KR101104913B1 - Bacillus nitroreducens PLC9 KACC91464P and its catalase with high decomposing-activity of hydrogen peroxide and survival rate in strong concentration of hydrogen peroxide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 과산화수소 저항성이 우수하며 과산화수소 분해 능력이 넓은 온도 범위에서 작용하는 우수한 신규 미생물 Bacillus nitroreducens PLC9 에 관한 것이다.The present invention relates to an excellent novel microorganism Bacillus nitroreducens PLC9, which has excellent hydrogen peroxide resistance and has a hydrogen peroxide decomposition ability in a wide temperature range.
본 발명은 과산화수소에 의한 살균처리의 기준을 설정하는데 사용될 수 있도록 과산화수소의 농도에 대하여 선형의 생존 곡선을 나타내는 신규 미생물 Bacillus nitroreducens PLC9에 관한 것이다.The present invention relates to a novel microbial Bacillus nitroreducens PLC9 that exhibits a linear survival curve with respect to the concentration of hydrogen peroxide so that it can be used to set the criteria for sterilization with hydrogen peroxide.
본 발명은 과산화수소를 처리하는 미생물 Bacillus nitroreducens PLC9의 카탈라아제에 관한 것이다. The invention microorganism Bacillus to process hydrogen peroxide nitroreducens relates to catalase of PLC9.
본 발명은 새로운 미생물 Bacillus nitroreducens PLC9을 사용하여 과산화수소수를 단시간 내에 처리하는 방법을 제공하는 효과가 있다.The present invention is a novel microorganism Bacillus The nitroreducens PLC9 has the effect of providing a method for treating hydrogen peroxide in a short time.
본 발명에 의하면 과산화수소수에 대하여 일정한 저항 기작 및 선형의 생존곡선을 나타내어 살균 효과의 검증에 필수적인 지표 미생물로 사용할 수 있는 상기의 미생물 Bacillus nitroreducens PLC9을 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, the microorganism Bacillus can be used as an indicator microorganism essential for the verification of bactericidal effect by showing a constant resistance mechanism and a linear survival curve for hydrogen peroxide water. This has the effect of providing nitroreducens PLC9.
과산화수소, 폐수처리, 카탈라아제, Bacillus nitroreducens PLC9 Hydrogen Peroxide, Wastewater Treatment, Catalase, Bacillus nitroreducens PLC9
Description
염소계 표백제 사용으로 인한 환경오염이 문제가 됨에 따라 과산화수소는 그에 대한 대체 소재로 중요성을 더해가고 있다 (Neyens et al . 2003). 염소계 표백제를 사용한 세척수가 다른 이온을 생성하여 부식을 초래하는 것과는 달리 과산화수소는 부식이 적고, 건조되었을 경우 염과 같은 고체 잔류 오염물을 남기지 않으며 완전 분해 시 물과 산소로 분해되기 때문에 반도체 제조 공정과 같은 정밀공정 및 염색공정, 초순수 물 배관과 항공기 겉 표면의 세척 등은 물론 콘택트 렌즈의 살균, 세척 등 여러 공정에서 다량 사용하고 있는 산화제이다. 그러나 폐수 및 세척 용수 중에 포함되어 있는 잔여 과산화수소는 환경 오염을 발생시키며 콘택트 렌즈 등 피부에 접촉하는 물품의 세척 후 남을 경우 피부에 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 또한 후 처리 공정 특히 생물학적 공정에 심각한 영향을 줄 수 있다. 따라서 잔여 과산화수소를 필히 분해, 제거하기 위한 방법이 필요하다. As environmental pollution caused by the use of chlorine bleach has become a problem, hydrogen peroxide has become an important substitute for it (Neyens et. al . 2003). Unlike washing water with chlorine bleach, which produces other ions that cause corrosion, hydrogen peroxide is less corrosive, and when dried, does not leave solid residual contaminants such as salts and decomposes into water and oxygen when completely decomposed. It is an oxidant that is used in many processes such as precision process and dyeing process, ultrapure water piping and surface cleaning of aircraft, sterilization and cleaning of contact lens. However, residual hydrogen peroxide contained in waste water and washing water may cause environmental pollution and may cause serious skin problems if left after washing of contacting products such as contact lenses. It can also have a serious impact on post-treatment processes, especially biological processes. Therefore, there is a need for a method for decomposing and removing residual hydrogen peroxide.
현재 폐수 및 세척 용수 중에 잔류하는 과산화수소를 제거하는 일반적인 방법은 소디움 바이설파이트 (Sodium bisulfite) 또는 하이드로설파이트 (Hydrosulfite) 등의 환원제를 이용하는 방법이다. 이러한 환원제는 표백 세척수에 포함된 과산화수소에 대하여 당량 이상의 많은 양이 필요하며, 과산화수소와 완전히 반응하지 못한 환원제는 결과적으로 황산염으로 존재하게 되어 세척 용수의 재이용을 어렵게 한다. 또한 인체에 직접적으로 접촉하는 섬유나 직물과 같은 제품의 경우 잔류하는 과산화수소나 미반응 환원제 등은 제품의 품질에도 심각한 악영향을 줄 수 있다. 따라서 과산화수소 처리 시 유해한 부산물을 생성하지 않고, 효과적으로 분해, 제거하면서 처리된 용수를 재사용할 수 있는 공정이 요구되고 있다. Currently, a general method for removing hydrogen peroxide remaining in wastewater and washing water is to use a reducing agent such as sodium bisulfite or hydrosulfite. Such a reducing agent requires a large amount or more equivalent to the hydrogen peroxide contained in the bleaching wash water, and the reducing agent that does not react completely with the hydrogen peroxide is consequently present as sulfate, making it difficult to reuse the washing water. In addition, in the case of products such as fibers or fabrics that directly contact the human body, residual hydrogen peroxide or unreacted reducing agent may have a serious adverse effect on the quality of the product. Therefore, there is a demand for a process that can reuse the treated water while effectively decomposing and removing hydrogen peroxide without generating harmful by-products.
폐수 및 세척 용수 중에 잔류하는 과산화수소를 제거하는 다른 한가지 방법은 미생물을 이용하는 방법이다. 우리나라의 경우 대부분의 폐수 처리장이 외부 환경에 노출되어 있어 환경적인 영향을 매우 많이 받는다. 우리나라는 계절별 온도 편차가 심하기 때문에 폐수 처리에 미생물을 이용할 경우 미생물의 성장과 활성이 낮은 겨울에는 폐수 처리의 효율이 매우 떨어지게 된다. 이를 위해서는 온도 변이에 영향이 적고 고농도의 과산화수소에서의 생존율이 높은 미생물을 이용해야 한다. 또한 현재까지 폐수나 세척 용수 중 잔류 과산화수소 처리에 이용되는 미생물 처리제들은 대부분 수입에 의존하고 있다. 그러나 이러한 수입 미생물 처리제들은 그 구성 미생물에 대한 자료가 부족하고 2차 오염을 유발할 우려가 있다. 또한 잔류 과산화수소 처리에 있어 온도 편차가 심하고, 효율이 낮으며, 처리 시간이 매우 긴 단점이 있다. 그러므로 높은 처리 효율과 단시간 처리가 가능한 미생물의 개발이 필요 하다.Another method of removing hydrogen peroxide remaining in wastewater and washing water is through the use of microorganisms. In Korea, most wastewater treatment plants are exposed to the external environment, which is very environmentally affected. In Korea, seasonal temperature fluctuates so much that when microorganisms are used for wastewater treatment, the efficiency of wastewater treatment is very low in winter when the growth and activity of microorganisms is low. This requires the use of microorganisms with low temperature variation and high survival rates at high concentrations of hydrogen peroxide. In addition, to date, most of the microbial treatment agents used to treat residual hydrogen peroxide in waste water or washing water are dependent on imports. However, these imported microbial agents lack data on their constituent microorganisms and may cause secondary pollution. In addition, in the residual hydrogen peroxide treatment, there are disadvantages of severe temperature variation, low efficiency, and very long treatment time. Therefore, it is necessary to develop microorganisms capable of high processing efficiency and short processing time.
따라서 본 발명은 과산화수소를 분해하는 미생물을 개발하고, 개발한 미생물을 직접 이용하여 낮은 비용으로 세척용수에 포함되어 있는 과산화수소를 제거하며, 세척용수의 재이용을 통해 세척용수 배출을 감소시킬 수 있는 방법을 개발하고자 한다. 본 발명에서 개발된 미생물을 이용한 과산화수소 분해 공정은 반도체 생산 공정, 섬유 염색 공정 등에서 다량 배출되는 세척수의 양을 감소시키고, 동시에 재이용을 증가시킬 수 있는 방법이 될 것이다. 또한 본 발명에서 개발된 미생물의 카탈라아제는 단독으로 각종 잔류 과산화수소수 제거 방법이 될 것이다.Therefore, the present invention is to develop a microorganism that decomposes hydrogen peroxide, using the developed microorganisms directly to remove the hydrogen peroxide contained in the washing water at a low cost, and to reduce the washing water discharge through the reuse of the washing water I want to develop. Hydrogen peroxide decomposition process using the microorganism developed in the present invention will be a method that can reduce the amount of washing water discharged in a large amount in the semiconductor production process, fiber dyeing process, etc., and at the same time increase the reuse. In addition, the catalase of the microorganism developed in the present invention will be a method of removing various residual hydrogen peroxide alone.
폐수 및 세척 용수에 잔류하는 과산화수소를 제거하는 종래의 기술은 소디움 바이설파이트 (Sodium bisulfate, NaHSO4) 또는 하이드로설파이트 (Hydrosulfite, Na2S2O2H2O) 등의 환원제를 이용하여 환원 처리하는 방법이 일반적이다. 이러한 환원제를 이용할 경우, 환원제가 과산화수소와 반응하여 황산염이 생성되어 pH가 산성으로 변하므로 pH 조절을 위한 알칼리제의 투입이 요구된다. 또한 과산화수소의 분해 종료를 확인하기 위해 산화환원 전위 측정 및 미반응 환원제의 측정 및 처리 등 제어의 정확성과 유지 및 관리의 어려움이 단점으로 지적되고 있다. Conventional techniques for removing hydrogen peroxide remaining in wastewater and washing water are generally a reduction process using a reducing agent such as sodium bisulfate (NaHSO 4) or hydrosulfite (Na 2 S 2 O 2 H 2 O). In the case of using such a reducing agent, since the reducing agent reacts with hydrogen peroxide to form a sulfate, the pH is changed to acidic, and thus an alkali agent for pH adjustment is required. In addition, it is pointed out that the accuracy of control, difficulty in maintenance and management, such as measuring the redox potential and measuring and treating the unreacted reducing agent, to confirm the end of decomposition of hydrogen peroxide.
과산화수소를 제거하는 다른 방법으로는 활성탄을 이용하는 방법이 있다. 활성탄 충전탑에 과산화수소를 포함하는 폐수나 세척 용수를 통과시켜 활성탄이 가지고 있 는 환원력을 이용하여 과산화수소를 제거하는 방법이다. 그러나 활성탄 충전탑을 통과시키기 전 폐수의 pH를 10 이상으로 조절해야 하는데 pH 조절을 위한 알칼리제의 투입 및 고가의 pH 조절 설비와 제어장비가 비용 상승의 원인이 되고 있다. Another method of removing hydrogen peroxide is using activated carbon. It is a method to remove hydrogen peroxide using the reducing power of activated carbon by passing wastewater or washing water containing hydrogen peroxide through an activated carbon packed column. However, before passing the activated carbon packed column, the pH of the wastewater must be adjusted to 10 or more, and the cost increase is caused by the addition of alkaline agents for the pH adjustment and the expensive pH adjusting equipment and control equipment.
이와 유사한 기술로 입상 활성탄에 상항류 유동상 방법으로 과산화수소가 포함된 폐수를 통과시켜 과산화수소를 제거하는 방법이 있다. 이러한 기술은 활성탄의 새로운 표면을 따라 과산화수소의 환원이 이루어지게 되므로 활성탄의 활성도 저하가 늦고 pH 조절이 필요하지 않다. 그러나 이 기술은 과산화수소를 포함한 폐수가 이동하는 과정에서 활성탄 입자가 파손되어 폐수 및 세척 용수에 섞여 배출될 수 있어 지속적으로 활성탄을 보급하고 교환할 필요가 있다. 또한 파손된 활성탄의 유입으로 폐수 및 세척 용수의 수질이 악화되고 미립자가 증가하는 문제점이 발생된다. Similarly, there is a method of removing hydrogen peroxide by passing wastewater containing hydrogen peroxide through granular activated carbon through an upflow fluidized bed method. This technique results in the reduction of hydrogen peroxide along the new surface of the activated carbon, so the activity of the activated carbon is slowed down and no pH adjustment is required. However, this technology requires that activated carbon particles break during the movement of wastewater, including hydrogen peroxide, to be mixed and discharged into the wastewater and washing water. In addition, the inflow of the damaged activated carbon deteriorates the water quality of the waste water and the washing water and causes a problem of increasing the fine particles.
다른 방법으로는 열에 의해 고온 처리하여 과산화수소를 분해하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 과량의 폐수 및 세척 용수를 고온으로 처리하기 위해서는 많은 에너지가 소모되는 결점이 있다.Another method is to decompose hydrogen peroxide by high temperature treatment with heat. However, this method is disadvantageous in that a large amount of energy is consumed to treat excess waste water and washing water at high temperatures.
최근 이러한 단점을 보완하기 위하여, 철이나 니켈, 망간 및 은 등의 금속을 이용한 섬유 활성탄에 과산화수소를 함유한 폐수를 통과시키는 방법이 제안되고 있다. 그러나 이러한 방법은 대용량의 폐수 및 세척 용수 처리에는 부적절하며 유지 및 관리가 복잡한 단점이 있다.Recently, in order to compensate for these disadvantages, a method of passing wastewater containing hydrogen peroxide through fiber activated carbon using metals such as iron, nickel, manganese and silver has been proposed. However, these methods are inadequate for the treatment of large volumes of wastewater and washing water and have complicated maintenance and management.
본 발명은 과산화수소 저항성이 우수한 신규 미생물을 제공하는 데에 있다. The present invention is to provide a novel microorganism with excellent hydrogen peroxide resistance.
또한 본 발명은 과산화수소 분해능력이 우수한 신규 미생물을 제공하는 데에 있다. In addition, the present invention is to provide a novel microorganism with excellent hydrogen peroxide decomposition ability.
또한 본 발명은 넓은 온도 범위에서 과산화수소 분해 능력이 우수한 신규 미생물을 제공하는 데에 있다.The present invention also provides a novel microorganism having excellent hydrogen peroxide decomposition ability in a wide temperature range.
또한 본 발명은 새로운 카탈라아제를 생산하는 신규 미생물을 제공하는 데에 있다. It is also an object of the present invention to provide a novel microorganism producing a new catalase.
또한 본 발명은 새로운 카탈라아제를 제공하는 데에 있다. The present invention also provides a new catalase.
상기에 언급한 바와 같이, 본 발명의 폐수에서 분리된 세균 PLC9은 고농도의 과산화수소 분해능력이 우수하며 저항기전이 우수하다. 또한 넓은 온도에서 활성이 유지되어 폐수처리제로 사용될 수 있다. 특히 본 발명의 세균을 담체에 고정할 경우 더 높은 효율을 기대할 수 있다. 또한 이들이 생산하는 신규의 카탈라아제는 각종 과산화수소를 이용한 살균처리 후 잔여 과산화수소를 제거하는 데 사용될 수 있다. As mentioned above, the bacterial PLC9 isolated from the wastewater of the present invention is excellent in the ability to decompose high concentrations of hydrogen peroxide and the resistance of the resistor. In addition, the activity is maintained at a wide temperature can be used as wastewater treatment agent. In particular, when the bacterium of the present invention is immobilized on a carrier, higher efficiency can be expected. The novel catalases they produce can also be used to remove residual hydrogen peroxide after sterilization with various hydrogen peroxides.
실시예Example 1: 균주의 분리 및 동정 1: Isolation and Identification of Strains
*폐수와 공장의 세척 용수를 샘플링 한 후 와트만 여과지로 여과하여 과산화수소의 농도가 3% 되도록 처리한 후 10분간 반응시켰다. 과산화수소와 반응시킨 여과된 세척 용수 100 ul를 Muller-Hinton 고체 배지에 접종하여 37℃에서 하룻밤 배양하고, 서로 다른 모양의 미생물 집락을 분리, 재 배양하여 과산화수소를 분해하는 균주 PLC9을 분리하였다. 그람 염색과 Bergey's Systematic Bacteriology에 따른 생화학 테스트 및 16S rRNA sequencing을 시행하여 동정하였다. 생화학 테스트 및 NCBI blast (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/)를 이용한 16S rRNA 염기서열 비교·분석 결과, 과산화수소 분해 균주인 PLC9은 최근 보고된 신규 미생물로 Bacillus nitroreducens (IJS/2008/002089)과 16S rRNA 유전자의 염기서열이 100% 동일한 것으로 확인되었다. 이에 따라 본 세균의 이름은 Bacillus nitroreducens PLC9로 명명하고 한국농업미생물자원센터 (Korea Agricultural Culture Collection, KACC)에 특허 기탁하여 기탁번호 KACC91464를 부여 받았다.* After sampling the waste water and the wash water of the plant, it was filtered through Whatman filter paper and treated with a concentration of 3% hydrogen peroxide and reacted for 10 minutes. 100 ul of filtered washing water reacted with hydrogen peroxide was inoculated in Muller-Hinton solid medium and incubated overnight at 37 ° C., and microbial colonies of different shapes were isolated and recultured to isolate strain PLC9 that decomposes hydrogen peroxide. Gram staining, biochemical testing according to Bergey's Systematic Bacteriology and 16S rRNA sequencing were performed. As a result of comparison and analysis of 16S rRNA sequences using biochemical tests and NCBI blast (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/), PLC9, a hydrogen peroxide degradation strain, was recently reported as Bacillus nitroreducens (IJS). / 2008/002089) and the 16S rRNA gene sequence was found to be 100% identical. The name of this bacterium is Bacillus It was named nitroreducens PLC9 and deposited with the Korea Agricultural Culture Collection (KACC) and received the accession number KACC91464.
(1) 현미경 관찰(1) microscopic observation
*신규 미생물 동정 및 보고 절차에 따라 광학 현미경을 이용하여 형태와 편모를 관찰하였고 (Heimbrook et al., 1989), 주사 전자 현미경 (SEM)을 이용하여 미생물의 표면 형태를 관찰하였다 (Sambrook et al ., 1989). 그 결과는 도 1과 2와 같다.* According to the new microbial identification and reporting procedure, morphology and flagella were observed using an optical microscope (Heimbrook et. al ., 1989), the surface morphology of microorganisms was observed using scanning electron microscopy (SEM) (Sambrook et al. al ., 1989). The results are shown in FIGS. 1 and 2.
(2) 세포벽과 지질 분석 시험(2) cell wall and lipid assay
Schleifer와 Kandler 방법 (Schleifer and Kandler, 1972)에 따라 세포벽과 지질 분석을 실시한 결과는 아래의 표 1과 같다. Cell wall and lipid analysis according to the Schleifer and Kandler method (Schleifer and Kandler, 1972) are shown in Table 1 below.
표 1. 과산화수소 분해 미생물 PLC9의 세포벽과 지질 분석 시험 결과Table 1. Cell Wall and Lipid Analysis Test Results of Hydrogen Peroxide Degrading Microorganism PLC9
(3) 생화학 특성 검사 (3) biochemical characterization
과산화수소 분해 미생물 PLC9의 생화학 검정은 Gordon et al.(1973)과 Rheims etal. (1999), Microbiological applications (1990)에 의해 실시하였고, API 50CH system (bioMerieux)을 이용하여 검정하였다. 생화학 검정 결과는 아래의 표 2와 같다. PLC9은 10-45C의 온도조건에서 가장 잘 성장하였고 4C에서도 약하게 성장하였다. 또한 pH 5.0-11.5의 환경에서도 생존하였다. 생화학 검정 결과 PLC9은 Bacillus silvestris ATCC BAA-269와 가장 유사한 것으로 나타났으나 oxidase 시험 결과는 상이했다. Biochemical assays for hydrogen peroxide-decomposing microorganism PLC9 are described by Gordon et al. (1973) and Rheims et al. (1999), Microbiological applications (1990), and assayed using the API 50CH system (bioMerieux). The biochemical assay results are shown in Table 2 below. PLC9 grew best at temperature of 10-45C and weakly at 4C. It also survived in an environment of pH 5.0-11.5. Biochemical assay showed that PLC9 was most similar to Bacillus silvestris ATCC BAA-269, but the oxidase test results were different.
표 2. 과산화수소 분해 미생물 PLC9 및 대조 균주의 생화학 검정 결과Table 2. Biochemical Assay of Hydrogen Peroxide Degrading Microorganism PLC9 and Control Strains
ATCC BAA-269 Bacillus silvestris
ATCC BAA-269
(4) G+C 함량측정(4) G + C content measurement
Enzyme lysis 방법에 의해서 genomic DNA를 분리하여, HPLC 방법으로 G+C value를 결정하였다 (Mesbah et al ., 1989 & Marmur et al . 1962). 그 결과 과산화수소 분해 미생물 PLC9의 G+C value는 36 mol% 이었다.Genomic DNA was isolated by Enzyme lysis method and G + C value was determined by HPLC method (Mesbah et. al . , 1989 & Marmur et al . 1962). As a result, the G + C value of the hydrogen peroxide decomposing microorganism PLC9 was 36 mol%.
(5) 16S rRNA 유전자 염기서열 분석(5) 16S rRNA gene sequence analysis
과산화수소 분해 미생물 PLC9의 유전적 계통도를 확인하기 위해16s rRNA sequencing을 시행하였고 NCBI blast (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/)를 이용하여 16S rRNA 염기서열 비교·분석하였다. 과산화수소 분해 미생물 PLC9의 16s rRNA 염기서열은 도 3과 같다. 16S rRNA 염기서열 분석 결과 Bacillus odysseyi가 96.8%의 유사도로 유전적으로 가장 가까운 종으로 확인되었고 (표 3), 현재까지 등록된 Bacillus의 모든 종의 type strain들과 97%이하의 유사도를 보였다 (도 4). 특히 최근 신종으로 등록된 Bacillus nitroreducens (ACC No. EU391158, IJS/2008/002089)와 100% 유사도를 보였다. 이에 Bacillus nitroreducens PLC9의 16s rRNA 염기서열을 NCBI GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/index.html)에 등록하였다 (Accession No. FJ973430).16S rRNA sequencing was performed to confirm the genetic hierarchy of the hydrogen peroxide degrading microorganism PLC9 and 16S rRNA sequences were compared and analyzed using NCBI blast (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/). 16s rRNA sequences of the hydrogen peroxide degrading microorganism PLC9 are shown in FIG. 3. 16S rRNA sequencing results Bacillus Odysseyi was identified as the genetically closest species with a similarity of 96.8% (Table 3), and showed similarity of less than 97% with the type strains of all species of Bacillus so far registered (Figure 4). In particular, it showed 100% similarity with Bacillus nitroreducens (ACC No. EU391158, IJS / 2008/002089) recently registered. Bacillus 16s rRNA sequences of nitroreducens PLC9 were registered in NCBI GenBank ( http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/index.html ) (Accession No. FJ973430).
표 3. 과산화수소 분해 미생물 PLC9의 16s rRNA 염기서열 유사도 분석Table 3. 16s rRNA sequence similarity analysis of hydrogen peroxide-degrading microorganism PLC9
실시예2Example 2 : 과산화수소 분해율 측정 실험: Hydrogen Peroxide Degradation Rate Measurement Experiment
(1) 과산화수소를 분해하는 미생물의 과산화수소 분해율 측정(1) Determination of hydrogen peroxide decomposition rate of microorganisms that decompose hydrogen peroxide
과산화수소 분해율은 과산화수소가 240 nm에서 흡광하는 특징을 이용한 spectrophotometer assay와 potassium permanganate assay의 두가지 방법으로 측정하였다. O.D.를 1로 맞춘 과산화수소 분해 미생물 PLC9 현탁액을 50 mM의 phosphate buffer (pH 7.0)에 넣고 100 mM의 과산화수소를 넣은 후, 1분마다 240 nm의 파장에서 흡광도를 측정하여 흡광도 감소율을 계산하여 (spectrophotometer assay, 1984 & Katsuwon et al . 1989) 과산화수소 분해율을 측정하였다. 또한 50 ml 비이커에 1% 과산화수소 10 ml을 넣고 O.D를 1로 맞춘 PLC9 현탁액 1ml을 첨가하여 혼합하면서 시간별로 5 ml의 샘플을 채취하여 새 비이커에 옮기 후 10 ml의 1M H2SO4를 첨가하고 2% potassium permanganate (KMnO4)를 분홍 또는 갈색으로 발색 될 때까지 한 방울씩 떨어뜨려 적정하여 (potassium permanganate assay, http://www.h2o2.com/intro/iodometric.html) 과산화수소 분해율을 측정하였다. 이때, 과산화수소 standard curve를 작성하여 잔여 과산화수소를 측정하였다. spectrophotometer assay와 potassium permanganate assay로 과산화수소 분해율을 측정한 결과 120분 동안 72%의 과산화 수소를 분해하였으며, 180분 동안 91.2%를 분해하였다 (도 5).Hydrogen peroxide decomposition rate was measured by spectrophotometer assay and potassium permanganate assay using hydrogen peroxide absorbance at 240 nm. Hydrogen peroxide digestion microbial PLC9 suspension with OD set to 1 was added to 50 mM phosphate buffer (pH 7.0), 100 mM hydrogen peroxide, and then absorbance at 240 nm was measured every minute to calculate absorbance reduction (spectrophotometer assay , 1984 & Katsuwon et al . 1989), hydrogen peroxide decomposition rate was measured. Also, add 10 ml of 1% hydrogen peroxide to a 50 ml beaker, add 1 ml of a PLC9 suspension with an OD of 1, mix, take 5 ml samples over time, transfer to a new beaker, add 10 ml of 1M H2SO4, and add 2% potassium. Permanganate (KMnO4) was titrated dropwise until it developed pink or brown color (potassium permanganate assay, http://www.h2o2.com/intro/iodometric.html) to determine the rate of hydrogen peroxide degradation. At this time, the hydrogen peroxide standard curve was prepared to measure the residual hydrogen peroxide. Hydrogen peroxide decomposition rate was measured by spectrophotometer assay and potassium permanganate assay, and 72% hydrogen peroxide was decomposed for 120 minutes and 91.2% was decomposed for 180 minutes (FIG. 5).
(2) 한천에 고정한 과산화수소를 분해하는 미생물의 과산화수소 분해율 측정(2) Determination of hydrogen peroxide decomposition rate of microorganisms decomposing hydrogen peroxide fixed on agar
과산화수소 분해 미생물인 PLC9을 O.D. 값이 0.6이 되도록 배양한 후 한천 부피의 1/50이 되도록 한천과 섞어 사방이 1 cm가 되는 한천 블록을 만들어 고정한다. 한천 블록 10개와 1% 과산화수소 100 ml을 반응시켜 남아있는 과산화수소의 양을 측정한다. 분해율 측정 결과 120분 동안 71%의 과산화수소를 분해하였다. 균주 자체로 과산화수소 분해율을 측정했을 때와 분해율에 있어 차이를 보이지 않았다 (도 6).PLC9, a hydrogen peroxide-decomposing microorganism, After culturing to a value of 0.6, mix with agar so that it is 1/50 of the agar volume, and make and fix agar blocks having a size of 1 cm. The amount of remaining hydrogen peroxide is measured by reacting 10 agar blocks with 100 ml of 1% hydrogen peroxide. Degradation rate measurement resulted in decomposition of 71% hydrogen peroxide for 120 minutes. The strain itself did not show a difference in the decomposition rate and the hydrogen peroxide decomposition rate (Fig. 6).
실시예3Example 3 : 과산화수소를 분해하는 미생물의 생존율 측정 실험: Experiment for measuring survival rate of microorganisms that decompose hydrogen peroxide
과산화수소를 분해하는 미생물이 과산화수소 분해 후 단시간 내에 사멸할 수 있으므로 과산화수소를 분해하는 미생물의 생존율을 측정하였다. 과산화수소 분해 미생물을 10 8CFU/ml이 되도록 MH액체 배지에 풀어 시간 별로 100 ㎕씩 취하여 MH 고체배지에 도말 한 후 37℃ 항온배양기에 넣고 하룻밤 배양하여 집락의 수를 측정하였다. PLC9은 1%의 과산화수소수에 6시간 (360분) 동안 노출시킨 결과 100%의 생존율을 보였으며, 3%의 과산화수소에서 같은 시간 처리한 결과 102/ml의 균이 생존하고 있는 것으로 측정되었다. 도 7에 나타난 것과 같이 대조군으로 사용된 Bacillus cereus ATCC 9634의 경우 1%의 과산화수소에 노출되었을 경우 1시간 (60분) 이내에 사멸하는 것으로 나타났다.Since the microorganisms decomposing hydrogen peroxide can be killed within a short time after the decomposition of hydrogen peroxide, the survival rate of the microorganisms decomposing hydrogen peroxide was measured. Hydrogen peroxide decomposed microorganisms were dissolved in MH liquid medium to 10 8 CFU / ml, and 100 μl of the cells were taken per hour, smeared in MH solid medium, and placed in a 37 ° C. incubator overnight to determine the number of colonies. PLC9 showed 100% survival rate after exposure to 1% hydrogen peroxide for 6 hours (360 minutes), and 10 2 / ml of bacteria were survived at the same time in 3% hydrogen peroxide. As shown in FIG. 7, Bacillus cereus ATCC 9634 used as a control group was killed within 1 hour (60 minutes) when exposed to 1% hydrogen peroxide.
*실시예4 : 카탈라아제의 분리 및 특성 조사 Example 4 Isolation and Characterization of Catalase
(1) 컬럼 크로마토그래피를 이용한 카탈라아제의 분리(1) Separation of Catalase by Column Chromatography
과산화수소를 분해하는 미생물 PLC9의 과산화수소 분해 효소인 카탈라아제 (catalase)를 Kuusk등의 방법을 변형하여 (Kuusk et al. 2001) 분리하였다. 과산화수소 분해 미생물 PLC9을 액체 영양배지에서 하룻밤 배양한 후 원심 분리하여 미생물 균체만 모아 프로테아제 억제제와 DNase, 0.5 mM MgCl2를 첨가한 100 ml buffer A (100 mM KH2PO4, 5 mM EDTA, pH 6.0)에 현탁액을 만들고 bead-beater로 파쇄하였다. 15,000 X g에서 20분간 원심 분리하여 파쇄되지 않은 미생물 균체를 제거하고 상등액만 취하여 다시 144,000 X g에서 2시간 동안 원심 분리하여 상등액을 취하였다. 원심분리 후 최종농도가 0.5 M이 되도록 (NH4)2SO4를 처리하여 0.5 M (NH4)2SO4를 넣은 buffer A와 함께 Phenyl-sepharose 컬럼에 얹어 놓았다. 500 ml의 buffer A와 buffer B (5 mM KH2PO4, 5 mM EDTA, pH 6.8)를 차례로 용출하였다. 그런 다음 600 ml의 buffer B와 buffer C (50% ethylene glycol, 5 mM KH2PO4, 5mM EDTA, pH 6.8) 로 다시 용출하였다. 용출된 각 분획 중 카탈라아제 활성이 가장 높은 분획을 골라 원심분리형 농축기로 최종 볼륨이 1 ml이 되도록 농축하였다. 농축한 샘플을 Sephacryl-300 HR (2.6 × 100 cm) 컬럼에 얹어 buffer B로 용출하였다. 용출된 분획 중 카탈라아제 활성이 가장 좋은 분획을 DEAE-cellulose DE52 (2.6 × 20 cm) 컬럼에 buffer B와 함께 얹어 같은 buffer로 용출한 후 최종 농도 0.5 M NaCl을 buffer B에 첨가하여 다시 한번 용출한 후 카탈라아제 활성이 가장 좋은 분획을 Phenyl-sepharose 컬럼에 다시 한번 얹어buffer C로 용출하여 카탈라아제 활성이 가장 좋은 분획을 취하였다. 카탈라아제 분리 과정은 표 4에 요약하였다. 분리한 카탈라아제는 spectrophotomter assay로 활성을 측정하였다. 효소의 활성 단위는 1분당 1 umole의 과산화수소를 분해하는 효소의 양을 1 unit으로 정하였다.Catalase, a hydrogen peroxide degrading enzyme of microorganism PLC9, which decomposes hydrogen peroxide, was modified by Kuusk et al. (Kuusk et al. al . 2001). Hydrogen peroxide degrading microorganism PLC9 was cultured overnight in liquid nutrient medium, followed by centrifugation to collect only microbial cells and 100 ml buffer A (100 mM KH 2 PO 4 , 5 mM EDTA, pH 6.0) with protease inhibitor and DNase, 0.5 mM MgCl 2 . ) Was made into a suspension and crushed by bead-beater. Centrifuged at 15,000 X g for 20 minutes to remove unbroken microbial cells, only the supernatant was taken and again centrifuged at 144,000 X g for 2 hours to take a supernatant. After centrifugation, the final concentration was 0.5 M (NH 4 ) 2 SO 4 was treated and placed on a Phenyl-sepharose column with buffer A containing 0.5 M (NH 4 ) 2 SO 4 . 500 ml of buffer A and buffer B (5 mM KH 2 PO 4 , 5 mM EDTA, pH 6.8) were eluted in that order. Then eluted again with 600 ml of buffer B and buffer C (50% ethylene glycol, 5 mM KH 2 PO 4 , 5 mM EDTA, pH 6.8). The highest catalase activity among the eluted fractions was selected and concentrated to a final volume of 1 ml with a centrifugal concentrator. The concentrated sample was placed on a Sephacryl-300 HR (2.6 × 100 cm) column and eluted with buffer B. Among the eluted fractions, the best catalase activity was added to the DEAE-cellulose DE52 (2.6 × 20 cm) column with buffer B, eluted with the same buffer, and the final concentration of 0.5 M NaCl was added to buffer B. The fraction with the highest catalase activity was put on the Phenyl-sepharose column once again and eluted with buffer C to obtain the fraction with the highest catalase activity. The catalase separation process is summarized in Table 4. The isolated catalase was measured by spectrophotomter assay. The active unit of the enzyme was set to 1 unit of the amount of enzyme to decompose 1 umole of hydrogen peroxide per minute.
분리한 카탈라아제는 단백질 전기영동 (SDS-PAGE)을 실시하여 확인하였다 (Bollag et al. 1991 & Mutsuda et al . 1996). 15% 폴리아크릴아마이드 겔을 만들어 분리한 카탈라아제를 전기영동 한 후 메탄올로 고정한다. 0.1% 쿠마지 블루 (coomassie brilliant blue) 염색 시약에 전기영동 한 겔을 염색하고 50% 메탄올과 10% 아세트산 용액에 탈색하여 관찰하였다. 전기영동 결과 PLC9이 생산하는 카탈라아제는 약 66kDa의 단백질로 확인되었다 (도 8). The isolated catalase was confirmed by protein electrophoresis (SDS-PAGE) (Bollag et al. 1991 & Mutsuda et al . 1996). A 15% polyacrylamide gel is prepared, and the separated catalase is electrophoresed and fixed with methanol. Gels electrophoresed with 0.1% Coomassie brilliant blue staining reagent, and stained with 50% methanol and 10% acetic acid solution were observed. Electrophoresis revealed that the catalase produced by PLC9 was about 66 kDa protein (FIG. 8).
표 4. PLC9이 생산하는 카탈라아제의 단백질 분리 수율 Table 4. Protein Separation Yield of Catalase Produced by PLC9
(ug/ml)protein
(ug / ml)
(mg)Tot.protein
(mg)
(U)Tot.
(U)
(U/mg)Spec. activity
(U / mg)
(%)Yield
(%)
(fold)Purification
(fold)
(2) 페리시아나이드 네거티브 염색을 이용한 카탈라아제의 효소 활성 확인(2) Confirmation of enzyme activity of catalase using ferricyanide negative staining
분리한 카탈라아제를 7% 네이티브 아크릴아마이드 겔 (non-denaturing gel)을 만들어 전기영동 후 페리시아나이드 네거티브 염색 (Wayne et al . 1986)을 실시하여 카탈라아제의 활성을 확인하였다 (도 9). 전기영동 한 네이티브 아크릴아마이드 겔을 기질인 과산화수소 4 mM로 10분간 반응시킨 후 증류수로 가볍게 헹군다. 증류수로 헹군 겔을 0.5% 페리시안화칼륨 (potassium ferricyanide, K3Fe(CN)6)와 0.5% 염화 제 2철 (ferric chloride, FeCl3H2O)로 겔이 푸르게 변할 때까지 발색시켰다. 카탈라아제 활성이 있는 곳은 푸르게 발색되지 않고 투명하다. 7% native acrylamide gel (non-denaturing gel) of the isolated catalase was used to perform ferricyanide negative staining after electrophoresis (Wayne et al . 1986) to confirm the activity of catalase (Fig. 9). The electrophoretic native acrylamide gel was reacted with 4 mM hydrogen peroxide for 10 minutes and then rinsed with distilled water. Gels washed with distilled water were developed with 0.5% potassium ferricyanide (K3Fe (CN) 6) and 0.5% ferric chloride (FeCl 3 H 2 O) until the gel turned blue. Where there is catalase activity, it is not bluish and transparent.
(3) 카탈라아제의 아미노산 염기서열 분석(3) Analysis of Amino Acid Sequence of Catalase
카탈라아제의 N-말단 아미노산 염기서열 분석을 위해 분리한 카탈라아제를 단백질 전기영동 한 후 electroblotting 방법으로 polyvinylidene difluoride membrane (Millipore, Beford, MA)에 이동시킨다. 단백질이 이동된 membrane을 단백질 전기영동 겔과 마찬가지로 0.1% 쿠마지 블루 염색 시약으로 염색하고 50% 메탄올과 10% 아세트산 용액에 탈색하여 건조한다. 건조한 membrane은 한국기초과학지원연구원에 의뢰하여Procise 492 clc protein sequencer (Applied Biosystems, USA)로 N-말단 아미노산 염기서열 분석을 하였다. 분석한 N-말단 아미노산 염기서열은 도 10과 같다. 분석한 아미노산 염기서열을 NCBI protein blast (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)를 이용하여 비교, 분석한 결과 Lysinibacillus sphaericus C3-41에서 분리한 카탈라아제와 73% 유사도를 보였으며, Yersinia 종에서 분리한 카탈라아제와는 62%의 유사도를 보였다 (도 11). 그러므로 과산화수소를 분해하는 미생물 PLC9에서 분리한 카탈라아제는 새로운 종류의 카탈라아제로 생각된다. Catalase isolated for N-terminal amino acid sequence analysis of catalase is subjected to protein electrophoresis and then transferred to a polyvinylidene difluoride membrane (Millipore, Beford, MA) by electroblotting. The protein-transferred membrane was stained with 0.1% Coomaji Blue staining reagent as in protein electrophoresis gel, and dried by decolorizing in 50% methanol and 10% acetic acid solution. The dried membrane was subjected to N-terminal amino acid sequencing by Procise 492 clc protein sequencer (Applied Biosystems, USA). The analyzed N-terminal amino acid sequence is shown in FIG. The analyzed amino acid sequences were compared and analyzed by NCBI protein blast (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi). And 62% similar to catalase isolated from Yersinia species (FIG. 11). Therefore, catalase isolated from microorganism PLC9, which degrades hydrogen peroxide, is thought to be a new kind of catalase.
(4) 온도 및 pH에 따른 카탈라아제의 활성 측정(4) Determination of Catalase Activity According to Temperature and pH
분리한 카탈라아제 100 ug에 30 mM 과산화수소를 처리하여 각각의 온도 및 pH조건에서 10분간 반응시킨 후 spectrophotometer로 남아있는 과산화수소의 양을 측정하여 분해율을 확인하였다. 분해율 확인 결과 PLC9이 생산하는 카탈라아제는 4-50C에서 매우 안정하게 과산화수소를 분해하였다 (도 11). 또한 PLC9의 카탈라아제는 pH 4에서 10까지의 조건에서 매우 안정하게 과산화수소를 분해하였다. pH 3의 조건에서 과산화수소 분해율은 35.3% 감소하였다.100 mM of catalase was treated with 30 mM hydrogen peroxide and reacted at each temperature and pH for 10 minutes, and then the amount of remaining hydrogen peroxide was measured using a spectrophotometer to determine the decomposition rate. Catalase produced by PLC9 as a result of the decomposition rate was confirmed to decompose hydrogen peroxide very stably at 4-50C (Fig. 11). Catalase of PLC9 also decomposed hydrogen peroxide very stably under conditions ranging from
[도 1] 과산화수소 분해 미생물 PLC9의 그람 염색 후 광학현미경 관찰 사진 1 is a photograph of observation of optical microscope after Gram staining of hydrogen peroxide decomposed microorganism PLC9
[도 2] PLC9의 전자현미경 (SEM) 사진2 is a SEM image of PLC9
[도 3] 과산화수소 분해 미생물 PLC9의 16S rRNA 염기서열Figure 3 16S rRNA sequence of the hydrogen peroxide decomposition microorganism PLC9
[도 4] 과산화수소 분해 미생물 PLC9의 계통도 분석[Figure 4] Schematic analysis of hydrogen peroxide decomposition microorganism PLC9
[도 5] PLC9의 과산화수소 분해율5 is hydrogen peroxide decomposition rate of PLC9
[도 6] PLC9이 고정화된 한천 블록의 과산화수소 분해율 FIG. 6 Hydrogen peroxide decomposition rate of agar block on which PLC9 is fixed
[도 7] 과산화수소 분해 미생물 PLC9과 대조군 Bacillus cereus ATCC 9634의 생존율 [Figure 7] Hydrogen peroxide decomposition microorganism PLC9 and control Bacillus survival rate of cereus ATCC 9634
[도 8] 과산화수소 분해 미생물 PLC9이 생산하는 카탈라아제의 전기영동[Figure 8] Electrophoresis of catalase produced by the hydrogen peroxide decomposition microorganism PLC9
[도 9] 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 분리한 PLC9의 카탈라아제 전기영동9 is catalase electrophoresis of PLC9 isolated using column chromatography
[도 10] 과산화수소 분해 미생물 PLC9이 생산하는 카탈라아제의 아미노산 염기서열10 is the amino acid sequence of the catalase produced by the hydrogen peroxide decomposition microorganism PLC9
[도 11] 과산화수소 분해 미생물 PLC9이 생산하는 카탈라아제의 아미노산 염기서열 유사도11 is a similarity of the amino acid sequence of the catalase produced by the hydrogen peroxide decomposition microorganism PLC9
[도 12] 과산화수소 분해 미생물 PLC9이 생산하는 카탈라아제의 안정성 확인12 is checking the stability of the catalase produced by the hydrogen peroxide decomposition microorganism PLC9
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