기능성 바이오커버에서 메탄과 비메탄계 휘발성 유기 화합물의 생분해 특성

Abstract

전지구적인 온실 가스의 증가는 기후변화를 초래하고 있으며 따라서 지구의 생태계를 위협하는 환경 문제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 대표적인 온실가스인 메탄과 NMVOCs(황화계 화합물, 아민계 화합물)의 분해 특성을 알아보았고, 여러 물질이 혼합하여 존재할 때 각 물질의 상호작용에 대하여 조사하였다. 또한 메탄과 악취 물질로써의 NMVOCs를 효과적으로 저감하기 위한 실험실 규모의 바이오커버를 개발 및 성능 개선하였으며, 이에 대한 미생물학적 특성과 연관성을 조사하였다. 매립지에서 채취한 복토용 토양을 메탄과 DMS으로 농화배양하여 Methylocystis를 주요 우점종으로 하는 두 물질을 동시에 분해할 수 있는 컨소시엄을 확보하였다. 이 컨소시엄은 NMVOCs의 일종인 황화계 악취물질(DMS, MT, HS)과 아민계 악취물질(MMA, DMA, TMA)에 의해 메탄 산화가 저해를 받았다. 그러나 첨가된 NMVOCs는 메탄과 DMS 동시 분해 컨소시엄에 의해 분해되었으며, NMVOCs가 메탄 산화 효소에 저해제로 작용하여 메탄 산화 속도는 감소하였지만 메탄 분해능은 유지하였다. 이는 본 연구의 컨소시엄에 메탄 분해 세균뿐 아니라 황화계 악취물질 그리고 아민계 악취물질을 분해할 수 있는 다양한 균주가 안정적으로 혼합되어 서식하고 있기 때문에 메탄과 NMVOCs를 모두 저감할 수 있었다. 매립지 토양과 지렁이 분변토, 활성탄, 마사토를 조합한 혼합 토양을 이용한 바이오커버를 디자인하여 메탄, DMS, 벤젠, 톨루엔의 혼합가스 제거 특성을 조사하였다. 바이오커버에서 메탄 산화가 활발히 일어날 뿐 아니라 악취 물질인 DMS, 벤젠 그리고 톨루엔을 전량 제거되었다. 바이오커버를 상단(0-10 cm), 중단(10-40 cm) 그리고 하단(40-50 cm)로 구분하였을 때, NMVOCs는 하단에서 전량 분해되었으며, 메탄은 상단에서 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 산소가 충분히 존재하는 상단과 비교하여 중단과 하단의 methanotrophic population은 약 108 pmoA gene copy number•g-dry sample-1으로 통계적으로 동일하였으며, 잠재 메탄 산화 능력은 각각 85%와 71%로 큰 차이가 없었다. 그러나 각 단별 methanotrophs의 군집 구조는 상단이 type II methanotrophs, 하단은 type I methanotrophs로 우점된 형태로 나타남에 따라 서로 다르게 구성되었다. 바이오커버 성능에 영향을 미치는 충전재(토버모라이트(T), 혼합토양(S, 매립지 토양, 지렁이 분변토)의 영향을 조사하였다. 각각의 충전재를 단독으로 사용했을 때(S+T 혼합물)보다 두 개의 혼합물을 사용한 경우 메탄 산화 성능이 225 g-CH4•m-2•d-1으로 가장 뛰어났다. S+T 혼합물은 biomass의 양이 많으며(혼합 토양의 영향), methanotrophs의 비율이 높다(토버모라이트의 영향)는 특징을 갖고 있었다. S+T 혼합물 바이오커버를 대상으로 총 139일의 장기간 동안 운전하였을 때, 메탄뿐 아니라 메탄과 NMVOCs(TMA와 DMS)를 함께 공급하여도 안정적인 메탄 제거 용량(225-274 g-CH4•m-2•d-1)을 갖고 있었다. 이 때 운전 조건을 메탄, 메탄+TMA, 메탄+TMA+DMS로 변화시켰을 때, 상단(깊이 0-10 cm)과 하단(깊이 40-50 cm)의 일반 세균 및 methanotrophs의 population은 통계적으로 큰 차이를 보이지 않았다. 상단의 최우점종은 Methylocaldum으로 유지되었으나, 하단은 Pseudoxanthomonas, Methylocaldum, Methylobacter의 순서로 변하였다. 또한, PCA와 jaccard distance를 분석하였을 때, 상단의 일반 세균 및 methanotrophs 군집은 일정하게 유지되었으나, 하단은 운전 조건에 따라 군집 구조가 변하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구 결과로부터, 메탄 및 DMS 동시 제거 컨소시움은 메탄과 황화계, 아민계 악취물질을 제거하는데 유용한 생물학적 자원임을 알 수 있었다. 메탄 저감 바이오커버는 메탄을 산화 가능한 상단으로부터 잠재적 메탄 산화 충전재로써의 중단과 하단까지 유용한 가치를 지니고 있음을 확인하였다. 또한 토버모라이트와 매립지 토양 그리고 지렁이 분변토를 적용한 바이오커버는 뛰어난 메탄 저감 성능을 갖고 있으며, 뿐만 아니라 황화계와 아민계 악취 물질을 동시에 저감할 수 있으며, 장기간의 운전 및 운전 조건 변화에도 안정적인 성능을 유지하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 기능성 바이오커버는 온실가스와 악취를 동시에 제어하는 데에 있어 실제적인 이용 가치가 있다고 판단된다. ;Increase of global greenhouse gases was causing climate change, which is a threat to the Earth's ecosystems. In this study, methane (the major greenhouse gas) and NMVOCs (non-memthane volatile organic compounds, sulfur aroamtic and amine compounds) degradation characteristics were identified, and the interaction of each substance were investigated. We also developed a lab-scale biocover and improved its performance. Moreover, we investigated the relationship between microbiological characteristics and biocover performance. Landfill cover soil was used as inoculum sources to obtain methane and DMS-degrading consortium that Methylocystis was dominant. Methane oxidation of this consortium was inhibited by sulfur compounds (DMS, MT, HS) and amine compounds (MMA, DMA, TMA). NMVOCs were degradated by methane and DMS-degrading consortium, but it was acting as inhibitors of the methane monooxygenase. As a result, methane oxidation rate was reduced, but methane oxidation ability was maintained. The consortium can reduced both methane and NMVOCs. Methanotrophs and various bacteria that could degrade sulfur and amine compouns are stable inhabit together. A labscale biocover with a soil mixture was operated for removal of methane and NMVOCs, such as DMS, benzene, and toluene. Methane was oxidized at the top layer (0-10 cm in depth) while NMVOCs were completely removed at the bottom layer (40–50 cm in depth). Batch tests using serum bottles showed that the middle and bottom layers displayed methane oxidation activity under aerobic conditions, and their methane oxidation rates were 85 and 71% of the rate of top layer (8.40 μmol•g-dry sample-1•h-1), respectively. The numbers of methanotrophs in the middle (10-40 cm in depth) and bottom were not significantly different from those in the top layer. Based on microarray analysis, type I and type II methanotrophs were equally present in the top layer, while type I was more dominant than type II in the middle and bottom layers. The qualitative difference in the community structures was caused by the difference in the depth profiles of the methane and oxygen concentrations. Three lab-scale biocovers were operated with the soil mixture (S), tobermolite (T), and soil and tobermolite mixture (S+T mixture) for developing an efficient biocover system for methane removal. The methane removal capacity of S+T mixture biocover was 225 g-CH4•m-2•d-1 at an inlet load of 337.8-399.6 g-CH4•m-2•d-1 and a space velocity of 0.12 h-1 in steady state, showing significantly higher than those of S and T biocovers. The bacterial and methanotrophic populations were 6.62-6.78 × 107 16S rRNA gene copy number∙g-dry sample-1 and 1.37 - 2.23 × 107 pmoA gene copy number∙g-dry sample-1 in S and S+T mixture biocovers, showing significantly higher than those of T biocover. In contrast, methanotrophs comprised approximately 60% of the bacterial communities in T and S+T mixture biocovers, while only 43% of the bacterial community in S biocover, indicating that the addition of tobermolite selectively enhanced methanotrophic abundances of the bacterial communities. These results suggest that the soil mixture influenced the bacterial and methanotrophic population densities, while tobermolite affected their communities. S+T mixture biocover was operated for long term of 139 days. It has stable methane elimination capacity (225-274 g-CH4•m-2•d-1) when operating condtions of not only methane but also methane+NMVOCs (TMA, DMS). Even though the operating conditions were changed, the bacterial and methanotrophic population in top and bottom layers were not significantly different. The most dominant species at top layer was kept Methylocaldum during operating period, Pseudoxanthomonas, Methylocaldum and Methylobacter were dominated at bottom layer. PCA analysis and jaccard distance results showed that bacterial and methanotrophic community structures were stable at top layer while microbial community structure was changed by operating conditions. These finding collectively suggest that methane and DMS-degrading consortium can be a useful biological resource for removal of methane, sulfur compounds and amine compounds. The results for the methane oxidation potential, methanotrophic biomass, and community stability indices in the middle and bottom layers indicated that the deeper layer in the methanotrophic biocover serves as a bioresource reservoir. Furthermore, S+T biocover would be helpful in the development of landfill biocover for the simultaneous control of greenhouse gases and malodors during long-term.