Model Study of the Fate of Hydrocarbons in the Soil-Plant Environment

녹지 토양내 탄화수소화합물의 분포변화에 관한 모델링 연구

In recent years, phytoremediation, the use of plants to detoxify hydrocarbons, has been a promising new area of research, particularly in situ cleanup of large volumes of slightly contaminated soils. There is increasing need for a mathematical model that can be used as a predictive tool prior to actual field implementation of such a relatively new technique. Although a number of models exist for solute-plant interaction in the vegetated zone of soil, most of them have focused on ionic nutrients and some metals. In this study, we developed a mathematical model for simulation of bioremediation of hydrocarbons in soil, associated with plant root systems. The proposed model includes root interactions with soil-water and hydrocarbons in time and space, as well as advective and dispersive transport in unsaturated soil. The developed model considers gas phase diffusion and liquid-gas mass exchanges. For simulation of temporal and spatial changes in root behavior on soil-water and with hydrocarbons, time-specific distribution of root quantity through soil was incorporated into the simulation model. Hydrocarbon absorption and subsequent uptake into roots with water were simulated with empirical equations. In addition, microbial activity in the rhizosphere, a zone of unique interaction between roots and soil microorganisms, was modeled using a biofilm theory. This mathematical model for understanding and predicting fate and transport of compound in plant-aided remediation will assist effective application of plant-aided remediation to field contamination.

최근에 식물을 이용한 탄화수소화합물의 정화방법은 특히, 넓은 범위에 거쳐 저농도로 오염되어 있는 토양인 경우에 앞으로 각광을 받을 가능성이 높은 새로운 연구분야로 주목을 받아왔다. 이의 기술을 실제 오염토양에 바로 적용하기전 적절한 설계에 필요한 예측 모델링의 필요성이 함께 요구되고 있다. 현재 녹지토양내의 용질과 식물과의 상호작용에 관한 많은 모델들이 나와있지만 대부분이 이온상태의 무기영향물이나 금속류의 경우에만 한정되어 있다. 본 연구에서는 토양내의 탄화수소화합물의 생물학적정화에 미치는 식물의 영향을 예측하기 위한 기본 수학적 모델식을 제안 하였다. 먼저 토양내의 식물뿌리가 토양수분과 오염물에게 미치는 영향과 비포화계층에서의 오염물의 이동현상 및 토양내 기/액상간의 물질전달을 수학적으로 나타내고자 하였으며 시간의 변화와 토양깊이별 식물의 오염물의 동태에 미치는 영향을 시뮬레이션하기 위하여 식물뿌리의 시간에 따른 양적성장과 깊이별 분포정도를 예측하기 위한 관계식도 아울러 모델링에 포함하였다. 오염물의 식물내의 흡수 및 생물막이론을 이용한 식물뿌리근처에서의 생물학적 분해에 관한 현상도 관계식을 이용 설명하고자 하였다. 본 연구에서 제시한 식물영향하의 탄화수소화합물의 토양내의 동태해석을 위한 모델식은 실제로 탄화수소화합물에 의해 오염된 토양을 식물을 이용하여 정화하고자 할때, 필요한 기본설계도구로서 유용하게 쓰여질 것으로 기대된다.