방향족 탄화수소의 호기성 미생물에 의한 분해 특성

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

윤인길*, 조대원, 이일현, 김광하, 박창호

경희대학교 산학협력기술연구원*, 환경응용화학부

Biodegradation Characteristics of Aromatic Hydrocarbons

by Aerobic Microorganisms

In-Kil Yoon*, Dae Won Cho Ill-Hyun Lee, Kwang-Ha Kim, and Chang-Ho Park

Department of Chemical Engineering and Industrial Lisison Research Institute*,

Kyung Hee University, Young-si, Korea

서론

인구의 증가와 산업발달로 인하여 에너지 및 화학제품의 원료로 원유의 사용이 급증하고 있다. 원유는 매우 복잡한 물질로서 수 천 종의 상이한 유기화합물로 구성되어 있지만 주성분은 탄화수소로 일부 원유에서는 탄화수소의 함량이 99%에 달하기도 한다. 이러한 원유에 포함되어 있는 독성물질 중 대표적인 것으로 BTEX(benzene, toluene, ethylbenzene, xylene)가 있다[1]. 원유의 다양한 구성성분 중 BTEX에 관심이 집중되는 다른 성분 들 보다 물에 대한 수용성이 월등해서 넓은 지역을 오염시킬 수 있으며 매우 소량으로도 발암성과 중추신경계 마비, 간과 신장 등에 독성을 나타내는 것으로 알려져 있다 [2}.

환경오염이 인류의 생존을 위협하게 되면서 이를 정화하려는 노력이 여러분야에서 집중적으로 진행되고 있다. 특히 생물학적인 방법에 의하여 의존하는 생물정화(bioremediatioon)는 환경요인의 조작, 유기체의 첨가, 혹은 이런 것들의 복합된 조절을 통하여 미생물에 내제된 활성을 극대화 시켜 환경 중에 방출되어 있는 유해물질을 분해시켜 오염전의 상태로 복원하는 것을 말한다. 이러한 생물정화는 오염된 환경의 오염물질을 분해하고, 막대한 비용과 설비를 필요로 하는 물리적이나 화학적인 처리에 비해 경제적으로 유리하며, 부산물에 의한 2차 독성을 나타내지 않기 때문에 다른 방법에 비해 장점들이 부각되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 우리 나라 현장의 토착 미생물을 시료로 이용하여 BTEX로 오염된 작업장이나 현장오염원을 비롯하여 이와 유사한 성질의 BTEX을 효율적으로 분해할 수 있는 최적 분해조건을 찾고자 하였다. 따라서 방향족 탄화수소들의 분해능을 향상시키기 위한 방법의 일환으로 호기성 분해 속도 및 분해 특성을 비교하고 적정 분해 농도를 결정하고자 몇몇 환경인자의 변화가 방향족 탄화수소의 분해에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.

재료 및 방법

시료 접종 및 배양. 본 실험에 사용한 균주는 부산 장림천에서 채취한 슬러지를 시료로 사용하였다. 채취된 슬러지(10 g)와 최소배지 (30 ml)를 vortex로 혼합한 다음 30분간 방치하여 상등액 5 mL (v/v)를 BTX 첨가 배지에 접종하였다. 접종은 멸균된 주사기를 사용하였으며, 접종 후 20, 25, 32, 40oC 배양기에서 배양하였다.

BTX의 적정 분해 농도 결정. BTX의 농도에 따른 분해정도를 파악하기 위해 120 ml vials에 30 ml 최소배지와 3 ml의 시료를 접종한 후 benzene, toluene, m-xylene (Aldrich)을 5∼30 mg/l 되게 첨가하였다. 일정 배양 시간 후 각 vials에서 일정량의 시료를 채취하여 분석하였으며, 대조구로는 시료 접종 후 다시 멸균한 vial을 사용하였다.

GC 분석. BTX는 휘발성이 강한 물질이므로 serum vial의 headspace에 존재하는 양을 측정하여 초기 농도에 대한 비율로 그 잔류량을 나타냈다. 휘발성 유기화합물의 농도는 250 □ gas-tight syringe (Hamilton, Co.)로 100 ul취하여 GC-FID (HP 5890 Series II)로 분석하였다. 사용한 column은 Ultra-I capillary column (50 m×0.25 mm×0.5 um film thick, HP)이였으며, carrier gas는 질소 (99.999%)를 사용하였다. 오븐 온도는 초기 35℃로 3분간 유지하고 10℃/min으로 100℃까지 상승되도록 하였다. 시료의 정성 분석은 머무름 시간 (retention time)을 이용하였다. 정량 분석은 피크 면적 (peak area)을 측정하여 HP ChemStation program을 이용하여 분석하였다 (Table 1).

Table 1. Analytical conditions for the headspace gas analyses of                                   benzene, toluene, and m-xylene.

Instrument	Hewlett-Packard 5890
Data System	Hewlett-Packard 3390A Integrator HP ChemStation system
Detector	Flame Ionization Detector (FID)
Injection System	Hand injection
Column	50 m × 0.25 mm I.D., 0.5 □m film thickness
Carrier Gas	Nitrogen (99.999 %), 1 □/min
Fuel Gases	Hydrogen (99.999 %), 25 □/min Air (99.999 %), 250 □/min
Makeup Gas	Nitrogen (99.999 %)
Temperature Program	35oC for 3 min; programmed at 10oC/min to 100oC

결과 및 고찰

난 분해성 독성화합물의 분해는 물질의 농도에 따라 분해 속도 및 지체기 (acclimation period)가 많은 차이를 나타낸다 [3]. 따라서 본 실험에서는 우선 BTX의 농도 변화에 따른 분해 정도를 파악하여 BTX의 분해 실험을 수행하기 위한 적정 농도를 구하고자 하였다. benzene, toluene, m-xylene이 각각 3, 6, 10, 15, 20, 30 mg/l 씩 첨가된 배지에 시료를 접종하여 배양하였다. 각각 3, 6, 10, 15, 20, 30 mg/l 농도로 benzene, toluene, m-xylene을 첨가하였을 경우 단일 화합물의 제거경향은 다음과 같다. 6 mg/l의 경우 10시간 배양 후 benzene, toluene의 경우 잔류량이 검출되지 않았다. m-xylene의 경우 12시간에서 14시간 후 100% 분해되어 다른 종류의 화합물보다 다소 느리고 분해되고 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과에 의해 방향족 화합물의 종류에 따른 분해 정도의 경향성은 benzene, toluene > m-xylene 순으로 나타났다. Benzene, toluene, m-xylene의 임계농도는 6-10 mg/l 임을 알 수 있었다.

6 mg/l의 농도로 benzene, toluene, m-xylene을 첨가하여 3 온도(20, 25, 32, 45℃)조건에 BTX의 분해경향을 연구하였다 (Fig. 1). BTX의 분해율은 20, 25℃조건에서 분해율이 유사하였으며 45℃에서 가장 분해효율이 떨어져 BTX의 분해정도는 32℃가 효율적인 것으로 밝혀졌다. 4조건에서 BTX의 성분별 분해속도는 benzene, toluene > m-xylene 순으로 나타나 Hutchins[4]의 연구결과와는 다른 분해속도를 보였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

32oC 조건에서 pH에 따른 BTX의 분해 정도는 Fig. 2에 나타낸 바와 같다. 초기배양 3시간까지 benzene과 m-xylene의 분해는 10-25% 정도가 분해된 반면, toluene은 50-80%정도가 분해되었다. 또한 초기 3시간 동안 pH 6조건에서 분해속도가 가장 느린 것으로 나타났으며 pH 7과 8의 분해능의 차이는 크지 않았으나 pH 7 조건에서 분해속도가 빠른 것으로 나타났다.  BTX가 단일 화합물로 존재할 때의 제거효율은 toluene의 경우 17%/time로, 혼합상태로 존재할 때보다 제거효율이 증가하여 복합 오염일 경우 그 분해효율이 저하됨을 알 수 있었다. 이러한 분해효율의 감소는 혼합체의 첨가 및 농도 증가에 의한 분해저해의 결과로 기인한다. 이상에서 살펴본 바와 같이 거의 모든 조건에서 BTX 화합물별 분해속도는 toluene, benzene > m-xylene 순서로 나타났다. BTX로 오염된 지역을 정화하기 위해서는 오염지역의 특성파악과 환경요인의 변화에 따라 BTX의 분해에 미치는 영향을 연구함으로써 처리효율의 극대화를 이룰 수 있다.

참고문헌

[1]	Ronald, L. C and Richard, M. D. 1993. Impact of a massive crude oil on the	invertebrate of a missouri ozark stream. Environ Pollut. 63, 13-21.

[2]	Martin, H. A., Keuning, S., and Janssen, D. B., Handbook on	biodegradation and biological treatment of hazardous organic compounds. 2nd Ed.,	Academic Press, Dordrecht. (1998).

[3]	Alexander. M. Biodegradation and bioremediation. Academic Press, N.Y. (1994)

[4]	Hutchins, S.R.,  Sewell, G. W. and Smith, G. A. 1991. Biodegradation of aromatic	hydrocarbons by aquifer microorganisms under denitrifying conditions, Envir. Sci.	Technol. 25, 68-76.