혐기성 조건에서 전자수용체와 co-substrate가 단핵 방향족

탄화수소의 생물학적 분해에 미치는 영향

주은경, 변임규, 이종현, 박태주

부산대학교 환경공학과

The Influence of Electron Acceptors and Co-substrates on Biodegradation of

Mono Aromatic Hydrocarbons in an Anaerobic Condition

Eun-Kyung Ju, Im-Gyu Byun, Jong-Hyun Lee, Tae-Joo Park

Dept. of Environmental Engineering, Pusan National University

서론

방향족 탄화수소는 원유의 24~27%를 구성하고 있으며, 원유성분 중 독성이 가장 큰 화합물로 알려져 있다. 특히 단핵 방향족 탄화수소인 Benzene, Toluene, Xylene의 경우에는 많은 양이 생산되며 산업공정 중에서 주로 연료 첨가제, 도료공업, 접착제, 칠기, 광택제, 잉크, 가죽공업 등에 광범위하게 사용되고 있다. 이 물질들은 매우 적은 농도에서도 발암성과 신경계 등의 독성을 나타내어 BTX 분해작용과 제거에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 회분식 실험을 통하여 혐기성 조건에서 전자수용체와 공동기질(co-substrate)이 benzene , toluene 그리고 xylene isomers (BTX)의 생물학적 분해에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.

이론

전자수용체

혐기성 조건에서는 용존산소가 존재하지 않으므로 전자공여체에 비해 전자수용체의 공급이 부족하여 BTX 화합물의 분해가 느리게 일어난다. 따라서 혐기성 조건에서 BTX 화합물의 분해속도를 향상시키기 위해 여러 가지 전자수용체를 사용하며 이중에서도 특히 nitrate 와 sulfate 등이 주로 사용된다. 다음은 BTX의 완전산화에 필요한 질산염과 황산염의 양론식이다.

Nitrate

Benzene : 1/30C6H6 + 1/5NO3- + 1/5H + 1/10N2 + 1/5H2O + 1/5CO2

Toluene : 1/36C7H8 + 1/5NO3- + 1/5H + 1/10N2 + 19/90H2O + 7/36CO2

Xylene  : 1/42C8H10 + 1/5NO3 + 1/5H + 1/10N2 + 23/105H2O + 8/42CO2

Sulfate

Benzene : C6H6 + 3.75SO42- + 7.5H+ → 6CO2 + 3.75H2S + 3H2O

Toluene : C7H8 + 4.5SO42- + 9H+ → 7CO2 + 4.5H2S + 4H2O

Xylene : C8H10 + 5.25SO42- + 10.5H+ → 8CO2 + 5.25H2S + 5H2O

Co-substrate

BTX 이외에 에탄올, 메탄올, 아세트산 등의 미생물에 의한 기질선호도가 높은 물질(co-substrate)이 존재하면 전자수용체의 우선적인 고갈을 수반하여 호기성 조건에서는 무산소 조건으로의 이행을 빠르게 하며, 혐기성 조건에서는 생물학적 난분해성 물질인 BTX의 분해에 부정적인 영향을 미친다고 보고되고 있다.

실험

전자수용체와 co-substrate가 방향족 탄화수소중 BTX의 생물학적 분해특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 여러 가지 조건을 달리하여 회분식 실험을 실시하였으며 실험방법 및 조건은 다음과 같다. 100mL serum bottle을 이용하여 medium(배지)를 autoclave 시킨 후 80mL 씩 주입하고 각 실험조건에 따라 6개월간 혐기성 생물막 반응기에서 BTX에 순화된 culture를 10%(8mL) 주입하였다. 여기서 대조실험인 control의 경우는 culture를 autoclave 시켜 사용하였다. 또한 혐기성 조건의 유지를 위해 serum bottle의 head space와 medium은 N2 가스로 환원시켰으며 BTX는 rubber와 aluminum crimp를 씌운 후 syringe를 이용하여 주입하였다. 중온 혐기성 조건의 유지를 위해 35℃로 유지되는 진탕배양기에서 정치 배양하였다.

전자수용체를 적용한 실험에서는 nitrate와 sulfate를 각각 이용하였으며 co-substrate의 BTX 분해에 대한 저해영향 실험은 전자수용체를 적용한 조건에서 methanol과 acetate 그리고 glucose를 각각 주입하여 수행하였다.

다음의 Table 1은 공통적으로 사용된 배지의 조성을 나타내고 있다.

Table 1 Composition of BTX synthetic wastewater

Compounds	Concentration (mg/L)	Compounds	Concentration (mg/L)
MgSO4·7H2O	500	MnCl2	1.0
K2HPO4	500	ZnSO4·7H2O	0.1
(NH2)2SO4	500	NaHCO3	2000
CaCl2	1.0	Benzene	141.20∼145.30
FeCl3·6H2O	1.0	Toluene	89.70∼90.80
Xylene	47.50∼50.39

결과 및 토론

Fig. 1은 nitrate와 sulfate를 전자수용체로 사용한 결과를 보여주고 있다. 전자수용체로 NO3-를 주입한 경우 17일의 배양후 benzene, toluene, p-xylene, m-xylene, o-xylen의 제거율이 각각 44.52, 60.47, 73.28, 72.07, 75.94%로 전자수용체를 주입  하지 않은 control에 비해 5.52, 15.48, 15.26, 10.95, 10.93% 증가하였다. 같은 조건의 운전에서 전자수용체로 SO42-를 주입한 경우는 benzene, toluene, p-xylene,      m-xylene, o-xylen 의 제거율이 각각 57.88, 62.1, 74.03, 72.01, 77.43%로 전자수용체를 주입하지 않은 control에 비해 18.80, 17.11, 16.01, 10.89, 12.42% 증가하였다.  Nitrate를 전자수용체로 사용한 경우 benzene의 분해에 대해서는 큰 영향을 미치지 못하고 있어 대수층 미생물을 사용하여 질산염환원조건에서 실험한 Stephen (1991), 그리고 과산화수소와 질산염을 주입하여 실험한 Paul J.(1993)과 Joseph G. Leahy(1997) 그리고 Kao(1997) 등과 비슷한 결과를 나타내었다. Sulfate를 주입한 경우는 benzene, toluene, xylene isomers 등의 모든 물질에 대해 상당한 개선효과가 나타났다(Gerda H., 1999).

Fig. 2는 Batch test의 BTX 제거량과 전자수용체 소모량과의 관계를 나타내고 있다. 질산염을 주입하지 않은 control과 nitrate를 주입한 경우 그리고 sulfate 주입한 경우 각각에서의 17일 간의 배양후 BTX 제거량은 각각 122, 156, 181 mg 이었다. 각각의 BTX 제거량에 대한 전자수용체의 이론적 소모량은 질산염 환원과 황산염 환원반응에 대한 양론식으로 부터 nitrate가 1,755 mg, sulfate가 1,778 mg 이었으나 17일간의 배양실험에서 실제 소모된 양은 nitrate가 2,031 mg, sulfate가 1,897 mg 이었는데 이는 세포합성에 일부 소모된 결과로 보여진다.(Paul J. et al.,1993).

Fig. 1. The enhancement of BTX      Fig. 2. The relationship of BTX removal            biodegradation by electron             weight and electron acceptor               acceptor.                            consumption weight.

Fig. 3는 enriched culture를 사용하여 여러가지 co-substrate의 조건에서 BTX 분해특성에 대해  실험한 결과를 보여주고 있다. Co-substrate로 글루코스, 아세테이트, 그리고 메탄올을 주입한 경우는 각각 benzene, toluene, p-xylene 농도의 저감 수준이 408시간의 반응시간에도 휘발등의 손실에 의한 저감을 나타내는 control

reactor의 농도저감과 비슷한 결과를 나타내어 실질적인 생물학적 BTX의 분해가

Fig. 3. The inhibition effect of co-substrate on BTX degradation.

일어나지 않았음을 알 수 있다. 반면 기질로 BTX만 주입한 경우 408시간의 반응

에서 각각의 BTX 물질에 대한 농도저감은 benzene이 25.98%, toluene이 29.33%, m-xylene이 22.64% 일어났다.

결론

전자수용체와 co-substrate가 방향족 탄화수소중 BTX의 생물학적 분해특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 여러 가지 조건을 달리한 회분식 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 회분식 실험에서 전자수용체의 적용은 전체적으로 BTX의 혐기성 분해능을 5.52∼18.88 % 증가시키는 결과를 보였으며, SO42-의 효율이 상대적으로 우수한 것으로 나타났다. NO3-의 적용은 toluene과 xylene의 분해에는 반응속도의 증가가 뚜렷이 관찰되었으나 benzene에 대해서는 영향이 미미한 것으로 나타났다.

(2) Co-substrate로 methanol과 acetate 그리고 glucose를 적용한 결과 BTX 분해에 있어 각각 14.13∼21.37%, 16.85∼24.30%, 17.96∼25.48%의 분해율 저하를 보였으며 glucose의 저해영향이 상대적으로 높은 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Joseph G. Leahy et al., "Kinetics of toluene degradation by toluene-oxidizing bacteria as a function of oxygen concentration, and the effect of nitrate." Microbiology Ecology, 23, 23-30(1997)

2. Kao et al., "Site-specific variability in BTEX biodegradation under denitrifying conditions." Ground Wat., 35(2), 305-311(1997)

3. GERDA HARMS et al., "Anaerobic Oxidation of o-Xylene, m-Xylene and Homologous Alkylbenzenes by New Types of Sulfate-Reducing Bacteria." Appl. Environ Microbiol., 65(3), 999-1004(1999).

4. PAUL J. ANID, et al., "BIODEGRADATION OF MONOAROMATIC HYDROCARBONS IN AQUIFER COLUMNS AMENDED WITH HYDROGEN PEROXIDE AND NITRATE." Wat. Res., 27(4), 685-691(1993).

5. STEPHEN R. HUTCHINS, "Biodegradation of Monoaromatic Hydrocarbons by Aquifer Microorganism Using Oxygen, Nitrate, of Nitrous Oxide as the Terminal Electron Acceptor." Appl. Environ Microbiol., 57(8), 2403-2407(1991).