Benzene, toluene, xylene, methyl tert-butyl ether 및 윤활유의 생분해에 관한 연구

Abstract

제 1 장 바이오필터를 이용한 benzene, toluene, xylene 그리고 methyl tert-butyl ether의 제거와 기질상호관계 및 미생물 군집 분석에 관한 연구 산업화와 공업화에 의해 화석연료와 여러 합성물질의 사용량이 증가하면서, 다양한 형태의 VOC(volatile organic compounds)가 환경에 방출되어 오염을 일으키고 있다. 대표적인 VOCs인 BTEX(benzene, toluene, ethylbenzene, xylene)는 발암성과 유독성이 확인되어, 우리나라를 비롯한 여러 국가에서 유해 VOCs 규제물질로 분류하고 있다. MTBE(methyl tert-butyl ether)는 대기오염 저감을 위해 가솔린의 불완전연소를 감소시키는 산화제로 광범위하게 사용되어 왔으며, 사용량 증가로 인해 환경으로의 배출량도 함께 증가하였다. MTBE는 실제 산업공정이나 환경에서 주로 가솔린 주요성분인 BTEX와 함께 대기, 토양 및 수계 등의 자연환경으로 배출되고 있다. 여러 가지 VOC의 제거방법 중에서도 바이오필터는 환경친화적이고 경제적이며 효과적인 처리방법이다. BTEX 및 MTBE 혼합물의 생물학적 처리에 있어서 다양한 성분들 간의 상호관계가 처리 효율에 영향을 미치기 때문에 기질상호관계의 이해가 매우 중요하다. 본 연구에서는, BTX를 분해하는 미생물 consortium을 폴리우레탄 담체에 부착시킨 바이오필터를 이용하여 BTX와 MTBE의 단일가스와 혼합가스에 대한 제거능과 다양한 혼합물에서의 기질상호영향을 알아보았다. 또한, 기질변화에 따른 바이오필터의 미생물 군집을 16S rDNA PCR-DGGE 분석방법을 이용하여 비교하였고 16S rRNA gene sequence를 비교하여 계통발생학적인 분석을 수행하였다. Benzene, toluene과 xylene의 단일 가스에 대한 최대제거용량(maximum elimination capacities; MECs)은 각각 200, 250과 450 g m^(-3) h^(-1)으로, 이전 연구결과보다 매우 높은 수준을 보였다. 단, MTBE 단일 가스에 대한 제거는 관찰되지 않았다. MTBE를 첨가하였을 때의 benzene, toluene과 xylene의 이성분에 대한 최대제거용량은 각각 75, 100 그리고 300 g m^(-3) h^(-1)로, benzene이 MTBE에 의해 가장 저해를 많이 받으며 xylene이 가장 저해를 적게 받는 것이 관찰되었다. BTX 삼성분 혼합가스에서는, benzene, toluene과 xylene의 최대제거능이 각각 50, 90과 200 g m^(-3) h^(-1)으로 단일가스의 최대제거능과 비교해보면, BTX 분해는 MTBE에 의한 저해보다 BTX 혼합가스에 의해 더 많이 저해받는 것을 확인할 수 있었다. BTX에 MTBE를 첨가한 사성분 혼합가스에서는 BTX의 최대제거능이 각각 40, 50 그리고 100 g m^(-3) h^(-1) 였다. 이는 MTBE를 첨가한 이성분이나 BTX 삼성분 혼합가스조건에서보다 더 낮은 최대제거능 수준으로, 혼합되는 가스성분이 많아질수록 가스제거능은 더 많은 저해를 받는 것을 알 수 있었다. 바이오필터를 이용한 BTX의 삼성분 혼합가스에 대한 전체 최대제거능은 340 g m^(-3) h^(-1)이였으나, MTBE를 첨가한 사성분 혼합가스에서는 200 g m^(-3) h^(-1)로 감소되었다. 반면, 단일가스에서 분해능이 관찰되지 않았던 MTBE의 최대제거능은 BTX 각 성분들의 공존으로 인해 34 g m^(-3) h^(-1)까지 증가되어 MTBE와 benzene, toluene, xylene 성분과의 공대사의 가능성을 밝혔다. 한편, 유입가스변화에 따른 미생물 군집 구조의 유사도비교결과는 MTBE가스의 첨가여부에 따라 크게 두 그룹이 형성되어 MTBE에 의해 미생물 군집이 변화하였음을 확인하였다. 전체적으로 미생물 consortium은 다양한 미생물과 여러 가지 특징을 가진 미생물로 동정되었으며, Uncultured bacteria, Gamma-proteo bacteria, Firmicutes와 Bacteroidetes가 우세하였고, BTX 분해에 관여하는 미생물과 MTBE 분해에 관여하는 미생물로 인하여 전체적으로 시료의 미생물 군집구조가 조금씩 차이를 보였다. 결론적으로, 본 연구에서 사용된 BTX 분해가능한 consortium을 이용한 biofilter 시스템은 benzene, toluene, xylene과 MTBE의 단일 및 혼합가스의 제거에 매우 유용할 것이며, biofilter에서의 복잡한 가스상호관계 분석과 가스변화에 따른 미생물 군집구조 변화는 다양한 배출원 성상을 가진 VOC의 생물학적 처리에 있어서 기초적인 자료로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.;산업공정 및 자동차에 널리 사용되는 난분해성 유류인 폐윤활유로 오염된 토양 및 지하수의 생물복원을 위한 기초 연구로, 윤활유를 효율적으로 분해할 수 있는 미생물 자원 개발에 관한 연구를 수행하였다. 유류 오염 토양으로부터 윤활유 분해용 미생물 consortium을 얻은 후, 이로부터 순수균인 JN4, EL2를 분리하였다. Consortium과 순수균인 JN4, EL2의 윤활유 분해 특성을 평가하고자 다양한 온도, pH 및 윤활유 농도에서 성장과 윤활유 분해를 측정하였다. Consortium, JN4, EL2의 최대분해속도(V_(max))는 각각 1510, 12723, 823 mg L^(-1) d^(-1)로, JN4의 윤활유 분해능이 가장 뛰어났다. Consortium와 JN4의 경우, 30℃와 pH 6～7의 환경조건에서 가장 성장이 빨랐으며, 온도와 기질농도가 증가할수록 윤활유 분해 속도가 증가하였다. EL2의 최적조건은 20℃와 중성 pH로, 호냉성(psychrophic) 미생물이었다. 또한, JN4와 EL2는 다른 탄화수소 성분을 성장에 이용할 수 있었다. Consortium의 미생물 군집구조를 16S rDNA PCR(Polymerase Chain Reaction) - DGGE (Denaturing gradient gel electrophoresis) 분석한 결과, gammaproteobacteria (Acinetobacter sp., uncultured gamma proteobacterium)와 alphaproteobacteria (Azospirillum sp., uncultured alphaproteobacterium)가 우세하였다. 또한, 16S rDNA PCR 방법을 이용하여 JN4와 EL2를 동정한 결과, JN4는 금속 윤활제의 중온성 호기 생분해에 관여하는 Pseudomonas aeroginosa와 94% 유사하였고 EL2는 남극대륙(Antarctica) 토양에서 관찰되는 Pseudomonas syringae와 99%로 가장 유사하였다. 결론적으로, 유류로 오염된 토양에서 얻은 consortium과 JN4, EL2는 윤활유로 오염된 지하수 및 토양의 bioremediation에 유용한 생물자원이 될 것으로 제안할 수 있다.;With increasing usage of fossil fuel and several synthetic chemical compounds, various VOCs (volatile organic compounds) has been emitted to environment, causing pollution. BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene and xylene), representative VOCs, are sorted as regulatory harmful gases in many countries including Korea because they are even more toxic and carcinogenic to human. MTBE (methyl tert-butyl ether) has been widespreadly used as oxidatives to decrease imperfect combustion of gasoline causing air pollution. So MTBE can be easily found with main gasoline compounds such as BTEX in natural environment system (air, soil, water, etc.). Biofilter is an environment-friendly and cost-effective treatment technology of VOCs. In biological treatments of BTEX and MTBE mixtures, the understanding of substrate interaction is important because the interaction influences the removal efficiency of individual substrate. This study evaluated the removal capacities of individual BTX and MTBE and total BTX in a polyurethane biofilter inoculated by a BTX-degrading microbial consortium and their interactive effects in various mixtures. Further, this study compared microbial community structures for each samples using PCR-DGGE method and conducted phylogenetic analysis by comparison of 16S rRNA gene sequences. The maximum elimination capacities (MECs) of individual BTX were 200, 250, and 450 g m^(-3) h^(-1), respectively, showing higher values than the previous reports (no significant elimination for MTBE). By the addition of MTBE, the MECs of BTX became 75, 100, and 300 g m^(-3) h^(-1), respectively, resulting in that benzene was most inhibited by MTBE. In a mixture of three gases (BTX), the removalcapacities of individual BTX were 50, 90, and 200 g m^(-3) h^(-1), espectively and became 40, 50, and 100 g m^(-3) h^(-1)by the addition of MTBE. The MEC of total gases (BTX together) was 340 g m^(-3) h^(-1), showing the highest value so far, and became 200 g m^(-3) h^(-1) by the addition of MTBE. In addition, MTBE elimination capacities increased within 50 g m^(-3) h^(-1) co-metabolically in the presence of individual BTX. Meanwhile, the microbial community structure analysis revealed that two large groups were grouped according to whether or not MTBE was present. The dominant bacteria in the consortium mainly were Uncultured bacteria, Gamma-proteobacteria, Firmicutes and Bacteroidetes, which identified to many kinds of bacteriums involving various properties. In conclusion, the polyurethane biofilter system with the BTX-degrading consortium isolated in this study may be useful for the removal of gaseous benzene, toluene, xylene, MTBE, or their mixtures. Our results of gas interaction analysis and microbial community structure change according to different gas composition in biofilter will be available to basic database for several VOCs treatment in real industrial process.;The bacterial resource effectively degrading lubricant oil has been developed for the bioremediation of soil or groundwater contaminated with waste lubricant oil. Two pure bacterium JN4 and EL2, which could grow on lubricant oil as sole carbon and energy sources, was isolated from a bacterial consortium obtained from petroleum oil contaminated soil. To evaluate lubricating oil degradation capacities of consortium, strain JN4 and EL2, their specific growth rate and lubricating oil degradation rate in various lubicating oil concentration, temperature and pH were studied. Maximum degradation velocity(V_(max)) of consortium, JN4 and EL2 were 1724, 4918 and 940 mg L^(-1) d^(-1) ,respectively. In case of consortium and JN4, 30℃ and pH 6~7 were optimum conditions and specific growth rates and lubricating oil degradation rates were increased according to lubricating oil concentration, temperature of incubation. Especially, JN4 and EL2 were available several hydrocarbon components as growth nutrient. Optimum conditions of EL2 were 20℃ and neutral pH, EL2 was psychrophic bacterium. As a result of microbial community structure of consortium by 16S rDNA PCR (Polymerase Chain Reaction)-DGGE (Denaturing gradient gel electrophoresis), gammaproteobacteria ( Acinetobacter sp., uncultured gamma proteobacterium), alphaproteobacteria ( Azospirillum sp., uncultured alpha proteobacterium) were dominated. Also, JN4 was similar with Pseudomonas aeroginosa, which related with mesophilic aerobic degradation of a metal lubricant by a biological consortium, and EL2 was identified to Pseudomonas syringae, which were bacterium of soil sample from Schirmacher Oasis, Antarctica with 99% by 16S rDNA PCR. In conclusion, microbial consortium obtained from contaminated soil and isolated strain JN4, EL2 have potential to be useful biological resources for bioremediation of contaminated soil or groundwater with lubricating oil.