본 연구에서는 바이오매스 폐기물인 Corynebacterium glutamium을 Alg를 이용한 고정화와 PEI 표면개질 과정을 통하여 유해 미세조류인 Microcystis aeruginosa를 제거할 수 있는 흡착소재인 PEI-AlgBF를 개발하였다. 녹조의 발생단계에 상관없이 PEI-AlgBF는 수계로부터 M. aeruginosa를 성공적으로 제거할 수 있었으며 유해조류 제거과정에서 M. aeruginosa 세포의 파괴를 유발하지 않았다. 흡착소재의 표면적은 M. aeruginosa의 제거효율에 매우 큰 영향을 주는 주요인자로 확인할 수 있었다. PEI-AlgBF를 사용한 M. aeruginosa 흡착/제거 방식은 기존 기술에 비하여 환경영향성이 낮기 때문에 보다 안전하고 안정적인 유해조류의 제어 방식이 될 것이다.
본 연구에서는 바이오매스 폐기물인 Corynebacterium glutamium을 Alg를 이용한 고정화와 PEI 표면개질 과정을 통하여 유해 미세조류인 Microcystis aeruginosa를 제거할 수 있는 흡착소재인 PEI-AlgBF를 개발하였다. 녹조의 발생단계에 상관없이 PEI-AlgBF는 수계로부터 M. aeruginosa를 성공적으로 제거할 수 있었으며 유해조류 제거과정에서 M. aeruginosa 세포의 파괴를 유발하지 않았다. 흡착소재의 표면적은 M. aeruginosa의 제거효율에 매우 큰 영향을 주는 주요인자로 확인할 수 있었다. PEI-AlgBF를 사용한 M. aeruginosa 흡착/제거 방식은 기존 기술에 비하여 환경영향성이 낮기 때문에 보다 안전하고 안정적인 유해조류의 제어 방식이 될 것이다.
As the occurrence of harmful algal blooms (HABs) have become severe in precious water resources, the development of efficient harmful algae treatment methods is considering as an important environmental issue for sustainable conservation of water resources. To treat HABs in water resources, various ...
As the occurrence of harmful algal blooms (HABs) have become severe in precious water resources, the development of efficient harmful algae treatment methods is considering as an important environmental issue for sustainable conservation of water resources. To treat HABs in water resources, various conventional physical and chemical methods have been utilized and showed treatment efficiency, However, these methods can lead to discharging of cyanotoxins into the water bodies by chemical or physical algal cell lysis or destruction. Thus, to overcome this limitation, the development of safe HABs treatment methods is required. In the present study, adsorption technology was investigated for the removal of harmful algal species, Microcystis aeruginosa from aqueous phases. Industrial waste biomass, Corynebacterium glutamicum biomass was valorized as biosorbent (PEI-modified alginate/biomass composite fiber; PEI-AlgBF) for M. aeruginosa through immobilization with alginate matrix and cationic polymer (polyethylenimine; PEI) coating. The functional groups characteristic of PEI-Alg was determined using FT-IR analysis. By adsorption process used PEI-AlgBF, 52 and 67% of M. aeruginosa could be removed under the initial density of M. aeruginosa 200×104 cells mL-1 and 50×104 cells mL-1, respectively. As the increasing surface area of PEI-AlgBF, the removal efficiency was increased. In addition, we could find that adsorptive removal of M. aeruginosa has occurred without any M. aeruginosa cell lysis and destruction.
As the occurrence of harmful algal blooms (HABs) have become severe in precious water resources, the development of efficient harmful algae treatment methods is considering as an important environmental issue for sustainable conservation of water resources. To treat HABs in water resources, various conventional physical and chemical methods have been utilized and showed treatment efficiency, However, these methods can lead to discharging of cyanotoxins into the water bodies by chemical or physical algal cell lysis or destruction. Thus, to overcome this limitation, the development of safe HABs treatment methods is required. In the present study, adsorption technology was investigated for the removal of harmful algal species, Microcystis aeruginosa from aqueous phases. Industrial waste biomass, Corynebacterium glutamicum biomass was valorized as biosorbent (PEI-modified alginate/biomass composite fiber; PEI-AlgBF) for M. aeruginosa through immobilization with alginate matrix and cationic polymer (polyethylenimine; PEI) coating. The functional groups characteristic of PEI-Alg was determined using FT-IR analysis. By adsorption process used PEI-AlgBF, 52 and 67% of M. aeruginosa could be removed under the initial density of M. aeruginosa 200×104 cells mL-1 and 50×104 cells mL-1, respectively. As the increasing surface area of PEI-AlgBF, the removal efficiency was increased. In addition, we could find that adsorptive removal of M. aeruginosa has occurred without any M. aeruginosa cell lysis and destruction.
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문제 정의
aeruginosa는 흡착소재가 가지고 있는 아민기와 같은 양전하를 띠는 흡착작용기에 정전기적 인력으로 흡착될 수 있다. 따라서, 이러한 가정을 기반으로 본 연구에서는 유해 미세조류 M. aeruginosa 제거하기 위한 양이온성 흡착소재 개발 및 이를 이용한 M. aeruginosa 제거 효율을 평가하였다. 흡착소재의 원료로서 아미노산 생산 공정에서 대량 발생하고 있는 C.
본 연구에서는 바이오매스 폐기물인 Corynebacterium glutamium을 Alg를 이용한 고정화와 PEI 표면개질 과정을 통하여 유해 미세조류인 Microcystis aeruginosa를 제거할 수 있는 흡착소재인 PEI-AlgBF를 개발하였다. 녹조의 발생단계에 상관없이 PEI-AlgBF는 수계로부터 M.
aeruginosa와 같은 남조류의 농도에 따라 녹조 경보 단계를 달리하고 있다. 이러한 녹조 발생 단계에 따라 흡착소재의 적용 가능성을 평가 하기 위하여 다른 녹조 발생 단계(경계와 대발생 단계)에해당하는 M. aeruginosa 세포양이 존재하는 조건에서 PEI-AlgBF의 M. aeruginosa 제어 가능성을 평가하였다. Fig.
가설 설정
PEI-AlgBF의 두께는 18 G > 20 G > 22 G > 25 G의 니들 조건 순서에 따라 감소하였다. 각 소재의 표면적을 비교하기 위하여 모든 소재가 동일한 부피를 갖는다고 가정하였고 현미경 관찰을 통하여 얻어진 각 PEI-AlgBF의 두께를 고려하여 다음의 원통의 부피식을 통하여 각 소재가 가질수 있는 소재의 길이(L)와 표면적(S)를 계산하였다.
제안 방법
세척이 완료된 AlgBF를 1 L의 PEI 용액(2% w/v)에 넣고 6시간 동안 반응시켰다. PEI 개질 후, AlgBF를 용액으로부터 분리하고 잔류하고 있는 PEI 용액을 제거하기 위하여 증류수를 사용하여 1회 세척하고 1 L의 GA 용액(0.6 mL L-1)에 넣어주어 4시간 동안 가교반응을 진행하였다. 가교반응이 완료된 후, PEI-AlgBF를 용액과 분리하고 증류수를 사용하여 3회 세척해 주었다.
PEI를 사용하여 개질된 PEI-AlgBF의 표면 작용기 변화를 관찰하기 위하여 AlgBF와 PEI-AlgBF의 FT-IR 분석결과를 비교하였다. 650~1800 cm-1의 파장에서 보인 AlgBF와 PEI-AlgBF의 FT-IR 스펙트럼은 Fig.
그 후, 150 mL 증류수와 혼합 하여 M. aeruginosa의 초기 세포밀도를 녹조 경계단계 ((50.0±5.7)×104 cells mL-1) 또는 대발생 단계((200.0± 11.9)×104 cells mL-1)로 조정해 주었다.
동결건조된 M. aeruginosa 처리 전·후의 PEI-AlgBF는 진공상태에서 60초간 백금코팅(4 nm)을 진행한 후, FE-SEM (Quanta 250 FEG, FEI, USA)기기를 사용하여 소재의 표면을 관찰하였다.
glutamicum 바이오매스를 생체고분자인 알지네이트(alginate)와 혼합하여 섬유형태(alginate/biomass composite fiber; AlgBF)로 고형화하였다. 또한, 양이온성 작용기인 아민기를 다량 함유하고 있는 PEI를 소재 표면에 코팅하여 PEI-modified AlgBF (PEI-AlgBF)를 제조하여 M. aeruginosa의 제거효율을 평가하였다.
aeruginosa를 흡착할 수 있는 양이온성 작용기인 아민기가 상대적으로 증가했음을 예상할 수 있다. 실제 PEI-AlgBF의 M. aeruginosa에 대한 제거 효과를 확인하기 위하여 PEI-AlgBF와 함께 M. aeruginosa 배양하면서 흡착성능을 평가해 보았다.
제조된 AlgBF와 PEI-AlgBF의 표면 작용기특성을 Fourier transfer infrared spectrometer (FT-IR) (Cary 630 FT-IR, Agilent, USA)를 사용하여 분석하였다. FT-IR 분석은 650~4000 cm-1의 파장 영역에서 진행되었으며 Attenuated total reflectance (ATR) 방식을 사용하였다.
준비된 Alg 용액에 분말 상태의 C. glutamicum 바이오매스(<50 μm) 분말을 혼합하여 Alg/biomass 혼합용액(Alg : biomass = 3 : 7 in suspension)을 제조하고 바이오매스가 균일하게 분산할 수 있도록 12시간 동안 교반하였다.
aeruginosa 용액에 투입시켰으며 우선배양의 조건과 동일한 공기주입속도, 광량 및 온도의 조건에서 배양해 주었다. 흡착 제거 평가 시, 흡착소재를 넣지 않은 샘플을 대조군(control)으로 설정하였으며 정해진 시간 간격으로 샘플링을 진행하여 용액 내 존재하는 M. aeruginosa 세포의 수를 hemacytometer를 이용하여 측정하였다. 모든 흡착 제거 평가는 3회 반복 실험을 진행하여 주었다.
glutamicum을 사용하였다. 흡착과정 후 간단 하고 효과적인 흡착소재 분리, 회수를 위하여 C. glutamicum 바이오매스를 생체고분자인 알지네이트(alginate)와 혼합하여 섬유형태(alginate/biomass composite fiber; AlgBF)로 고형화하였다. 또한, 양이온성 작용기인 아민기를 다량 함유하고 있는 PEI를 소재 표면에 코팅하여 PEI-modified AlgBF (PEI-AlgBF)를 제조하여 M.
흡착을 통한 M. aeruginosa의 제거 평가를 위하여 먼저 BG11 배지에서 0.15 L min-1의 공기주입속도, 50 μmol m-2의 광량 및 25°C의 조건에서 M. aeruginosa를 배양하였다.
대상 데이터
aeruginosa KW) 균주는 왕송저수지에서 동정된 것으로 한국생명공학연구원 (Korea Institute of Bioscience and Biotechnology; KRIBB)의 안치용 박사님이 분양해 준 것을 사용하였다. M. aeruginosa 배양에는 BG11 배지가 사용되었으며, 배지의 조성은 Table 1에 표시하였다.
본 연구에서 사용한 흡착소재의 원료인 바이오매스 폐기물 (C. glutamicum)은 아미노산 생산공정에서 발생한 것으로 (주)대상(Daesang Co., Gunsan, Korea)에서 사멸처리 후 건조된 분말 형태로 제공받았다. 소재의 고정화와 표면개질을 위해서, sodium alginate (Alg, >98%, Junsei Chemical Co.
, Japan), Calcium chloride (CaCl2; MP Biomedicals, CA, USA)를 사용했다. 섬유형태의 흡착소재 제조에는 방사용 니들(Taeha Co., Seoul, Korea)이 이용되었다. 자세한 제조방법은 “2.
소재의 고정화와 표면개질을 위해서, sodium alginate (Alg, >98%, Junsei Chemical Co., Japan, Japan), PEI (branched form, 50% in H2O, M.W.~750,000; Sigma-Aldrich, MO, USA), Glutaraldehyde (GA, 25 wt.%; Junsei Chemical Co., Japan), Calcium chloride (CaCl2; MP Biomedicals, CA, USA)를 사용했다.
glutamicum 바이오매스(<50 μm) 분말을 혼합하여 Alg/biomass 혼합용액(Alg : biomass = 3 : 7 in suspension)을 제조하고 바이오매스가 균일하게 분산할 수 있도록 12시간 동안 교반하였다. 준비된 Alg/biomass 혼합 용액을 방사용 니들을 통해 3% w/v의 CaCl2 용액에 방사하여 섬유형태의 AlgBF를 제조하였다. 제조된 AlgBF는 잔류하고 있는 CaCl2 용액을 제거하기 위하여 증류수를 사용 하여 3회 세척하여 주었다.
타겟 오염물질인 M. aeruginosa (M. aeruginosa KW) 균주는 왕송저수지에서 동정된 것으로 한국생명공학연구원 (Korea Institute of Bioscience and Biotechnology; KRIBB)의 안치용 박사님이 분양해 준 것을 사용하였다. M.
aeruginosa 제거 효율을 평가하였다. 흡착소재의 원료로서 아미노산 생산 공정에서 대량 발생하고 있는 C. glutamicum을 사용하였다. 흡착과정 후 간단 하고 효과적인 흡착소재 분리, 회수를 위하여 C.
이론/모형
제조된 AlgBF와 PEI-AlgBF의 표면 작용기특성을 Fourier transfer infrared spectrometer (FT-IR) (Cary 630 FT-IR, Agilent, USA)를 사용하여 분석하였다. FT-IR 분석은 650~4000 cm-1의 파장 영역에서 진행되었으며 Attenuated total reflectance (ATR) 방식을 사용하였다. M.
FT-IR 분석은 650~4000 cm-1의 파장 영역에서 진행되었으며 Attenuated total reflectance (ATR) 방식을 사용하였다. M. aeruginosa의 처리 전과 후의 흡착소재 표면은 Field emission scanning electronmicroscope (FE-SEM)을 사용하여 관찰하였다. 동결건조된 M.
성능/효과
aeruginosa와 PEI-AlgBF가 가지는 양이온성 작용기인 아민기와 정전기적 인력으로 인한 것으로 보인다. FT-IR 분석 결과에서 양이온성 작용기인 아민기를 다량함유하고 있는 PEI 분자가 PEI-AlgBF에 코팅되어 있다는 사실을 알았다. M.
본 연구에서는 바이오매스 폐기물인 Corynebacterium glutamium을 Alg를 이용한 고정화와 PEI 표면개질 과정을 통하여 유해 미세조류인 Microcystis aeruginosa를 제거할 수 있는 흡착소재인 PEI-AlgBF를 개발하였다. 녹조의 발생단계에 상관없이 PEI-AlgBF는 수계로부터 M. aeruginosa를 성공적으로 제거할 수 있었으며 유해조류 제거과정에서 M. aeruginosa 세포의 파괴를 유발하지 않았다. 흡착소재의 표면적은 M.
또한, M. aeruginosa를 흡착한 후의 PEI-AlgBF의 FE-SEM 관찰결과(Fig. 3)를 살펴보면 흡착소재 표면에 흡착된 구형의 M. aeruginosa 세포를 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 PEI-AlgBF를 사용한 M.
그 강도가 감소함과 동시에 피크의 이동이 관찰된 1,405 cm-1의 피크 역시 이온화된 카르복실기의 감소를 뜻한다. 본 FT-IR 결과를 통하여 PEI-AlgBF의 표면에 양이온성 고분자인 PEI가 잘 코팅되어 있고 그에 따라 M. aeruginosa를 흡착할 수 있는 양이온성 작용기인 아민기가 상대적으로 증가했음을 예상할 수 있다. 실제 PEI-AlgBF의 M.
51 mm2 (25 G)로 계산되었다. 소재의 두께가 얇을수록 소재의 길이와 표면적이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있었으며 소재의 표면적이 증가할수록 M. aeruginosa의 제거 효과도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
aeruginosa의 제거 효과를 비교한 결과를 도시한 것이다. 소재의 표면적이 가장 낮은 18 G 니들 조건에서 제조된 PEI-AlgBF는 흡착소재 적용 후 24시간이 경과했음에도 불구하고 초기 세포 수 대비 16.6%의감소율만 보였으며 표면적이 가장 넓은 25 G의 니들을 사용하여 제조된 PEI-AlgBF는 같은 처리 시간 동안 18 G와 대비하여 3.3배 높은 M. aeruginosa 제거율(55.5%)을 기록했으며 두 결과에 대한 p 값은 0.01이었다. 이는 소재의 표면적이 넓을수록 PEI로 개질되는 흡착소재의 면적이 증가하여 두꺼운 소재에 비하여 더 높은 양전하를 띨 수 있기 때문으로 보인다.
aeruginosa 세포를 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 PEI-AlgBF를 사용한 M. aeruginosa의 제거과정에서 세포의 파괴가 유발되지 않는다는 것을 의미하며 이는 곧 M. aeruginosa의 제거과정에서 조류독성물질의 배출이 일어나지 않는다는 것을 의미할 수 있다.
aeruginosa 세포의 파괴를 유발하지 않았다. 흡착소재의 표면적은 M. aeruginosa의 제거효율에 매우 큰 영향을 주는 주요인자로 확인할 수 있었다. PEI-AlgBF를 사용한 M.
후속연구
aeruginosa의 제거효율에 매우 큰 영향을 주는 주요인자로 확인할 수 있었다. PEI-AlgBF를 사용한 M. aeruginosa 흡착/제거 방식은 기존 기술에 비하여 환경영향성이 낮기 때문에 보다 안전하고 안정적인 유해조류의 제어 방식이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수자원에 발생한 유해조류 처리를 위하여 물리, 화학적 방법을 사용했을 때의 문제점은 무엇인가?
2018). 하지만, 이러한 방법은 수생태계에 영향을 줄 수 있는 2차 부산물의 형성, 고비용의 시설투자 및 운용비 등의 문제가 있다(Guan et al. 2014). 또한, 유해 미세조류의 처리과정 시 세포구조의 파괴를 동반하기 때문에 미세조류 세포 내에 존재하는 조류 독성물질의 배출을 촉진시킬 위험이 있다(Kim et al. 2018).
최근 수자원의 안정성을 위협하는 요인으로 무엇이 있는가?
2008). 최근 지구온난화로 인한 수온상승, 점/비점오염원으로부터 유입되는 과도한 양의 영양염류(nutrients)로 인한 수계의 부영양화(eutrophication), 그리고 인위적인 수역변화로 인하여 이러한 녹조현상의 발생의 빈도와 정도가 심화되면서 수자원의 안정성이 위협받고 있다. 유해 남조류의 대규모 증식은 수변환경의 미관을 해치고 악취를 유발시키는 등 1차적인 피해와 더불어 수계 내 산소 고갈로 인한 어류의 폐사, 먹이사슬 교란과 같은 환경 문제를 발생시킬 수 있다 (Kim et al.
녹조현상이란 무엇인가?
녹조현상이라 부르는 유해 미세조류의 대발생(Harmful algal bloom)은 Microcystis sp.나 Anabaena sp.와 같은 남조류(Cyanobacteria)가 수중 생태계에서 급격하게 증식하는 현상을 말한다(Paerl et al. 2001; Fahnenstiel et al.
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