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문제 정의
- 또한, 이 연구에서는 음식물쓰레기의 소멸반응에 관여하는 미생물의 종(species)에 따른 개체수 변화도 관찰하였다. 이를 위해 일반적으로 음식물쓰레기의 분해에 관여하는 것으로 생각되는 다양한 미생물 종을 조사하였다.
- 이 실험에서는 투입된 음식물쓰레기내 유기물 성분의 분해된 정도를 측정하기 위해 다양한 수질항목을 조사하였다. 이 실험은 소멸반응기에 일정량의 음식물쓰레기를 1회 투입하여 수행되었다.
- 이 연구는 음식물쓰레기의 감량화하기 위해 음식물류 폐기물의 소멸 가능성을 조사하고 평가하였다. 100일 실험기간 동안 음식물쓰레기의 무게변화는 누적된 총 음식물쓰레기량 대비하여 약 99%까지 감소하였고, 잔류된 약 1%는 음식물쓰레기내에 내재된 생물유래의 난분해성 물질이 축적된 결과로 생각된다.
- 이 연구의 목적은 유용한 미생물에 의해 음식물쓰레기를 처리하는 것이다. 이를 위해 이 연구는 액상소멸(slurry phase decomposition)에 따른 실험 전후에 음식물쓰레기의 무게변화를 평가하였고, 이 과정에 실재 관련된 미생물의 종을 동정하였다.
- 5)는 소멸반응기내에서 활발한 미생물의 활동을 의미하는 것이다. 이들 미생물의 활동을 확인하기 위해서 음식물쓰레기의 소멸반응에 따른 미생물 개체수 변화를 조사하였다. 실험은 일반세균 조사에 많이 사용되는 LB배지에서 수행되었다.
가설 설정
- b) Meat is pork meat, and fish as mackerel.
제안 방법
- 이 실험에서 배양된 단일 균주를 AS1, BS2, AW3-1, AW3-2, AW2, L, S로 각각 명명하였다. 16S rRNA sequencing을 이용하여 동정하였고, 이를 토대로 하여 NCBI genebank DB에서 BLAST search를 이용하여 분석하였다. 그 결과 AW2는 Leucobacter iarius, L은 Lactobacillus plantarum, S는 Saccharomyces cerevisiae, AW3-1는 Bacillus amyloliquefaciens로 99% 이상의 매우 높은 유전적 동일성을 보였다(Table 6).
- pH는 시료 5 g에 증류수 25 mL의 증류수를 가해 1시간 동안 충분히 교반한 다음 원심 분리하여 채취된 상등액을 pH/mV/Temp meter (Istek, Ecomet P25 model, Korea)로 측정하였다.
- 곰팡이 수의 측정은 1 g의 시료를 단계적으로 희석한 후 희석액 0.1 mL를 Potato-dextrose 고체배지에 도말하여 24시간 배양한 후 CFU로 계수하였다(Table 5). 이때, 일반세균의 번식을 막기 위해서 살균제로 Streptomycin (0.
- Woodchip과 스폰지 매체에 의한 음식물쓰레기의 최적 소멸조건인 습도상태는 30-50%, 소멸반응기의 온도는 20-25℃를 유지하였다. 그런 다음, 20분 간격으로 약 300 mL의 물을 살포하였으며 패들의 교반주기는 3분간 정회전과 3분간 역회전하도록 설정하여 가동하였다. 준비된 음식물쓰레기는 매일 500-1,100 g씩 약 3개월 투입하였으나, 주입된 음식물쓰레기의 양은 무게 대비하여 미생물을 담지한 매체(woodchip 및 스폰지)의 무게보다 항상 적게 되도록 하였다.
- 다른 실험재료는 환경부 고시 제 2011-3호에 의거하여 음식물 감량화 처리시설 품질인증규격에 준한 표준 음식물쓰레기를 조제하여 감량화 처리율을 조사하였다. 이 연구에서 사용된 표준 음식물쓰레기의 조성은 Table 2와 같다.
- 이를 위해 이 연구는 액상소멸(slurry phase decomposition)에 따른 실험 전후에 음식물쓰레기의 무게변화를 평가하였고, 이 과정에 실재 관련된 미생물의 종을 동정하였다. 또한, pH, 염분농도, TN, TP 및 COD 등 수질 성상의 변화도 평가하였다. 그래서 이 연구는 음식물쓰레기의 감량에 관한 연구를 통해 보다 과학적이고 체계적인 연구결과를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
- 또한, 순수 분리된 균주는 LB 고체 배지에서 배양한 다음 광학현미경(×1,000)을 이용해 관찰하였다(data not shown).
- 실험을 시작하기 전에 반응기 내의 적절한 수분조절을 위해 1시간 정도 가동시킨 후 음식물을 투입하였다. Woodchip과 스폰지 매체에 의한 음식물쓰레기의 최적 소멸조건인 습도상태는 30-50%, 소멸반응기의 온도는 20-25℃를 유지하였다.
- 악취농도의 측정은 검지관(Gastec Model 801)을 사용하여 이루어졌으며, 이때 반복적으로 측정된 기체는 주로 황화수소(H2S)였고, 이 연구에서는 황화수소를 이용하여 악취발생 정도를 판단하였다.
- 유산균 수의 측정은 1 g의 시료를 단계적으로 희석한 후 희석액 0.1 mL를 Modified MRS 고체배지에 도말하여 24시간 배양한 후 CFU로 계수하였다. 사용한 배지 조성은 다음 Table 4와 같다.
- 음식물쓰레기에 기인된 폐수의 성상에 대한 분석은 CODMn, BOD, 총질소(Total nitrogen, T-N), 총인(Total phosphorus, T-P), 및 SS를 분석하였다. 상술된 수질항목은 Standard methods에 명시된 분석방법에 준하여 측정되었다.
- 음식물쓰레기의 소멸반응에 따른 온도 변화는 반응기 내부 중앙에 설치된 디지털 온도계를 이용하여 매일 측정하였다.
- 이 실험에서는 woodchip과 스폰지로 구성된 음식물쓰레기의 소멸반응기내에 음식물쓰레기를 투입한 후 감량효과를 관찰하였다. 실험기간 동안의 온도변화는 20-23℃로 거의 일정하지만, 음식물쓰레기의 초기 주입시 유기물농도가 증가함에 따라 온도가 2-3℃ 정도 증가하는 것으로 관찰되었다.
- 이 실험에서는 음식물쓰레기의 소멸반응기의 내부에 부착된 매체에서 서식하는 미생물을 분리하고 이를 동정(identification)하였다. 분리 및 동정 실험은 세균에 의한 유기물의 분해 정도를 평가하기 위하여 LB배지에서 미생물들이 배양되었다.
- 이 실험에서는 투입된 음식물쓰레기내 유기물 성분의 분해된 정도를 측정하기 위해 다양한 수질항목을 조사하였다. 이 실험은 소멸반응기에 일정량의 음식물쓰레기를 1회 투입하여 수행되었다. pH는 음식물쓰레기를 투입한 직후에는 pH 3.
- 1 mL를 Potato-dextrose 고체배지에 도말하여 24시간 배양한 후 CFU로 계수하였다(Table 5). 이때, 일반세균의 번식을 막기 위해서 살균제로 Streptomycin (0.03 mg/L)을 첨가하였다.
- 이 연구의 목적은 유용한 미생물에 의해 음식물쓰레기를 처리하는 것이다. 이를 위해 이 연구는 액상소멸(slurry phase decomposition)에 따른 실험 전후에 음식물쓰레기의 무게변화를 평가하였고, 이 과정에 실재 관련된 미생물의 종을 동정하였다. 또한, pH, 염분농도, TN, TP 및 COD 등 수질 성상의 변화도 평가하였다.
- 또한, 이 연구에서는 음식물쓰레기의 소멸반응에 관여하는 미생물의 종(species)에 따른 개체수 변화도 관찰하였다. 이를 위해 일반적으로 음식물쓰레기의 분해에 관여하는 것으로 생각되는 다양한 미생물 종을 조사하였다. 즉, 효모균류(맥주, 빵, 포도를 발효 시키는 균), 고초균류(된장발효 미생물, 단백질 및 섬유질분해에 관여하는 균), 일반 토양세균류(탄수화물, 지질, 단백질, 방향족화합물의 분해에 관여하는 균), 유산균류(김치, 치즈, 우유발효 미생물로 악취제거에도 관여하는 미생물), 누룩곰팡이류(섬유질, 단백질, 탄수화물 등을 분해하며 주로 탄수화물의 당화과정에 관여하는 균류), 지질 및 지방산 분해균류(지질, 포화 및 불포화 지방산 분해, 탄화수소 분해에 관여하는 균), 및 방선균류(항생물질 및 항산화물질을 분비하여 미생물 생태계의 균형을 유지해 주는 균류) 등이다.
- 일반 세균수의 측정은 1 g의 시료를 단계로 희석한 후 희석액 0.1 mL를 Luria-Bertani (LB)배지에 도말하여 24시간 배양한 후 Colony Forming Unit (CFU)로 계수하였다. 사용된 LB배지의 조성은 Table 3과 같다.
- 그런 다음, 20분 간격으로 약 300 mL의 물을 살포하였으며 패들의 교반주기는 3분간 정회전과 3분간 역회전하도록 설정하여 가동하였다. 준비된 음식물쓰레기는 매일 500-1,100 g씩 약 3개월 투입하였으나, 주입된 음식물쓰레기의 양은 무게 대비하여 미생물을 담지한 매체(woodchip 및 스폰지)의 무게보다 항상 적게 되도록 하였다. 무게변화는 주입된 음식물쓰레기량과 잔량의 차이를 측정하여 아래 식 (1) 에 의해 24시간마다 측정되었다.
대상 데이터
- 사용된 반응기는 크게 미생물이 담지된 매체와 주입된 음식물쓰레기를 잘 섞이도록 하는 패들(paddle)로 구성되었다. 미생물 담지용 매체는 목질 재질의 woodchip과 polyurethane 재질의 스폰지로 구성되었다. Fig.
- 이들 미생물의 활동을 확인하기 위해서 음식물쓰레기의 소멸반응에 따른 미생물 개체수 변화를 조사하였다. 실험은 일반세균 조사에 많이 사용되는 LB배지에서 수행되었다.
- 그런 다음 계대배양(subculturing)을 10회 이상한 결과, colony 형태가 다양하게 나타났고, 이를 각각의 단일 균주들로 다시 분리하였다. 이 실험에서 배양된 단일 균주를 AS1, BS2, AW3-1, AW3-2, AW2, L, S로 각각 명명하였다. 16S rRNA sequencing을 이용하여 동정하였고, 이를 토대로 하여 NCBI genebank DB에서 BLAST search를 이용하여 분석하였다.
- 이 실험에서는 대표적인 악취 유발성분으로 잘 알려진 황화수소(pKa = 7.0)23)를 측정하였다. 황화수소의 농도측정은 반응기내의 물 분사 전과 후로 이루어졌다.
- 이 연구에 사용된 음식물쓰레기의 실험재료는 두 종류가 사용되었다. 이중 하나는 실험 초기에 사용된 실험재료로 전남대학교 학생식당에서 발생된 음식물쓰레기를 수거해 사용하였다.
- 이 연구에 사용된 음식물쓰레기의 실험재료는 두 종류가 사용되었다. 이중 하나는 실험 초기에 사용된 실험재료로 전남대학교 학생식당에서 발생된 음식물쓰레기를 수거해 사용하였다. 수집된 음식물쓰레기는 곧바로 염분을 제거하기 위해 흐르는 물에 5분 동안 세척하였고, 곡물류를 제외한 나머지 세척된 음식물쓰레기는 약 2-3 cm로 절단하였다.
이론/모형
- 미생물이 담지된 매체의 고체상태의 미세조직과 형상을 관찰하기 위하여 10 Å 이하의 해상력을 가지고 있는 전계방출주사현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy: FE-SEM, S-4800 model, Hitachi, Japan)에 의하여 측정되었다. 이때 담지된 혼합 미생물은 16S rRNA gene sequencing에 의하여 동정되었다.
- , BOD, 총질소(Total nitrogen, T-N), 총인(Total phosphorus, T-P), 및 SS를 분석하였다. 상술된 수질항목은 Standard methods에 명시된 분석방법에 준하여 측정되었다.21) 염분의 측정은 염분 측정기(sodium chloride refractrometer, Hanna Instruments Inc.
성능/효과
- 1) 그래서 부패와 이물질이 함유된 음식물쓰레기는 점차 가축 사육 농가 등 수요처에서 기피하는 현상이 발생하였다.2) 특히, 다량의 침출수는 음식물쓰레기를 운반처리 하는데 있어서 악취와 같은 곤란한 환경문제를 유발하였다.
- 이 연구는 음식물쓰레기의 감량화하기 위해 음식물류 폐기물의 소멸 가능성을 조사하고 평가하였다. 100일 실험기간 동안 음식물쓰레기의 무게변화는 누적된 총 음식물쓰레기량 대비하여 약 99%까지 감소하였고, 잔류된 약 1%는 음식물쓰레기내에 내재된 생물유래의 난분해성 물질이 축적된 결과로 생각된다. 이와 더불어 COD, BOD, SS, T-N 및 T-P의 농도도 점차적으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 1) 그래서 부패와 이물질이 함유된 음식물쓰레기는 점차 가축 사육 농가 등 수요처에서 기피하는 현상이 발생하였다.2) 특히, 다량의 침출수는 음식물쓰레기를 운반처리 하는데 있어서 악취와 같은 곤란한 환경문제를 유발하였다.3,4) 이 같은 문제점들은 우리나라 고유의 음식문화와 식생활의 고급화 등 음식물의 낭비로 인한 배출량 증가와 더불어 음식물쓰레기의 수거 및 운반 처리에 소요되는 비용을 증가시키는 원인이 되는 것으로 알려져 있다.
- 5는 소멸반응기에 의한 유기물의 분해 정도를 COD, BOD, SS, T-N과 T-P의 농도로 나타낸 것이다. COD와 BOD의 초기농도는 1,400 mg/L와 2,900 mg/L로 BOD가 COD의 초기농도에 비해 2배 정도 높은 농도를 보였으나, 24시간 후 COD는 84% 감소를 보였으며 BOD는 96%의 감소를 보였다. T-N과 T-P의 농도도 점차적으로 감소하였다.
- 16S rRNA sequencing을 이용하여 동정하였고, 이를 토대로 하여 NCBI genebank DB에서 BLAST search를 이용하여 분석하였다. 그 결과 AW2는 Leucobacter iarius, L은 Lactobacillus plantarum, S는 Saccharomyces cerevisiae, AW3-1는 Bacillus amyloliquefaciens로 99% 이상의 매우 높은 유전적 동일성을 보였다(Table 6). 또한, AS1는 Aeromonas hydrophila, AW3-2는 Citrobacter mufliniae로 99% 이상 매우 높은 유전적 연관성을 나타내었다.
- 또한, 순수 분리된 균주는 LB 고체 배지에서 배양한 다음 광학현미경(×1,000)을 이용해 관찰하였다(data not shown). 그람 염색결과, Bacillus amyloliquefaciens, Lactobacillus plantarum는 그람 양성균으로 나타났으며 이들 균을 제외한 4가지 균주는 그람 음성균으로 나타났고, Saccharomyces cerevisiae를 제외한 분리된 6가지 균은 간균으로 관찰되었다.
- 조사된 일반세균, 유산균, 곰팡이균은 반응 초기보다 전반적으로 10-100배 높은 생균수를 유지하였다. 따라서 소멸반응기내에 투입된 음식물쓰레기는 이들 미생에 의해 소멸될 수 있었음을 확인할 수 있었다.
- 그 결과 AW2는 Leucobacter iarius, L은 Lactobacillus plantarum, S는 Saccharomyces cerevisiae, AW3-1는 Bacillus amyloliquefaciens로 99% 이상의 매우 높은 유전적 동일성을 보였다(Table 6). 또한, AS1는 Aeromonas hydrophila, AW3-2는 Citrobacter mufliniae로 99% 이상 매우 높은 유전적 연관성을 나타내었다. 하지만 BS2는 Enterobacter ludwigii와 94%의 비교적 낮은 유전적 동일성을 보였다(Table 7).
- 소멸반응기가 처리 가동 30일과 90일 후에 woodchip과 스폰지의 세공을 관찰한 결과, 세공구조의 표면에 미생물들이 부착되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 반응기가 가동되는 동안 관찰된 미생물의 개체수는 일정하게 유지되는 것으로 확인되었고, 이 결과는 음식물쓰레기의 소멸반응기가 안정화 단계로 접어든 것으로 판단되었다.
- BS2는 95% 이하의 유전적 동일성을 보였기 때문에 지금까지 알려지지 않았던 새로운 종의 가능성이 높다고 판단되어 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다. 상기의 분리 및 동정의 결과로부터 소멸반응기내의 미생물 생태계가 유용미생물이 우점종이 되는 생태로 전환되고 있음을 알 수 있었다.
- 3은 시간에 따른 무게의 변화를 나타낸 것이다. 소멸반응기가 100일 가동 후 음식물 처리장치의 무게를 측정한 결과, 100일 동안 소멸반응기에 투입된 음식물쓰레기의 총 누적량이 75,162 g이었고 잔류된 양은 880 g으로 감소하여 총 감량된 무게비는 약 99%였다. 이것은 투입되는 음식물쓰레기내 유기성 기질의 유입 부하량이 증가할수록 액상소멸(slurry phase)이 잘 진행되고 있으며, 생물학적 CO2 발생량이 증가한 것으로 해석될 수 있다.
- 2에서 관찰된 바와 같이, woodchip과 스폰지는 미세한 구조의 세공이 다량 존재하는 형태를 지니고 있어 음식물쓰레기가 분해과정에서 미생물의 증식과 서식이 가능한 구조를 가지고 있다. 소멸반응기가 처리 가동 30일과 90일 후에 woodchip과 스폰지의 세공을 관찰한 결과, 세공구조의 표면에 미생물들이 부착되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 반응기가 가동되는 동안 관찰된 미생물의 개체수는 일정하게 유지되는 것으로 확인되었고, 이 결과는 음식물쓰레기의 소멸반응기가 안정화 단계로 접어든 것으로 판단되었다.
- 이 실험에서는 woodchip과 스폰지로 구성된 음식물쓰레기의 소멸반응기내에 음식물쓰레기를 투입한 후 감량효과를 관찰하였다. 실험기간 동안의 온도변화는 20-23℃로 거의 일정하지만, 음식물쓰레기의 초기 주입시 유기물농도가 증가함에 따라 온도가 2-3℃ 정도 증가하는 것으로 관찰되었다. Fig.
- 이들 미생물 개체수가 반응 15일 후에 일정한 개체수를 유지되었고 소멸반응기내의 미생물 생태계가 유용미생물이 우점종이 되는 환경으로 전환되고 있음을 확인하였다. 위의 결과들은 음식물쓰레기의 감량뿐만 아니라, 미생물에 의한 유기물 분해도 동시에 이루어지고 있는 것으로 생각된다.
- 7은 음식물쓰레기의 소멸반응에 관여된 미생물의 종에 대해 조사한 실험결과를 나타낸 것이다. 음식물 첨가 전 일반세균은 전반적으로 가동 초기부터 15일까지 서서히 증가하는 추세를 보였다. 하지만 MRS배지로 표현된 유용한 유산균의 경우, 반응기의 가동 초기에 약간 감소하다가 음식물쓰레기의 소멸반응이 안정화됨에 따라 점차 증가하는 추세를 보였다.
- 이와 더불어 COD, BOD, SS, T-N 및 T-P의 농도도 점차적으로 감소하는 것으로 나타났다. 음식물쓰레기의 소멸반응이 진행됨에 따른 다양한 미생물들의 존재를 동정 및 확인하였으며, 이를 통해 분리/확인된 7종의 미생물 중 효모균인 Saccharomyces cerevisiae를 제외한 6종의 세균은 간균으로 관찰되었다. 이들 미생물 개체수가 반응 15일 후에 일정한 개체수를 유지되었고 소멸반응기내의 미생물 생태계가 유용미생물이 우점종이 되는 환경으로 전환되고 있음을 확인하였다.
- 1 × 106 cell/mL로 증가하였다. 이 결과는 음식물쓰레기 첨가 전, 초기 woodchip에 존재하는 미생물보다 약 155배 증가되었음을 보여주었다. 소멸반응 15일 이후부터는 증식된 개체수가 일정하게 유지되는 것으로 관찰되어 음식물쓰레기의 분해가 일정한 안정화의 단계로 진입된 것으로 생각된다.
- 음식물쓰레기의 소멸반응이 진행됨에 따른 다양한 미생물들의 존재를 동정 및 확인하였으며, 이를 통해 분리/확인된 7종의 미생물 중 효모균인 Saccharomyces cerevisiae를 제외한 6종의 세균은 간균으로 관찰되었다. 이들 미생물 개체수가 반응 15일 후에 일정한 개체수를 유지되었고 소멸반응기내의 미생물 생태계가 유용미생물이 우점종이 되는 환경으로 전환되고 있음을 확인하였다. 위의 결과들은 음식물쓰레기의 감량뿐만 아니라, 미생물에 의한 유기물 분해도 동시에 이루어지고 있는 것으로 생각된다.
- 1%로 감소하고 이후 일정하게 유지되는 것으로 측정되었는데, 이것은 분사된 물에 의해 희석된 결과라고 생각된다. 이상에서 측정된 수질 분석결과는 미생물에 의한 유기물의 분해 정도가 원활하게 진행되고 있음을 의미한다.
- 100일 실험기간 동안 음식물쓰레기의 무게변화는 누적된 총 음식물쓰레기량 대비하여 약 99%까지 감소하였고, 잔류된 약 1%는 음식물쓰레기내에 내재된 생물유래의 난분해성 물질이 축적된 결과로 생각된다. 이와 더불어 COD, BOD, SS, T-N 및 T-P의 농도도 점차적으로 감소하는 것으로 나타났다. 음식물쓰레기의 소멸반응이 진행됨에 따른 다양한 미생물들의 존재를 동정 및 확인하였으며, 이를 통해 분리/확인된 7종의 미생물 중 효모균인 Saccharomyces cerevisiae를 제외한 6종의 세균은 간균으로 관찰되었다.
- 하지만 MRS배지로 표현된 유용한 유산균의 경우, 반응기의 가동 초기에 약간 감소하다가 음식물쓰레기의 소멸반응이 안정화됨에 따라 점차 증가하는 추세를 보였다. 조사된 일반세균, 유산균, 곰팡이균은 반응 초기보다 전반적으로 10-100배 높은 생균수를 유지하였다. 따라서 소멸반응기내에 투입된 음식물쓰레기는 이들 미생에 의해 소멸될 수 있었음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 17~19) 여기에 더하여 최근에 환경부에서 고시된 자료에 의하면 하수도법 제33조 제2항에 의거하여 주방에서 발생하는 음식물 찌꺼기 등을 분쇄하여 오수와 함께 배출하는 주방용 오물 분쇄기의 판매와 사용을 금지하고 있다.20) 하지만 음식물쓰레기의 친환경적인 미생물 발효/소멸처리방법에 관한 국내외연구는 미미한 실정으로 보다 과학적인 연구가 필요하다.
- 하지만 BS2는 Enterobacter ludwigii와 94%의 비교적 낮은 유전적 동일성을 보였다(Table 7). BS2는 95% 이하의 유전적 동일성을 보였기 때문에 지금까지 알려지지 않았던 새로운 종의 가능성이 높다고 판단되어 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다. 상기의 분리 및 동정의 결과로부터 소멸반응기내의 미생물 생태계가 유용미생물이 우점종이 되는 생태로 전환되고 있음을 알 수 있었다.
- 또한, pH, 염분농도, TN, TP 및 COD 등 수질 성상의 변화도 평가하였다. 그래서 이 연구는 음식물쓰레기의 감량에 관한 연구를 통해 보다 과학적이고 체계적인 연구결과를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
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