고정화 미생물을 이용한 Phenol의 분해

김영희, 홍창수, 나경수, 이용운, 이재석*, 정선용

전남대학교 환경공학과, *광주과학기술원 신소재공학과

Degradation of Phenol Using Immobilized Microorganism

Young-Hee Kim, Chang-Soo Hong, Kyung-Soo Na,

Yong-Woon Lee, Jae-Suk Lee*, Seon-Yong Chung

Department of Environmental Engineering, Chonnam National University

*Department of Materials Science and Engineering,

Kwangju Institute of Science and Technology (K-JIST)

서 론

고도화된 산업은 난분해성 인공화합물을 수륙 생태계에 다량 유입시켰다. 그 부하량은 생태계의 자정능력을 이미 초과하였고, 난분해성 인공화합물은 자연계에 계속적인 축적현상을 보이고 있다. 이러한 난분해성 물질들은 대부분이 생물체에 독성을 나타낸다. 난분해성 물질중의 하나인 페놀은 히드록실기가 방향족 고리에 붙어있는 유기화합물의 일종으로, 성질은 약한 산성이고 강한 부식성이 있고 독성이 있다. 이것은 또한 합성수지, 플라스틱, 약품 그리고 염료의 제조 등에 사용되고 사진현상액과 소독제로 사용된다. 또한 페놀은 염소와 반응을 하면 클로로페놀이라는 물질로 변하고, 이것은 강한 살균력을 가지기 때문에 농약의 원료로써 사용되고 있다. 만약 이러한 페놀류가 인체내에 축적되면 신경장애를 일으키거나 암을 유발하는 독물로써 작용을 하기 때문에 자연환경에서의 이들 물질의 관리 및 처리에 대한 대책이 필요하다.

폐농약 및 산업폐수로써 방출되는 페놀류의 처리 방법으로 물리·화학적 처리방법과 생물학적 처리 방법이 있으나, 전자의 경우 제2의 오염물질을 유발할 가능성이 크기 때문에 사용방법을 기피하던가 중지를 하고 있다. 후자인 생물학적 처리 방법은 주로 미생물을 이용한 방법이고, 오염물질을 유발할 염려가 없어서 활발한 연구의 대상이 되고 있다. 본 실험에서는 페놀 분해미생물을 분리하여, 분리된 미생물을 담체안에 직접 투입하여 안정화 시키는 방법인 포획법을 사용하여 고정화 하였다. 고정화에 사용한 담체는 폴리우레탄 폼이고, 발포과정에 미생물을 넣어 동시에 발포시킴으로써 폼의 전체 동공내부에 미생물을 균일하게 분포시킨 후, 이들 고정화 미생물을 이용한 분해능력을 비교 분석함으로써 페놀의 생물학적 분해를 위한 기초자료로써의 이용을 위한 연구를 하였다.

실 험

1. 폴리우레탄 폼에의 페놀 흡착

폴리우레탄 폼에 phenol이 흡착되는지의 여부를 확인하기 위하여 phenol solution에 폴리우레탄 폼을 적당한 크기로 잘라서 넣는다. 그 후 일정 시간별로 용액을 채취하여 phenol 농도를 UV-VIS Spectrophotometer로 측정하여[2] 흡착 정도를 관찰하였다.

2. 고정화균의 분해활성 실험

본 연구에서 분리한 phenol 분해균(strain 621-2, 621-3 그리고 623-4)을 폴리우레탄 폼에 고정시켜 탄소원으로 phenol을 넣은 C-배지 (carbon-minimal medium)[1]에 고정화된 폼을 잘라 접종한 후 35℃, 175rpm incubator에 배양하면서 시간에 따라 배양액의 phenol 농도를 UV-VIS Spectrophotometer로 측정하였다.[2, 3] 고정화미생물과 비고정화미생물간의 생육속도를 비교하기 위해서 동일배지, 동일조건하에서 고정화된 미생물이 들어 있는 폴리우레탄 폼을 접종하고, 대조구로써 phenol 분해균을 폼에 고정시키지 않은 현탁상태의 미생물을 접종하여 배양을 하고, 시간별로 배양액을 채취하여 600nm에서 O.D.(Optical Dencity)를 측정하였다.

결과 및 고찰

1. 폴리우레탄 폼에의 페놀 흡착

폴리우레탄 폼의 특성중의 하나는 여러 가지 유해화합물, 특히 방향족화합물, 중금속 등을 흡착하는 성질이 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 성질은 산업폐수에 함유되어 있는 유해화합물 및 중금속을 제거하기 위해서 이용될 수 있으리라 기대된다. 폼에 대한 phenol 흡착 정도는 Fig.1에 보여진 바와 같이 phenol 용액의 농도는 시간이 경과함에 따라 급격히 감소하였다. 이것은 페놀이 폴리우레탄 폼에 흡착되었기 때문에 생긴 결과이다.

2. 고정화 및 비고정화균의 생육특성

고정화균과 비고정화균의 성장을 비교하기 위여 C-배지에 배양을 하여 시간별로 분해균의 성장을 관찰한 결과를 Fig.2에 나타내었다. 일반적으로 미생물의 성장은 환경의 저해요인이 발생하기 전까지는 대수적으로 증식을 하지만 영양분의 고갈이나, 균자체의 생성물질에 의해서 생육이 저해된다. 그림에서 보면, 고정화하지 않은 균의 배양에서는 배양초기부터 급속한 성장을 하여 거의 30시간정도에서 대수증식기가 끝나고, 약 40시간 정도에서 생육의 저해를 받아 사멸기에 접어들고 있다. 그러나 고정화된 균주의 경우 전체의 배양시간 동안 계속된 성장곡선을 보이고 있다. 이것은 폴리우레탄 폼이 페놀을 흡착하는 특성을 가지고 있는 것 외에도, 고정된 미생물이 급속한 성장을 해서 빠른 시간내에 self lysis되는 것을 억제하는, 즉 미생물의 life time을 연장시켜 주는데 어떤 기여를 하고 있다고 사료된다.

3. 고정화균과 비고정화균의 페놀분해 활성의 비교

고정화균과 비고정화균에 의한 phenol분해를 Fig.3에 나타내었다. 결과를 보면 비고정화균의 경우 약간의 분해(200 - 300ppm)는 보였으나 많은 양의 phenol이 배양액에 남아 있었다. 그러나 폴리우레탄 폼에 고정시킨 고정화균의 경우 균주 모두 167시간의 배양으로 phenol 농도 0 ppm정도까지의 분해율을 나타났다. 특히 주목할 만한 것은 배양초기에 phenol 농도가 급격히 감소한 것을 볼수 있는데 이것은 미생물에 의해 분해된 것이 아니라 phenol이 폴리우레탄 폼에 흡착된 것에 의한다고 사료된다. 그리고 급격히 감소한 후에 phenol의 감소가 둔화되는 것은 미생물이 폴리우레탄 폼에 흡착된 phenol을 우선적으로 사용하기 때문이고, 어느정도 시간이 경과하면 사용된 만큼의 phenol이 다시 폼에 흡착되고 이것이 균의 생장에 사용되고 하는 과정을 반복해서 서서히 phenol농도가 감소되어 진다고 생각된다. 이러한 결과로 부터, 폴리우레탄 폼의 phenol에 대한 흡착성과 폴리우레탄 폼에 고정된 분해균에 의한 처리의 공정을 병행해서 사용하면 난분해성 방향족화합물의 처리 효율이 배가될 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 96년도 농림수산부 특정연구 개발과제의 연구비에 의해 수행되었으며 이에 감사를 드립니다.

참고문헌

1. S. Y. Chung, M. Maeda, E. Song, K. Horikoshi and T. Kudo, Biosci. Biotech. Biochem., 58(11), 2111(1994)

2. A.D. Eaton, L.S. Clesceri and A.E. Greenberg, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th Edition, 5-36(1995)

3. S.Y. Hong, S.H. Lee, J.H. Lee and J.H. Ha, Kor. J. Appl. Microbial. Bi-      otechnol, 23, 255(1995)

(a) fixed cell

(b) unfixed cell

Fig.2. The growth curve of fixed and unfixed cell.

Fig.1. The adsorption of phenol to poleurethane foam.

(a) fixed

(b) unfixed.

Fig.3. Phenol degradation rate of fixed and unfixed cell.