[논문]기질에 따른 미생물 전해 전지-혐기성 소화의 미생물 군집 특성

이채영; 한선기

doi:10.7316/khnes.2019.30.3.269

기질에 따른 미생물 전해 전지-혐기성 소화의 미생물 군집 특성
Effect of Substrates on the Microbial Communities in a Microbial Electrolysis Cell and Anaerobic Digestion Coupled System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.3, 2019년, pp.269 - 275

이채영 (수원대학교 토목공학과.하천환경기술연구소) , 한선기 (한국방송통신대학교 환경보건학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to evaluate the microbial communities in coupled system of a microbial electrolysis cell and an anaerobic digestion. Glucose, butyric acid, propionic acid and acetic acid were used as substrates. The maximum methane production and methane production rate of propionic acid respectively were $327.9{\pm}6.7mL\;CH_4/g\;COD$ and $28.3{\pm}3.1mL\;CH_4/g\;COD{\cdot}d$, which were higher than others. Microbial communities' analyses indicated that acetoclastic methangens were predominant in all systems. But the proportion of hydrogenotrophic methanogens was higher in the system using propionic acid as a substrate when compared to others. In coupled system of a microbial electrolysis cell and anaerobic digestion, the methane production was higher as the distribution of hydrogen, which was generated by substrate degradation, and proportion of hydrogenotrophic methanogens was higher.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of reactor
그림 Fig. 2. Methane production with different substrates
그림 Fig. 3. Methane production rate with different substrates
그림 Fig. 4. Taxonomic composition of microorganisms in reactors 다. 이러한 결과는 생물전기화학적 기술이 메탄을 생

AI 본문요약
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문제 정의

4) 본 연구는 혐기성 소화의 단점을 보완하기 위해 생물전기화학적 기술을 접목하였으며 이에 따른 기질별 특성을 평가하였다. 이는 향후 혐기성 소화를 이용한 에너지 생산 향상에 관한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
그러나 동일한 조건에서 기질에 따른 전극내 부착된 메탄 생성 미생물의 군집 평가를 진행한 사례는 미비하다. 따라서 본 연구에서는 회분식 반응기를 이용하여 인가전압, 전극의 종류 및 형태를 고정하고 기질을 달리하여 이에 따른 미생물 군집을 평가하였다.
본 연구는 생물전기화학적 혐기성 소화시 기질에 따른 메탄 발생량, 최대 메탄 발생 속도 및 메탄 생성 미생물의 군집 평가를 수행하였다. 그 결과는 아래와 같다.

제안 방법

이후 MacrogenInc. (Seoul, Korea)에 의뢰하여 400 bp 시퀀싱 분석이 가능한 454 pyrosequencing 플랫폼(Roche GS FLX454 pyrosequencing platform)을 이용하였으며 미생물 군집 정량 평가를 수행하였다.
전극에 부착된 미생물 군집의 변화를 평가하기 위해 반응이 종료된 이후 중력 농축을 수행하고 상등수를 배출한 다음 2차로 기질을 투입하였다. 3차 기질 투입은 2차와 동일한 방법으로 수행하였다.
혐기성 분해 단계에 따라 기질을 선정하였으며 이에 따른 생물전기화학적 혐기성 소화의 미생물 군집을 평가를 수행하였다. 그 결과에 따르면 혐기성 분해시 발생하는 수소에 따라 hydrogenotrophic methanogens에 의한 메탄 생성 비율이 높아진 것으로 판단된다.

대상 데이터

3차 기질을 투입 후 반응이 종료된 상태에서 전극에 부착된 미생물을 대상으로 수행하였다. 미생물 분석용 시료는 분석하기 전까지 -20℃에서 보관하였다.
본 연구에서 기질은 혐기성 분해 단계에서 발생하는 부산물에 따라 포도당, 낙산, 프로피온산 및 초산을 이용하였다. 실험시 기질 농도에 따른 영향을 줄이기 위해 2.
본 연구에서 식종 미생물은 H시에 하수처리시설의 소화조 유출수를 활용하였다. 소화조의 유출수를 식종 미생물로 이용하기 위해 4 mm 체를 이용하여 불순물을 제거하였다.

이론/모형

기질의 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD), 식종 미생물의 총 고형물(total solids,TS) 및 휘발성 고형물(volatile solids, VS)은 standard methods에 준하여 분석하였다¹⁸⁾.
환원전극은 질산을 이용하여 전처리된 탄소나노튜브를 이용하였다. 산화전극과 환원전극의 자세한 제조 과정은 Han과 Lee¹⁷⁾의 결과를 참조하였다.

성능/효과

1) 포도당, 낙산, 프로피온산 및 초산을 이용하여 생물전기화학적 혐기성 소화 특성을 평가하였으며 프로피온산의 메탄 발생량과 최대 메탄 발생 속도가 가장 높은 것으로 나타났다.
2) 프로피온산의 메탄 발생량 및 최대 메탄 발생속도가 가장 높게 나타난 것은 수소를 이용하여 메탄을 생성하는 hydrogenotrophic methanogens의 비율이 가장 높은 것에 기인한다.
3) 프로피온산이 혐기성 분해시 발생되는 수소의 비율이 다른 기질에 높아 hydrogentrophic methanogens의 비율이 높은 것으로 판단되며 이로 인해 메탄 발생량 및 속도가 가장 높게 나타난 것으로 판단된다.
미생물 군집 평가 결과에 따르면 고세균(archaebacteria) 중 메탄 생성에 관여하는 미생물은 크게 4종이 검출되었다. Hydrogenotrophic methanogens은 Methanospirilluim과 Methanoclulleus, acetoclastic methanogens은 Methanosaeta와 Methanosarcina 종이 검출되었다.
반면에 초산을 이용하는 경우에 대해서는 생물전기화학적 혐기성 소화의 효율이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 생물전기화학적 기술이 메탄을 생성하는 미생물 중 hydrogenotrophic methanogens에 활성도를 향상시키는 역할을 한 것으로 판단된다.
5배 이상 증가하였다. 즉, 메탄 생성과정에서 수소의 생성량이 많을수록 hydrogenotrophic methanogens의 비율이 높게 나타난 것으로 판단되며 이로 인해 메탄 발생량과 최대 메탄 발생 속도가 높은 것으로 나타났다.
포도당을 기질로 이용하는 경우 acetoclastic methanogens은 48.2%로 Methanosaeta가 25.1%로 가장 높게 나타났으며 Methanosarcina가 23.1%로 유사하게 나타났다. Hydrogenotrophic methanogens은 전체 고세균 중 25.

후속연구

4) 본 연구는 혐기성 소화의 단점을 보완하기 위해 생물전기화학적 기술을 접목하였으며 이에 따른 기질별 특성을 평가하였다. 이는 향후 혐기성 소화를 이용한 에너지 생산 향상에 관한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혐기성 소화는 무엇인가?	혐기성 소화는 유기성 폐기물의 감량화와 안정화를 가능하게 할 뿐만 아니라 바이오가스를 생산할 수 있는 기술이다. 그러나 혐기성 소화는 낮은 소화 효율, 긴 수리학적 체류시간(hydraulic retention time,HRT) 등과 같은 단점을 가지고 있다1-3).
	혐기성 소화의 단점은 무엇인가?	혐기성 소화는 유기성 폐기물의 감량화와 안정화를 가능하게 할 뿐만 아니라 바이오가스를 생산할 수 있는 기술이다. 그러나 혐기성 소화는 낮은 소화 효율, 긴 수리학적 체류시간(hydraulic retention time,HRT) 등과 같은 단점을 가지고 있다1-3).
	전력 공급 장치를 구성하는데 있어 산화전극과 환원전극은 어떻게 구성하였는가?	1과 같이 전력 공급 장치(PWS-3003D, Proteck, Japan)를 구성하였다. 산화전극은 탄소나노튜브(carbon nano-tube)와 팽창 흑연(expanded graphite)을 2:1 비율로 혼합하여 질산을 이용하여 전처리하였다. 환원전극은 질산을 이용하여 전처리된 탄소나노튜브를 이용하였다. 산화전극과 환원전극의 자세한 제조 과정은 Han과 Lee17)의 결과를 참조하였다.

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원문보기 상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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