통성혐기성 세균을 이용한 수소 생산에 관한 연구

Abstract

급격한 산업화의 진행으로 인해 심각한 대기 오염과 화석연료의 고갈이 사회 문제로 대두되고 있다. 이에 따라 지속가능한 대체에너지 개발 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중 수소는 에너지 효율이 높고 연소시 오염물질을 유발하지 않는 대표적인 청정에너지로 미래 에너지원로 21세기 국책사업으로 고효율 수소 에너지 제조 저장 이용기술 개발과 같은 수소 신기술 확보를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소 생산 방법은 크게 물리적, 화학적, 생물학적 방법이 있다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 물리 화학적인 수소 생산 방식은 수소 생산 과정에서 2차 오염물질을 유발한다는 단점이 있다. 따라서 최근 수소 생산시 부산물로 오염물질 생산하지 않는 생물학적인 수소 생산 방법이 주목을 받고 있다. 수소를 생산하는 미생물은 조류, 광합성 조류, 광합성 세균, 통성 혐기성 세균, 절대혐기성 세균, 호기성 세균으로 나눌 수 있다. 이 중 통성 혐기성 세균은 그 동안 연구가 활발히 진행되어온 광합성 세균에 비해 수소 생산속도가 빠르고 고농의 하·폐수로부터 수소를 생산할 수 있어 경제성이 높고 현장 적용이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 오이도 갯벌, 가축 분뇨가 포함된 토양, 논토양, 수원하수처리장으로 유입되는 하천의 퇴적물, 수원하수처리장으로부터 방출되는 하천의 퇴적물, 오산천 퇴적물, 난지하수처리장 혐기성 슬러지, 동두천 하수처리장 혐기성 슬러지와 군포천 혐기성 슬러지 같은 환경시료로부터 우수한 통성 혐기성 수소 생산 균주를 분리하였고, 분리된 균의 수소 생산에 미치는 환경인자(pH, buffer 농도, yeast extract 농도, 기질 농도, 수소분압, 배양온도)에 영향을 조사하여 최적의 수소 생산 조건을 도출하고자 하였다. 그 결과 수원하수처리장으로 유입되는 하천의 퇴적물과 동두천 혐기슬러지로부터 수소 생산균인 RI-1과 DAY-1을 각각 분리하였고 16S rDNA 부분염기 서열 분석을 통해 두 균주 모두 Escherichia coli으로 동정되었다. 수소 생산을 위한 최적 pH는 두 균주 모두 pH 7-8 이었고 수소 생산동안 배양액의 pH 저하를 완화시켜 주는 buffer의 최적 phosphate buffer 농도는 0.7 M 이었다. 최적 yeast extract 농도는 RI-1 균주는 1 g/L, DAY-1 균주는 1-3 g/L 였다. 수소 생산을 위한 최적 기질 농도는 RI-1 균주의 경우 20 sucrose g/L, 20 glucose g/L 였고, DAY-1 균주의 경우 20 sucrose g/L, 20 glucose g/L 였다. 특히, RI-1 균주는 수소 생산 수율이 3.34 mol H_(2)/mol sucrose로 기존 연구에 비해 높은 전환 수율을 보였다. 분리균주의 수소 생산력은 수소분압의 영향을 크게 받았고, 최적 배양온도는 37℃로 중온성 세균이었다. 또한 RI-1가 우점종인 혼합균을 대상으로 연속 배양한 결과, 최대 누적 수소 생산량은 153.5 mmol, 수소 생산 수율은 0.55 mol H_(2)/mol sucrose이었다. 이상의 결과 혐기발효를 통한 수소 생산 균주 Escherichia coli DAY-1과 RI-1을 이용한 생물학적 수소 생산은 2차적인 오염물질을 배출하지 않는 경제적인 수소 생산 방법이며 이는 현장적용에 있어 우수한 접종원으로 사용 할 수 있을 것으로 사료된다.

;As industry is developing, pollution is severly heavy. With the increasing burning of fossil fuel and consequent prossible changes in global climate. In search of a nonconventional sources of energy and also lack of fossil fuels, the relevance of hydrogen as an alternative energy source is increasing day by day. Hydrogen is considered as pollution free fuel for the future. Chemical route of hydrogen production is an energy intensive process, in contrast, the fermentation process is an energy saving with obvious advantages. Microbial hydrogen production using algae, potosynthetic algae, potosynthetic bacteria, facultative anaerobic bacteria, obligate anaerobic bacteria, or aerobic bacteria is an enviromentally friendly and energy saving process. Recently Beneman critically assessed the prospect of H_(2) biotechnology based on the activities of photo and nonphotosynthetic bacteria. He favored photosynthetic process rather than nonphotosynthetic microbial processes, which produced H_(2) less efficienctly from carbohydrate substrates. Fermentative hydrogen production was always faster. The potential benefit is two-fold since H_(2) production could be coupled to waste bioremediation. However, production of H_(2) by the dark process is much simpler than photo processes on technical ground and the dark processes generate H_(2) from a large number of carbohydrates frequently obtained as refuse or waste products. This study utilized sediment of Oido sediment (OS), the manure added soil (MS), sediment of river in flow (RI), sediment of river out flow (RO), farm land soil (SS), sediment of Osan river (OR), anaerobic sludge of Nangi drainage treatment area, anaerobic sludge of Dong Du Cheon, and anaerobic sludge of Gun Po Cheon as inoculums. Isolated microorganisms make an experiment on characterization and optimization of hydrogen production (pH, buffer concentration, yeast extract concentration, substrate concentration, headspace volume, cultivation temperature). Hydrogen production microorganisms, RI-1 and DAY-1 isolated from sediment of river in flow (RI) and Dong Du Cheon. Using analysis based on 16SrDNA sequences, one isolates, hydrogen production bacteria, was identified as Escherichia coli sp.. The optimal pH of hydrogen production by Escherichia coli, RI-1 and DAY-1 was pH 7-8. The pH of the culture medium significantly decreased as fermentation proceeded and H_(2) production was seriously inhibited. The optimal buffer concentration was 0.7 M. The optimal yeast extract concentrations were 1 g/L by RI-1 and 1-3 g/L by DAY-1. The optimal substrate concentrations were 20 sucrose g/L and 20 glucose g/L as RI-1 and DAY-1, respectively. Hydrogen fermentation by RI-1 results show that the best yield were 3.34 mol H_(2)/mol sucrose. Hydrogen was the most severe inhibitor when allowed to accumulate in the culture. The optimal temperature of hydrogen production by Escherichia coli, RI-1 and DAY-1 was 37℃. Continuous culture experiments result showed our that accumulated hydrogen production was more than 153 mmol. Biological hydrogen production by Escherichia coli, RI-1 and DAY-1 must be economical and environmental friendly method, and these bacteria would be the excellent inocula in the energy industry.