 고려되어질 수 있을 것이다.
