전자 수용체의 종류에 따른 toluence의 분해에 관한 연구

Abstract

주유소나 유류를 다루는 시설로부터 누유에 의한 토양 및 지하수 오염 문제가 심각하게 대두되고 있다. 유류의 18% 정도를 차지하고 있는 BTEX는 상대적으로 높은 용해도를 가지고 있기 때문에 토양내 지하수 오염에도 영향을 미친다. 토양에서 산소와 접촉이 용이한 환경에서는 미생물에 의한 호기적인 분해가 이루어지지만, 산소와의 접촉이 이루어지지 않아 혐기적인 조건이 형성된 장소에서는 산소 이외의 다른 물질은 전자 수용체로 이용하는 혐기적인 분해가 진행된다. 본 연구에서는 유류 오염 토양을 미생물원으로 하여 혐기적 조건에서 toluene과 benzene을 분해하는 미생물을 농화 배양하고 여러 가지 조건이 toluene과 benzene 분해에 미치는 영향을 밝히고자 하였다. Toluene을 분해하는 혐기적 미생물 농화 배양액에서는 전자 수용체의 종류별로 toluene이 분해가 관찰되었다. 그러나, 질산염, 철, 이산화탄소를 전자 수용체로 공급해준 미생물 농화 배양액을 transfer 하였을 때 toluene 분해 활성이 낮아지거나, 황산염 환원 조건을 제외하고는 toluene 분해에 미치는 전자수용체 종류의 특이성이 감소하는 경향을 나타났다. 농화 배양결과 분해 속도와 분해능 지속성이 가장 좋은 황산염 환원 미생물의 toluene 분해에 관하여 조사하였다. 즉, toluene 분해와 황산염 소비, cell yield와의 관계에 대하여 알아보았고, toluene 분해 반응이 이 미생물에 의해 일어나는지 여부를 증명하기 위하여 황산염 환원 미생물 저해제 첨가 실험을 수행하였으며, toluene 분해 속도에 미치는 배양 온도, pH, 초기 toluene 농도의 영향에 대하여 조사하였다. 또한, toluene과 benzene, ethylbenzene, xylene이 함께 존재할 때 이 미생물에 의한 toluene 분해 경향에 대하여도 알아보았다. 황산염을 환원하여 toluene을 분해하는 황산염 환원 미생물 배양액에서 황산염이 전자 수용체로 이용되어 소비되면서 동시에 toluene이 분해됨을 관찰할 수 있었는데, toluene 1 mole이 분해되면서 8.305 mole의 황산염이 소비되었다. 황산염 환원 미생물은 toluene을 분해하여 일부를 세포 동화에 이용하는데 toluene 25.128 μmole이 분해됨에 따라 0.99mg의 단백질이 생성되었다. 그에 따른 cell yield는 78.8 g cells/mole toluene 이었다. 또한, 황산염 환원 미생물의 저해제인 Na₂MoO₄를 첨가했을 때 toluene 분해가 이루어지지 않았다. Na₂MoO₄와 황산염 외의 다른 종류의 전자 수용체를 첨가한 경우에도 toluene 분해를 관찰할 수 없었다. Toluene을 분해하는 황산염 환원 미생물의 경우 toluene 분해가 이루어지기 위한 최적 온도는 30~37℃의 중온 범위였고, 최적 pH는 pH 6~8 범위의 중성영역 이었다. 초기 toluene 주입농도가 10㎕ 내에서 초기 농도가 높아질수록 분해 속도가 증가했는데 3㎕~5㎕일 때에는 분해 속도가 0.99 mmole/d·g DCW 에서 1.64 mmole/d·g DCW 로 급격하게 증가하였다. Toluene과 benzene, ethylbenzene, xylene을 함께 주입했을 때 toluene을 단독으로 주입했을 때보다 황산염 환원 미생물에 의한 toluene 분해 속도가 감소하였다. 이 때 benzene, ethylbenzene, xylene의 생물학적인 분해는 관찰할 수 없었다. 한편, benzene과 toluene을 분해하는 혐기적 미생물 농화 배양액에서 benzene의 경우에는 전자 수용체의 종류와 관계없이 280일 정도의 배양기간에도 불구하고 분해를 거의 관찰할 수 없었다.;Petroleum hydrocarbon contamination of soil as a result of leaks from underground storage and other petroleum industrial facilities is a widespread problem. BTEX which compose 18% of petroleum are relatively soluble and therefore easily contaminate soil and groundwater. Anaerobic biodegradation of petroleum contaminants under various kind of anaerobic electron-accepting conditions is observed although aerobic biodegradation readily occurs. In this study, toluene and benzene degrading microorganisms were enriched from sediment of petroleum contaminated soil in anaerobic conditions. In anaerobic toluene enrichment cultures with nitrate, iron, carbon dioxide as electron acceptors, toluene degradation activities and specificities of enrichments were low when cultures were transferred. In enrichment cultures with manganese and sulfate as electron acceptors, toluene degradation activities were relatively high. After enrichment, toluene degradation activity of sulfate reducing microorganisms was the best. So anaerobic toluene degradation by sulfate reducing microorganisms was investigated. The effects of inhibitor was studied to determine that toluene degradation was carried out by this microorganisms. And the effects of temperature, pH, initial toluene injection concentration on toluene degradation were investigated. When toluene was injected with benzene, ethylbenzene and xylene, toluene degradations by sulfate reducing microorganisms were also observed. Toluene degradations by sulfate reducing microorganisms were occurred with sulfate consumption. 1 mole of toluene was degraded with reduction of 8.305 mole sulfate. Microorganisms degrade toluene and use this to assimilate cells. In cultures of sulfate reducing microorganisms 25.128 μmole of toluene were degraded with producing 0.99mg of protein. Cell yield was 78.8 g cells/mol toluene. Toluene was not degraded when Na₂MoO₄ was added as inhibitor of sulfate reducing microorganisms. Also when other electron accecptors excepting sulfate were added with Na₂MoO₄, toluene was not degraded. The optimal temperature and pH of toluene degradation by sulfate reducing microorganisms were 30~37℃ and pH 6~8, respectively. The rates of toluene degradation increased fast from 0.99 mmole/d·g DCW to 1.64 mmole/d·g DCW in the ranges of initial toluene concentration from 3 to 5㎕. The rates of toluene degradation were lower when toluene was added with benzene, ethylbenzene and xylene than when toluene was solely added. Microbia lly mediated degradations of benzene, ethylbenzene and xylene were not observed. Benzene degradations of anaerobic enrichment cultures were not occurred in 280 days without relationships with electron acceptors.