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문제 정의
- 이때, beads 한 개당 들어가는 wet cell의 양은 11mg이었다. 미생물의 N제거 결과 발생하는 가스와 pH 등을 측정하여 배지속의 N성분이 얼마나 제거 되었는지 알아보았다.
- 본 연구에서는 순환여과식 시스템[16] 내의 질소성분 처리에 의한 양식어 생산 향상을 위하여, 양식장 폐수의 질소성분 처리 미생물로서 가능성이 높은 광합성세균의 고정화를 통하여 그 처리특성을 실험하였다. 보다 효율적인 질소성분 (NH4+, NO2- 및 NO3-) 제거를 위하여 PVA 또는 CTA 담체에 고정화시킨 광합성세균 (PSB) beads 및 cubes를 NH4+를 잘 이용하는 균(Ammonium Utilizing Bacteria; AUB)을 고정화한 beads와 여러 비율로 혼합한 복합 고정화균의 N 제거 특성을 알아보았다.
제안 방법
- AUB 최적 배지(Table 1)에서의 혼합 고정화균에 의한 N제거 특성을 알아보기 위해 PSB beads 50개를 syringe에 넣고 실험한 반응을 control로 하여 AUB beads와의 혼합 비율에 따른 각각의 반응특성을 알아보았다. Fig.
- N2 가스 분석에 사용한 컬럼은 ‘molecular sieve 13X' (stainless steel, mesh 80/100, 6ft 1/8in)이었고, injector, detector와 oven 온도는 각각 100℃, 200℃와 40℃이었다. CO2 가스 분석은 ‘carboxen 1000’(stainless steel, mesh 60/80, 6ft 1/8in) 컬럼을 사용하여 분석하였고, injector와 detector 온도는 각각 100℃, 200℃이었다. 분석 중 oven 온도는 프로그램에 의해 처음 3분간은 40℃로 유지시켰다가 30℃/min 속도로 170℃까지 상승시켰다.
- CTA에 고정화한 PSB cubes 와 AUB를 고정화한 beads를 여러 비율로 섞어서 각 미생물이 선호하는 배지에서 N 제거 특성을 알아보았다. 사용균주는 bead 고정화에 사용하였던 동일한 wet cell양에 해당하는 cubes를 접종하여 실험하였다.
- PSB PVA beads 또는 CTA에 고정화한 cubes와 AUB를 고정화한 beads를 여러 비율로 섞어서 N 제거능력을 각 미생물이 선호하는 배지에서 측정하였다. 50ml syringe를 사용하여 배지 25ml에 bead 50개 또는 이 bead 전체의 wet cell 양과 동일한 4개의 cubes를 넣어 30℃, 180rpm에서 실험하였다.
- 사용균주는 bead 고정화에 사용하였던 동일한 wet cell양에 해당하는 cubes를 접종하여 실험하였다. PSB cube 4개를 넣은 것을 control로 PSB cubes와 AUB beads의 혼합비율을 3:10, 2:25 및 1:40으로 하여 실험하였다. 먼저 AUB 최적 배지에서의 결과는 Fig.
- PSB 최적 배지(Table 1)를 사용한 혼합 고정화균에 의한 N 제거 특성을 알아보기 위하여 PSB beads 50개를 넣고 실험한 반응을 control로 하여 AUB beads와의 혼합 비율에 따른 반응특성을 알아보았는데, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었고, GC 분석이 가능한 control 반응의 syringe 내에 발생한 가스의 GC 분석의 결과는 Table 3에 나타내었다. Fig.
- PSB 최적 배지에서의 혼합 고정화균에 의한 N 제거 특성을 알아보기 위해 PSB cube 4개만을 넣은 반응을 control로 하여 AUB beads와의 혼합 비율에 따른 반응특성을 알아보았고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Control반응에서는 가스가 생성되지 않았으며, 혼합 균주반응에서의 가스 생성량은 0.
- Syringe실험의 최종 pH는 pH meter (Humas Co., Ltd, Kore)로 측정하였고, syringe 내에서 반응에 의해 생성된 가스는 gas chromatography (Perkin Elmer Instruments, USA)로 분석하였다. 사용된 carrier gas는 He이었고, 이때 flow rate는 30ml/min로 하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 순환여과식 시스템[16] 내의 질소성분 처리에 의한 양식어 생산 향상을 위하여, 양식장 폐수의 질소성분 처리 미생물로서 가능성이 높은 광합성세균의 고정화를 통하여 그 처리특성을 실험하였다. 보다 효율적인 질소성분 (NH4+, NO2- 및 NO3-) 제거를 위하여 PVA 또는 CTA 담체에 고정화시킨 광합성세균 (PSB) beads 및 cubes를 NH4+를 잘 이용하는 균(Ammonium Utilizing Bacteria; AUB)을 고정화한 beads와 여러 비율로 혼합한 복합 고정화균의 N 제거 특성을 알아보았다.
- CTA에 고정화한 PSB cubes 와 AUB를 고정화한 beads를 여러 비율로 섞어서 각 미생물이 선호하는 배지에서 N 제거 특성을 알아보았다. 사용균주는 bead 고정화에 사용하였던 동일한 wet cell양에 해당하는 cubes를 접종하여 실험하였다. PSB cube 4개를 넣은 것을 control로 PSB cubes와 AUB beads의 혼합비율을 3:10, 2:25 및 1:40으로 하여 실험하였다.
- 순환여과식 양어 생산시스템에 있어 발생되는 폐수의 효율적 처리를 위하여, 유독 질소성분 처리능력이 뛰어난 광합성세균(PSB)을 PVA에 고정화한 beads 또는 CTA에 고정화한 cubes와 NH4+를 잘 이용하는 균(AUB)을 고정화한 beads를 여러 비율로 혼합한 고정화 혼합균에 의한 N 제거 특성을 알아보았다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 광합성세균 Rhodobacter capsulatus(PSB)는 경기도의 광합성세균 판매 회사인 D-회사에서 얻어 실험에 사용하였고, NH4+를 잘 이용하는 균 Enterobacter asburiae (AUB)는 질산화․탈질산화 반응이 활발히 일어나는 폐수처리장의 반응조로부터 순수 분리하여 사용하였다. 각각의 균주는 다음과 같은 최적배지 조성에서 배양되고 유지되었다(Table 1).
이론/모형
- PSB 및 AUB 균의 고정화는 PVA를 담체로 하여 Chen et al. (1997)[6] 방법에 따라 bead 형태로 만들어 그 반응특성을 실험하였다. 먼저, 7,000rpm에서 15분 동안 원심 분리하여 균을 모은 후 0.
- 분석 중 oven 온도는 프로그램에 의해 처음 3분간은 40℃로 유지시켰다가 30℃/min 속도로 170℃까지 상승시켰다. 각 기체의 몰수 계산은 이상기체 법칙을 이용하여 계산하였다.
- 담체 CTA (cellulose acetate)에 고정화시킨 PSB cubes는 Yang & See (1991)[30] 방법에 따라 제조되었다. 먼저 dimethylene chloride 용액에 cellulose triacetate를 10% 넣고 100ml에 맞추어 혼합한다.
성능/효과
- 4에 나타내었고, 반응결과 생성된 가스의 성분을 GC로 분석한 결과는 Table 4에 나타내었다. AUB beads의 혼합비율이 커질수록 가스의 양과 생성속도는 증가하였고, 1:40의 혼합비율에서 최대 가스양(11ml)과 가스 생성속도(0.62ml/h)가 얻어졌다. 그러나, PSB cube 4개만을 넣은 control 반응의 가스 생성량은 0.
- AUB 최적 배지에서의 반응결과를 보면, 최대 가스 생성율은 PSB:AUB beads의 비율이 10:40 일 때, 0.87ml/h로 가장 높았고, 전체 beads 중 AUB beads의 혼합비율이 높을수록 가스 생성율이 높아짐을 알 수 있었다. PSB:AUB beads의 혼합비율이 50:0, 40:10, 25:25 및 10:40 일 때 pH값은 6.
- 5ml 정도로 매우 적은 양이라서 GC 분석이 불가능하였다. Control 반응을 보면, 발생되는 가스가 99%이상의 높은 비율의 N2를 포함하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, PSB의 N 제거시 신진대사 과정은 다른 가스를 거의 생성하지 않고 대부분을 N2 가스로 생성하는 대사과정을 한다는 것을 알 수 있었다[19].
- 2에 나타내었으며, syringe 내에 발생한 가스의 GC분석의 결과는 Table 2에 나타내었다. Fig. 1에서 보듯이, PSB:AUB beads의 비율이 10:40 일 때 syringe 내에 가장 많은 가스(14ml)가 생성되었고, PSB 균주만을 고정한 control 반응의 lag time이 다른 AUB 균주가 섞인 혼합균의 반응에 비해 길다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 광합성세균이 환경조건(빛의 양)에 따라 성장속도가 크게 달라지고[10], 기질의 종류에 따라 미생물의 적응시간이 달라진다[4]는 연구결과와 같이, PSB 균주가 원래 자기의 최적배지가 아닌 다른 배지의 환경조건 속에서 새로운 적응이 필요한 때문으로 보인다.
- 5로 일정하게 나타났다. PSB cubes와 AUB beads를 여러 비율로 섞어 실험한 결과는 PSB beads와 AUB beads를 섞어 반응시킨 결과와 같은 경향을 보였으나 가스의 생성량 및 생성속도가 현저하게 감소하였고, control 반응에서도 가스 생성량이 0.2ml로 매우 적은 양이 발생하였다. 이상의 결과로 보아, NH4+, NO2- 및 NO3- 성분이 들어있는 실제 양식폐수의 수질정화에 있어서 PSB:AUB beads를 10:40으로 혼합한 고정화 균주를 이용할 경우 폐수내 N 성분의 동시 제거에 효과적일 것으로 보인다.
- 따라서, PSB의 N 제거시 신진대사 과정은 다른 가스를 거의 생성하지 않고 대부분을 N2 가스로 생성하는 대사과정을 한다는 것을 알 수 있었다[19]. PSB:AUB beads의 혼합 비율이 50:0, 40:10, 25:25 및 10:40 일 때, 최종 pH값은 각각 6.90, 6.64, 6.43, 및 6.43으로 나타나, 앞서의 AUB 최적 배지를 사용했던 실험에 비해 pH값을 많이 떨어뜨리는 AUB에 의한 NH4+ 분해반응이 거의 없음을 알 수 있다.
- 따라서, 본 실험의 결과에서 보듯이 혼합균 상호간의 역학적인 관계는 환경조건에 따라 달라지며, 환경조건이 달라지면 신진대사 과정도 달라진다는 결과를 얻었다. PSB:AUB beads의 혼합 비율이 50:0, 40:10, 25:25, 10:40 일 때, 최종 pH값은 각각 6.29, 6.01, 5.69, 및 5.13으로 나타났다. AUB beads의 혼합비율이 높아질수록 더 낮은 pH값을 나타낸 것으로 보아 AUB 균주는 NH4+를 이용하여 반응할 때 pH 값을 많이 떨어뜨리는 균주임을 알 수 있었다[21].
- 87ml/h를 나타내었다. Purple non-sulfur bacteria 중의 하나인 Rhodopseudomonas palustris 광합성세균의 최적 배지 및 최적 환경조건 하에서, free cell 상태의 R. palustris의 최대 N2 가스 생성율은 0.2ml/h로 보고된 바 있어[14], 광합성세균을 이용한 다른 연구와 비교해 볼 때, 본 연구의 결과는 광합성세균의 세포고정화와 NH4+를 잘 이용하는 AUB beads와의 적절한 혼합에 의한 시너지 효과의 결과로 보인다. 또한, 전체 beads 중 AUB beads의 혼합비율이 높을수록 가스 생성율이 높아짐을 알 수 있는데, 이는 AUB 균주의 최적배지에서 반응을 시켰기 때문이다(Fig.
- 이는 cubes가 앞서 언급한대로 기질이 cube속으로의 확산되는 과정에서 문제점을 안고 있는 것으로 나타났고, 가스 생성량이 적어 GC 분석을 통한 가스 성분 특성을 확인할 수 없었다.고정화 PSB:AUB의 혼합 비율이 4:0, 3:10, 2:25 및 1:40 일 때, 최종 pH값은 각각 6.93, 6.05, 6.06 및 6.06으로 나타나, PSB 최적배지에서의 AUB에 의한 NH4+ 소모가 적게 일어났음을 알 수 있었다.
- (2000)[13]의 결과에서 보듯이, 광합성세균의 성장을 위하여 여러 가지의 기질이 사용될 수 있으나, TCA cycle의 활동도, 탄소 대 질소의 비, 기질의 환원상태 및 중간대사산물로의 전환능력 등의 요인들을 고려하여 효과적인 기질을 선택해야 하며, 다양한 기질은 다양한 신진대사과정을 보여줄 수 있음이 보고되었다. 따라서, 본 실험의 결과에서 보듯이 혼합균 상호간의 역학적인 관계는 환경조건에 따라 달라지며, 환경조건이 달라지면 신진대사 과정도 달라진다는 결과를 얻었다. PSB:AUB beads의 혼합 비율이 50:0, 40:10, 25:25, 10:40 일 때, 최종 pH값은 각각 6.
- 2ml로 매우 적은 양이 발생하였다. 이상의 결과로 보아, NH4+, NO2- 및 NO3- 성분이 들어있는 실제 양식폐수의 수질정화에 있어서 PSB:AUB beads를 10:40으로 혼합한 고정화 균주를 이용할 경우 폐수내 N 성분의 동시 제거에 효과적일 것으로 보인다.
- 13으로 나타났다. 이에 반해 미량의 NH4+를 포함하는 PSB 최적배지에서의 반응결과를 보면, 전체 beads 중 AUB가 차지하는 비율이 높을수록 가스 생성양 및 가스 생성율은 현저하게 낮게 나타났다. 이때, pH값은 두 균주의 혼합 비율에 관계없이 약 6.
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