유해유기물질의 미생물 분해시 일어나는 총괄반응을 이론적으로 예측하는 방법을 기술하였다. 열역학적 이론을 바탕으로 하는 반쪽반응 방법을 사용하,였고, 최근에 도입된 이론들인 중간체 생성 반응, oxygenation반응, 그룹이론에 의한 표준 자유생성에너지 예측기법 등을 적용하였다. 대표적인 유해유기물질인 phenanthrene과 함께 glucose, hexadecane의 미생물 분해 반응식을 실제로 계산하였다. 예측된 총괄반응식을 이용하여 미생물 수율, 산소 요구량, 질소 요구량, 무기화율 등의 정보를 얻을 수 있었으며, 이는 오염된 지하수/토양의 생물복원 공법 설계 및 자연정화평가 등에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
유해유기물질의 미생물 분해시 일어나는 총괄반응을 이론적으로 예측하는 방법을 기술하였다. 열역학적 이론을 바탕으로 하는 반쪽반응 방법을 사용하,였고, 최근에 도입된 이론들인 중간체 생성 반응, oxygenation반응, 그룹이론에 의한 표준 자유생성에너지 예측기법 등을 적용하였다. 대표적인 유해유기물질인 phenanthrene과 함께 glucose, hexadecane의 미생물 분해 반응식을 실제로 계산하였다. 예측된 총괄반응식을 이용하여 미생물 수율, 산소 요구량, 질소 요구량, 무기화율 등의 정보를 얻을 수 있었으며, 이는 오염된 지하수/토양의 생물복원 공법 설계 및 자연정화평가 등에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
Theoretical estimation of overall stoichiometry for the microbial degradation of hazardous organic compounds is described. Half-reaction method based on microbial energetics was used in the theoretical estimation. In addition to the half-reaction method, other theoretical methods such as intermediat...
Theoretical estimation of overall stoichiometry for the microbial degradation of hazardous organic compounds is described. Half-reaction method based on microbial energetics was used in the theoretical estimation. In addition to the half-reaction method, other theoretical methods such as intermediate formation, oxygenation reaction, and estimation of the standard free energy of formation by group contribution theory were also applied. As a case study, the application of these methods was demonstrated for the estimation of microbial kinetics in the biodegradation of phenanthrene which was chosen as a model hazardous organic compound along with glucose and hexadecane. The cell yield, oxygen requirement, nitrogen requirement, and mineralization ratio could be estimated from the overall stoichiometry. It is believed that these theoretical estimation methods are useful tools for practical design and assessment of bioremediation of soil and groundwater contaminated with hazardous organic compounds.
Theoretical estimation of overall stoichiometry for the microbial degradation of hazardous organic compounds is described. Half-reaction method based on microbial energetics was used in the theoretical estimation. In addition to the half-reaction method, other theoretical methods such as intermediate formation, oxygenation reaction, and estimation of the standard free energy of formation by group contribution theory were also applied. As a case study, the application of these methods was demonstrated for the estimation of microbial kinetics in the biodegradation of phenanthrene which was chosen as a model hazardous organic compound along with glucose and hexadecane. The cell yield, oxygen requirement, nitrogen requirement, and mineralization ratio could be estimated from the overall stoichiometry. It is believed that these theoretical estimation methods are useful tools for practical design and assessment of bioremediation of soil and groundwater contaminated with hazardous organic compounds.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
1969년 McCarty가 기질분해와 미생물 성장 사이의 반쪽반응에서 에너지와 전자의 물질수지에 대한 이론을 제시함으로써 전자공여체와 전자수용체에 따라 질산화, 메탄화, 발효, 복합기질반응 등과 같은 다양한 환경조건을 가지는 미생물 반응에 대해서도 하나의 이론으로 각각의 총 괄반응식을 예측할 수 있게 되었으며 계산사례는 일반 환경공학 교재에 잘 기술되어 있다S). 따라서, 본 기고에서 는 반쪽반응 방법에 기초하여 근래에 수정 보완된 방법들 즉, 중간체 생성반응과 oxygenation 반응이을 중심으로 유해유기물질의 미생물 분해 반응식의 예측방법을 기술하고자 한다. 또한, 표준 자유생성에너지 데이터가 부족한 물질에 대해 그룹이론을 적용하여 예측하는 방법도 함께 다룰 것이다亦(2).
또한, 표준 자유생성에너지 데이터가 부족한 물질에 대해 그룹이론을 적용하여 예측하는 방법도 함께 다룰 것이다亦(2). 본고에서는 실례로서 대표적인 유해유기물질로서 방향족 탄화수소의 하나인 phenanthrene 을 대상으로 기술하고자 한다.
본고에서는 특정 유해 물질의 미생물 분해반응을 열역 학적인 이론을 바탕으로 하는 반쪽반응방법을 이용하여 구하는 방법을 살펴보았다. 또한 주요물질의 표준 생성자 유에너지를 그룹이론을 이용하여 구하는 방법을 예시하였다.
제안 방법
본고에서는 특정 유해 물질의 미생물 분해반응을 열역 학적인 이론을 바탕으로 하는 반쪽반응방법을 이용하여 구하는 방법을 살펴보았다. 또한 주요물질의 표준 생성자 유에너지를 그룹이론을 이용하여 구하는 방법을 예시하였다. 이를 이용하여 phenanthrene mineralization에 의한미생물 수율을 구하는 문제에 실제 적용해 보았으며, 그로부터 몇몇 유익한 정보들을 예측할 수 있었다.
그러나, 몇 개의 효소반응 묶음에 의해 여러반응이 상대적으로 빠른 속도로 일어나고, 그 결과 몇 몇 중요한 중간체를 생성시키는 것으로 알려져 있어 대체적으로 3단계의 분해로 해석할 수 있다9). 여기서는 대표적으로 발견되는 중간체로서 1-hydroxy-2-naphthoate를 선택하여, 2단계 무기물화 반응에 대해 분해 총괄반응식을 구하고자 한다(Fig. 3(c)).
성능/효과
이상에서 살펴본 바와 같이 반쪽반응법을 이용하여 미생물 분해 총괄반응식을 수립해가는 과정에서 전자분배, 효율, 분해반응, 수율 등 미생물 반응에 대한 이해를 증진 시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 실용적E로도 총괄반응식으로 부터 각종 수율을 계산해낼 수 있어, 질소원 요구량, 산소 요구량, 미생물 수율 등 중요한 정보들은 실제 시스템의 설계에 유용하게 사용될 수 있다.
후속연구
최근의 몇몇 이론들(중간체 생성, oxygenation 반응, 유해물질의 그룹이론을 적용한 표준 생 성자유에너지의 예측 등)이 새롭게 도입됨에 따라 그 응용성은 더욱 광범위해졌다고 할 수 있다. 환경오염문제에 있어서 BTEX, R4H, PCB, 다이옥신과 같은 특정 유해 물질의 오염문제가 날로 심각해지고 있는 오늘날 이들 물질의 생분해에 대한 이해에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (16)
Erickson, L. E. 'Energetic efficiency of biomass and product formation', Biotechnol. Bioeng., 21, pp. 725-743 (1979)
Stouthamer, A. H. and van Verseveld, H. W. 'Stoichiometry of microbial growth', In: Moo-Young M. ed., Comprehensive Biotechnology, Pergamon Press, Oxford, New York, Toronto, 1, pp. 215-238 (1985)
McCarty, P. L. 'Energetics and Bacterial Growth', The Fifth Rudolf Research Conference; 1969 Jul 2; Rutgers. The State University, New Brunswick, New Jersey (1969)
McCarty, P. L. 'Stoichiometry of biological reactions', Paper presented at the International Conference toward a Unified Concept of Biological Waste Treatment Design, Atlanta, Georgia (1972)
Heijnen, J. J., van Loosdrecht, M. C. M., and Tijhuis, L. 'A black box mathematical model to calculate auto- and heterotrophic biomass yields based on Gibbs energy dissipation', Biotechnol. Bioeng., 40, pp. 1139-1154 (1992)
VanBriesen, J. M. and Rittmann, B. E. 'Mathematical description of microbiological reactions involving intermediates', Biotechnol. Bioeng., 67(1), pp. 35-52 (2000)
Heijnen, J. J. and van Dijken, J. P. 'In search of a thermodynamic description of biomass yields for the chemotrophic growth of microorganisms', Biotechnol. Bioeng., 39, pp. 833-858 (1992)
Woo, S. H. and Rittmann, B. E. 'Microbial energetics and stoichiometry for biodegradation of aromatic compounds involving oxygenation reactions', Biodegradation, 11, pp. 213-227 (2000)
Rittmann, B. E. and McCarty, P. L. 'Environmental Biotechnology: Principles and Applications', McGraw-Hill Inc, New York (2001)
Mavrovouniotis, M. L. 'Group contributions for estimating standard Gibbs energies of formation of biochemical compounds in aqueous solution', Biotechnol. Bioeng., 36, pp. 1070-1082 (1990)
Gibson, D. T. and Subramanian, V. 'Microbial degradation of aromatic hydrocarbons', In: Gibson, D. T, ed., Microbial degradation of organic compounds, Marcel Dekker, New York, pp. 181-252 (1984)
Hoover, S. R. and Porges, N. 'Assimilation of dairy wastes by activated sludge', Sewage and Industrial Wastes, 24, pp. 306-312 (1952)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.