황산화 세균 Thiobacillus sp. IW의 성장과 H2S분해 특성

황재웅**, 장석진*, 강염석*, 박성훈*,**

부산대학교 화학공학과*, 부산대학교 환경기술·산업개발연구센터**

Growth of Thiobacillus sp. IW and H2S Removal

Jae Woong Hwang**, Seok Jin Jang*, Youm Seok Kang*, Sunghoon Park*,**

Department of Chemical Engineering, Pusan National University*,

Institute for Environmental Technology and Industry, Pusan National University**

서론

Hydrogen sulfide 및 mercaptane 등의 유황계 악취물질은 자극성이 강한 폐가스로 하수처리장, 분뇨처리장 등 환경기초시설은 물론 정유공장, 제지공장 등 많은 사업장에서 발생하는 대표적인 공해물질이다. 이들은 지금까지 아무런 처리 없이 대기중으로 방출되거나 혹은 물리·화학적 방법을 통해 부분적으로 처리된 채 방출되고 있다. 하지만 1999년 1월부터 시행된 새로운 대기환경 보존법에 의해 이들 악취물질 중 hydrogen sulfide, mercaptane, dimethy sulfide 및 dimethyl disulfide 등 4개 물질에 대한 규제가 심화되었고, 따라서 이들 물질의 제거 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 경제성과 환경 친화성 측면이 강조되는 최근의 추세로 인해 이들 악취물질의 생물학적 처리방법의 중요성이 크게 부각되고 있다.

유황계 악취물질에 대한 분해 활성이 높다고 알려진 미생물로는 Thiobacillus, Hyphomicrobium 및 Xanthomonas 등이 있다. 이들 미생물은 황화합물의 산화과정에서 생성된 에너지를 이용하여 성장하며 분해기작은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Oxidation of reduced sulfur compounds

이중 Thiobacillus속의 미생물은 주로 pH 2-3의 산성조건에서 높은 활성을 보이며 대부분 독립영양 미생물이다. 이들은 유황계 악취물질 산화과정에서 필연적으로 나타나는 pH 하강에 안정적이기 때문에 pH 조절이 어려운 biofilter 반응기에는 장점이 있는 것으로 알려져 있다. 반면 성장속도가 느리고 산성 조건에서 대표적 유황계 악취물질중 하나인 dimethyl sulfide를 거의 분해하지 않기 때문에 다종의 유황계 악취물질의 동시분해에는 적용하기 어렵다고 알려져 있다.

한편 최근에는 중성 pH에서 황화합물 분해에 높은 활성을 보이는 Thiobacillus 속 미생물이 보고되고 있다. 이중 Thiobacillus sp. IW는 유기탄소원을 이용하여 자라며 빠른 성장속도를 보이는 것으로 알려져 있다. 또한 H2S와 함께 mercaptane 분해활성도 지닌 것으로 보고되었다.

이에 본 연구에서는 Thiobacillus sp. IW를 이용하여 미생물의 최적 성장 조건 및 분해 조건에 대한 연구를 수행하였다. 특히 biotrickling filter에 적용할 것을 염두에 두고 pH, 온도, 배지조성, H2S 농도 등의 영향을 플라스크 규모에서 조사하였다.

실험

세포배양은 Cha 등이 사용한 배지를 이용하였으며, 300 ml 플라스크를 진탕배양기에서 250rpm의 속도로 진탕하였다. 세포 농도는 분광광도계(Lambda 20, Perkin-Elmer Co. Inc., USA)를 이용하여 660 nm의 흡광도를 측정하여 분석하였다. 이 때, conversion factor는 1A660 = 0.55 g/l였다.

기체의 분석은 flame photometric detector(FPD)가 장착된 가스 크로마토그래피(M600D, Yeong Lin Co. Inc., Korea)를 이용하였다. AT1000이 충진된 칼럼을 사용하였으며, 오븐 온도 및 detector 온도는 각각 100℃와 200℃이었다.

황화수소의 분해활성은 160 ml serum bottle을 이용하여 yeast extract와 thiosulfate를 제외한 배지 10 ml에 0.25 g/l 세포농도로 재현탁시킨 후, 기상의 황화수소를 40∼80ppmv의 농도로 첨가하여 shaking water bath에서 250 rpm으로 교반하며 제거된 황화수소의 양을 가스 크로마토그래피로 측정하였다.

결과 및 토론

세포성장 및 분해활성에 미치는 온도와 pH의 영향을 Fig. 2과 3에 나타내었다. 일반적인 중온 미생물과 같이 30℃에서 최고의 성장속도와 분해활성을 보였으나, 25℃∼40℃에서도 비교적 높은 값을 나타내었다. 특히 비성장속도는 2.4 h-1로 다른 Thiobacillus 속의 미생물보다 30배 이상 높았다.

Fig. 2 Effect of temperature on specific growth rate(□) and H2S degradation activity(□).	Fig. 3 Effect of pH on specific growth rate(□) and H2S degradation activity(□).

또한 pH 7에서 비성장속도 및 분해활성이 최대값을 보였다. pH 6이하와 8이상에서는 비성장속도는 최대치의 50% 이상을 유지하였으나 분해활성은 급격히 떨어졌다. 이러한 결과는 높은 분해활성 유지를 위해 정밀한 pH 조절이 필요하다는 것을 의미한다. 반응기내 pH 조절이 어려운 biofilter에 적용하기보다는 pH 조절이 용이한 biotrickling filter에 적용하는 것이 좋다는 것을 뜻한다. 최종 세포농도의 경우 다른 Thiobacillus의 경우 6 - 8일 배양에서 800 mg/L 이상을 얻기 어려운 것으로 보고되고 있으나 본 미생물의 경우 flask scale에서 5시간 배양후 550 mg/L 이상이었다. 이러한 결과는 높은 세포농도에서 운전되는 biotrickling filter 반응기의 start-up 기간을 줄이는 것은 물론 운전중 발생할 수 있는 사고에도 쉽게 대처할 수 있는 이점을 제공한다.

성장 배지내 thiosulfate 농도가 균체성장과 H2S 분해활성에 미치는 영향을 조사하였다. 배지내 thiosulfate 농도를 0 g/l, 8 g/l, 32 g/l로 벌렸고, 활성은 배양시간 76시간, 98시간 및 112시간에 조사하였다. 미생물 성장은 대략 5시간에 종료되었고, 성장 속도 및 최종 세포농도는 thiosulfate 농도에 관계없이 거의 비슷하였다(data not shown). 이는 종속 영양 미생물인 Thiobacillus sp. IW가 지수성장시 배지내 yeast extract를 탄소 및 에너지원으로 하여 잘 성장하며 별도의 에너지원으로 thiosulfate를 필요로 하지 않는다는 것을 뜻한다. 한편 H2S 분해활성의 경우 thiosulfate 농도와 harvest time에 따라 큰 차이를 보여주었다(Fig. 4).

Fig. 4. Effect of growth medium thiosulfate concentration on H2S degradation

activity for the cells harvested at 76 h, 99 h and 112g. Thiosulfate

concentrations were 0 g/l (□), 8 g/l (□), and 32 g/l (□) respectively.

The constant H2S levels in the serum bottle without cells(□) show that

gas leak is negligible.

76시간 세포의 경우 thiosulfate 첨가시 H2S의 분해속도가 느렸으나, 98시간 및 132시간으로 배양시간을 증가시킨 경우 thiosulfate 첨가에 의해 H2S분해 속도가 증가하였다. 또 thiosulfate를 첨가하지 않은 경우 시간에 따라 미생물 활성이 급격히 감소하였다. 이러한 결과는 배지중 thiosulfate가 H2S 분해에 관여하는 효소 생산에는 직접적인 영향을 미치지 않으나 성장이 끝난 후 H2S 분해활성의 안정성 유지에는 중요하다는 것을 뜻한다. 따라서 Thiobacillus sp. IW 배양시 적절한 harvest time의 선정 및 적절한 thiosulfate 첨가가 중요하다고 판단된다. 76시간의 경우 높은 thiosulfate 농도에서 H2S 분해활성이 낮은 것은 배지내 잔여 thiosulfate가 H2S와 경쟁하여 H2S 분해활성을 낮추었기 때문으로 판단되며, 반면 98시간 이후 그 경향이 바뀌는 것은 thiosulfate가 H2S 분해 효소에 계속적으로 환원력을 제공하여 효소안정성을 증가시켰기 때문으로 판단된다.

Fig. 5에서는 hydrogen sulfide 농도에 따른 분해속도를 도시하였다. 대체적으로 Michaelis-Menten kinetics를 따르며 200ppmv까지 hydrogen sulfide에 의한 저해작용은 나타나지 않았다. Lineweaver-Burk plot을 통해 구한 saturation constant(Km)과 maximum degradation rate(Vmax)는 각각 76.5 ppmv 및 0.72 kg H2S/kg cell·day이었다. 대표적인 H2S 분해균주인 Thiobacillus denitrificans와 비교해 볼 때 Km은 비슷했으나 Vmax는 20배 가량 낮았다. 그러나 biotrickling filter가 대부분 물질전달 제한 조건에서 운전되는 것을 감안할 때 Vmax의 중요성은 비교적 크지 않은 것으로 여겨진다. 또한 종속영양균 및 중성균으로 빠른 성장 속도와 배양 용이성, 그리고 복합 황화합물 분해 등의 장점을 감안할 때 본 미생물의 응용가능성은 매우 높다고 할 수 있다.

Fig. 5 Effect of H2S concentration on H2S degradation rate

결론

중성 H2S 분해 균주인 Thiobacillus sp. IW를 이용하여 세포성장 및 H2S 분해특성을 조사하였다. Thiobacillus sp. IW는 기존의 H2S 분해균주와는 달리 종속영양 미생물로 비성장 속도가 약 30배 가량 빨랐고, 중성 pH에서 최적의 성장 및 분해활성을 나타내었다. 따라서 본 미생물을 pH 조절이 쉬운 biotrickling filter에 적용하는 경우 start-up period를 줄일 수 있으며, 고농도의 미생물 유지가 가능하기 때문에 고부하 유황계 악취물질 처리에 응용할 수 있다고 판단되었다.

참고문헌

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