매립지 토양의 메탄, 벤젠 및 톨루엔 생분해 특성

Abstract

매립지 토양에서는 온실가스인 메탄과 악취성 물질인 휘발성 유기화합물 (volatile organic compounds, VOCs)이 동시에 발생된다. 대부분의 매립지에서는 메탄과 VOCs를 개별적으로 관리하고 있으며 이들 물질을 동시에 제거할 수 있는 기술은 아직 개발되고 있지 않는 실정이다. 그러나 매립지 관리 정책이 변화함에 따라 온실가스 배출 규제법과 악취방지법이 강화되면서 이들 물질을 통합해서 관리할 필요성이 높아지고 있다. 따라서 본 연구에서는 매립지 토양에서 발생하는 메탄과 VOCs를 동시에 제거하는 기술을 개발하고자 크게 세 가지로 나누어 연구를 진행하였다. 첫 번째로는 매립지 토양에 존재하는 메탄 산화세균을 분리하여 kinetic analysis를 수행하였고, 두 번째로는 메탄과 대표적인 VOCs로서의 벤젠 및 톨루엔 세 물질을 동시에 산화시킬 수 있는 세균을 분리하여 각 물질의 산화 특성을 살펴보았으며, 세 번째로 매립지를 모사한 실험실 규모의 바이오커버에서의 메탄, 벤젠 및 톨루엔 세 물질의 제거 양상을 살펴보았다. 매립지 토양으로부터 type II 메탄 산화세균인 Methylocystis sp. M6를 순수분리하였고, 이 균주에 대하여 Michaelis-Menten 식을 적용하여 메탄 산화에 관한 kinetic analysis를 수행하였다. Methylocystis sp. M6 균주의 메탄 비산화속도는 12 − 179 mM의 농도에서는 메탄의 농도가 증가함에 따라 점차 증가하였지만 (1.86 − 4.79 mmol∙g-DCW-1∙h-1), 239 mM에서는 4.51 mmol∙g-DCW-1∙h-1로 약간 저해를 받았다. Methylocystis sp. M6의 최대 메탄산화속도 (Vmax)는 4.90 mmol∙g-DCW-1∙h-1, 포화상수 (Km)는 19.76 mM이었다. 또한 Methylocystis sp. M6는 메탄뿐만 아니라 ethylbenzene, m-xylene, p-xylene, methanol, ethanol 및 acetone을 이용할 수 있었다. 매립지 토양으로부터 메탄, 벤젠 및 톨루엔을 동시에 산화할 수 있는 세균을 분리하였다. 분리된 세균은 12 − 239 mM의 메탄, 1 − 4 mM의 벤젠 그리고 0.5 − 5 mM의 톨루엔을 산화할 수 있었는데, 이들 세 물질이 공존할 경우에는 단독으로 존재할 때에 비하여 산화속도가 현저히 감소하였다. 분리된 세균은 세 물질 이외에도 ethylbenzene, m-xylene, p-xylene 및 methanol을 이용할 수 있었다. 분리된 메탄, 벤젠 및 톨루엔 동시 산화 세균을 동정한 결과, Nocardioides sp.와 Cupriavidus sp. 두 종류의 균주가 함께 존재하는 것으로 나타났다. 매립지를 모사한 실험실 규모 바이오커버에서의 메탄, 벤젠 및 톨루엔 제거양상을 살펴보았다. 메탄, 벤젠 및 톨루엔 제거효율은 산림 토양과 지렁이 분변토를 50:50 (w/w)으로 혼합했을 때 보다는 75:25 (w/w)로 혼합했을 때 더 높게 나타났다. 또한 토양의 혼합조건을 75:25 (w/w)으로 고정시켰을 때, 메탄의 유량 20 mL/min에서 세 물질의 제거효율이 최대로 나타났는데, 이 때 메탄 제거효율은 99.8%, 벤젠과 톨루엔 제거효율은 100%이었다. 메탄은 주로 바이오커버의 -0.4 − -0.1 m 깊이에서 제거되었고 벤젠과 톨루엔은 주입 직후에서부터 -0.8 m의 깊이에서 주로 제거 되었다. quantitative real-time PCR (qRT-PCR)을 통하여 메탄, 벤젠 및 톨루엔을 제거하는 미생물을 정량적으로 분석한 결과, 각 물질이 주로 제거된 깊이에서 pmoA gene copy number는 9.67 ± 3.16 × 107, tmoA gene copy number는 3.25 ± 1.77 × 107으로 가장 높게 나타났다. 또한 terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) 결과, 메탄의 제거는 주로 247 bp의 메탄 산화세균, 벤젠과 톨루엔의 제거는 주로 105, 107 bp의 벤젠∙톨루엔 산화세균에 의해서 이루어진 것으로 나타났다. 본 연구로부터 분리한 Methylocystis sp. M6와 메탄, 벤젠 및 톨루엔 동시 산화 혼합 균주는 매립지에서 발생되는 메탄과 벤젠, 톨루엔을 제거하는데 유용한 생물학적 자원임을 알 수 있다. 따라서 본 연구는 매립지에서 발생되는 메탄과 악취를 제거하는 in situ 및 ex situ bioremediation 기법을 개발하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.;In landfills, methane and volatile organic compounds (VOCs) are generated as wastes are degraded anaerobically. Methane is a greenhouse gas and VOCs are malodorous compounds. In most landfills, methane and VOCs are managed separately and technologies that remove these gases simultaneously have not been developed. However it is important that these gases should be controlled simultaneously as regulations of emission of greenhouse gases and malodorous compounds have become strict. Therefore, in this study, characterization of simultaneous biodegradation for methane and VOCs was investigated with three parts. First, methane-oxidizing bacterium was isolated from a landfill cover soil and a kinetic analysis was accompanied. Second, a methane, benzene and toluene-oxidizing bacterial consortium was isolated from a landfill cover soil and oxidizing properties of this consortium was evaluated. Third, removal efficiency of methane, benzene and toluene was estimated in lab-scale biocover simulating landfill conditions. Methylocystis sp. M6, a type II methanotroph, was isolated from the landfill cover soil. Kinetic analysis for this bacterium was done using Michaelis-Menten equation. Specific degradation rate of methane by Methylocystis sp. M6 increased as methane concentration increased within 12 – 179 mM (1.86 - 4.79 mmol∙g-DCW-1∙h-1), but it decreased at 239 mM (4.51 mmol∙g-DCW-1∙h-1). Maximum methane degradation rate (Vmax) of Methylocystis sp. M6 was 4.90 mmol∙g-DCW-1∙h-1, and saturation constant (Km) was 19.76 mM. Methylocystis sp. M6 uses ethylbenzene, m-xylene, p-xylene, methanol, ethanol and acetone as well as methane. A methane, benzene and toluene-oxidizing bacterial consortium was isolated from the landfill cover soil. There were two bacteria in the consortium: Nocardioides sp. and Cupriavidus sp. It was observed that the consortium oxidized 12 – 239 mM methane, 1 – 6 mM benzene, and 0.5 – 5 mM toluene. Oxidation rate of methane, benzene and toluene remarkably decreased when the three compounds co-existed. Oxidation rate of methane was inhibited by the presence of benzene and toluene and vice versa. The consortium also degrades ethylbenzene, m-xylene, p-xylene and methanol as well as methane, benzene and toluene. In lab-scale biocover simulating landfill conditions, removal efficiency of methane, benzene and toluene was higher at the mixing ratio of forest soil and earthwarm cast 75:25 (w/w) than at 50:50 (w/w). When the mixture ratio of soil was 75:25 (w/w) and the flow rate of methane was 20 mL/min, removal efficiency of methane, benzene and toluene peaked. Removal efficiency of methane was 99.8% and that of benzene and toluene was 100%. Methane was mainly oxidized at -0.4 − -0.1 m of the biocover, and benzene and toluene were mainly removed at -1 m - -0.8 m. As a result of quantitative real-time PCR (qRT-PCR), pmoA gene copy number (methane-oxidizing bacteria) was 9.67 ± 3.16 × 107, and tmoA gene copy number (benzene and toluene-oxidizing bacteria) was 3.25 ± 1.77 × 107 at each relevant depth. As a result of terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP), methane oxidation was mainly done by 247 bp methanotrophs, and benzene and toluene oxidation was mainly done by 105, 107 bp benzene and toluene-oxidizing bacteria. These findings suggest that Methylocystis sp. M6 and a methane, benzene and toluene-oxidizing bacterial consortium can be useful biological resources for removal of methane, benzene and toluene emitted from landfills. Thus this study would be helpful in the development of in situ and ex situ bioremediation for removal of methane and odor in landfill sites.