백색부후균에서 기인한 리그닌 분해효소를 이용한 염색폐수의 색도처리

심성훈, 류원률, 장문엽, 조무환

영남대학교 화학공학 및 공업화학부

Color Removal of Textile Wastewater

with Lignin Peroxidases from White Rot Fungus

S. H. Shim, W. R. Ryu, M. Y. Jang, M. H. Cho

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

서론

전세계적으로 고도 경제성장과정에서 경제규모가 급속히 확대됨에 따라 산업체의 오염물질 배출량 급증, 화석연료의 사용량 증가, 대도시로의 인구 급증, 무리한 개발계획 등에 따른 자연파괴 등 환경오염 요인이 급속히 증가하였다. 특히 합성염료는 섬유, 종이를 비롯해 문방구, 화장품, 식품 그리고 최근에는 액정, 컬러 필름용 색소 등 전자기기 관련분야로 폭넓게 사용되고 있으며[1] 현재 국내 염료 생산고는 연간 약 7 만톤으로 전세계생산량의 10%정도이고, 염료생산과정에서 배출되는 1 차폐수는 약 100 만톤으로 추정된다.[2] 최근에는 폐수의 색도제거 이외에도 염료공업에 관계되는 각 회사들이 폐수처리 기술을 통하여 각종 처리를 거친 후 폐수를 리사이클하여 재사용하는데에도 많은 노력을 하고 있다.[3] 이처럼 환경보전에 대한 인식변화와 환경당국의 규제강화, 기업체의 자발적 참여 등으로 인해 염색폐수의 처리실태는 과거에 비해 현저히 개선되었으나 폐수배출량의 증가 기존 처리시설의 한계, 염색폐수업체의 영세성등으로 인하여 국내 염색공장의 폐수처리문제는 아직도 심각한 실정이다.[4] 최근 이러한 환경오염물질의 bioremediation기술에 적용 가능한 백색부후균에 관한 연구가 날로 쏟아져 나오고 있다. 1990년 Cripps등은 Orange II, Trapaoline, Congo red 등의 염료를 Phanerochaete chrisosporium을 이용하여 호기적 상태하에서 분해하였으며, crude lignin peroxidase를 P. chrisosporium에서 추출한 후 염료분해를 시도하였다.[5] 이후 Paszcynski등은 P. chrisosporium과 streptomyces종을 이용하여 화학합성한 azo 염료를 분해하였으며, 그들은 염료의 분해 반응기작에 P. chrisosporium에서 분리된 ligninase와 manganese peroxidase에 의해 분해됨을 보고하였다.[6] Paszcynski와 Crawford는 ligninase의 기질로서 veratryl alcohol의 존재 하에 ligninase에 의한 azo 염료의 산화가 촉진되는 것을 보고하였다.[7] 1998년에 신 등은 Pleurotus ostreatus를 이용하여 Bromophenol Blue등을 제거하였음을 보고하였고[8] Heinfling 등은 Bjerkandera adusta 와 Pleurotus eryngii 균주에서 생산된 MnP를 이용하여 Mn2+가 존재하지 않은 상태에서 공업용 염료를 분해하였다고 보고하였다.[9]

하지만 이상의 연구에서는 각종 단일 염료의 분해능력을 가진 균주의 효소특성조사, 색도처리능력, 분해 메카니즘 규명 및 반응기의 설계 등에 초점이 맞추어져 있어, 상업적인 측면에서 가능성이 높은 백색부후균의 배양과 함께 생산되는 Crude Enzyme이나 정제된 효소제제에 의한 실제 염색폐수에 대한 분해특성을 규명한 연구라든가 반응최적조건을 도출한 연구가 없어 아쉽다.

따라서 본 연구에선 T시의 염색공단과 염색가공회사등에서 배출되는 실제 염색폐수에 관해 백색부후균에서 생산된 효소를 이용한 색도제거반응의 특성과 최적조건을 도출하여 보았다.

실험

1. 시약 및 재료

실험에 사용된 실제 염색폐수는 국내 T시 염색공단 폐수처리장과 K(주)회사의 폐수처리장에서 채취하였고 염색공단의 염색폐수 원수는 황산을 이용하여 폐수 중 TPA를 제거하여 실험하였으며 그 외의 시약들은 일급 및 특급시약을 사용하였다.

2. 효소활성측정법

LiP의 활성도 측정은 veratryl alcohol(3,4'-dimethoxybenzyl alcohol, Aldrich Co.)이 veratryl aldehyde로 변환되는 양을 분광광도계(Shimazu, UV-160A)를 사용하여 310nm의 파장에서 측정하였으며 분당 1 □mole의 veratryl aldehyde가 생성될 때의 효소활성도를 1 unit로 정의하였다.[10]

3. 색도측정법

염색폐수 및 반응생성물의 색도는 공정시험방법에 따라 백금-코발트를 표준물질로 10분할법의 선정파장에서 분광광도계를 사용하여 측정하였다.

결과 및 토론

1. 첨가물질에 따른 색도제거율

LiP 2 unit/mL, veratryl alcohol 2mM, H2O2 0.4mM, pH 2.5, 25℃에서 첨가물질을 변화시켜가며 실험해보았다. 실험결과는 Table 1.에 나타내었으며 veratryl alcohol과 H2O2의 첨가는 필수적이었다

2. 효소활성도에 따른 색도제거율

veratryl alcohol 2mM, H2O2 0.4mM, pH 2.5,  25℃에서 LiP의 활성도를 0.5에서 2 unit/mL로 단계적으로 변화시켜가며 실험해보았다. 실험결과는 Fig. 1.과 Fig. 2에 나타내었으며 효소의 활성도는 높을수록 처리효율이 좋았으며 효소활성도와 색도제거율은 거의 선형적으로 비례하였다.

3. pH에 따른 색도제거율

LiP 2 unit/mL, veratryl alcohol 2mM, H2O2 0.4mM, 25℃에서 pH를 1.0에서 8.5까지 단계적으로 변화시켜가며 실험해보았다. 실험결과는 Fig. 3.과 Fig. 4에 나타내었으며 pH 2.5에서 처리효율이 가장 좋았다.

4. 온도에 따른 색도제거율

LiP 2 unit/mL, veratryl alcohol 2mM, pH 2.5, H2O2 0.4mM에서 온도를 15℃에서 35℃까지 단계적으로 변화시켜가며 실험해보았다. 실험결과는 Fig. 5에 나타내었으며 35℃에서 처리효율이 가장 좋았다.

Table . 첨가물질에 따른 색도제거

첨가물질	첨가농도	첨가시	미첨가시	기본첨가물질
Veratryl alcohol	2mM	가능	불가능	E+B+H+W
Buffer Sol'n	0.05mM	가능	가능	E+H+V+W+pH조정
H2O2	0.4mM	가능	불가능	E+B+V+W

E: Enzyme, B: Buffer sol'n, H: Hydrogen peroxide

V: Veratryl alcohol, W: Wastewater

Fig. 1. 염색공단 원수.      Fig. 2. 염색공단 2차 처리수.

Fig. 3. 염색공단 원수.        Fig. 4. K(주) 2차 처리수.

Fig. 5. 온도에 따른 제거율

참고문헌

1. Pagga,U. and Brown, D. "The degradation of dyestuffs II. Behavior of dye    -stuffs in aerobic biodegradation test." Chemosphere, 15, 395(1986)

2. 양용운 □염색폐수의 색도제거기술현황 및 대책방안□ 첨단환경기술, 11, 2(1996)

3. Sami Sayadi., F. Zorgani, and R. Ellouz "Decolorization of olive mill waste-    water by free and immobilized Phanerochaete chrisosporium" Appl.    Biochem. Biotech. 56, 265

4. 조무환 □미생물흡착·응집에 의한 염색폐수중 anthraquinone계 염료의 제거에    관한 연구□ 추계 생물공학회논문집, 143(1996)

5. Cripps, C., J. A. Bumpus, S. D. Aust, "Biodegradation of azo and hetero-    cyclic dyes by Phanerochaete chrisosporium" Appl. Environ. Microbiol.    56(4), 1114(1991)

6. Paszcynski, A., M. B. Goszcynski, and D. L. Crawford "New approach to    improve degradation of recalcitrant azo dyes by Streptomyces and    Phanerochaete chrisosporium" Enzyme Microb. Technol., 13, 378(1991)

7. Paszcynski, A., Pasti-Grigsby, M. B. Goszcynski, D. L. Crawford and R. L.    Crawford Mineralization of sulfonated azo dyes by Phanerochaete    chrisosporium and Streptomyces chromofuscus" Appl. Environ. Micobiol.,    58, 13531(1992)

8. Shin, K. S. and Kim, C. J "Decolorisation of artificial dyes by peroxidase    from the white-rot fungus, Pleurotus ostreatus" Biotech. Letter, 20(6),    569(1998)

9. A. Heinfling, M. J. Martinez, A. T. Martinez, M. Bergbauer, and U.    Szewzyk "Transformation of industrial dyes by Manganese Peroxidases    from Bjerkandera adusta and Pleurotus eryngii in a manganese -    independent reaction" Appl. Environ. Microbiol., 64(8), 2788(1998)

10. Tien, M. and T. K. Kirk "Lignin peroxidase of Phanerochaete    chrisosporium" Methods Enzymol., 161, 238(1988)