Isolation and Characterization of Dye-Degrading Fungi, South Korea

Abstract

Dye wastewater was occurred from various industrial activities such as textile, paper, and cosmetic industries. This dye wastewater can negatively affect to the ecosystems because of its toxicity and non-degradability. Therefore it is required to be treated before discharge. To treat the dye wastewater, the biological treatments using the fungal biodegradability have been developed. In this study, fungi from a mountain in South Korea were incubated using potato dextrose broth (PDB) medium to investigate their dye-degradation and decolorization. Two dye-degrading fungi were isolated for dye-decolorization experiment in this study. The ligninolytic enzyme activity and decolorization capacity were characterized. The CBR43 fungus was isolated from Cheonma Mountain, Gangwon-do in South Korea and was identified as Trametes versicolor. The OBR105 fungus was isolated from Odae Mountain in South Korea and was identified as Bjerkandera adusta. CBR43 and OBR105 were identified based on the morphological properties of their fruit bodies and spores, as well as partial 18S ribosomal deoxyribonucleic acid (rDNA) gene sequences. The isolated CBR43 displayed a high activity of the laccase and Mn-dependent peroxidase (MnP), whereas its lignin peroxidase (LiP) activity was relatively low. The CBR43 was decolorized to more than 90% of 200 mg L-1 acid dyes (red 114, blue 62 and black 172) and reactive dyes (red 120, blue 4, orange 16 and black 5) within 6 days in PDB medium. CBR43 decolorized 67% of 200 mg∙L-1 acid orange 7 within 9 days. The decolorization efficiencies for the disperse dyes (red 1, orange 3 and black 1) were 51–80% within 9 days. The CBR43 could effectively decolorize high concentrations of acid blue 62 and acid black 172 (500~700 mg L-1). T. versicolor CBR43 had a high laccase and Mn-dependent peroxidase activity, and it could decolorize a wide variety of dyes, including acid, disperse, and reactive textile dyes. Azo-type dyes as well as anthraquinone-type dyes had decolorizing activities with this fungus. Bjerkandera adusta OBR105 had ligninolytic enzymes such as laccase, LiP, and MnP. Its LiP activity was higher than its MnP and laccase activities. B. adusta OBR105 successfully decolorized reactive dyes (red 120, blue 4, orange 16, and black 5) and acid dyes (red 114, blue 62, orange 7, and black 172). B. adusta OBR105 decolorized 91~99% of 200 mg L-1 of each dye (except acid orange 7) within 3 days in PDB medium at 28oC, pH 5, and 150 rpm. This fungus decolorized only 45% of 200 mg L-1 acid orange 7 (single azo-type dye) within 3 days, and the decolorization efficiency did not increase by prolonging the cultivation time. In the air-lift bioreactor, B. adusta OBR105 displayed a high decolorization capacity greater than 90% for 3 acid dyes (red 114, blue 62, and black 172) and 1 reactive dye (blue 4) within a 10-15 hour treatment period. B. adusta OBR105 could decolorize real textile wastewater in the air-lift bioreactor. This result suggests that fungal strains isolated from white-root fungi, T. versicolor CBR43 and B. adusta OBR 105, were highly effective in the dye-degradation. The isolated fungal strains had a high efficiency in air-lift reactor, and it can be a good option in selecting bioreactor for the treatment of dye wastewater. It’s recommended to study more on the relation between molecular structure of dye and its effect during dye-wastewater treatment. The decolorization mechanism of acid and reactive dyes should be clarified by analyzing their metabolites using enzymatic studies;염색 폐수는 섬유, 종이, 화장품 등의 다양한 산업 활동에서 발생한다. 이러한 염색 폐수는 폐수 내 염료 자체의 독성과 난분해성 등에 의해 생태계에 부정적인 영향을 초래할 수 있기 때문에, 방류 전 적절한 폐수 처리를 필요로 한다. 이러한 염색 폐수의 처리 방법으로 곰팡이의 생분해성을 이용한 방법이 개발되어 왔다. 본 연구에서는 두 종의 염료 분해 곰팡이를 분리하고, 각 곰팡이의 리그닌 분해 효소 활성과 염료 탈색능을 평가하였다. 곰팡이 CBR43 (Trametes versicolor)는 강원도 청마산에서 확보하여 순수 분리하였고, 곰팡이 OBR105 (Bjerkandera adusta)는 강원도 오대산에서 확보하여 순수 분리하였다. CBR43과 OBR105의 동정은 18S rDNA 유전자 염기서열분석과 곰팡이의 자실체 및 포자의 형태학적 특성을 토대로 진행하였다. T. versicolor CBR43의 laccase 및 Mn-dependent peroxidase (MnP)의 분해 활성은 높았으나, lignin peroxidase (LiP)의 분해 활성은 상대적으로 낮았다. 리그닌 분해효소의 활성은 Potato dextrose broth (PDB) 배지에 yeast extract를 첨가함에 따라(1~10 g L-1) 증가하였다. CBR43을 PDB 배지에서 배양했을 때, 200 mg∙L-1의 산성염료(red 114, blue 62, and black 172)와 반응성 염료(red 120, blue 4, orange 16, and black 5)의 90% 이상을 6일 이내에 분해하였다. Acid orange 7 (200 mg L-1)은 9일 동안 67%가 분해되었다. 분산성 염료(red 1, orange 3 and black 1)는 9일 동안 51-80%의 탈색능을 보였다. 특히 CBR43은 고농도의 acid blue 62와 acid black 172 (500~700 mg∙L-1)를 높은 탈색 효율로 제거하였다. 염료 탈색 속도는 PDB 배지를 이용했을 때, 28oC, pH 5, 150 rpm의 조건에서 최적 탈색속도를 얻을 수 있었다. 따라서, T. versicolor CBR43은 다양한 염료를 포함한 섬유공장폐수를 탈색하는 데 유망한 생물자원으로 활용할 수 있다. B. adusta OBR105은 laccase, LiP, and MnP 등의 리그닌 분해 효소 활성을 보였다. 특히 OBR105의 LiP 분해 활성은 MnP 및 laccase 분해 활성보다 높았다. B. adusta OBR105는 반응성 염료(red 120, blue 4, orange 16, and black 5)와 산성 염료(red 114, blue 62, orange 7, and black 172)를 성공적으로 탈색하였다. B. adusta OBR105는 PDB 배지에서 28oC, pH 5, and 150 rpm의 조건으로 배양 했을 때, 200 mg∙L-1의 각 염료를(acid orange 7 제외)를 3일 이내에 91-99% 효율로 탈색하였다. B. adusta OBR105는 200 mg∙L-1의 acid orange 7 (single azo-type dye)의 45%를 3일 이내에 탈색하였으나, 배양시간을 연장하였음에도 불구하고 탈색효율은 증가하지 않았다. 또한 에어리프트 반응기(air-lift bioreactor)에서 B. adusta OBR105는 3가지 산성 염료(red 114, blue 62, black 172)와 반응성 염료인 blue 4를 모두 10-15시간동안 90% 이상의 효율로 제거하였다. 이러한 결과를 토대로 B. adusta OBR105를 적용시킨 에어리프트 반응기가 염료폐수처리에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. 이 결과는 백색부후균인 T. versicolor CBR43과 B. adusta OBR105에서 분리된 곰팡이 균주가 염료 탈색에 매우 효과적임을 시사한다. 분리된 곰팡이 균주는 에어 리프트(air-lift) 반응기에서 높은 효율을 나타내었으며, 이 방식은 염료 폐수 처리를 위한 생물반응기로서 매우 적합하였다. 이후 염료의 분자구조가 염료 폐수 처리 과정에 어떤 영향을 미치는지에 관한 연구가 더 요구되며, 또한 효소와 그 대사산물에 대한 연구를 통해 산성 염료와 반응성 염료의 탈색 기작이 명확히 밝혀져야 한다.