초록 ▼

본 연구의 최종목표는 혐기성 소화조에 서식하는 공생 아세트산 산화세균 [candidate syntrophic acetate oxidizing (SAO)] 인 Spirochaetes문의 분포/활성 및 생태학적 기능을 규명하여 혐기성 소화조의 효율을 높이는 것이다. 이를 위해, 1) 국내 8개 도시에 분포하는 하수처리장 혐기성 소화 슬러지 내 Spirochaetes 군집의 분포 및 아세테이트 분해 활성도를 조사하고, 2) 연구실 규모의 혐기성 소화조 운용을 통해 SAO 대사경로 및 메탄 생성균과의 생태학적 관계를 파악하여 최적의 메탄생

본 연구의 최종목표는 혐기성 소화조에 서식하는 공생 아세트산 산화세균 [candidate syntrophic acetate oxidizing (SAO)] 인 Spirochaetes문의 분포/활성 및 생태학적 기능을 규명하여 혐기성 소화조의 효율을 높이는 것이다. 이를 위해, 1) 국내 8개 도시에 분포하는 하수처리장 혐기성 소화 슬러지 내 Spirochaetes 군집의 분포 및 아세테이트 분해 활성도를 조사하고, 2) 연구실 규모의 혐기성 소화조 운용을 통해 SAO 대사경로 및 메탄 생성균과의 생태학적 관계를 파악하여 최적의 메탄생성을 위한 미생물 분포 조건을 규명하고자 하였다.
1차년도 연구과정을 통해, 서울시 4개 하수처리장 7개 혐기소화조로부터, 총 2분기에 걸쳐 총 21개의 혐기소화조슬러지 시료를 채취 완료하였으며, 세균 및 고세균 특이적 primer를 적용하여 고해상도 염기서열 분석법 (Pyrosequencing)을 수행, 채취된 21개 슬러지 시료 내 세균 및 고세균 군집의 16S rRNA 유전자 염기서열 분석 및 생물 정보 통계학적 기법을 적용하여 시료별 유사성 및 특이성 비교 완료하였다. 분석 결과, 시료별 세균 군집은 고세균 군집에 비해 높은 다양성을 보이는 것으로 관찰되었으며, 특히 고세균 군집은 특정 세균군집에 의한 분포가 나타나고 있을 것으로 사료되었다. 세균 및 고세균 군집의 시료별 군집 계통학적 분류체계를 분석한 결과, 세균 군집의 경우에는 매우 다양한 문에 속하는 세균들이 혐기소화조 별, 시료채취 기간별 변화가 관찰되었지만, 고세균 군집의 경우에는, Acetoclastic 메탄생성세균에 속하는 염기서열들만이 다수 관찰되었다. 하지만, 서남 2처리장의 경우 다른 처리장과는 상이한 고세균 군집 분포가 관찰되었는데, 이는 아마도 고온으로 운전되고 있었기 때문에 관찰된 결과일 것으로 사료되었다. 다변량 통계분석법인 NMDS 분석 결과, 세균군집의 분포양상은 2011년 선행연구 당시에 분포하였던 세균 군집구조와 매우 유사함을 확인할 수 있었지만, 고세균 군집의 경우, 각각 중량, 난지, 그리고 탄천 시료에서 관찰된 고세균 군집구조는 서로 유사한 것으로 관찰되었다. 반면, 서남 2처리장 시료의 경우, 다른 처리장과 매우 상이한 고세균 군집구조를 가지고 있을 것으로 관찰되었으며, 이를 통해 고온소화 운전법이 고세균 군집구조 분포양상을 결정하는 환경인자일 것으로 사료되었다. 또한, 본 연구과정에서 확보된 염기서열을 이용하여, Spirochaetes 문 특이적 primer를 개발, 4개의 메탄생성 고세균 군집 탐지용 특이적 primer를 포함한, 정량 PCR 분석법을 개발하였다.
2차년도 연구과정에서는, 1차년도 개발된 Spirochaetes 문 및 4개의 메탄생성 고세균 군집 탐지용 정량분석법을 이용, 국내 8개 도시 하수처리장 혐기소화조 슬러지를 이용한 분자계통지리학적 분석과 Spirochaetes 문 및 메탄 생성 고세균 군집의 정성/정량적 분포양상 파악하였다. 총 23개 혐기소화조를 대상으로 시료를 채취하였으며, 하수처리 시설의 지리적 위치는 각각 서울 4대 하수처리장, 경기도, 경상도, 충청도, 전라도 소재의 하수처리시설 혐기소화조에서 채취되었다. 1차년되 확립된 정량분석법을 적용하여 Spirochaetes 문 및 4개의 메탄생성 고세균 군집 분포를 관찰해본 결과, 모든 시료에 걸쳐 서울시 시료에서, 광주 제 1, 2 하수처리시설을 제외한 지방지역 시료들에 비해 상대적으로 높은 총 미생물 개체 수가 관찰되었으며, 전체적으로 hydrogenotrophic methanogen들의 분포량이 Acetoclaseic methanogen의 수보다 높게 관찰되었다. 군집간 분포양상 차이를 통계적으로 비교해본 결과 (T-test.) hydrogenotrophic methanogen과 Acetoclastic methanogen은 서로 경쟁관계 분포형태를 나타내고 있는 것으로 사료되었다. Network analysis 결과를 통해, 공생아세트산산화세균 군집은 주로 hydrogenotrophic methanogen 군집들과 (Methanomicrobiales와 Methanobacteriales) 강한 positive correlation을 형성하고 있었으며, 이를 통해, Spirochaetes문과 hydrogenotrophic Methanogen 군집간의 공생관계를 형성하고 있을 것으로 사료되었다.
3차년도 연구과정을 통해, 실험실규모의 혐기소화조에 acetate를 유기물로 첨가하고 운전, 기 구축된 qPCR 기법을 적용하여 SAO 세균 군집 및 aceticlastic/hydrogenotrophic 고세균의 분포/활성도 변화 양상을 모니터링 하였다. 공생아세트산산화세균인 Spirochaetes 문의 세균들이 메탄생성 고세균과의 공생관계를 간접적으로 관찰하고자 실험실 규모 혐기소화조를 서로 다른 상층대기 조건으로 운전하였으며, 이를 통해 Spirochaetes 문 군집의 분포양은 hydrogenotrophic 메탄생성세균 군집의 분포양과 양의 상관관계를 보였던 반면, acetoclastic 메탄생성세균과는 어떠한 상관관계를 보이지 않았다. 또한, Spirochaetes문의 활성도는 수소상층가스로 충전된 반응기에서 수소의 분압이 감소되는 시점까지는 지속적 감소를 보였지만, 이후 활성도가 급증하는 양상을 보였으며, 이는 hydrogenotrophic methanogen의 활성도와 상관관계가 있음을 확인하였다. 이를 통해 Spirochaetes문의 세균들이 수소를 매개체로 하는 hydrogenotrophic methanogen의 활성과 밀접한 연관이 있으며, 공생아세트산산화과정에 관여하고 있을 것으로 사료되었다. 또한, 다변량 통계 분석 및 통계학적 분석을 통해 메탄가스 생성 최적화에 요구되는 미생물학적 분포 조건을 확인한 결과, 공생아세트산산화세균인 Spirochaetes 군집은 메탄생성 반응조의 메탄생산량과 양의 총 메탄가스 생산량과 간접적인 상관관계를 보이며, 이를 통해 공생아세트산산화세균인 Spirochaetes 문의 활성도는 hydrogenotrophic 메탄생성고세균과의 공생을 통한 반응조 메탄생성량에 관여되어 있을 것으로 사료된다.

(출처 : Ⅰ. 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 3
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 4
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 4
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 4
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 6
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 6
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• Ⅲ. 연구성과 ... 8
• 끝페이지 ... 10