[논문]중온 및 고온 혐기성 소화에서 메탄생성균 군집 분석에 관한 연구

황선진; 장현섭; 엄형춘; 장광언

중온 및 고온 혐기성 소화에서 메탄생성균 군집 분석에 관한 연구
In situ Analysis of Methanogenic Bacteria in the Anaerobic Mesophilic and Thermophilic Sludge Digestion 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.18 no.4, 2004년, pp.515 - 521

황선진 (경희대학교 환경응용화학대학 및 환경연구센타) , 장현섭 (경희대학교 환경응용화학대학 및 환경연구센타) , 엄형춘 (한국지질자원연구원) , 장광언 (경희대학교 환경응용화학대학 및 환경연구센타)

Abstract ▼ AI-Helper

Anaerobic digestion has many advantages over the more conventional aerobic treatment processes such as low levels of excess sludge production, low space (area) requirements, and the production of valuable biogas. The purpose of this study was to evaluate the effect of organic loading rate of anaerobic digestion on thermophilic($55^{\circ}C$) and mesophilic($35^{\circ}C$) conditions. Fluorescent in situ hybridization (FISH) method was also used to study the microbial community in the reactors. The stabilizing time in mesophilic anaerobic reactors was shorter as approximately 20 days than 40 days in the thermophilic anaerobic reactors. The amount of methane production rate in anaerobic reactors was independent of the concentrations of supplied substrates and the amount of methanogens. When the microbial diversity in the mesophilic and thermophilic reactors, which had been treated with acetate-based artificial wastewater, were compared, it was found that methanogenesis was carried out by microbial consortia consisting of bacteria and archaea such as methanogens. To investigate the activity of bacterial and archaeal populations in all anaerobic reactors, the amount of acetate was measured. Archaea were predominant in all reactors. Interestingly, Methanothrix-like methanogens appeared in mesophilic anaerobic reactors with high feed substrate concentrations, whereas it was not observed in thermophilic anaerobic reactors.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 중온(35℃)과 고온(55℃)소화의 소화 특성을 비교하고 FISH 분석법을 적용하여 메탄생성과 관련한 미생물에 관한 기초자료를 획득하고자 한다.
본 연구에서는 혐기성소화에 있어 소화온도와 기질 부하가 소화효율 및 출현하는 관련 미생물상에 미치는 영향을 조사하기 위하여 반연속식 혐기성 반응조를 제작하여 온도와 기질농도에 따른 소화 특성을 조사하고, 소화여건에 따른 미생물상의 변화를 FISH 법을 적용하여 해석하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.

제안 방법

각 반응조에는 S-하수처리장의 소화 조에서 채취한 하수슬러지를 주입 후 20일간 순응시켰으며, 고온(5+C) 및 중온(35℃ 소화조에 각각 10, 000mg/Z. 30, 000mg// 씩 의 acetate# 주입 하여 반연속식으로 운전하였다(TA・1: 55℃, 30, 000mg/Z of acetate, TA-2: 55℃, 10, 000mg// of acetate, MA-1: 35℃, 30, 000mg/Z of acetate, MA-2: 35℃, 10, 000mg// of acetate).
1에 나타낸 바와 같은 유효용량 (working volume) 이 3l인 반응조를 4개 제작하여 실험을 진행하였다. 가열 겸용 교반기를 이용하여 반응조의 교반과 가열을 동시에 진행하였으며 HRt는 15일로 운전하였다. 각 반응조에는 S-하수처리장의 소화 조에서 채취한 하수슬러지를 주입 후 20일간 순응시켰으며, 고온(5+C) 및 중온(35℃ 소화조에 각각 10, 000mg/Z.
가열 겸용 교반기를 이용하여 반응조의 교반과 가열을 동시에 진행하였으며 HRt는 15일로 운전하였다. 각 반응조에는 S-하수처리장의 소화 조에서 채취한 하수슬러지를 주입 후 20일간 순응시켰으며, 고온(5+C) 및 중온(35℃ 소화조에 각각 10, 000mg/Z. 30, 000mg// 씩 의 acetate# 주입 하여 반연속식으로 운전하였다(TA・1: 55℃, 30, 000mg/Z of acetate, TA-2: 55℃, 10, 000mg// of acetate, MA-1: 35℃, 30, 000mg/Z of acetate, MA-2: 35℃, 10, 000mg// of acetate).
각 반응조에서 발생하는 소화가스는 눈금이 표시된 gas collector에서 측정하였으며 , 가스의 조성 은 TCD 가 장착된 Gas Chromatography (Vari an Co.) 를이용하여 분석하였다. 또한, 반응조내 소화상태를 확인하기 위해 pH, Alkalinity, SCOD&을 2일 간격으로 측정 하였으며 VFA(Volatile Fatty Acid)는 Ion Chromatography(792 BASIC IC, Metrohm Co.
) 를이용하여 분석하였다. 또한, 반응조내 소화상태를 확인하기 위해 pH, Alkalinity, SCOD&을 2일 간격으로 측정 하였으며 VFA(Volatile Fatty Acid)는 Ion Chromatography(792 BASIC IC, Metrohm Co.)를 사용하여 분석하였다.
미생물의 FISH 분석은 Fig. 2에 나타낸 방법으로 실시하였으며, CLSM(Confocal Laser Scanning Microscopy)를 이용하여 공간적 분포를 형광 패턴으로 관찰하였다. 본 연구에 사용된 DNAprobe는 Table! 에 나타내었다.
본 연구에서는 Fig. 1에 나타낸 바와 같은 유효용량 (working volume) 이 3l인 반응조를 4개 제작하여 실험을 진행하였다. 가열 겸용 교반기를 이용하여 반응조의 교반과 가열을 동시에 진행하였으며 HRt는 15일로 운전하였다.

성능/효과

1) 고온소화조의 경우, 전체적인 소화반응이 안정화되기까지 중온소화조에 비해 더 많은 시간이 소비되었으나, 안정화 단계에서는 pH와 알칼리도 등의 변동이 크지 않았고 온도에 따른 변화보다는 기질 농도의 차이에 따른 pH와 알칼리도의 변화가 더 큰 것으로 나타났다.
148일 동안 고온으로 운전중인 TA-1과 TA-2 반웅조의 소화슬러지 에 Arch915와 MSMX860probes를 적용한 결과, 두 반응조 모두 CLSM 관찰에 적합한 미생 물량은 존재하고 있지 않으나 구균 형태의 Archaea 가 출현한 것을 알 수 있다(Fig. 8A, Fig. 8B). 이것은 acetate를 기질로 하는 고온성 Methanosarcina sp.
2) 제거된 기질이 메탄가스로 전환된 비율은 반응 초기에 중온 혐기성 반웅조에서 고온 혐기성 반응조보다 다소 높았으나 안정화 단계에서는 온도보다는 기질 부하가 메탄가스 전환률에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
3) FISH법을 이용한 미생물 분석결과, 중온소화와고온소화 반응의 초기 미생물상은 산생성균과 가수 분해균을 포함하는 Eubacteria와 메탄 생성균을 포함하는 Arcbaea가 공존하였으나, 메탄발생이 안정적으로 이루어지는 단계에서는 Arcbaea가 우점화하는 것으로 확인되었다.
MA-2 반응조의 경우에도 Metbanotlnix로 추정되는 미생물이 검출되었으나 MA-1 반응조에 비해 미생물의 양은 현저히 적음을 알 수 있었다(Fig. 8D).
고온성 Methanosarcina sp.S. 추정되는 구균 형태의 acetate 이용 메탄 생성균이 출현하였으나, 중온 혐기성소화의 경우는 MetMnotbria:로 추정되는 acetate 이용 메탄생성균이 우점화하는 것으로 나타났으며 주입 기질 농도의 차이는 미생물의 종변화보다는 개체수 변화에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
6에는 미생물에 의해 제거된 기질이 메탄가스로 전환되는 비율을 나타내었다. 각 반응조의 메탄가스 전환률 변화를 보면 반응초기에는 중온으로 유지되는 MA-1과 MA-2에서 전반적으로 고온보다 많이 전환되는 경향을 나타내었으나, 50일 전후에서 소화 반응이 안정화되면서 고온소화와 중온소화의 메탄가스 전환률은 크게 차이가 없는 것을 알 수 있다. 이러한 사실로부터 혐 기성 소화반응의 반응초기 에는 중 온성 메탄 생성균이 고온성 메탄 생성균 보다 더 안정한 활성을 가진 것으로 예상할 수 있다.
노란색(빛의 경우 녹색과 붉은색이 겹쳐지면 노란색으로 보임) 및 화살표로 표시된 부분은 기타 유기물 등의 자가형광(amoHuorescein)으로 판단된다. 고온에서 고농도로 운전된 TA-1의 경우, 반응초기에는 산생성세균 둥을 포함하는 Eubacteria와 메탄 생성 균을 포함하는 Archaea 등 다양한 형태의 미생물 상을 보였으나(Fig. 7A), 메탄생성이 안정화된 단계에서는 약 i~2fan 크기의 간균(rods)인 Arcbaea만이 존재하고 있는 것을 알 수 있었다(Fig.7B).
추정된다. 또한, 중온 소화조에서 채취한 소화슬러지에 Arch915와 MSMX860 probes를 적용한 결과를 보면 MA-1 반응조의 경우 Arcbaea의 대부분이 acetate를 기질로 하는 메탄 생성균임 이 판명되었으며 운전조건과 미생 물의 형태를 비교하여 볼 때, Metbanothrix인것으로 추정 된다. (Fig.
4에는 각 반응조의 acetate 농도 변화를 측정 한결 과를 나타내었다. 반응초기에는 모든 반응조에서 acetate 농도변화가 크게 나타나 불안정한 상태임을 알 수 있었으며 50일 전후에서 점차 안정화되는 것을 볼 수 있었다. 고농도의 기질을 주입한 TAT과 MA- 1의 경우, acetate 농도는 약 500mg/L로 유지되었으며 , 저 농도 기질을 주입 한 TA-2와 MA-2의 acetate 농도는 약 200mg/L로 운전되었다’ 또한 중온 반응조의 경우, acetate와 isobutyrate를 제외한 유기산이 반응 초기에 모두 분해된 반면.
7C). 특히 고온 소화조의 결과와는 달리, 반응 초기부터발생된 긴 사슬형태의 Arcbaea가 반응 중기인 98일 후까지도 유지되어 우점화하고 있는 것으로 나타났다 (Fig. 7D). 또한, MA-1 와 MA-2에서 관찰된 미생물 상은 크게 차이가 없으며, 이에 따라 기질농도는 미생물의 종 변화에 대한 영향 보다는 미생물의 활성에우선적으로 더 유효하게 직.

후속연구

위의 결과에 대한 확실한 검증을 위해서는 향후 Metbanosarciwi를 동정할 수 있는 MS821 probe 및 Metbanothb의 동정 이 가능한 MX825 probe 등을 활용한 좀 더 구체적인 접근을 시도할 필요가 있다고 판단된다.

참고문헌 (6)

장덕, 정태학 (1988) 협기성소화의 동력학: 중온 및 고온협 기성소화의 비교연구, 대한토목학회논문집. 8(4), pp. 59-67
황선진. Keisuke Hanaki (1999) 질소화합물올 함유한 고형폐기물로부터의 아산화질소 ( $N_{2}O$ ) 발생특성 및 FISH법에 의한 미생물군집의 해석에 관한 연구, 한국폐기물학회지. 16(3). pp.271-279
Amann, R. I. (1995) In situ identification of micro-organisrns by wholecell hybridization with rRNA-targeted nucleic acid probes, section 3.3.6, p. 3.3.6/1-3.3.6/15. In A. D. L. Akkermans, and J. D. van Elsas (ed.), Molecular microbial ecology mnnual. Kluwer, Academic Publishers, London, England
Alm, E. W., D. B, Oerther, N. Larsen, D.A. Stahl, and L. Raskin(1996) The oligonucleotide probe database. Appl. Environ. Microbiol. 62, 3557-3559
Sekiguchi, Y., Y. Kamagata, K. Syutsubo, A. Ohashi, H. Harada, and K. Nakamura (1998) Phylogenetic diversity of mesophilic and thermophilic granular sludges determined by 16S rRNA gene analysis, Microbiowgy 144, 2655-2665
Van Lier, J. B., K C. F. Grolle, A.J.M. Stams, E. Conway de Macario, and G. Lettinga (1992) Start-up of a thermophilic upflow anaerobic sludge bed (UASB) reactor with mesophilic granularsludge. Appl. Microbiol. Biotechnol. 37, 130-135

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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