KR100513931B1 - 폴리비닐알콜 제거능이 우수한 미생물 및 이를 이용한 폴리비닐알콜 함유 폐수의 생물학적 처리 효율 향상에 관한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염색폐수에 포함된 폴리비닐알콜의 제거능이 우수한 신규한 미생물 마이크로박테리움 바커리 엘씨 (Microbacterium barkeri LC)에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 미생물을 이용하여 폴리비닐알콜을 제거하는 생물공학적 방법도 제공된다.

상기 생물공학적인 PVA 제거 시 보조탄소원이나 보조질소원의 첨가로 인하여 PVA 제거반응을 경제적이고 효과적으로 촉진할 수 있다.

Description

폴리비닐알콜 제거능이 우수한 미생물 및 이를 이용한 폴리비닐알콜 함유 폐수의 생물학적 처리 효율 향상에 관한 방법{Microorganism for Polyvinyl Alcohol Treatment and A Method for Increasing Biological Treatment Efficient of PVA Containing Wastewater}

본 발명은 염색폐수에 포함된 다양한 난분해성 물질 중 폴리비닐알콜 (polyvinyl alcohol; PVA)의 제거능력이 우수한 신규한 미생물 마이크로박테리움 바커리 엘씨 (Microbacterium barkeri LC) 및 이를 이용한 PVA의 생물공학적 제거방법에 관한 것이다.

현재, 염색폐수에 포함된 PVA를 제거하기 위해 흡착이나 초음파 분해나 막분리와 같은 물리적 방법, 촉매 혹은 펜톤 (Fenton) 방법과 같은 화학적 처리방법, 그리고 생물공학적 처리방법 등 다양한 기술들이 사용되고 있다.

흡착처리법은 염색폐수 내의 오염물질을 광범위하게 처리할 수 있으나, 많은 슬러지를 발생시켜 2차 처리를 해야 하는 단점이 있다. 분리막을 PVA 제거에 사용하게 되면, PVA에 의해 막오염을 유발하기 때문에 그 처리과정에서 2차오염의 문제가 발생한다. 펜톤 산화법은 미반응 물질이 폐수 내에 존재하는 위험성을 내포하고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 극복하고자 미생물을 이용하여 PVA 및 PVA를 함유한 폐수를 생물공학적으로 처리하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 예로, 일본특허 제50-87058호에는 엔도마이시스 (Endomyces) 속, 자이고사카로마이시스 (Zygosaccharomyces) 속, 피키아 (Pichia) 속, 그리고 나소니아 (Nadsonia) 속의 미생물을 이용하여 500 mg/L의 PVA 분해 연구를 30℃, pH 7 하에서 7일 동안 진행하여 각각 74.2, 58, 53.8, 그리고 77.2%의 PVA 분해율을 얻었다고 보고되고 있다. 일본특허 제50-87059호에 의하면, 사카로마이시스 (Saccharomyces) 속, 리포마이시스 (Lipomyces) 속, 그리고 로도토룰라 (Rhodotorula) 속을 이용하여 폴리비닐알콜계 수지를 분해하는 연구를 진행하였는데, 500 mg/L의 PVA를 30℃, 그리고 pH 7 하에서 상기 미생물을 이용하여 7일간의 분해 실험 후 각각 97.7, 58.7, 그리고 50.8%의 PVA 분해율을 얻은 것으로 나타났다. 한편, 국내특허 제139047호에도 파스테우렐라 해몰이티카 (Pasteurella haemolytica)와 슈도모나스 (Pseudomonas) 속의 미생물을 이용하여 PVA 분해시간을 단축시키는 방법이 개시되어 있기는 하나, 100 mg/L의 PVA를 95%까지 분해하는데 4일 이상이 소요되어 여전히 신속하고 안전한 처리를 실현하는 데는 미치지 못하고 있다.

또한, 다양한 미생물을 이용하여 500 mg/L의 PVA를 90% 이상 분해하는데 일주일 이상이 소요되며, PVA의 비누화도가 88% 미만일 경우에만 90% 이상의 PVA 분해율을 얻을 수 있다고 보고되고 있으며(Polym. Degrad. Stabil., 2002, 75; 447-458), 슈도모나스 (Pseudomonas) 속의 미생물과 잔토모나스 (Xanthomonas) 속의 미생물을 이용하여 PVA를 제거하는 경우, 이 두 종류의 미생물이 공생관계를 가질 때에만 100 mg/L의 PVA를 90% 이상 분해하는 것으로 보고되고 있다(J. Korean Agric. Chem. Soc. 1992, 35, 30-35).

이처럼 현재까지 보고된 PVA 분해 연구에 의하면, 대부분 낮은 분해율을 보이며, 비누화도가 낮거나 두 종의 미생물이 공생관계를 유지하는 경우에만 높은 분해율을 보이는 등 PVA 분해효율이 우수하지 못하다.

따라서, 이를 해결하기 위한 미생물의 확보가 지속적으로 필요하며, 향상된 생물공학 기술이 접목된 효율적인 방법들이 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 염색폐수에 함유된 PVA의 제거능이 우수한 새로운 미생물을 탐색하던 중, 염색폐수 슬러지 및 PVA 제조 공정 폐수로부터 PVA를 분해하는 성질을 가지는 균주를 분리하여 PVA 제거에 대한 활성을 조사한 결과 이 균주는 다른 균주와의 공생관계 없이 단독으로도 염색폐수의 PVA를 효율적으로 제거할 수 있음을 밝혀내었고, 상기 균주를 동정한 결과 기존에 알려지지 않은 새로운 미생물임을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다. 또한, 보조에너지원으로써 보조탄소원이나 보조질소원을 첨가함에 의해서 염색폐수에 포함된 PVA 제거 반응을 촉진시킬 수 있는 것을 밝혀냄으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 염색폐수에 포함된 PVA 제거능이 우수한 신규의 미생물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 균주를 사용해 PVA를 효과적으로 제거하는 생물학적 제거방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은, 분해반응 촉진을 위해 다양한 보조에너지원을 첨가하여 상기 생물학적 PVA 제거방법을 보다 효율화하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, PVA의 분해제거능력이 우수한 신규한 미생물마이크로박테리움 바커리 엘씨 (Microbacterium barkeri LC)에 관한 것이다.

또한 본 발명은, 상기 미생물을 이용하여 염색폐수 등과 같은 오ㆍ폐수에 함유된 폴리비닐알콜을 생물학적으로 분해ㆍ제거하는 방법에 관한 것이다. 이때, 분해효율을 높이기 위하여 오ㆍ폐수에 보조탄소원 또는 보조질소원을 첨가하는 것이 바람직하다. 보조탄소원은 에탄올, 글루코오스, 메탄올, 프룩토오스, 스타치 등 비교적 미생물에 의해 분해되어 대사 에너지로 활용되기 쉬운 하나 또는 둘 이상 복합적 탄소원 혼합물일 수 있다. 또한 상기 보조질소원은 우레아, 염화암모늄, 질산칼륨, 비프 익스트랙트, 펩톤 등 미생물에 의해 쉽게 흡수ㆍ이용될 수 있는 하나 또는 둘 이상 복합적 질소원 혼합물일 수 있다. 본 발명에서 상기 언급된 물질 이외의 적절한 탄소원 또는 질소원을 사용하는 것은 당업자에게 자명할 것이다.

본 발명에서는, 분해제거 효율의 증대를 위해 상기 보조탄소원과 보조질소원을 동시에 첨가하는 것도 가능하다.

본 발명자들은, PVA를 잘 분해하는 우수한 미생물을 선별하기 위해, 염색폐수 및 슬러지를 채취하여, (NH₄)₂SO₄ 1 g, KH₂PO₄ 0.4 g, K₂HPO₄ 3.2 g, MgSO_4ㆍ7H₂O 0.2 g, NaCl 0.1 g, FeSO₄ㆍ7H₂O 0.01 g, yeast extract 1 g이 첨가된 PVA 분해균 배양 배지에 PVA 100 mg/L를 첨가하여 pH 7, 30℃의 조건 하에서 농후배양을 실시하였다. 그 후, 수 차례의 분리배양을 통하여 26종의 단일 미생물로 분리하였다. 분리된 미생물을 대상으로 세밀한 PVA 분해 실험을 수행하여 PVA 분해능력이 가장 우수한 본 발명에 의한 균주를 최종 선별하였다.

상기에서 선별된 균주를 한국생명공학연구원 부설 유전자 은행 (KCTC)에 동정을 의뢰한 결과 마이크로박테리움 바커리와 99%의 유사성을 보여 이를 마이크로박테리움 바커리 엘씨 (Microbacterium barkeri LC)로 명명하였으며, 한국미생물보존센터 (KCCM)에 2003년 9월 2일 기탁하여 기탁번호 KCCM 10507을 부여받았다.

최종 선별된 균주의 형태 및 생리학적 특성 (physiological characteristics)을 조사하였다. 본 발명에 의한 상기 미생물은 그람 음성의 호기성 세균으로 단간균의 형태를 가지는 것으로 관찰되었다. 생리학적 특성으로는 탄소원 또는 에너지원으로서 리보오스 (ribose), 글루코오스 (glucose), 프룩토오스 (fructose), 에스큘린 (esculin) 등은 이용할 수 있으나, D-아라비노스와 L-아라비노스 (arabinose), D-자일로스와 L-자일로스 (xylose), 만노스 (mannose), 소보스 (sorbose), 람노스 (rhamnose) 및 소르비톨 (sorbitol) 등은 이용하지 못하였다.

또한, 본 발명에 의한 미생물의 16s rDNA는 서열 1과 같은 염기서열을 나타내었다.

본 발명에 의한 미생물 마이크로박테리움 바커리 엘씨에 의한 PVA의 생물공학적 분해능력 분석을 위한 기본배지는 PVA 100 mg/L, (NH₄)₂SO₄ 1 g, KH ₂PO₄ 0.4 g, K₂HPO₄ 3.2 g, MgSO_4ㆍ7H₂O 0.2 g, NaCl 0.1 g, FeSO_4ㆍ 7H₂O 0.01 g, yeast extract 1 g이 첨가된 것이다. 실험을 위해, 전배양된 상기 미생물 배양액을 처리대상 합성폐수 부피의 1%가 되는 양을 접종하였다. 실험결과, PVA 제거가 가장 우수한 온도는 약 30℃이고 pH는 약 7 전후였다.

본 발명에 의한 생물학적 분해방법에 있어서, 다양한 보조탄소원이나 보조질소원을 첨가하는 것이 분해효율 증대에 도움이 되었다. 실험된 몇가지 보조탄소원 중에서는 스타치가, 보조질소원 중에서는 펩톤이 우수한 증대효과를 나타내었다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 내용이나 범위가 실시예에 의해 한정되거나 변경되는 것은 아니다.

염색폐수에 포함된 PVA의 분해효율 분석실험 방법

미생물을 이용한 PVA의 생물학적 분해능을 확인하기 위하여 PVA 100 mg/L, (NH₄)₂SO₄ 1 g, KH₂PO₄ 0.4 g, K₂HPO ₄ 3.2 g, MgSO_4ㆍ7H₂O 0.2 g, NaCl 0.1 g, FeSO_4ㆍ7H₂O 0.01 g, yeast extract 1 g로 이루어진 기본배지 (pH 7)를 이용하였다. 선별분리된 미생물을 영양배지 (실시예 1 참조)에서 전배양한 미생물 배양액을 기본배지의 1% (v/v)를 접종하여 30℃에서 배양하면서 시간경과에 따라 기본배지를 샘플링하고, 0.25 ㎛ 필터를 사용하여 필터링을 하여 균체를 제거한 후 여과액에 Finley 법을 적용한 다음 여과액 중의 잔존 PVA를 분석하였다.

자외선/가시광선 분광광도계 (Shimadzu사, 일본)를 사용하여 PVA 및 미생물의 농도를 측정하였다. 사용한 PVA의 최대 흡수 파장은 690 nm로서 PVA의 제거율을 측정할 때 자외선/가시광선 분광광도계를 사용하여 용액 내에서의 잔존 PVA량을 측정하였다.

실시예 1 :염색폐수 및 PVA 제조 공정 폐수로부터 미생물의 선별

K시에 위치한 폐수 처리시설에서 염색폐수 및 PVA 제조 공정 폐수를 채취하여, 상기 조성으로 제조된 기본배지에 접종하고, pH 7, 30℃의 조건 하에서 농후배양을 실시하였다. 그 후, 수 차례의 분리배양을 통하여 PVA 분해능을 나타내는 총 35종의 단일 미생물을 1차 선별하였다.

분리된 35종의 균주 중 전술한 염색폐수의 PVA 분해효율 분석실험 방법에 따라 분해효율이 더욱 우수한 26종의 미생물을 2차 선별하였다. 이들 선별된 26종의 미생물을 기본배지에 접종한 다음 5일 경과 후의 100 mg/L PVA에 대한 분해효율을 도 2에 나타내었다. 도에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 미생물 마이크로박테리움 바커리 엘씨는 다른 미생물들에 비해 우수한 분해효율을 나타냄을 알 수 있었다. 이에 마이크로박테리움 바커리 엘씨를 최종적으로 선별하였다.

실시예 2 : 선별한 미생물의 동정 및 기탁

상기 실시예 1에서 선별된 균주를 한국생명공학연구원 부설 유전자은행 (KCTC)에 동정을 의뢰한 결과 마이크로박테리움 바커리와 99% 이상의 유사성을 보여, 이를 마이크로박테리움 바커리 엘씨 (Microbacterium barkeri LC)로 명명하였으며, 한국미생물보존센터 (KCCM)에 2003년 9월 2일 기탁번호 KCCM 10507로서 기탁하였다.

최종 선별된 마이크로박테리움 바커리 엘씨의 형태 및 생리학적 특성을 조사하였다. 마이크로박테리움 바커리 엘씨는 그람 음성 (Gram Negative)의 호기성 세균으로 단간균의 형태이며, 생리학적 특성은 다음의 표 1에 나타내었다.

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 미생물은, 탄소원 또는 에너지원으로서 리보오스, 글루코오스, 프룩토오스, 에스큘린 등은 이용할 수 있으나, D-아라비노스와 L-아라비노스, D-자일로스와 L-자일로스, 만노스, 소보스, 람노스 및 소르비톨 등은 이용하지 못하였다.

16s rDNA 분석을 통해 결정된 마이크로박테리움 바커리 엘씨의 염기서열은 서열 1과 같다.

실시예 3 : 본 발명의 미생물의 PVA 분해능 분석

상기 실시예 1 및 실시예 2에 따라 선별, 동정된 마이크로박테리움 바커리 엘씨의 PVA 분해활성을 조사하기 위해서, 고농도 PVA 배지 (상기 기본배지에서 PVA가 500 mg/L인 것)에, 기본배지에서 농후배양된 상기 미생물 배양액 1% (v/v)를 접종하였다.

추가적인 처리조건 최적화 결과 (데이타 도시 생략), 20～45℃의 온도범위에서 90% 이상의 PVA가 분해되는 결과를 확인할 수 있으며, PVA 분해를 위한 최적온도는 30℃이었다. 또한, 온도가 30℃일 때 pH 4～9의 범위에서 90% 이상의 PVA가 분해되는 결과를 확인할 수 있으며, PVA 분해를 위한 최적 pH는 7이었다. 상기 균주 성장 최적 조건 하에서 5일 동안 진행된 500 mg/L의 PVA 분해 결과를 도 3에 보였다. 도에서 볼 수 있듯이, 배양 5일 경과 후 90% 이상의 PVA가 분해됨을 알 수 있었다.

실시예 4 : 보조에너지원 첨가의 효과 분석

이어서, 보조에너지원으로서 보조탄소원이나 보조질소원의 추가로 인하여 PVA의 분해반응이 촉진됨을 확인하였다.

(1) 보조탄소원 첨가에 따른 효과를 도 4에 보였다.

도 4는 보조탄소원으로 에탄올, 글루코오스, 메탄올, 프룩토오스 및 스타치를 각각 0.5% 첨가한 것에 대해 5일 후의 500 mg/L PVA에 대한 분해율과 미생물의 성장도를 나타내고 있다. 이때의 실험조건으로는 온도 30℃, pH 7 조건으로 호기적 상태에서 실험을 진행하였으며, 각 보조탄소원 첨가 후 5일 동안 실험을 진행하여 도 4와 같은 결과를 얻었다. 도 4에 나타난 결과로부터, PVA 분해효율 면에서는 스타치를 0.5% 첨가한 실험구에서 500 mg/L인 PVA에 대해 93%의 분해율을 얻어 기본배지를 사용한 PVA 분해율보다 높은 분해율을 얻었으며, 균주 증식면에서는 각종 보조탄소원을 첨가하는 경우 균체 증식의 우수함을 보여 보조탄소원이 첨가되지 않은 배지, 즉 대조구 (control)의 경우보다 우수한 균체 증식을 보여 PVA 분해에 대해 본 발명에 의한 균주 이용 시 첨가된 각종 보조탄소원의 이용 가능성이 높을 것이라는 결론을 얻었다.

또한, PVA를 유일탄소원으로 하였을 때의 PVA 분해율은 90% 이상인 점 그리고 실제 염색폐수에는 스타치가 다량 함유되어 있다는 점을 감안할 때 보조탄소원으로 스타치를 사용하면 우수한 분해효율을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

(2) 보조질소원 첨가에 따른 효과를 도 5에 보였다.

다음, 보조질소원 첨가에 따른 효과를 알아보기 위하여 30℃, pH 7, 그리고 호기적 조건 하에서 실험을 진행하였으며, 각 보조질소원 첨가 후 5일 동안 실험을 진행하여 도 5와 같은 결과를 얻었다. 첨가한 보조질소원으로는 우레아, 염화암모늄, 질산칼륨, 비프 익스트랙트 및 펩톤이었으며, 각각 0.2%를 첨가한 후 PVA 분해효율을 조사한 결과, 펩톤이 가장 우수한 분해 결과를 보였으며, 이때 500 mg/L인 PVA의 분해율은 98%이었다.

도 5에 나타난 결과 또한, 도 4와 마찬가지로, 균주 증식면에서는 각종 보조질소원을 첨가하는 경우 균체 증식의 우수함을 보여 보조질소원이 첨가되지 않은 배지, 즉 대조구 (control)의 경우보다 우수한 균체 증식을 보이고 있으며, 이로써 PVA 분해에 대해 본 발명에 의한 균주 이용 시 첨가된 각종 보조탄소원의 이용 가능성이 높을 것이라는 결론을 얻었다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 마이크로박테리움 바커리 엘씨 (Microbacterium barkeri LC)를 확보하고, 이를 염색폐수 처리에 적용함으로써, 난분해성 물질이면서 화학적 오염물질인 PVA 제거에 사용 시, 생물공학적 제거 과정을 통하여 효율적으로 염색폐수의 PVA를 제거하는데 이용될 수 있다. 특히, 본 발명의 생물공학적 제거 방법 이용 시, 보조탄소원이나 보조질소원의 첨가로 인하여 분해반응을 촉진할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 마이크로박테리움 바커리 LC (Microbacterium barkeri LC)의 계통도.

도 2는 1차 선별된 26종 미생물들을 이용한 100 mg/L의 PVA 제거율을 보여주는 도표.

도 3은 본 발명에 의한 미생물을 이용한 500 mg/L의 PVA 제거율을 보여주는 도표.

도 4는 보조탄소원으로서 에탄올, 글루코오스, 메탄올, 프룩토오스 및 스타치를 첨가한 경우의 PVA 제거율 및 미생물 성장도를 나타낸 도표.

도 5는 보조질소원으로서 우레아, 염화암모늄, 질산칼륨, 비프 익스트랙트 및 펩톤을 첨가한 경우의 PVA 제거율 및 미생물 성장도를 나타낸 도표.

<110> KOREA INSTITUTE OF INDUSTRIAL TECHNOLOGY <120> Microorganism for Polyvinyl Alcohol Treatment and A Method for Increasing Biological Treatment Efficient of PVA Containing Wastewater <160> 1 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 555 <212> DNA <213> Microbacterium barkeri <400> 1 aacgctggcg gcgtgcttaa cacatgcaag tcgaacgatg aagcccagct tgctgggtgg 60 attagtggcg aacgggtgag taacacgtga gcaacctgcc cctgactctg ggataacagc 120 cggaaacggt tgctaatacc ggatatgcat catggccgca tggtctgtgg tgggaaagat 180 ttttcggttg gggatgggct cgcggcctat cagcttgttg gtgaggtagt ggctcaccaa 240 ggcgtcgacg ggtagccggc ctgagagggt gaccggccac actgggactg agacacggcc 300 cagactccta cgggaggcag cagtggggaa tattgcacaa tgggcggaag cctgatgcag 360 caacgccgcg tgagggatga cggccttcgg gttgtaaacc tcttttagca gggaagaagc 420 gtaagtgacg gtacctgcag aaaaagcgcc ggctaactac gtgccagcag ccgcggtaat 480 acgtagggcg caggcgttat cccgaattat tgggcgtaaa gagctcgtag gcggtttgtc 540 gcgtctgctg tgaaa 555

Claims (5)

1. 마이크로박테리움 바커리 엘씨 (Microbacterium barkeri LC) (기탁번호 : KCCM 10507).
2. 제 1 항에 의한 미생물을 이용한 폴리비닐알콜의 생물학적 분해방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   보조탄소원 또는 보조질소원을 첨가하는 것을 특징으로 하는 폴리비닐알콜의 생물학적 분해방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 보조탄소원은 에탄올, 글루코오스, 메탄올, 프룩토오스 및 스타치로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 보조탄소원인 것을 특징으로 하는 폴리비닐알콜의 생물학적 분해방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 보조질소원은 우레아, 염화암모늄, 질산칼륨, 비프 익스트랙트 및 펩톤으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 보조질소원인 것을 특징으로 하는 폴리비닐알콜의 생물학적 분해방법.