결론적으로 본 연구에서는 16S rRNA 유전자 기반의 454 pyrosequencing을 통해 혐기성 소화조에 존재하는 다양한 아케아를 규명할 수 있었으며, 지금까지 그 중요성이 잘 알려지지 않은 Methanococcales 목에 속하는 아케아가 소화조에 공통적으로 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라는 것을 알 수 있었다. 실규모 6개 혐기성 소화조를 대상으로 11개 소화 슬러지 시료를 채취해, 16S rRNA 유전자 기반의 454 pyrosequencing을 이용하여 아케아 군집구조를 조사하였다. 아케아 16S rRNA 유전자 염기서열로부터 측정된 observed operational taxanomic units (OTUs)는 13-55 OTUs이었으며(3% cutoff), 이는 Chao1 richness estimate로 계산된 값의 29-89%에 해당하였다. 소화조에는 메탄생성에 직접적으로 관련이 있다고 알려진 Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanosarcinales, Methanocellales 목에 속하는 아케아 뿐만 아니라, Thermoproteales, Thermoplasmatales, Desulfurococcales목에 속하는 아케아도 함께 발견되었다. 이 중 수소를 기질로 해서 메탄을 생성한다고 알려진 Methanoacoccales가 전체 염기서열의 51.8-99.7%를 차지해 가장 많이 발견된 분류군으로 나타났다. Heat map 분석결과 각 시료들의 아케아 군집구조는 1개 시료를 제외한 나머지 10개 시료가 매우 비슷한 군집구조를 가지고 있었다(Pearson 상관지수=0.99). 또한, 아케아 군집구조와 환경변수들의 상관성을 분석한 canonical correspondence analysis를 통해 혐기성 소화조의 아케아 군집구조에 영향을 미치는 중요 환경변수는 소화조의 온도와 총고형물 제거율임을 확인하였다. 모든 결과들을 종합해 볼 때 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라고 사료된다.
결론적으로 본 연구에서는 16S rRNA 유전자 기반의 454 pyrosequencing을 통해 혐기성 소화조에 존재하는 다양한 아케아를 규명할 수 있었으며, 지금까지 그 중요성이 잘 알려지지 않은 Methanococcales 목에 속하는 아케아가 소화조에 공통적으로 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라는 것을 알 수 있었다. 실규모 6개 혐기성 소화조를 대상으로 11개 소화 슬러지 시료를 채취해, 16S rRNA 유전자 기반의 454 pyrosequencing을 이용하여 아케아 군집구조를 조사하였다. 아케아 16S rRNA 유전자 염기서열로부터 측정된 observed operational taxanomic units (OTUs)는 13-55 OTUs이었으며(3% cutoff), 이는 Chao1 richness estimate로 계산된 값의 29-89%에 해당하였다. 소화조에는 메탄생성에 직접적으로 관련이 있다고 알려진 Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanosarcinales, Methanocellales 목에 속하는 아케아 뿐만 아니라, Thermoproteales, Thermoplasmatales, Desulfurococcales목에 속하는 아케아도 함께 발견되었다. 이 중 수소를 기질로 해서 메탄을 생성한다고 알려진 Methanoacoccales가 전체 염기서열의 51.8-99.7%를 차지해 가장 많이 발견된 분류군으로 나타났다. Heat map 분석결과 각 시료들의 아케아 군집구조는 1개 시료를 제외한 나머지 10개 시료가 매우 비슷한 군집구조를 가지고 있었다(Pearson 상관지수=0.99). 또한, 아케아 군집구조와 환경변수들의 상관성을 분석한 canonical correspondence analysis를 통해 혐기성 소화조의 아케아 군집구조에 영향을 미치는 중요 환경변수는 소화조의 온도와 총고형물 제거율임을 확인하였다. 모든 결과들을 종합해 볼 때 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라고 사료된다.
Archaeal communities were investigated using 454 pyrosequencing technology based on 16S rRNA gene in 11 samples collected from six different full-scale anaerobic digesters. Observed operational taxonomic units (OTUs) estimated from the archaeal 16S rRNA gene sequences were 13-55 OTUs (3% cutoff) whi...
Archaeal communities were investigated using 454 pyrosequencing technology based on 16S rRNA gene in 11 samples collected from six different full-scale anaerobic digesters. Observed operational taxonomic units (OTUs) estimated from the archaeal 16S rRNA gene sequences were 13-55 OTUs (3% cutoff) which was corresponded to 29-89% of Chao1 richness estimates. In the anaerobic digesters there were archaeal sequences within the orders Thermoproteales, Thermoplasmatales, Desulfurococcales as well as within the orders Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanosarcinales, and Methanocellales, which are known to produce methane. Among these orders, Methanococcales known to produce methane using hydrogen was the predominant taxon and constituted 51.8-99.7% of total sequences. All samples showed a very similar community structure (Pearson correlation coefficient=0.99) except for one sample based on a heat map analysis. In addition, canonical correspondence analysis correlating archaeal communities to the environmental variables demonstrated that digester temperature and total solids removal rate were the two important explanatory variables. Overall results suggested that environmental and operational variables of anaerobic digester are important factors determining archaeal diversity and community structure.
Archaeal communities were investigated using 454 pyrosequencing technology based on 16S rRNA gene in 11 samples collected from six different full-scale anaerobic digesters. Observed operational taxonomic units (OTUs) estimated from the archaeal 16S rRNA gene sequences were 13-55 OTUs (3% cutoff) which was corresponded to 29-89% of Chao1 richness estimates. In the anaerobic digesters there were archaeal sequences within the orders Thermoproteales, Thermoplasmatales, Desulfurococcales as well as within the orders Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanosarcinales, and Methanocellales, which are known to produce methane. Among these orders, Methanococcales known to produce methane using hydrogen was the predominant taxon and constituted 51.8-99.7% of total sequences. All samples showed a very similar community structure (Pearson correlation coefficient=0.99) except for one sample based on a heat map analysis. In addition, canonical correspondence analysis correlating archaeal communities to the environmental variables demonstrated that digester temperature and total solids removal rate were the two important explanatory variables. Overall results suggested that environmental and operational variables of anaerobic digester are important factors determining archaeal diversity and community structure.
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제안 방법
11개 시료로부터 얻은 염기서열을 RDP Classifier를 이용해 여러 분류단계로 계통분류를 실시하였다. 각 시료의 분류군(taxa)의 개수는 문(phylum) 2개, 강(class) 3-5개, 목(order) 1-6개, 과(family) 1-6개, 속(genus) 1-5개로 전체적으로 모든 시료에서 많은 수의 분류군이 발견되지는 않았다.
PCR 반응은 10 μM 프라이머, 10 mM dNTP mix, 1.25 unit DNA 중합효소, PCR 버퍼를 혼합한 용액을 94℃ (3분); 30주기의 94℃ (15초), 60℃ (45초), 72℃ (1분); 72℃ (8분)의 온도조건에서 수행하였다.
Pyrosequencing을 통해 얻어진 염기서열 데이터는 Macrogen에서 독자적으로 개발한 Perl script를 이용해 Adaptor의 key를 인식해 각 시료 별로 염기서열을 분류하였다. 이 후 동일한 Perl script를 이용하여 낮은 질의 염기서열(
25 unit DNA 중합효소, PCR 버퍼를 혼합한 용액을 94℃ (3분); 30주기의 94℃ (15초), 60℃ (45초), 72℃ (1분); 72℃ (8분)의 온도조건에서 수행하였다. QIAquick Gel Extraction kit (QIAGEN, Korea)를 이용해 PCR 산물을 정제하였으며, 정제된 PCR 산물을 이용하여 단일 가닥 DNA library 제작과 emulsion PCR을 진행한 후 pyrosequencing 반응을 진행하였다. 상기에 열거한 pyrosequencing에 요구되는 모든 반응은 염기서열 분석기 제조사인 454 Life Sicence (Branford, USA)의 방법에 따라 Macrogen 사(Korea)에서 실시하였으며, GS FLX Titanium system (454 Life Science)를 이용하여 염기서열을 결정하였다.
또한 과 수준 이하에서는 분류되지 않는 염기서열의 비율이 너무 높게 나타나(>57.8%), heat map 분석에는 목 수준의 분류군을 이용하였다(목 수준에서 분류되지 않는 염기서열=6.2%).
3). 소화조의 pH, 소화조 온도, 총고형물 부하(total solids loading), 총고형물 제거율(total solids removal rate), 소화조 형상(configuration: single-stage versus two-stage digestions)을 환경변수로 이용하였으며, 아케아 군집의 구조는 Fig. 2의 heat map 분석과 마찬가지로 목 수준에서 분류한 염기서열의 수를 이용하였다. 아케아 군집구조에 영향을 미치는 통계적으로 유의한(P<0.
시료는 2011년 1월과 2월에 두 차례에 걸쳐 소화조 유출수 펌프에서 무균적으로 채취하였으며, 채취 즉시 아이스박스에 보관하여 실험실로 옮겨 DNA 추출 전까지 시료의 변성을 최소화 하기 위해 1,500 rpm (250 ×g)으로 5분간 원심분리 후 pellet 형태로 -80℃ 초저온 냉동고에 보관하였다.
실규모 6개 혐기성 소화조를 대상으로 11개 소화 슬러지 시료를 채취해, 16S rRNA 유전자 기반의 454 pyrosequencing을 이용하여 아케아 군집구조를 조사하였다. 아케아 16S rRNA 유전자 염기서열로부터 측정된 observed operational taxanomic units (OTUs)는 13-55 OTUs이었으며(3% cutoff), 이는 Chao1 richness estimate로 계산된 값의 29-89%에 해당하였다.
아케아의 16S rRNA 유전자의 PCR 증폭을 위해 아케아 universal primer인 21F (5′-TCCGGTTGATCCYGCCGG-3′) (6)와 516R (5′-GGTDTTACCGCGGCKGCTG-3′) (25)을 이용하였다.
따라서 본 연구의 목적은 대량 염기서열 분석법인 454 pyrosequencing을 이용하여 i) 도시하수 슬러지를 처리하는 혐기성 소화조의 아케아 군집구조를 파악하고, ii) 혐기성 소화조의 운영특성과 아케아 군집구조의 연관성을 규명하는 것이다. 이를 위해 서울특별시에 위치한 4곳의 물재생센터로부터 11개 혐기성 소화 슬러지를 채취하였으며, 아케아 16S rRNA 유전자를 표적으로 하는 프라이머를 이용해 PCR을 수행하였고, PCR 산물에 대해 454 pyrosequencing을 실시하여 혐기성 소화에 관여하는 아케아 군집구조의 특성을 조사하였다.
냉동고에 보관한 시료는 상온에서 해동한 뒤 2 ml tube에 옮겨 10,000×g 로 1분간 원심분리하였다. 이후, 제조사의 프로토콜에 따라 Soil Extraction kit (MoBio Laboratories, USA)를 이용하여 침전된 시료로부터 genomic DNA를 추출하였다. 아케아의 16S rRNA 유전자의 PCR 증폭을 위해 아케아 universal primer인 21F (5′-TCCGGTTGATCCYGCCGG-3′) (6)와 516R (5′-GGTDTTACCGCGGCKGCTG-3′) (25)을 이용하였다.
한편 pyrosequencing으로부터 얻은 염기서열의 수가 아케아 군집의 다양성을 충분히 설명하고 있는지, 그리고 어떠한 시료가 더 다양한 아케아 군집을 가지고 있는지 서로 비교하기 위하여 rarefaction curve 분석을 실시하였다(Fig. 1). 분석 결과 각 시료에 대한 곡선이 모두 plateau에 도달하지 못한 것으로 보아, 혐기성 소화조 아케아 군집의 다양성을 충분히 예측하기 위해서는 더 많은 염기서열의 확보가 필요한 것으로 나타났다.
대상 데이터
특히, forward primer인 21F는 1992년 DeLong (6)이 개발하여 많은 연구자들이 다양한 시료에서 아케아 군집구조를 규명하는데 사용하였지만(4, 18, 36), Methanosarcinales 목에 속하는 아케아가 적은 숫자로 발견되었다는 사실은 이 근거를 뒷받침하고 있다. 본 연구에 사용된 21F 프라이머 염기서열과 Methanosarcinales 목에 속하는 대표적인 20개 아케아의 16S rRNA 유전자 염기서열을 비교하였다(Table 4). 분석 결과 0-3개의 염기서열이 프라이머 염기서열과 일치하지 않는 것으로 나타났다.
혐기성 소화에 관여하는 아케아 군집구조를 규명하기 위하여, 본 연구에서는 서울특별시 소재 서남물재생센터, 난지물재생센터, 중랑물재생센터, 탄천물재생센터에서 운영중인 6 개실규모 혐기성 소화시설을 대상으로 하였다. 서남물재생센터에서 운영중인 혐기성 소화조는 고온(50-55℃) 조건으로 운영되고 있었으며, 최초침전지에서 발생하는 생슬러지와 활성슬러지공법에서 발생하는 잉여슬러지를 1:9 비율로 혼합하여 소화조의 유입수로 사용하였다.
데이터처리
8%로 분류 단계가 낮아질수록 증가하는 경향을 보였다. 각 시료의 아케아 군집구조 비교분석은 two-way heat map analysis를 통해서 수행되었다(Fig. 2). 또한 과 수준 이하에서는 분류되지 않는 염기서열의 비율이 너무 높게 나타나(>57.
혐기성 소화조 아케아 군집구조와 환경변수의 상관관계를 규명하기 위해 CCA ordination 분석을 실시하였다(Fig. 3). 소화조의 pH, 소화조 온도, 총고형물 부하(total solids loading), 총고형물 제거율(total solids removal rate), 소화조 형상(configuration: single-stage versus two-stage digestions)을 환경변수로 이용하였으며, 아케아 군집의 구조는 Fig.
이론/모형
QIAquick Gel Extraction kit (QIAGEN, Korea)를 이용해 PCR 산물을 정제하였으며, 정제된 PCR 산물을 이용하여 단일 가닥 DNA library 제작과 emulsion PCR을 진행한 후 pyrosequencing 반응을 진행하였다. 상기에 열거한 pyrosequencing에 요구되는 모든 반응은 염기서열 분석기 제조사인 454 Life Sicence (Branford, USA)의 방법에 따라 Macrogen 사(Korea)에서 실시하였으며, GS FLX Titanium system (454 Life Science)를 이용하여 염기서열을 결정하였다.
성능/효과
이는 Chao1 richness estimate로 계산된 값의 29-89%에 해당하였다(Table 2). 2011년 1월에 채취한 서남물재생센터 소화조가 가장 높은 55 OTUs를 나타내었으며, 2011년 1월에 채취한 탄천물재생센터 소화조가 가장 낮은 13 OTUs를 보였다. 다양성은 서남(1월), 난지1(1월), 중랑2(1월), 난지2(1월), 난지1(2월), 중랑2(2월), 서남(2월), 난지2(2월), 탄천(2월), 중랑3(2월), 탄천(1월) 순으로 높은 값을 보였다.
Methanococcales가 주로 발견된 또 다른 가능성은 본 연구에 사용된 아케아 universal primer 세트가(21F forward and 516R reverse primers) Methanosarcinales 보다 Methanococcales를 더 효과적으로 증폭할 수도 있다는 것이다. 특히, forward primer인 21F는 1992년 DeLong (6)이 개발하여 많은 연구자들이 다양한 시료에서 아케아 군집구조를 규명하는데 사용하였지만(4, 18, 36), Methanosarcinales 목에 속하는 아케아가 적은 숫자로 발견되었다는 사실은 이 근거를 뒷받침하고 있다.
Methanomicrobiales는 서남(1월)과 중랑2(2월) 시료에서, Methanobacteriales는 중랑2(1월, 2월) 시료에서, Desulfurococcales는 중랑2(1월)와 난지1(2월) 시료에서, Methanocellales는 서남(1월) 시료에서 특징적으로 발견되었다. Heat map을 볼 때 서남(1월) 시료를 제외한 나머지 10개의 시료는 상당한 유사성을 보였다(Pearson 상관지수=0.
5%로 시료간 군집구조의 비교가 용이하지 않았지만, 특징적인 몇 가지 결과를 얻을 수 있었다. Table 3에 나타내었듯이 속 수준에서는 총 9개의 분류군(Thermogymnomonas, Thermocladium, Methanotorris, Methanosphaera, Methanosaeta, Methanosarcina, Methanomicrobium, Methanococcus, Methanocell)이 발견되었으며, 이 중 Methanococcus 속에 속하는 염기서열이 전체 염기서열의 0.00-38.8%로 가장 많이 분석되었다. 난지 2(2월)와 탄천(2월) 시료는 염기서열이 Methanococcus 속에서만 발견되었으며, 서남(1월)와 난지2(1월) 시료는 5개 속에서 발견되어 다른 시료에 비해 다양한 군집분포를 가지고 있었다.
11개 시료로부터 얻은 염기서열을 RDP Classifier를 이용해 여러 분류단계로 계통분류를 실시하였다. 각 시료의 분류군(taxa)의 개수는 문(phylum) 2개, 강(class) 3-5개, 목(order) 1-6개, 과(family) 1-6개, 속(genus) 1-5개로 전체적으로 모든 시료에서 많은 수의 분류군이 발견되지는 않았다. 또한, 분류되지 않는 염기서열의 비율은 문 0.
결론적으로 본 연구에서는 16S rRNA 유전자 기반의 454 pyrosequencing을 통해 혐기성 소화조에 존재하는 다양한 아케아를 규명할 수 있었으며, 지금까지 그 중요성이 잘 알려지지 않은 Methanococcales 목에 속하는 아케아가 소화조에 공통적으로 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라는 것을 알 수 있었다.
즉, 각 시료는 채취 시점과 관계없이 비슷한 군집구조를 가지고 있었으며, 서남 시료를 제외하면 시료 채취 간격인 1달의 기간은 소화조의 아케아 군집구조에 많은 변화를 일으키지 못했다는 것을 의미한다. 또한, CCA ordination 상에서 군집의 위치를 결정하는 중요한 요인은 모든 시료에 공통적으로 비슷하게 존재하는 분류군(예: Methanococcales, Methanobacteriales) 보다는 적은 비율로 존재하지만 각 시료에 특징적으로 존재하는 분류군(예: Methanocellales, Methanosarcinales, Unclassified Thermoproteales 등)으로 나타났다.
다양성은 서남(1월), 난지1(1월), 중랑2(1월), 난지2(1월), 난지1(2월), 중랑2(2월), 서남(2월), 난지2(2월), 탄천(2월), 중랑3(2월), 탄천(1월) 순으로 높은 값을 보였다. 또한, Chao1 richness estimate와 Shannon index를 이용하여 각 시료의 다양성 비교분석을 실시하였는데(Table 2), 시료 간 다양성의 순서는 observed OTUs와 매우 비슷한 경향성을 나타내었다.
각 시료의 분류군(taxa)의 개수는 문(phylum) 2개, 강(class) 3-5개, 목(order) 1-6개, 과(family) 1-6개, 속(genus) 1-5개로 전체적으로 모든 시료에서 많은 수의 분류군이 발견되지는 않았다. 또한, 분류되지 않는 염기서열의 비율은 문 0.3%, 강 20.0%, 목 25.4%, 과 57.8%, 속 76.8%로 분류 단계가 낮아질수록 증가하는 경향을 보였다. 각 시료의 아케아 군집구조 비교분석은 two-way heat map analysis를 통해서 수행되었다(Fig.
결론적으로 본 연구에서는 16S rRNA 유전자 기반의 454 pyrosequencing을 통해 혐기성 소화조에 존재하는 다양한 아케아를 규명할 수 있었으며, 지금까지 그 중요성이 잘 알려지지 않은 Methanococcales 목에 속하는 아케아가 소화조에 공통적으로 존재함을 확인할 수 있었다. 또한, 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라는 것을 알 수 있었다.
99). 또한, 아케아 군집구조와 환경변수들의 상관성을 분석한 canonical correspondence analysis를 통해 혐기성 소화조의 아케아 군집 구조에 영향을 미치는 중요 환경변수는 소화조의 온도와 총고형물 제거율임을 확인하였다. 모든 결과들을 종합해 볼 때 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라고 사료된다.
매우 적은 비율이지만(<0.03%) Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Desulfurococcales, Methanocellales 목에 속하는 아케아도 확인할 수 있었다.
또한, 아케아 군집구조와 환경변수들의 상관성을 분석한 canonical correspondence analysis를 통해 혐기성 소화조의 아케아 군집 구조에 영향을 미치는 중요 환경변수는 소화조의 온도와 총고형물 제거율임을 확인하였다. 모든 결과들을 종합해 볼 때 소화조의 운전조건은 아케아의 다양성과 군집구조를 결정하는데 영향을 미치는 중요한 인자라고 사료된다.
본 연구에 이용된 6개 소화조의 11개 시료로부터 얻은 염기서열의 수는 1,470-5,333개 이었으며(평균± 표준편차=2,532 ± 1,097), 염기서열의 길이는 254-540 bp (430 ± 45 bp)이었다.
본 연구에서는 CCA ordination 분석(Fig. 3)을 통해 소화조의 온도와 총고형물 제거율이 아케아 군집구조를 결정하는 중요한 환경변수라는 결과를 얻었다. 온도는 미생물의 대사작용과 생장속도에 영향을 미치는 중요한 환경변수로 여러 연구자들이 소화조를 대상으로 온도 영향을 평가하였으며 아케아 군집구조가 온도에 따라 변화하는 것을 확인하였다(21, 34).
본 연구에 사용된 21F 프라이머 염기서열과 Methanosarcinales 목에 속하는 대표적인 20개 아케아의 16S rRNA 유전자 염기서열을 비교하였다(Table 4). 분석 결과 0-3개의 염기서열이 프라이머 염기서열과 일치하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 불일치가 혐기성 소화조에 존재하는 Methanosarcinales 16S rRNA 유전자를 증폭하는데 어려움을 주었을 것으로 사료된다.
1). 분석 결과 각 시료에 대한 곡선이 모두 plateau에 도달하지 못한 것으로 보아, 혐기성 소화조 아케아 군집의 다양성을 충분히 예측하기 위해서는 더 많은 염기서열의 확보가 필요한 것으로 나타났다. 또한, 곡선의 형상으로부터 예측한 다양성의 정도는 서남(1월), 난지1(1월), 난지2(1월), 중랑2(2월), 탄천 (1월), 중랑2(1월), 난지2(2월), 난지1(2월), 서남(2월), 탄천(2월), 중랑3(2월) 순으로 높았으며, 이는 다양성 지수로부터 얻은 순서와 비슷한 경향성을 보였다.
2%). 분석 결과 모든 소화조에서 Methanococcales 목이 가장 많이 발견되었고(51.76-99.71%), 그 다음으로 Methanosarcinales (0.12-10.2%), Thermoplasmatales (0.03-4%), Thermoproteales (0.05-0.46%) 순으로 많이 발견되었다. 매우 적은 비율이지만(<0.
서남(1월) 시료는 다른 시료와 비교하여 상대적으로 낮은 Methanococcales (51.8%), 높은 Methanosarcinales (10.2%), 그리고 분류되지 않은 많은 Methanomicrobiales (29.7%)를 가지고 있어 다른 시료와는 상당한 차이를 보였다(Pearson 상관지수<0.86).
아케아 16S rRNA 유전자 염기서열로부터 측정된 observed operational taxanomic units (OTUs)는 13-55 OTUs이었으며(3% cutoff), 이는 Chao1 richness estimate로 계산된 값의 29-89%에 해당하였다. 소화조에는 메탄생성에 직접적으로 관련이 있다고 알려진 Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanosarcinales, Methanocellales 목에 속하는 아케아 뿐만 아니라, Thermoproteales, Thermoplasmatales, Desulfurococcales 목에 속하는 아케아도 함께 발견되었다. 이 중 수소를 기질로 해서 메탄을 생성한다고 알려진 Methanoacoccales가 전체 염기서열의 51.
아케아 군집구조에 영향을 미치는 통계적으로 유의한(P<0.05) 환경변수는 소화조의 온도와 총고형물 제거율이었으며, 나머지 변수들은 덜 중요한 인자로 분석되었다.
여러 아케아 분류군 중 본 연구에서 가장 많이 발견된 아케아는 Methanococcales이었다(51.8-99.7%). 지금까지 Methanococcales 목은 2개의 과와 4개의 속, 그리고 15개의 종이 알려져 있다(39).
소화조에는 메탄생성에 직접적으로 관련이 있다고 알려진 Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanosarcinales, Methanocellales 목에 속하는 아케아 뿐만 아니라, Thermoproteales, Thermoplasmatales, Desulfurococcales 목에 속하는 아케아도 함께 발견되었다. 이 중 수소를 기질로 해서 메탄을 생성한다고 알려진 Methanoacoccales가 전체 염기서열의 51.8-99.7%를 차지해 가장 많이 발견된 분류군으로 나타났다. Heat map 분석결과 각 시료들의 아케아 군집구조는 1개 시료를 제외한 나머지 10개 시료가 매우 비슷한 군집구조를 가지고 있었다(Pearson 상관지수=0.
혐기성 소화조의 아케아 군집구조를 조사한 본 연구에서는 메탄생성에 직접적으로 관련이 있는 것으로 알려진 아케아(Methanomicrobiales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanosarcinales, Methanocellales) 뿐만 아니라, 메탄형성의 대사를 가지고 있지 않는 것으로 추정되는 Thermoproteales, Thermoplasmatales, Desulfurococcales 목에 속하는 아케아도 함께 발견되었다. Thermoproteales와 Desulfurococcales는 Crenarcheota 문에 속하는 아케아로 호열성으로 알려져 있다(12).
후속연구
총 고형물의 제거율의 영향에 대해서는 아직까지 아케아 군집구조에 직접적으로 영향을 미친다는 보고는 찾을 수 없었다. 그렇지만 총고형물의 제거율은 소화조의 체류시간, 미생물 농도, 교반방식, 소화조 온도 등 여러 운영변수들과 연관이 되어 있으므로, 향후 이들 변수들과의 상관관계를 체계적으로 조사할 경우 총고형물 제거율의 영향에 대한 추론이 가능할 것이다. 한편, 아케아 군집에 영향을 미치는 환경변수는 상기의 두 가지 환경변수(소화조 온도와 총고형물 제거율)로 한정 되지는 않을 것으로 판단된다.
이러한 불일치가 혐기성 소화조에 존재하는 Methanosarcinales 16S rRNA 유전자를 증폭하는데 어려움을 주었을 것으로 사료된다. 또한, RDP Probe Match 분석 결과 reverse primer인 516R이 아케아 데이터베이스의 80.49%를 인식하지만, forward primer인 21F는 단지 22.14%의 아케아만을 인식하는 것으로 보아 21F 프라이머에 대해 향후 심도 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
Thermoproteales는 종종 혐기성 소화조에서 발견되지만(32), Thermoplasmatales와 Desulfurococcales는 아직까지 소화조에서 발견된 보고는 없으며 온천이나 심해 열수구에서 주로 확인되었다(12). 향후 이들 아케아가 혐기성 소화에서 어떠한 역할을 하는지 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
혐기성 소화공정이란 무엇인가?
혐기성 소화공정은 산소가 배제된 조건에서 하수슬러지, 축산폐수, 고농도 식품폐수 등의 유기성 오염물질을 생물학적으로 처리하는 효과적인 방법 중 하나이다. 이 방법은 호기성 처리방법과 비교하여 폐슬러지(wastage sludge)의 발생량이 적으며(처리된 화학적 산소요구량의 약 5-15%가 발생함), 적은 양의 영양소를 필요로 하고, 운영비가 작게 소요되는 장점이 있다(23, 28).
혐기성 소화 공정의 단점은 무엇인가?
8 kJ의 발열량을 가지고 있어, 스팀 및 온수생산, 발전, 자동차 연료 등 다양한 에너지원으로 사용되기도 한다(23, 28). 하지만, 혐기성 소화는 반응속도가 느리며, 운전이 까다롭고, 소화과정 중 불쾌한 냄새가 발생하며, 낮은 농도의 유기 오염물질 처리에 적합하지 않다는 단점들도 가지고 있다(23, 28).
혐기성 소화공정은 호기성 처리 방법과 비교했을 때 어떤 장점을 가지는가?
혐기성 소화공정은 산소가 배제된 조건에서 하수슬러지, 축산폐수, 고농도 식품폐수 등의 유기성 오염물질을 생물학적으로 처리하는 효과적인 방법 중 하나이다. 이 방법은 호기성 처리방법과 비교하여 폐슬러지(wastage sludge)의 발생량이 적으며(처리된 화학적 산소요구량의 약 5-15%가 발생함), 적은 양의 영양소를 필요로 하고, 운영비가 작게 소요되는 장점이 있다(23, 28). 특히, 소화과정에서 발생하는 메탄가스는 표준 조건에서 1 L 당 35.
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