고온성 세균에 의한 BTX 분해 및 바이오필터의 미생물 군집 분석에 관한 연구

Abstract

Among various chemical compounds which are emitted from the industrial fields and environmental facilities, benzene, toluene and xylene are mostly well known VOCs and have been classified as toxic chemicals. So strict regulatory constraints on industrial releases of atmospheric volatile organic compounds (VOC) have resulted in an interest in treatment of vapor phase waste streams. Industrial waste gases have traditionally been treated by physico-chemical methods such as adsorption, condensation, scrubbing and oxidation processes. However, physico-chemical methods produce secondary pollutants and costs are higher than biological treatments. So biological waste gas treatment represents a competitive alternative to the physico-chemical treatment technologies used for the cleaning of a wide variety of gaseous pollutants. Biofiltration has been identified as a promising method of odor, VOC and air toxic removal from waste gas streams because of low capital and operating costs, low energy requirements and an absence of residual products requiring further treatment or disposal. However, conventional biofiltration cannot be used in many cases, because the necessary off-gas cooling is too expensive. Use of biofilters employing thermophilic microorganisms could reduce cooling costs enough to make biofiltration a viable option. To remove BTX more economically and to obtain high elimination efficiencies, the selection of proper microorganisms is a very important factor because microorganisms in biofilters play a vital role in degrading pollutants into water, carbon dioxide, and microbial cells. The objectives of this research were to isolate bacteria which can degrade hot gaseous BTX and analyze microbial diversity and community formed in packing materials in thermobiofilter. First, We investigated the biodegrability of two isolated strains, and the interaction of biodegradation and mixed BTX. Strain CB-13 could degrade benzene and strain CT-24 could degrade toluene and benzene as the sole source of carbon. Both of them were identified as Bacillus sp. using 16S-rDNA analysis. Strain CB-13 and strain CT-24 could grow between 40℃ and 65℃ and pH 6 to pH 8. Those isolated bacteria needed 60∼100 h of lag phase but once the biodegradation started, the biodegradation rate of benzene was 225.7 μmol·g-1-DCW·h-1 for strain CB-13 and biodegradation rate of toluene was 99.2 μmol·g-1-DCW·h-1 for strain CT-24. Strain CB-13 could degrade xylene as their cometabolism. However, the degradation rate of xylene was very low and toluene and xylene inhibited benzene degradation by strain CB-13. As the strain CB-13, toluene degradation by strain CT-24 was inhibited by xylene but benzene degradation was not affected by xylene and xylene was reduced during benzene degradation by strain CT-24. However, benzene and toluene were mixed, benzene and toluene degradation rate were enhanced. Second, It is examined the removal capacity of strain CB-13 and strain CT-24 in the actual biofilter. When strain CB-13 and strain CT-24 were used as inocula in bench scale biofilter, maximum removal rate of benzene by strain CB-13 was 37.04 g-benzene·m-3·h-1 and maximum removal rate of toluene by strain CT-24 was 28.57 g-toluene·m-3·h-1. Third, It is analyzed microbial diversities and communities formed in the packing materials used biofilter for hot BTX removal. For this work, three kinds of methods, 16S-rDNA analysis (PCR-DGGE), Fatty acid analysis(FAME) by MIDI, and carbon utilization analysis with Ecoplate were used and compared the results. Through the result of DGGE, Bacillus sp., Strptosporangiaceae str, and actinomycetes thermoactinomyces which were heat tolerant played a main role in degrading hot BTX. Also, The result of FAME showed the main characteristics of saturated fatty acids such as 8:0, 16:0, and 18:0 were commonly observed and the considerable differences of community structure among samples were not found. Also, Principal component analysis of carbon utilization expressed less divese of ET630, ET811-1 and ET811-2 than compost which was the inoculum. It meant the specific degraders existed and diversity decreased in the biofilter for removal of hot BTEX as the biofilter was run for 40 days. In brief, this study is the first report on the hot BTX degradation by Bacillus sp. and those thermophilic isolates has the possibility as the inocula in the thermobiofilter to remove hot gaseous BTX. Also, the methods and information of microbial community analyses could be used for the development of better biofiltration. ;Benzene, toluene, ethylbenzene, 그리고 xylene은 대표적인 VOC 물질로서 EPA에 의해 독성물질로 분류되고 있으며, 이에 따른 환경오염의 문제성이 심각해지면서 이들 물질에 대한 규제도 엄격해지고 있다. 물리·화학적 처리 방법을 이용한 VOCs의 제거보다 미생물을 이용한 biofiltration 방법이 제거효율이 높고, 시설비 및 운전비 등이 저렴한 장점을 지닌 경쟁력 있는 방법으로 각광받고 있다. 그러나 기존의 biofiltration은 일반적으로 중온성 미생물을 사용하므로 고온으로 방출되는 폐가스를 별도의 냉각장치를 이용하여 냉각시킨 후 처리해야 하므로 전처리 비용이 고가로 소요되는 문제점이 있다. 그러므로 고온의 VOCs 폐가스를 효율적으로 제거하기 위해서는 고온에서 우수한 분해능을 발휘할 수 있는 고온성 미생물의 자원개발이 필요하다. 본 연구에서는 고온으로 방출되는 VOCs 가스를 처리할 수 있는 고온 미생물을 선별하여 대표적인 VOC 물질인 benzene, toluene 그리고 xylene에 대한 분해능을 조사하였다. BTEX를 제거하는 바이오필터의 담체로부터 미생물 consortium에 대한 benzene과 toluene에 대한 분해능을 확인하였다. 이 microbial consortium으로부터 benzene 분해균주로 Bacillus sp. CB-13, 그리고 toluene 분해균주로 Bacillus sp. CT-24를 분리하였다. 분리균주들의 생리학적 특성을 조사한 결과, pH 6에서 pH 8사이, 그리고 약 40℃에서 65℃의 온도 범위에서 성장할 수 있었다. 이들 분리균주는 benzene과 toluene을 분해함에 있어서 약 60∼100시간의 lag가 필요했지만, 일단 분해가 시작되면 CB-13 균주는 benzene을 225.7 μmolg^(-1)-DCW·h^(-1)로 분해하였으며, CT-24 균주의 경우, toluene을 99.2 μmol·g^(-1)-DCW·h^(-1)로 분해하였다. CB-13 균주는 benzene이 존재할 때 공대사(cometabolism)로 toluene과 xylene을 분해하였다. 하지만, toluene과 공존시 benzene의 분해능은 약 2배 느려졌고 xylene과 공존시 약 5배 느려졌다. BTX가 모두 혼합된 조건에서 CB-13 균주는 benzene, toluene 그리고 xylene의 순으로 분해하였는데, benzene이 분해되는 동안 xylene의 농도가 감소됨에 따라 xylene에 의한 toluene의 저해효과도 감소되었다. CT-24 균주의 toluene 분해능 외에 benzene과 xylene의 분해능을 조사한 결과, benzene은 toluene보다 더 빠른 속도로 분해할 수 있었지만, xylene은 거의 분해할 수 없었다. 또한 benzene과 toluene이 공존할 경우, 두 물질 모두 단독으로 존재할 때보다 분해 속도가 상승되었지만, benzene 보다는 toluene이 더 빠르게 분해되었다. Toluene과 benzene이 혼합상태에서의 toluene 분해 속도에 비해 xylene이 공존하는 경우 CT-24 균주의 toluene 분해속도가 약 9배정도 느렸다. Benzene과 xylene이 혼합된 상태에서는 xylene은 benzene의 분해에 아무런 영향을 미치지 않았으며, benzene 분해의 공대사로 xylene이 분해되었다. 또한, benzene, toluene과 xylene이 모두 혼합되어진 환경에서 benzene, toluene, xylene 순으로 분해되었으며, benzene 분해율 (157.5 μmol·g-DCW^(-1)·h^(-1))에 비해 xylene 분해율 (48.54 μmol·g-DCW^(-1)·h^(-1))은 월등히 낮게 나타났다. 이들 균주들을 실험실 규모의 바이오필터에 접종하여 benzene과 toluene의 최대 제거 속도를 측정한 결과, CB-13 균주의 경우, benzene의 최대 제거속도는 37.04 g-benzene·m^(-3)·h^(-1)이었고, CT-24 균주에 의한 benzene의 최대 제거속도는 47.67 g-benzene·m-3h·^(-1), 그리고 toluene의 최대 제거속도는 28.57 g-toluene·m-3·h^(-1)이었다 고온 BTX 가스를 처리하는 과정에서 바이오필터의 운전에 따른 미생물 군집의 변화를 분자생물학적 방법 (Polymerase chain reaction & Denaturing gradient gel electrophoresis, PCR-DGGE), 지방산 분석법 (Fatty Acid Methyl Ester), 그리고 기질 이용도 (Ecoplate)방법을 이용하여 조사하였다. PCR-DGGE 방법을 이용하여 담체의 미생물 군집을 조사한 결과 Bacillus sp., Strptosporangiaceae sp., actinomycetes thermoactinomyces 등의 열에 내성이 있는 균주가 집단을 이루고 있었다. 고온 BTX 처리용 바이오필터에 존재하는 미생물들의 지방산 분석 결과, 8:0, 10:0, 18:0 과 같은 saturated fatty acid가 공통적으로 많은 부분을 차지하고 있었다. 또한 기질이용도를 측정한 결과를 PCA (Principal component analysis)분석한 결과, 바이오필터 시료는 동일 공간을 점유하였고, 초기 접종원과 근접한 곳에 위치하고 있었다. 이러한 분석방법들의 결과를 종합해볼 때, 조사 대상 바이오필터 시료에는 BTX를 분해하는 고온성 미생물이 우점을 이루고 있으며, 운전시간이 지남에 따라 미생물 군집이 변함을 알 수 있었다. 본 연구 결과, Bacillus sp.에 의한 BTX분해에 대한 첫 번째 연구결과로서, BTX 제거용 바이오 필터에 이용가능한 우수한 생물자원을 확보하였으며, 또한, 바이오필터의 미생물 군집의 분석은 배출원의 성상에 따른 생물학적 저감기술의 개발에 기초적인 자료로 이용되어질 수 있을 것으로 사료된다.