휘발성 유기화합물 분해 세균의 분리 및 그 특성에 관한 연구

Abstract

The volatile organic compounds(VOCs) emitted from chemical and process industries if left untreated can pose potential health risks in addition to causing severe environmental problems. In this study, six strains (Stenotrophomonas maltophilia T3-c, Stenotrophomonas maltophilia T3-d, Microbacterium esteraromaticum CS3-1, X9-c, Kocuria rosea EB-1, EB-2) capable of biodegrding BTEX were isolated from the biofilter for the removal of BTEX. When isolated strains apply to actual environment to inquire into the optimal condition of microorgani는, effects of initial substrates concentration, pH, and temperature on BTEX biodegradation rate by isolated strains were investigated. As a result, we confirmed BTX biodegradation rate by mixed culture attached to carrier from the biofilter. To examine the characteristics of mixed culture, effects of initial BTX concentration, pH, and temperature on BTX biodegradation rate by mixed cultures were investigated. The more increasing initial concentration(28~100μmole) of BTX was, the more increasing degradation rate was. pH(pH5~8) had not influence on the degradation rate. BTX degradation activity of isolated was sensitive for temperature, the highest degradation rate showed at 30℃. Stenotrophomonas maltophilia T3-c was isolated mixed culture was shown to utilize benzene and toluene as a primary carbon and energy source, and was a Gram(-), short rod, not mobile. It shows cytochrome oxidase and catalase positive. The effects of initial toluene concentration, pH, and culture temperature on the degradation of toluene by Stenotrophomonas maltophilia T3-c were investigated. It takes short time for the complete degradation when the smaller substrate, toluene was supplied. However, the initial benzene and toluene degradation rate increased to 3.0 mmole benzene·g DCW^-1·h^-1 , 1.2 mmole toluene·g DCW^-1·h^-1 until the concentration of substrate was increased to 80~100μmole. The initial medium pH in the range from 5 to 8 did not great influence on the benzene and toluene degradation by Stenotrophomonas maltophilia T3-c. The effect of incubation temperature on the degradation of toluene by Stenotrophomonas maltophilia T3-c was also investigated. The benzene and toluene degradation rate at 30℃ considered as 100%, the rate at 20℃ kept 100%. Effects of mixed gases on BTEX degradation rate by Stenotrophomonas maltophilia T3-c were investigated. Benzene and toluene degradation rate were 4.25 mmole benzene·g DCW^-1·h^-1 , 2.38 mmole toluene·g DCW^-1·h^-1 Stenotrophomonas maltophilia T3-c was used not as a growth substrate, but ethylbenzene and xylene with toluene were biodegraded. Benzene degradation rates were enhanced by the presence of toluene, whereas the presence of ethylbenzene and xylene had a negative effect on benzene degradation rate in comparison with benzene degradation rate when only benzene is existent. Toluene degradation rates were enhanced by the presence of ethylbenzene or benzene. The removal of mixed BTEX by Stenotrophomonas maltophilia T3-c showed in the order of ethylbenzene, toluene, benzene and xylene. Using Stenotrophomonas maltophilia T3-c capable of biodegrading BTEX as a sole carbon and energy source to carbon dioxide as final metabolites and having broad range of pH and temperature, oil contaminated soil and a underground water will be effectively restored and be favorably to environment purify without second contamination.;오존층을 파괴시키는 염소화합물과 광화학스모그를 형성하는 촉매로 작용하는 주요 대기오염 물질일 뿐만 아니라 VOCs 자체로도 인류의 건강을 위협하는 휘발성 유기화합물은 최근에 관심이 증대되고 있기 때문에 본 연구에서는 BTEX 처리를 위한 biofilter의 담체에 붙어 있는 혼합균으로부터 BTEX를 효율적으로 분해하는 미생물 6종, 즉 Stenotrophomonas maltophilia T3-c, Stenotrophomonas maltophilia T3-d, Microbacterium esteraromaticum CS3-1, X9-c, Kocuria rosea EB-1 및 EB-2를 분리해 내었다. 분리된 미생물을 실제 환경에 적용할 경우 미생물의 최적조건을 알아보고자 초기 BTX의 농도, 배양온도, 그리고 배양액의 pH가 BTEX 분해능에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 BTEX는 산업체 등에서 단일 물질이 아닌 혼합된 가스로 배출되기 때문에 분리된 균주에 대하여 혼합된 BTEX 가스를 적용할 경우 어떠한 분해 특성이 있는지 밝히고자 하였다. 본 연구에 사용된 분리 균주 6종은 각각의 실험 조건에서 유사한 결과를 나타냈고, 대표적인 균주 Stenotrophomonas maltophilia T3-c에 대한 주요 연구결과는 다음과 같다. BTEX를 제거하는 biofilter의 담체에 붙어 있는 혼합균에 대해 BTX 분해능을 확인하였다. 또한 BTX를 분해하는 혼합균의 특성을 연구하고자 초기 BTX농도, 배양 온도, 배양액의 pH가 BTX 분해능에 미치는 영향을 조사하였다. 초기농도 20~100μmole 범위내에서 BTX농도가 증가할수록 그 분해속도도 증가하였고, 배양액의 pH5~8의 영역에서는 높은 BTX분해 활성을 유지하였다. 혼합균은 배양온도 30℃에서 최대 BTX 분해활성을 보였고, 15℃의 낮은 온도조건과 40℃의 높은 온도조건에서 BTX 분해능은 다소 감소하였다. 위의 혼합균으로부터 유일 탄소원으로 benzene과 toluene을 이용하는 균주 T3-c를 순수 분리하였다. 분리 균주 T3-c는 그람 음성의 단간균으로 운동성이 없고 oxidase와 catalase가 모두 양성이며 지방산 분석결과 Stenotrophomonas maltophilia로 동정되었다. S. maltophilia T3-c의 benzene 및 toluene의 분해에 미치는 기질농도, 배지의 pH, 배양 온도의 영향을 살펴보았다. 약 20~80μmole의 범위에서 첨가되는 기질의 양이 증가할수록 정체기 후 빠른 속도로 분해되어 benzene과 toluene의 초기 농도가 각각 85μmole, 70μmole로 첨가된 경우 benzene과 toluene 비 분해속도는 각각 12.04 mmole benzene·g DCW^-1·h^-1, 2.33mmole toluene·g DCW^-1 ·h^-1이었다. S. maltophilia T3-c 균주는 pH가 5에서 8까지의 일반적인 중성 영역에서는 기질의 생분해에 큰 영향을 받지 않았다. 배양온도의 영향을 살펴보면, 30℃에서의 benzene 분해 효율을 100%로 놓는다면, 15℃에서는 27.5%로 가장 많은 저해를 받고, 20℃에서 100%, 40℃에서 47.5%의 효율을 보였다. Toluene의 경우도 15℃에서 46.7%의 분해 효율을 보여서 가장 많은 저해를 받았다. 대부분의 BTEX로 오염된 지역은 화합물이 혼합된 형태로 존재하고, 미생물의 분해 활성이 기질간의 상호작용에 의해 영향을 받기 때문에 분리된 균주를 이용하여 혼합 BTEX 가스의 분해 경향을 조사하였다. 분리균 S. maltophilia T3-c는 benzene과 toluene을 기질로 이용하여 각각 4.25, 2.38mmole·g-DCW^-1·h^-1의 초기 비분해속도를 보였다. Ethylbenzene과 xylene은 생장 기질로 이용하지 않았으나 toluene 혹은 benzene과 혼합하였을 때 ethylbenzene과 xylene이 분해되었다. 그리고 ethylbenzene과 xylene이 혼합되었을 때 ethylbenzene의 분해가 일어났다. Toluene과 benzene은 두 기질이 혼합될 경우 분해가 상승되었고, ethylbenzene이나 xylene과 존재할 때는 benzene의 분해가 저해되었다. Toluene의 분해는 benzene이나 ethylbenzene이 존재할 때 상승되었다. 4 종류의 기질이 혼합으로 존재하면 ethylebenzene, toluene, benzene, xylene의 순서로 쉽게 분해되었다. 위의 결과들로 볼 때 분리 균주 T3-c를 이용하여 pH5~8과 15~40℃의 넓은 범위의 조건에서 BTEX 화합물을 동시에 또한 균일하게 처리할 수 있는 능력이 매우 뛰어나기 때문에 유류로 오염된 토양, 지하수 등 각종 환경지역을 제거하는데 효과적인 균주로 적용될 것으로 예상된다.