[논문]혼합미생물배양체를 이용한 폐활성슬러지 가용화 산물로부터 polyhydroxyalkanoate 생합성

박태준; 유영재; 정동훈; 이선희; 이영하

doi:10.7845/kjm.2017.7055

혼합미생물배양체를 이용한 폐활성슬러지 가용화 산물로부터 polyhydroxyalkanoate 생합성
Biosynthesis of polyhydroxyalkanoate by mixed microbial cultures from hydrolysate of waste activated sludge 원문보기

Korean journal of microbiology = 미생물학회지, v.53 no.3, 2017년, pp.200 - 207

박태준 (충남대학교 미생물.분자생명과학과) , 유영재 (충남대학교 미생물.분자생명과학과) , 정동훈 (충남대학교 미생물.분자생명과학과) , 이선희 (충남대학교 미생물.분자생명과학과) , 이영하 (충남대학교 미생물.분자생명과학과)

초록
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SA-TSA 복합구를 이용해 폐활성슬러지로부터 VFAs를 생산하고, 이를 발효 기질로 이용해 PHA를 생산하기 위한 실험을 수행하였다. 30%의 SA-TSA 복합구를 처리하였을 때 폐활성슬러지의 가용화 효율이 가장 효과적으로 일어나서 약 3,900 mg/L의 SCOD값을 얻었으며, acetic acid, propionic acid, iso-butyric acid 및 butyric acid를 주성분으로 하는 2,961 mg/L 농도의 VFAs를 얻었다. VFAs를 외부탄소원으로 이용하는 SBR 공정을 통해 PHA를 생합성하는 미생물을 농화배양하는 실험을 수행하고 PCR-DGGE로 분석한 결과, 우점 미생물로 Vibrio spp.와 Corynebacterium glutamicum이 확인되었다. 폐활성슬러지로부터 얻은 VFAs를 탄소원으로 사용하여 농화된 혼합미생물배양체를 회분배양한 결과, 건체량의 25.9%에 달하는 PHB를 얻었다. 본 연구결과는 SA-TSA 복합구를 이용하여 폐활성슬러지로부터 VFAs를 얻음으로써 폐슬러지 감량화 효과를 얻고, 또 혼합미생물배양체를 이용하여 VFAs를 바이오폴리머로 전환함으로써 경제성을 확보할 수 있는 새로운 생물공정의 가능성을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new approach to the solubilization of waste activated sludge (WAS) using alginate-quaternary ammonium complex beads was investigated under controlled mild alkaline conditions. The complex beads were prepared by the reaction of sodium alginate (SA) with 3-(trimethoxysilyl)propyl-octadecyldimethylammonium chloride (TSA) in acid solution, followed by crosslinking with $CaCl_2$. Treatment of WAS with SA-TSA complex beads was effective for enhancing the efficacy of WAS solubilization. The highest value of soluble chemical oxygen demand (SCOD) concentration (3,900 mg/L) was achieved after 10 days of treatment with 30% (v/v) SA-TSA complex beads. The WAS solubilization efficacy of the complex beads was also evaluated by estimating the concentrations of volatile fatty acids (VFAs). The maximum value of VFAs was 2,961 mg/L, and the overall proportions of VFAs were more than 75% of SCOD. The main components of VFAs were acetic, propionic, iso-butyric, and butyric acids. These results suggest that SA-TSA complex beads might be useful for enhancing the solubilization of WAS. The potential use of VFAs as the external carbon substrate for the production of polyhydroxyalkanoate (PHA) by a mixed microbial culture (MMC) was also examined. The enrichment of PHA-accumulating MMC could be achieved by periodic feeding of VFAs generated from WAS in a sequencing batch reactor. The composition of PHA synthesized from VFAs mainly consisted of 3-hydroxybutyrate. The maximum PHA content accounted for 25.9% of dry cell weight. PHA production by this process is considered to be promising since it has a doubly beneficial effect on the environment by reducing the amount of WAS and concomitantly producing an eco-friendly biopolymer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 복합구의 성질은 폐활성슬러지의 가수분해 및 가용화(solubilization)에도 매우 유용할 것으로 기대되었다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 위에 기술한 복합구를 이용하여 폐활성슬러지로부터 VFAs를 수확하기 위한 방안을 모색하고, VFAs를 탄소원으로 이용하여 혼합배양체로부터 PHAs를 생산하기 위한 기초연구를 수행하였다. 안정적으로 VFAs로부터 PHAs를 생합성할 수 있는 혼합미생물배양체는 VFAs를 외부탄소원으로 이용한 SBR 공정을 통하여 획득하였으며, 이 과정 중 혼합배양체의 군집구조의 변화를 denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) 방법을 통하여 분석하였다.

제안 방법

이를 바탕으로 본 연구에서는 위에 기술한 복합구를 이용하여 폐활성슬러지로부터 VFAs를 수확하기 위한 방안을 모색하고, VFAs를 탄소원으로 이용하여 혼합배양체로부터 PHAs를 생산하기 위한 기초연구를 수행하였다. 안정적으로 VFAs로부터 PHAs를 생합성할 수 있는 혼합미생물배양체는 VFAs를 외부탄소원으로 이용한 SBR 공정을 통하여 획득하였으며, 이 과정 중 혼합배양체의 군집구조의 변화를 denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) 방법을 통하여 분석하였다.
앞서 가용화 산물로부터 만들어진 VFAs와 SBR 공정을 통해 PHA 생합성 균주가 농화배양된 혼합미생물배양체를 이용하여 PHA를 생산하기 위한 회분배양을 발효조에서 수행하였다. Figure 5에서 보는 바와 같이, 배양 24시간 이후 탄소원으로 공급된 VFAs가 모두 고갈되었으며, 그 때 생합성된 PHA의 양은 건체량의 25.

대상 데이터

5 mm 이었다. 본 실험에서의 SA와 TSA는 Aldrich Chemical Co.에서 구입하여 특별한 정제과정 없이 사용하였다.
본 연구에 사용된 폐활성슬러지 시료는 대전광역시 하수종말처리장의 농축조에서 채취하였으며, 4°C에서 하루 동안 침전시킨 후, 전체 부피의 50%에 해당되는 상등액을 제거함으로써 2배 농축하여 사용하였다. 농축된 폐활성슬러지의 성상은 총화학적산소요구량(total chemical oxygen demand, TCOD)이 14,300 mg/L, 용존성화학적산소요구량(soluble chemical oxygen demand, SCOD)이 110 mg/L, 총부유고형물(total suspended solid, TSS)의 농도는 14,130 mg/L, 휘발성부유고형물(volatile suspended solid, VSS)의 농도는 10,800 mg/L이었다.

데이터처리

PCR 증폭은 위에서 사용한 동일한 프라이머나, GC 클램프가 없는 프라이머를 사용하여 수행하였다. 확보된 염기서열은 National Center for Biotechnology Information (NCBI)의 Basic Local Alignment Search Tool (BLAST, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast/)에 등록되어 있는 database를 사용하여 비교하였다.

이론/모형

05 mg/L 이하를 유지하였다. 반응 중 폐활성슬러지의 가용화는 COD analyzer (HACH DR/3000 spectrophotometer)를 이용한 SCOD 측정으로 분석하였다. 생성된 VFAs 분석은 앞서 발표된 Lee 등(2009)의 방법에 따라 gas chromatograph (GC)를 이용하였다.

성능/효과

한편, 폐활성슬러지의 가용화는 SA-TSA 복합구의 처리에 의해 크게 증가하였다. SA-TSA 복합구의 양이 증가할수록 폐활성슬러지의 가용화도 증가하여, 30% 농도의 복합구 처리 10일이 경과한 뒤 최대 3,900 mg/L의 SCOD를 얻을 수 있었다. SA-TSA 복합구는 세포와의 접촉에 의해 살균효과를 나타내는 것으로 알려져 있다(Kim et al.
4). 이 6개밴드의 염기서열을 분석하여 NCBI의 BLAST를 이용하여 서열비교를 한 결과, 이 밴드들은 Vibrio sp., Vibrio furnisii 그리고 Corynebacterium glutamicum으로 동정 되었다(Table 1). 반면에 밴드3과 5는 알려진 미생물과의 상동성이 매우 낮게(< 90%) 나옴으로써, 구체적 동정이 불가능하였다.
, 2017). 이러한 결과는 SRB 공정이 혼합미생물배양체를 구성하는 미생물 중 PHA 생합성 능력이 우수한 균주들을 농화하기 위한 방법으로 효과적임을 보여준다.

후속연구

위와 같은 방법을 통하여 높은 농도의 VFAs를 생산하면 미생물 배양의 개선을 통하여 PHA 생산량을 증가시킬 수 있을 것이다. 또한 VFAs는 높은 농도에서 세포독성을 지니므로, 유가배양을 통하여 낮은 농도의 VFAs를 계속적으로 공급함으로써 일시에 VFAs를 공급하여 일어날수 있는 미생물 생장의 저해 효과를 낮추고 세포 내에 축적되는 PHA 함량도 높일 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
, 2007b). 이로 인해 SA-TSA 복합구는 폐활성슬러지를 가용화시키고 VFAs를 생산하는데 있어서도 반복 사용이 가능한 유용한 특징을 갖고 있지만, 농화된 혼합미생물배양체를 이용하여 PHA를 효율적으로 생산하기에는 반응액 내 VFAs의 농도를 높이는 방안을 고안해야 할 것으로 보인다. 앞서 보고된 Chen 등(2013)은 탈수시킨 고형물의 슬러지를 pH 9로 가용화시켜 약25,000 mg/L의 VFAs를 생산하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Polyhydroxyalkanoates이란 무엇인가?	Polyhydroxyalkanoates (PHAs)는 탄소 및 에너지원으로 사용하기 위하여 세균의 세포 내에 축적되는 저장성 고분자이다. PHAs를 구성하는 단위체인 (R)-hydroxyalkanoates의 탄소 사슬 길이에 기초하여 PHAs는 short-chain-length (SCL) PHAs와 medium-chain-length (MCL) PHAs로 구분된다(Kim et al.
	PHAs 생산에 혼합 미생물 배양체를 이용할 때 장점은 무엇인가?	최근 PHAs 생산비를 저감시키기 위한 방법으로서 오폐수 처리 과정 중 발생하는 폐활성슬러지(waste activated sludge)와 같은 혼합미생물배양체(mixed microbial culture)를 이용한 PHAs 생산에 많은 관심이 모아지고 있다. 혼합미생물배양체를 이용할 경우, 이미 고농도로 존재하는 폐활성슬러지 내 미생물을 직접 생산균주로 활용할 수 있으며, 또 PHA 생산공정 중 멸균 및 오염방지를 위해 소요되는 경비를 줄일 수 있다(Dias et al., 2006; Castilho et al.
	PHAs는 단위체의 탄소 사슬 길이에 따라 무엇으로 구분되는가?	Polyhydroxyalkanoates (PHAs)는 탄소 및 에너지원으로 사용하기 위하여 세균의 세포 내에 축적되는 저장성 고분자이다. PHAs를 구성하는 단위체인 (R)-hydroxyalkanoates의 탄소 사슬 길이에 기초하여 PHAs는 short-chain-length (SCL) PHAs와 medium-chain-length (MCL) PHAs로 구분된다(Kim et al., 2007a).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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