[논문]미세조류 옥외 배양시스템을 이용한 도시하수 정화 및 미생물 군집다양성 분석

강시온; 김병혁; 신상윤; 오희목; 김희식

doi:10.7845/kjm.2012.036

미세조류 옥외 배양시스템을 이용한 도시하수 정화 및 미생물 군집다양성 분석
Municipal Wastewater Treatment and Microbial Diversity Analysis of Microalgal Mini Raceway Open Pond 원문보기

Korean journal of microbiology = 미생물학회지, v.48 no.3, 2012년, pp.192 - 199

강시온 (한국생명공학연구원 환경바이오연구센터) , 김병혁 (한국생명공학연구원 환경바이오연구센터) , 신상윤 (한국생명공학연구원 환경바이오연구센터) , 오희목 (한국생명공학연구원 환경바이오연구센터) , 김희식 (한국생명공학연구원 환경바이오연구센터)

초록
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미세조류는 광합성을 통하여 바이오디젤과 같은 부가가치상품을 생산할 수 있으며, 미세조류를 이용한 생명공학 기술이 주목 받고 있다. 그러나 질소원과 탄소원은 미세조류 배양 비용을 높여 충분한 바이오매스 생산에 제한요소가 되고 있다. 미세조류를 배양하는데 도시하수를 이용하는 것은 생산단가를 낮추는 좋은 대안이 될 수 있으며, 본 연구에서는 옥외 수질정화 배양 시스템(mini raceway open pond)을 이용하여 적용했다. 실험에 사용한 도시하수는 하수종말처리장의 1차 침전지를 거친 유입수를 이용하였으며, 토착 미세조류를 mini raceway open pond에서 배양하였다. 체류시간 6일의 운전 후 TN, TP, COD-$_{Mn}$, $NH_3$-N의 평균 제거 효율은 80.18%, 63.56%, 76.34%, 96.74%로 각각 나타났다. 18S rRNA gene 분석결과 녹조류인 Chlorella, Scenedesmus가 우점하였으며, 16S rRNA gene 분석결과 Rhodobacter, Luteimonas, Agrobacterium, Thauera, Porphyrobacte의 5종의 bacteria가 동정되었다. 이러한 결과를 통하여 미세조류를 이용한 호기성 처리나 과도한 발전비용 없이 효과적인 하수처리를 할 수 있는 가능성을 확인하였다. 그리고 도시하수는 미세조류 배양에 필요한 탄소원과 질소원을 제공할 수 있으며 미세조류 바이오매스는 상업적 목적으로 이용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Microalgal biotechnology has gained prominence because of the ability of microalgae to produce value-added products including biodiesel through photosynthesis. However, carbon and nutrient source is often a limiting factor for microalgal growth leading to higher input costs for sufficient biomass production. Use of municipal wastewater as a low cost alternative to grow microalgae as well as to treat the same has been demonstrated in this study using mini raceway open ponds. Municipal wastewater was collected after primary treatment and microalgae indigenous in the wastewater were encouraged to grow in open raceways under optimum conditions. The mean removal efficiencies of TN, TP, COD-$_{Mn}$, $NH_3$-N after 6 days of retention time was 80.18%, 63.56%, 76.34%, and 96.74% respectively. The 18S rRNA gene analysis of the community revealed the presence of Chlorella vulgaris and Scenedesmus obliquus as the dominant microalgae. In addition, 16S rRNA gene analysis demonstrated that Rhodobacter, Luteimonas, Porphyrobacter, Agrobacterium, and Thauera were present along with the microalgae. From these results, it is concluded that microalgae could be used to effectively treat municipal wastewater without aerobic treatment, which incurs additional energy costs. In addition, municipal wastewater shall also serve as an excellent carbon and nitrogen source for microalgal growth. Moreover, the microalgal biomass shall be utilized for commercial purposes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 이유로 바이오디젤 생산비용을 줄이기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 하·폐수를 이용하여 미세조류를 옥외 배양시스템에서 배양함으로써 미세조류 배양에 소요되는 비용을 줄이는 것이 가장 현실적인 대안이다. 따라서 본 연구에서는 미세조류 바이오매스 획득과 기존 처리법의 단점을 보완할 수 있는 가능성을 알아보고자 유기성 폐수 옥외 수질정화 배양 시스템(mini raceway open pond)을 적용하였다. 또한 미세조류의 성장을 통한 도시에서 발생되는 유기성 폐수의 수질정화 가능성을 탐색하고, 실제 유기성 폐수를 정화하는 미생물 군집과 미세조류의 군집을 분자생물학적 방법을 통해 분석하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 미세조류 바이오매스 획득과 기존 처리법의 단점을 보완할 수 있는 가능성을 알아보고자 유기성 폐수 옥외 수질정화 배양 시스템(mini raceway open pond)을 적용하였다. 또한 미세조류의 성장을 통한 도시에서 발생되는 유기성 폐수의 수질정화 가능성을 탐색하고, 실제 유기성 폐수를 정화하는 미생물 군집과 미세조류의 군집을 분자생물학적 방법을 통해 분석하고자 한다.
본 연구는 미세조류의 배양을 통하여 유기성 폐수의 수질정화 가능성을 탐색하고, 유기성 폐수를 정화하는 미생물과 미세조류의 군집을 분자생물학적 방법을 통해 분석하였다. 도시에서 발생하는 유기성 폐수를 mini raceway open pond에서 미세조류 배양 후 잔류 TN, TP, COD-_Mn, NH₃-N를 분석한 결과, 미세조류 옥외 배양시스템을 통한 유기성 폐수의 수질정화능이 우수함을 확인하였다.
도시에서 발생하는 유기성 폐수를 mini raceway open pond에서 미세조류 배양 후 잔류 TN, TP, COD-_Mn, NH₃-N를 분석한 결과, 미세조류 옥외 배양시스템을 통한 유기성 폐수의 수질정화능이 우수함을 확인하였다. 현재 진행되는 유기성 폐수를 이용한 미세조류 배양에 관한 연구는 영양염류인 질소와 인 제거에만 초점이 맞춰져 있으나, 본 연구는 질소와 인의 제거뿐만 아니라, 환경부에서 제시하고 있는 COD-_Mn를 추가로 조사하여, 방류수 배출기준을 만족하는 수질정화 가능성을 확인하였다. 또한, 도시하수 정화에 사용된 유기성 폐수는 활성 슬러지 공법 중 포기조에서 처리된 처리수이거나, 최종 처리되어 자연으로 방류되는 하수종말처리장의 최종방류수를 사용한 연구가 주를 이루고 있다 (Carberry and Greene, 1992; Yun et al.

제안 방법

1차 PCR은 27F (5′-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3′)와 1541R (5′-AAG GAG GTG ATC CAN CCR CA-3′)을 이용하여 50 μl 안에 1× PCR buffer, 20 mM MgCl2, 40 mM dNTP mixture, 각 primer (1 μM), template DNA와 0.5 U Taq polymerase를 첨가하여 PCR을 수행하였다(Muyzer et al., 1993; Muyzer, 1999).
DGGE gel 상에서 다른 위치에 존재하는 DNA 단편들을 회수하기 위하여 각각의 band를 선택한 후, 잘라내어 3차 멸균수 50 μl를 첨가하고 4℃에서 하룻밤 동안 방치하여 상등액을 취하였다. Band에서 회수한 DNA를 주형으로 nested PCR에 사용한 primer를 이용하여 재증폭을 수행했으며, PCR 산물은 아가로스 젤에서 전기영동하여 DNA recovery kit (QIAGEN, Germany)로 정제한 후 cloning 하였다. Cloning은 T-Blunt vector (Solgent, Korea)를 이용하였고, manufacturer’s protocol을 따라 수행하여 16S rRNA gene과 18S rRNA gene의 염기서열을 결정하였다.
Cloning은 T-Blunt vector (Solgent, Korea)를 이용하였고, manufacturer’s protocol을 따라 수행하여 16S rRNA gene과 18S rRNA gene의 염기서열을 결정하였다.
DGGE gel 상에서 다른 위치에 존재하는 DNA 단편들을 회수하기 위하여 각각의 band를 선택한 후, 잘라내어 3차 멸균수 50 μl를 첨가하고 4℃에서 하룻밤 동안 방치하여 상등액을 취하였다.
DGGE 분석을 위하여, 1차 PCR의 증폭산물을 주형으로 2차 PCR을 수행하였으며, 16S rDNA를 증폭하기 위하여 사용된 primer는 40개의 GC-clamp가 붙은 341F-GC (5′-CGC CCG CCG CGC GCG GCG GGC GGG GCG GGG GCA CGG GGG GCC TAC GGG AGG CAG CAG-3′)와 786R (5′-CTA CCA GGG TAT CTA ATC-3′)을 이용하였다(Ishii and Fukui, 2001; Jaspers et al., 2001).
Denaturing gradient gel은 10% polyacrylamide (37.5:1=acrylamide: bisacrylamide)에 urea와 formamide 변성제를 40%–70%까지 농도구배가 형성되도록 첨가하여 제작하였으며, 제작된 DGGE gel에 PCR 증폭산물을 30 μl씩 loading하여 1× TAE buffer (40 mM Tris, 20 mM acetic acid, 1 mM EDTA, pH 8.0)에서 60℃, 115 V로 19시간 동안 전기영동하였다.
Mini raceway open pond의 미생물 군집을 분석하기 위하여, 분자·생태학적 기법인 Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE)를 이용하였다. Mini raceway open pond 운전 14일째의 배양액 1.5 ml로부터 FastDNA Spin kit for Soil (Bio101, USA)을 이용하여 total DNA를 추출하였으며, 미생물 다양성을 확인하기 위하여 시료로부터 얻은 DNA를 주형으로 1차 PCR과 nested-PCR 반응을 수행하였다. 1차 PCR은 27F (5′-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3′)와 1541R (5′-AAG GAG GTG ATC CAN CCR CA-3′)을 이용하여 50 μl 안에 1× PCR buffer, 20 mM MgCl₂, 40 mM dNTP mixture, 각 primer (1 μM), template DNA와 0.
Mini raceway open pond 운전 14일째의 배양액으로부터 DNA를 추출하여 박테리아용 universal primer로 알려진 341F-GC와 786R primer를 이용하여 PCR 증폭산물을 얻었고, 아가로스젤 상에서 예상했던 486 bp의 band를 확인하였다(자료미제시). 미생물군집 다양성을 분석하는데 유용한 기법인 DGGE를 이용하여 미생물 군집의 다양성을 조사해본 결과, Fig.
84)를 나타냈다. Mini raceway open pond에 접종한 토착 미세조류는 1차 침전지 내벽에 서식하는 미세조류를 획득하여 mini raceway open pond에 접종하였다. 접종한 토착 미세조류의 우점시키기 위해, 유기성 폐수의 배출없이 6일간 운전하였으며, 6일 후 접종한 토착 미세조류가 우점하였다.
PCR 산물은 Dcode^TM System (Bio-Rad, USA)을 이용하여 DGGE를 수행하였다(Muyzer et al., 1993). Denaturing gradient gel은 10% polyacrylamide (37.
반응조건은 우선 94℃에서 5 min 동안 DNA를 변성시킨 후 94℃에서 45 sec denaturation, 56℃에서 45 sec annealing, 72℃에서 45 sec extension을 30 cycles을 수행한 후 72℃에서 7 min 동안 final extension을 수행하였다. 각각의 PCR 산물은 ethidium bromide 염색 후 1% 아가로스젤에서 확인하였다. DGGE 분석을 위하여, 1차 PCR의 증폭산물을 주형으로 2차 PCR을 수행하였으며, 16S rDNA를 증폭하기 위하여 사용된 primer는 40개의 GC-clamp가 붙은 341F-GC (5′-CGC CCG CCG CGC GCG GCG GGC GGG GCG GGG GCA CGG GGG GCC TAC GGG AGG CAG CAG-3′)와 786R (5′-CTA CCA GGG TAT CTA ATC-3′)을 이용하였다(Ishii and Fukui, 2001; Jaspers et al.
Open pond 배양액의 온도는 19–22℃를 유지하였다. 광원은 태양광을 이용하였으며 자연적인 변화에 의해 light/dark cycle (L/D cycle)을 주었고, HRT (hydraulic retention time)는 6일로 반연속식으로 운전하였으며, 실험에 사용한 유기성 폐수는 대전시 하수종말처리장의 유입수(1차 침전지를 거쳐 포기조에 들어가기 전)를 이용하였다. 유기성 폐수의 평균 성상(2011년 1월–2012년 3월)은 BOD (biological oxygen demand, ppm): 148.
, 2011). 그러나, 본 연구에 사용된 유기성 폐수는 1차 침전지를 거친 유입수를 사용하였으며 mini raceway open pond를 이용하여 환경부에서 고시한 방류수 수질기준(TN, TP, COD-_Mn)을 만족시키는 결과를 얻었다. 특히 mini raceway open pond의 TN 정화능력이 활성 슬러지공법보다 우수함을 확인하였다.
5와 같이 DGGE gel 상에서 다양한 bands를 확인할 수 있었다. 또한 DGGE profile상의 각 bands로부터 회수한 DNA 염기서열을 결정하여, NCBI의 GenBank를 이용하여 상동성을 비교 검색하였고, Table 1과 같이 분석되었다. 박테리아 16S rRNA gene에 대해서 7개 bands, 진핵생물 18S rRNA gene은 9개 bands에 대한 염기서열을 결정하였다.
-N를 분석하여 mini raceway open pond의 유기성 폐수 정화능력을 평가하였다. 또한 mini raceway open pond에 의한 배양액의 수질을 비교하기 위하여 하수종말처리장의 수질분석결과와 비교하였고 도시하수 방류수의 법정기준은 COD: 40 ppm, TN: 20 ppm, TP: 2 ppm이다.
그러나 질소원과 탄소원은 미세조류 배양 비용을 높여 충분한 바이오매스 생산에 제한요소가 되고 있다. 미세조류를 배양하는데 도시하수를 이용하는 것은 생산단가를 낮추는 좋은 대안이 될 수 있으며, 본 연구에서는 옥외 수질정화 배양 시스템(mini raceway open pond)을 이용하여 적용했다. 실험에 사용한 도시하수는 하수종말처리장의 1차 침전지를 거친 유입수를 이용하였으며, 토착 미세조류를 mini raceway open pond에서 배양하였다.
미세조류의 성장은 건조중량 및 chlorophyll-a로 측정하였다. 건조중량은 mini raceway open pond 배양액 10 ml을 0.
또한 DGGE profile상의 각 bands로부터 회수한 DNA 염기서열을 결정하여, NCBI의 GenBank를 이용하여 상동성을 비교 검색하였고, Table 1과 같이 분석되었다. 박테리아 16S rRNA gene에 대해서 7개 bands, 진핵생물 18S rRNA gene은 9개 bands에 대한 염기서열을 결정하였다.
본 연구에서는 도시에서 발생하는 유기성 폐수를 이용하여 mini raceway open pond에서 토착 미세조류를 배양 후, 배양액의 잔류 TN, TP, COD-_Mn, NH₃-N를 분석하여 mini raceway open pond의 유기성 폐수 정화능력을 평가하였다. 또한 mini raceway open pond에 의한 배양액의 수질을 비교하기 위하여 하수종말처리장의 수질분석결과와 비교하였고 도시하수 방류수의 법정기준은 COD: 40 ppm, TN: 20 ppm, TP: 2 ppm이다.
4). 우점한 미세조류의 시간에 따른 성장을 확인하기 위해 건조중량과 chlorophyll-a를 측정하였다. 유입되는 유기성 폐수의 건조중량은 평균 0.
Mini raceway open pond에 접종한 토착 미세조류는 1차 침전지 내벽에 서식하는 미세조류를 획득하여 mini raceway open pond에 접종하였다. 접종한 토착 미세조류의 우점시키기 위해, 유기성 폐수의 배출없이 6일간 운전하였으며, 6일 후 접종한 토착 미세조류가 우점하였다. 우점된 토착 미세조류는 대부분 녹조류의 형태를 나타냈다.
하수종말처리장에 유입되는 유기성 폐수의 수질정화를 위해 미세조류 옥외배양 시스템(mini raceway open pond)을 설치하였다. Mini raceway open pond의 깊이는 약 30 cm, 용적 60 L이며, 폭기는 paddle wheel을 이용하여 약 2 m의 수로를 유속 30 cm/sec로 운전하였다.

대상 데이터

45 μm 마이크로 여과지에 거른 후 105℃에서 24시간동안 건조하여 측정하였다. Chlorophyll-a는 90% 아세톤으로 추출하여 750 nm, 664 nm, 647 nm, 630 nm의 파장으로 측정하였다(APHA, 1998).
또한 18S rDNA를 증폭하고자 SR-4F GC (5′-CGC CCG CCG CGC GCG GCG GGC GGG GCG GGG GCA CGG GGG GAG CCG CGG TAA TTC CAG CT-3′)와 SR-7R (5′-TCC TTG GGC AAA TGC TTT CGC-3′)을 각각 사용하였다(Nakayama et al., 1996).
우점된 토착 미세조류는 대부분 녹조류의 형태를 나타냈다. 본 실험의 mini raceway open pond는 대전 하수종말처리장에서 실험하였다.
시료는 0.45 μm 마이크로 여과지로 여과한 후 TN, TP, COD-Mn, NH3-N를 측정하였다.
미세조류를 배양하는데 도시하수를 이용하는 것은 생산단가를 낮추는 좋은 대안이 될 수 있으며, 본 연구에서는 옥외 수질정화 배양 시스템(mini raceway open pond)을 이용하여 적용했다. 실험에 사용한 도시하수는 하수종말처리장의 1차 침전지를 거친 유입수를 이용하였으며, 토착 미세조류를 mini raceway open pond에서 배양하였다. 체류시간 6일의 운전 후 TN, TP, COD-_Mn, NH₃-N의 평균 제거 효율은 80.

데이터처리

Cloning은 T-Blunt vector (Solgent, Korea)를 이용하였고, manufacturer’s protocol을 따라 수행하여 16S rRNA gene과 18S rRNA gene의 염기서열을 결정하였다. 결정된 염기서열은 NCBI (www.ncbi.nlm.nih.gov)의 GenBank database를 이용하여 BLAST search를 통해 분석하였다.

이론/모형

Mini raceway open pond의 미생물 군집을 분석하기 위하여, 분자·생태학적 기법인 Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE)를 이용하였다.
45 μm 마이크로 여과지로 여과한 후 TN, TP, COD-_Mn, NH₃-N를 측정하였다. TN, TP, COD-_Mn, 및 NH₃-N는 Standard method를 이용하여 분석하였다(APHA, 1998).

성능/효과

74%로 각각 나타났다. 18S rRNA gene 분석결과 녹조류인 Chlorella, Scenedesmus가 우점하였으며, 16S rRNA gene 분석결과 Rhodobacter, Luteimonas, Agrobacterium, Thauera, Porphyrobacte의 5종의 bacteria가 동정되었다. 이러한 결과를 통하여 미세조류를 이용한 호기성 처리나 과도한 발전비용 없이 효과적인 하수처리를 할 수 있는 가능성을 확인하였다.
18S rRNA gene에 대한 9개의 bands를 분석한 결과, 2가지속의 녹조류와 한가지의 진균으로 분석되었다. DGGE band e1, e4, e5, e6, d8는 Chlorella vulgaris로 분석되었고, DGGE bands e2, e3, e9는 Scenedesmus obliquus로 분석되었다.
18S rRNA gene에 대한 9개의 bands를 분석한 결과, 2가지속의 녹조류와 한가지의 진균으로 분석되었다. DGGE band e1, e4, e5, e6, d8는 Chlorella vulgaris로 분석되었고, DGGE bands e2, e3, e9는 Scenedesmus obliquus로 분석되었다. 그리고 DGGE band e7은 Spizellomycetales sp.
Mini raceway open pond내의 미세조류의 건조중량과 chlorophyll-a의 측정 결과를 통해 미세조류들이 우점·유지되는 것을 확인할 수 있었다.
3B). Mini raceway open pond를 통한 미세조류의 유기성 폐수의 처리시 NH₃-N의 제거능력이 매우 우수함을 입증한 결과로 판단되며, 이는 미세조류나 미생물이 이용할 수 있는 매우 낮은 농도임을 알 수 있었다. NH₃-N는 미생물들이 바로 체내합성으로 이용이 가능한 형태의 질소로 알려져 있다.
1C). 그리고 COD-_Mn 제거 처리효율을 비교해 볼 때, 활성슬러지 공법의 COD-_Mn 처리효율은 평균 86.44%이며, mini raceway open pond의 처리효율은 평균 76.34%를 나타내고 있어, 활성슬러지 공법의 COD-_Mn 처리 효율이 높음을 알 수 있었다(Fig. 2C). 하지만 도시하수의 방류수 수질기준에 만족하는 수질기준으로 mini raceway open pond는 COD-_Mn 제거에도 탁월한 결과를 나타낸다고 판단될 수 있다.
특히 mini raceway open pond의 TN 정화능력이 활성 슬러지공법보다 우수함을 확인하였다. 그리고 mini raceway open pond 배양액에서 유기성 폐수 내의 질소, 인들을 섭취하여 수질정화에 기여하는 미세조류를 동정한 결과, 바이오디젤 생산에 유용한 미세조류인 C. vulgaris와 S. obliquus 가 우점함을 확인하였고, 우점하는 미세조류들이 수질정화능이있음을 확인하였다. 또한 C.
이러한 결과를 통하여 미세조류를 이용한 호기성 처리나 과도한 발전비용 없이 효과적인 하수처리를 할 수 있는 가능성을 확인하였다. 그리고 도시하수는 미세조류 배양에 필요한 탄소원과 질소원을 제공할 수 있으며 미세조류 바이오매스는 상업적 목적으로 이용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
항목에서 모두 도시하수 방류수 수질기준에 충족하는 결과를 얻었다. 기존의 도시하수 처리공법인 활성슬러지 공법과 비교하여도 만족할 만한 결과를 보였다. 질소의 제거 효율은 활성슬러지 공법보다도 30% 높은 효율을 나타냈고, 인 제거 역시 방류수 수질기준에 만족하는 수질을 보였으며, COD-_Mn 역시 방류수 수질기준에 부합하는 정화능력과 높은 처리효율을 확인하였다.
본 연구는 미세조류의 배양을 통하여 유기성 폐수의 수질정화 가능성을 탐색하고, 유기성 폐수를 정화하는 미생물과 미세조류의 군집을 분자생물학적 방법을 통해 분석하였다. 도시에서 발생하는 유기성 폐수를 mini raceway open pond에서 미세조류 배양 후 잔류 TN, TP, COD-_Mn, NH₃-N를 분석한 결과, 미세조류 옥외 배양시스템을 통한 유기성 폐수의 수질정화능이 우수함을 확인하였다. 현재 진행되는 유기성 폐수를 이용한 미세조류 배양에 관한 연구는 영양염류인 질소와 인 제거에만 초점이 맞춰져 있으나, 본 연구는 질소와 인의 제거뿐만 아니라, 환경부에서 제시하고 있는 COD-_Mn를 추가로 조사하여, 방류수 배출기준을 만족하는 수질정화 가능성을 확인하였다.
또한 실험에 사용된 1차 침전지 방류수의 TP는 평균 4.31 ppm으로, 활성슬러지 공법에 의해 처리된 최종 방류수의 TP는 평균 0.23 ppm이었다. 반면에 mini raceway open pond를 이용하여 미세조류를 배양한 처리수의 TP는 평균 1.
또한 유기성 폐수의 NH₃-N는 평균 23.1 ppm이며, mini raceway open pond를 이용하여 미세조류를 배양한 배양액의 NH₃-N는 평균 0.58 ppm으로(Fig. 3A) 평균 96.74%의 높은 제거 효율을 보였다(Fig. 3B). Mini raceway open pond를 통한 미세조류의 유기성 폐수의 처리시 NH₃-N의 제거능력이 매우 우수함을 입증한 결과로 판단되며, 이는 미세조류나 미생물이 이용할 수 있는 매우 낮은 농도임을 알 수 있었다.
463 g/L로 유지되는 것을 확인하였다. 또한 유입되는 유기성 폐수의 chlorophyll-a는 평균 1.8 mg/L이며, mini raceway open pond는 평균 121.06 mg/L 로 유지되는 것을 확인하였다(Fig. 5). Mini raceway open pond내의 미세조류의 건조중량과 chlorophyll-a의 측정 결과를 통해 미세조류들이 우점·유지되는 것을 확인할 수 있었다.
1B). 또한 인 제거 처리효율을 비교해 볼 때, 활성슬러지 공법의 TP 처리효율은 평균 94.50%이며, mini raceway open pond의 TP 처리효율은 평균 63.56%를 나타내고 있어 TP의 처리에는 활성슬러지 공법의 처리효율이 높음을 알 수 있었다(Fig. 2B). 하지만 이 결과는 도시하수의 방류수 수질기준에 만족하는 수질정화 수치로서 mini raceway open pond는 인 제거에도 탁월한 결과를 나타낸다고 판단될 수 있다.
1A). 또한 활성슬러지 공법의 TN 처리효율은 평균 50.43%이며, mini raceway open pond의 TN 처리효율은 평균 80.18%를 나타내었다(Fig. 2A). 이 결과로부터 미세조류를 이용한 유기성 폐수처리가 질소 제거에 우수한 능력을 가지고 있으며 활성슬러지 공법의 처리효율보다 높은 TN 처리효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.
Mini raceway open pond 운전 14일째의 배양액으로부터 DNA를 추출하여 박테리아용 universal primer로 알려진 341F-GC와 786R primer를 이용하여 PCR 증폭산물을 얻었고, 아가로스젤 상에서 예상했던 486 bp의 band를 확인하였다(자료미제시). 미생물군집 다양성을 분석하는데 유용한 기법인 DGGE를 이용하여 미생물 군집의 다양성을 조사해본 결과, Fig. 5와 같이 DGGE gel 상에서 다양한 bands를 확인할 수 있었다. 또한 DGGE profile상의 각 bands로부터 회수한 DNA 염기서열을 결정하여, NCBI의 GenBank를 이용하여 상동성을 비교 검색하였고, Table 1과 같이 분석되었다.
박테리아 16S rRNA gene을 분석한 결과, 5종류의 박테리아로 분석되었다. DGGE band b1과 b7은 활성슬러지 내의 COD-_Mn과 TKN의 제거 효율을 증가시킨다고 보고된(Huang et al.
본 연구는 mini raceway open pond를 통한 미세조류 배양으로 유기성 폐수의 수질 정화능을 확인해 본 결과, TN, TP, COD-_Mn 항목에서 모두 도시하수 방류수 수질기준에 충족하는 결과를 얻었다. 기존의 도시하수 처리공법인 활성슬러지 공법과 비교하여도 만족할 만한 결과를 보였다.
실험에 사용된 1차 침전지 방류수의 TN은 평균 36.45 ppm이며, mini raceway open pond를 이용하여 처리된 처리수의 TN은 평균 7.35 ppm, 활성슬러지 공법에 의해 처리된 최종 방류수의 TN은 평균 17.74 ppm으로 나타났다(Fig. 1A). 또한 활성슬러지 공법의 TN 처리효율은 평균 50.
유기성 폐수의 COD-_Mn는 평균 99.6 ppm이며, 활성슬러지 공법에 의해 처리된 방류수의 COD-_Mn는 평균 12.98 ppm이었다. 반면에 mini raceway open pond를 이용하여 미세조류를 배양한 처리수는 평균 22.
우점한 미세조류의 시간에 따른 성장을 확인하기 위해 건조중량과 chlorophyll-a를 측정하였다. 유입되는 유기성 폐수의 건조중량은 평균 0.111 g/L이며, mini raceway open pond내의 건조중량은 평균 0.463 g/L로 유지되는 것을 확인하였다. 또한 유입되는 유기성 폐수의 chlorophyll-a는 평균 1.
2A). 이 결과로부터 미세조류를 이용한 유기성 폐수처리가 질소 제거에 우수한 능력을 가지고 있으며 활성슬러지 공법의 처리효율보다 높은 TN 처리효율을 나타냄을 확인할 수 있었다.
반면에 미세조류 배양을 통한 하수처리는 응집제와 같은 화학적 처리가 불필요하며, 추가적인 처리 없이 방류수 수질기준에 부합하는 수질로 인을 제거할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 결과를 통하여 미세조류 배양을 이용한 유기성 폐수처리 공정이, 활성슬러지 공법을 통하여 방류수 수질기준에 부합하게 처리된 방류수와 유사한 수준으로 유기성 폐수를 정화할 수 있는 가능성을 확인하였다.
18S rRNA gene 분석결과 녹조류인 Chlorella, Scenedesmus가 우점하였으며, 16S rRNA gene 분석결과 Rhodobacter, Luteimonas, Agrobacterium, Thauera, Porphyrobacte의 5종의 bacteria가 동정되었다. 이러한 결과를 통하여 미세조류를 이용한 호기성 처리나 과도한 발전비용 없이 효과적인 하수처리를 할 수 있는 가능성을 확인하였다. 그리고 도시하수는 미세조류 배양에 필요한 탄소원과 질소원을 제공할 수 있으며 미세조류 바이오매스는 상업적 목적으로 이용될 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다.
기존의 도시하수 처리공법인 활성슬러지 공법과 비교하여도 만족할 만한 결과를 보였다. 질소의 제거 효율은 활성슬러지 공법보다도 30% 높은 효율을 나타냈고, 인 제거 역시 방류수 수질기준에 만족하는 수질을 보였으며, COD-_Mn 역시 방류수 수질기준에 부합하는 정화능력과 높은 처리효율을 확인하였다. 기존의 활성슬러지 공법은 폐수 내의 인을 제거하기 위하여 화학적 처리를 통하여 응집시키는 공정을 거친다.
실험에 사용한 도시하수는 하수종말처리장의 1차 침전지를 거친 유입수를 이용하였으며, 토착 미세조류를 mini raceway open pond에서 배양하였다. 체류시간 6일의 운전 후 TN, TP, COD-_Mn, NH₃-N의 평균 제거 효율은 80.18%, 63.56%, 76.34%, 96.74%로 각각 나타났다. 18S rRNA gene 분석결과 녹조류인 Chlorella, Scenedesmus가 우점하였으며, 16S rRNA gene 분석결과 Rhodobacter, Luteimonas, Agrobacterium, Thauera, Porphyrobacte의 5종의 bacteria가 동정되었다.
그러나, 본 연구에 사용된 유기성 폐수는 1차 침전지를 거친 유입수를 사용하였으며 mini raceway open pond를 이용하여 환경부에서 고시한 방류수 수질기준(TN, TP, COD-_Mn)을 만족시키는 결과를 얻었다. 특히 mini raceway open pond의 TN 정화능력이 활성 슬러지공법보다 우수함을 확인하였다. 그리고 mini raceway open pond 배양액에서 유기성 폐수 내의 질소, 인들을 섭취하여 수질정화에 기여하는 미세조류를 동정한 결과, 바이오디젤 생산에 유용한 미세조류인 C.

후속연구

obliquus 가 우점함을 확인하였고, 우점하는 미세조류들이 수질정화능이있음을 확인하였다. 또한 C. vulgaris와 S. obliquus를 통하여 바이오디젤 생산에 필요한 바이오매스를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시하수처리란 무엇인가?	특히 산업·축산폐수 및 도시하수로 인한 수질오염 문제가 심각해지고 있으며 하수처리를 통한 수질정화의 필요성이 높아지고 있다. 도시하수처리는 하수 중에 고형물 또는 용해 되어 있는 오염물질을 제거하는 것이며 하수가 처리되지 않은 상태로 하천이나 호수, 바다 등에 방류되면 부패에 의한 산소의 감소, 수중생물의 폐사, 부식성 찌꺼기의 퇴적 등을 초래하여 수질을 악화시킨다. 특히 하수 중의 질소와 인 성분은 하천 및 호수의 부영양화를 초래한다.
	미세조류를 이용한 처리 공정이 하수처리공법이 적용·시도되고 있는데, 이때 미세조류는 어떤 역할을 하는가?	, 2000; Rectenwald, 2000). 하수처리에 이용되는 미세조류는 광합성을 통해 이산화탄소 등을 이용하여 하수 내의 유기물과 질소, 인 성분을 흡수하여 성장할 수 있기 때문에 환경오염물질을 제거함과 동시에 유용한 바이오매스를 생산할 수 있다 (Wilkiea and Mulbry, 2002). 하수처리 과정에서 생산되는 미세조류는 단백질 함량이 높아 고단백 가축사료와 어류의 먹이로도 활용할 수 있다(Soeder, 1980).
	막분리 (membrane bioreactor) 공법의 장점은 무엇인가?	, 2009). 막분리 (membrane bioreactor) 공법은 2차 침전 및 여과 소독공정이 불필요하고 짧은 체류시간으로 인해 부지면적이 작으며, 고농도 MLSS 유지 및 높은 SS 제거율과 기존 활성슬러지법에 비해 슬러지 발생량이 작은 장점이 있다(Gander et al., 2000; Melin et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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