Microbial structure changes of granular activated carbon in water treatment plants by geosmin

Abstract

정수처리장에서 사용되는 입상 활성탄 (GAC, granular activated carbon) 내의 미생물 군집 구조에 영향을 미치는 인자에 대해 분석함으로써 수처리 공정의 처리 효율을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 입상 활성탄을 사용하는 정수 처리장의 물 속의 지오스민 (geosmin)의 존재와 박테리아의 군집 구조 간의 상관 관계를 연구했다. 입상 활성탄 시료는 각각 2014년 5월과 8월에 3개의 정수 처리장 (성남, 고양, 연초)에서 채취되었다. 입상 활성탄 처리 전과 후의 용존 유기 탄소와 지오스민을 분석하였다. 분석 결과 상당한 농도의 지오스민이 성남과 고양의 처리장 8월 샘플에서 측정되었다. 16S rRNA의 시퀀스를 이용한 계통 분석도 (phylogenetic tree)를 그리는 방법은 다차원의 분석으로 8월 성남과 고양의 입상활성탄 시스템이 지오스민 분해 미생물의 선택적인 생장을 초래했다는 것을 나타낸다. 입상활성탄 시료의 세균 군집 분석 결과 Variovorax paradoxus strain DB 9b, Comamonas sp. DB mg와 높은 유사도를 보였다. 이 결과로부터 GAC 시스템에 존재할 가능성이 있는 지오스민 분해세균의 성장에 지오스민이 유일한 탄소원으로 작용할 가능성이 있음을 예측할 수 있었다. 또한, 계절에 따른 기온 변화는 세균군집의 변화를 초래하는 주요 원인으로 파악되었다. 8월 시료에서만 Gammaproteobacteria 강이 관찰되었고, 5월부터 8월의 성남정수처리장의 GAC 시료에서 Alphaproteobacteria의 구성비율이 증가한 것으로 보아 기온상승과 관련 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 더 나아가 정수처리장 활성탄 시스템에서 잠재적으로 지오스민을 분해할 수 있는 지오스민 분해세균의 분해능력, 정성·정량분석 연구가 추가적으로 필요할 것이다. 또한 수질과 정수처리장 활성탄의 세균군집 사이의 메커니즘을 규명해야 할 것이다.;Understanding the factors that affect microbial community structure within granular activated carbon (GAC) system in water treatment plant could potentially improve the efficiency of treatment and control. In this study, we investigated the relation between the presence of geosmin in water and the bacterial community structure within the granular activated carbon (GAC) system of water treatment plants in South Korea. GAC samples were collected in May and August of 2014 at three water treatment plants (Sungnam, Koyang and Yeoncho) in South Korea. Dissolved organic carbon and geosmin were analyzed before and after GAC treatment. The analysis showed that substantial concentrations of geosmin were detected in the influent of Sungnam and Koyang plants in August. Phylogenetic analysis of 16S rRNA sequences and multidimensional scaling analysis revealed that selective growth of geosmin-degrading species probably occurred in the August Sungnam and Koyang GAC filter systems. The bacterial communities of these samples were closely related to Variovorax paradoxus strain DB 9b and Comamonas sp. DB mg. These results suggest that geosmin served as a sole carbon and energy source for the formation and growth of potential geosmin degraders in the GAC systems. Seasonal changes such as temperature increase were also considered as a reason that leads to the variances in the bacterial communities. Temperature increase perhaps leads to the presence of the class Gammaproteobacteria in only August samples and the incremental Alphaproteobacteria composition in the bacterial community of the temporal sample (May-August) of the Sungnam GAC system. Further study is necessary to determine capacity of potential geosmin degraders detected in the GAC systems to biodegrade geosmin, and acquire a better understanding of the relations and mechanism between water quality and the dynamics of bacterial communities.