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문제 정의
- 본 연구는 산소, 질산염, 탄소원의 제한정도가 퍼클로레이트 환원미생물에 미치는 영향을 조사하기 위해 수행되었으며, 염소이온 프로브를 사용하여 퍼클로레이트 환원미생물의 활성상태 (염소이온 생성)를 직접적으로 빠르게 파악하였다.
- 본 연구는 염소이온 프로브를 이용하여 산소와 질산염이 생물학적 퍼클로레이트 환원미생물에 미치는 영향을 조사하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 실험에 사용된 퍼클로레이트 환원미생물은 도시하수처리장의 반송활성슬러지 미생물을 무산소조건의 연속회분 식반응조(SBR)에서 고농도의 퍼클로레이트만을 전자수용체로서 주입하여 2개월동안 순응하였다. SBR 반응조는 10 L의 유효용적을 지닌 원통형 투명아크릴로 제작되었으며 SBR 반응조의 외벽은 조류의 성장을 방지하기 위해 햇빛을 차단하였다. 회분식반응조는 60-70 rpm으로 반응조 상단부에 연결된 모터를 이용하여 교반하였다.
- 그러나 산소에 의한 저해 현상 실험에서는 질소가스를 사용하지 않았다. 그리고 생성된 염소이온 데이터를 얻기 위해 매번 프로브를 플라스크 용액속에 넣어 직접 모니터링 하였다.
- 생물학적 퍼클로레이트 환원이 다른 전자수용체인 질산염 또는 산소에 의해 저해를 받는지를 조사하기 위해 배치 플라스크 실험이 수행되었다. 본 실험에서는 퍼클로레이트 환원미생물의 퍼클로레이트 제거능력의 지표로서 염소이온 생성농도를 염소이온프로브(Denver instrument, PN : 300742.
- 염소이온프로브 테스트가 수행된 후 매번 부유미생물의 농도를 측정하였으며 이 값들은 specific chloride production rate의 계산에 이용되었다. 염소이온프로브 실험결과를 검증하기 위해 실험시작과 종료시 샘플내 퍼클로레이트와 질산염의 농도를 이온크로마토그래프(Dionex model DX300)에 의해 분석하였다. 특히, 퍼클로레이트 분석을 위해 IonPac AS11 분석칼럼과 AG11 가드칼럼을 이용하였으며 100 mM NaOH eluent와 1,000 µL 샘플루프를 사용하였다.
- 염소이온프로브 테스트가 수행된 후 매번 부유미생물의 농도를 측정하였으며 이 값들은 specific chloride production rate의 계산에 이용되었다. 염소이온프로브 실험결과를 검증하기 위해 실험시작과 종료시 샘플내 퍼클로레이트와 질산염의 농도를 이온크로마토그래프(Dionex model DX300)에 의해 분석하였다.
- 염소이온프로브를 이용한 질산염의 생물학적 퍼클로레이트 환원에 미치는 영향에 관한 실험은 2 mM 퍼클로레이트(200 mg/L ClO4−)를 함유하고 있는 플라스크에 2 mM NO3−(28 mg/L NO3-N)를 첨가/미첨가에 의해 수행되었다.
- 질산염과 퍼클로레이트가 공존하는 실험에서 아세테이트는 6.78 mM(400 mg/L CH3COO−)의 농도로 충분하게 주입되었으며 아세테이트의 제한실험에서는 0.42 mM(25 mg/L CH3COO−)의 농도로 감소시켜 주입하였다.
대상 데이터
- 염소이온 프로브를 이용한 퍼클로레이트의 환원(염소생성)상태의 모니터링 실험은 60분동안 지속되었다. 배치플라스크실험에서 플라스크내의 산소를 없애기 위해 질소가스를 사용하였다. 그러나 산소에 의한 저해 현상 실험에서는 질소가스를 사용하지 않았다.
- 본 실험에 사용된 미생물은 무산소조건에서 퍼클로레이트만을 유일한 전자수용체로 이용하여 수개월동안 배양되 었다. 하지만 본 실험에서 7-8 mg/L의 용존산소가 공존할 때, 즉각적으로 퍼클로레이트 환원작용이 멈추었다(Fig.
- 본 실험에서는 고농도의 용존산소가 펴클로레이트와 공존하므로 퍼클로레이트환원 미생물이 탄소원의 제한을 받지 않기 위해서 앞서 수행된 질산염과 퍼클로레이트가 공존하는 실험에서 사용된 양보다 더 많은 8.47 mM (500 mg/L CH3COO−) 아세테이트가 이용되었다.
- 산소, 질산염, 그리고 탄소기질 제한과 같은 퍼클로레이트 환원미생물의 저해조건을 위한 실험은 SBR에서 순응된 부유미생물을 이용하였다. 240 mL의 부유미생물(MLSS)이 SBR에서 추출되었으며 6개의 50 mL 용량의 콘형 플라스틱 원심분리기용 튜브에 옮겨졌다.
- 실험에 사용된 퍼클로레이트 환원미생물은 도시하수처리장의 반송활성슬러지 미생물을 무산소조건의 연속회분 식반응조(SBR)에서 고농도의 퍼클로레이트만을 전자수용체로서 주입하여 2개월동안 순응하였다. SBR 반응조는 10 L의 유효용적을 지닌 원통형 투명아크릴로 제작되었으며 SBR 반응조의 외벽은 조류의 성장을 방지하기 위해 햇빛을 차단하였다.
- 퍼클로레이트는 NaClO4·H2O가 이용되었으며 150 mg/L ClO4−, 에너지/탄소원으로 200 mg/L CH3COO−가 사용되었다. 영양소인 질소와 인의 사용량은 100 : 12 : 3의 C : N : P 질량비를 이용하였으며 유입수는 250 mg/L CaCO3의 알칼리도를 포함하였다. SBR은 fill, reaction, settle, decant를 포함하는 24시간 주기로 운전하였다.
- 특히, 퍼클로레이트 분석을 위해 IonPac AS11 분석칼럼과 AG11 가드칼럼을 이용하였으며 100 mM NaOH eluent와 1,000 µL 샘플루프를 사용하였다.
- 퍼클로레이트는 NaClO4·H2O가 이용되었으며 150 mg/L ClO4−, 에너지/탄소원으로 200 mg/L CH3COO−가 사용되었다.
데이터처리
- 염소생성률(Specific chloride generation rate, mgCl−/ gMLSS·min)은 Fig. 2~6의 염소생성 프로파일을 사용해서 선형회귀분석(linear regressions)에 의해 계산되었다.
이론/모형
- 생물학적 퍼클로레이트 환원이 다른 전자수용체인 질산염 또는 산소에 의해 저해를 받는지를 조사하기 위해 배치 플라스크 실험이 수행되었다. 본 실험에서는 퍼클로레이트 환원미생물의 퍼클로레이트 제거능력의 지표로서 염소이온 생성농도를 염소이온프로브(Denver instrument, PN : 300742.0)를 이용하여 측정하였다(Xu et al. 2003). 실험이 수행되기 전에 염소이온프로브는 10mM phosphate buffer를 포함하는 여섯개 (100~2.
성능/효과
- 1. 7-8 mg/L의 용존산소가 존재하는 조건에서 미생물에 의한 퍼클로레이트 환원은 기질의 이용성과 상관없이 완벽하게 방해를 받았다. 이를 통해 산소가 퍼클로레이트 reductase 시스템의 활동을 억제함을 추측할 수 있다.
- 2. 동일한 몰농도의 퍼클로레이트와 질산염이 존재할 경우, 비록 충분한 아세테이트가 첨가된 상태일지라도 퍼클로레이트 제거율은 약 30% 정도 감소하였다. 이는 퍼클로레이트에 순응된 mixed culture에서 질산염의 환원이 퍼클로레이트의 환원보다 더 선호됨을 알 수 있다.
- Fig. 5는 퍼클로레이트가 단독으로 존재할 때 탄소원(아세테이트)의 제한이 미치는 영향에 대한 실험결과를 나타내었으며 그 결과는 아세테이트를 98%로 감소시켰을 때 퍼클로레이트 환원율이 현저하게 감소함을 보여준다.
- t-test(Kleinbaum et al., 1998)를 이용한 통계학적인 비교를 통해 동일한 몰농도의 질산염과 퍼클로레이트가 공존할 때 specific perchlolrate reduction(chloride generation) rate가 퍼클로레이트가 단독으로 존재할 때에 비해 현저히 감소함을 확인하였다(p ≤ 0.05).
- 그리고 아세테이트 제한 조건에서는 질산염의 공존 여부에 상관없이 specific perchlorate reduction rate가 현저히 감소함을 나타냈다(p ≤ 0.05).
- 2). 그리고 아세테이트가 제한된 조건에서는 충분히 공급된 조건에 비해 현저하게 염소생성률(퍼클로레이트 제거율)이 감소하였다(Fig. 3).
- 42 mM(25 mg/L CH3COO−)의 농도로 감소시켜 주입하였다. 그리고 플라스크실험이 수행되는 동안 플라스크내퍼클로레이트 환원 부유미생물의 농도는 약 5.0 MLSS g/L였다.
- 동일한 몰농도의 질산염과 퍼클로레이트가 공존할 때 충분한 아세테이트가 첨가되었음에도 불구하고 염소생성률(퍼클로레이트환원율)이 감소됨을 보였다(Fig. 2). 그리고 아세테이트가 제한된 조건에서는 충분히 공급된 조건에 비해 현저하게 염소생성률(퍼클로레이트 제거율)이 감소하였다(Fig.
- 05). 본 실험에 사용된 SBR cultures 는 전혀 질산염에 노출된 적이 없었기 때문에 이것은 매우 흥미로운 결과이었다. 그리고 아세테이트 제한 조건에서는 질산염의 공존 여부에 상관없이 specific perchlorate reduction rate가 현저히 감소함을 나타냈다(p ≤ 0.
- 질산염에 의한 퍼클로레이트 환원 저해가 탄소원 제한에 의한 저해보다 그 영향이 더 적은 것으로 나타났다(Fig. 4).
- 채취된 부유미생물(MLSS)은 200 mg/L 퍼클로레이트를 함유하고 있으며 산소의 유/무조건(DO = 0 or 7 mg/L), 질산염의 유/무(NO3-N = 0 mg/L or 28 mg/L) 그리고 탄소원의 제한(limitation) 유/무(Table 2)와 같이 다양한 퍼클로레이트 환원미생물의 환원 방해 조건을 가진 플라스크 속에 희석되었다. pH 7.
- 퍼클로레이트와 질산염이 공존하며 탄소원이 제한된 실험에서의 염소생성률은 탄소원이 제한되며 퍼클로레이트를 단독 전자수용체로 사용한 경우의 생성률에 비해 14% 이상 감소한 0.06 mgCl−/gMLSS·min이었다.
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