KR101222602B1 - Castellaniella sp. and mixotrophic denitrification process using castellaniella sp - Google Patents

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KR101222602B1 KR1020110074059A KR20110074059A KR101222602B1 KR 101222602 B1 KR101222602 B1 KR 101222602B1 KR 1020110074059 A KR1020110074059 A KR 1020110074059A KR 20110074059 A KR20110074059 A KR 20110074059A KR 101222602 B1 KR101222602 B1 KR 101222602B1
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박태주
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Abstract

PURPOSE: A novel Castellaniella sp. which performs heterotrophic and autotrophic denitrification is provided to effectively resolve nitrogen pollution. CONSTITUTION: A novel Castellaniella sp.(KFCC 115214P) has heterotrophic and autotrophic denitrification ability. An electron donor for heterotrophic denitrification is glucose, lactose, starch, cellulose, sucrose, maltose, protein, lipid, alcohol, hydrocarbon, butyrate, acetate, propionate, or glucose. An electron donor for autotrophic denitrification is sulfur, sulfur compounds, iron, hydrogen, or ammonia. A composition for denitrification contains the strain, a culture liquid thereof, or a mixture thereof as an active ingredient. A denitrification method comprises a step of supplying the strain, culture liquid, or mixture thereof to a water system or soil.

Description

혼합영양 탈질능력을 가지는 신규 카스텔라니엘라 균주와 이를 이용한 탈질공정{Castellaniella sp. and mixotrophic denitrification process using Castellaniella sp.}New Castellaniella strains with mixed nutritional denitrification capacity and denitrification process using the same {Castellaniella sp. and mixotrophic denitrification process using Castellaniella sp.}

본 발명은 탈질능력을 가지는 신규한 균주에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종속영양탈질능력과 독립영양탈질능력을 동시에 갖는 신규한 균주, 이 균주 또는 배양액을 포함하는 탈질용 조성물 및 이 균주 또는 균주의 배양액을 공급하는 단계를 포함하는 탈질 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a novel strain having denitrification ability, and more particularly, to a novel strain having both heterotrophic and autotrophic denitrification ability, a composition for denitrification comprising the strain or culture medium and the strain or strain of It relates to a denitrification method comprising the step of supplying a culture solution.

질소를 포함하는 폐수는 하천과 호수의 부영양화를 유발하고 용존 산소 결핍, 암모니아의 수생 생물에 대한 직접적인 독성을 야기하며 수환경에 나쁜 영향을 끼치고 있어 선진국에서는 이의 배출을 엄격히 규제하고 있다. Wastewater containing nitrogen leads to eutrophication of streams and lakes, dissolved oxygen deficiency, direct toxicity of ammonia to aquatic organisms, and adversely affects the aquatic environment.

또한, 식량 생산 증대를 위하여 지속적으로 토양에 투여되는 질소비료, 가축 사육에 의해 발생하는 축산 폐수 등 유기성 질소 성분은 중요한 환경문제가 되고 있다. 생태계의 자정능력을 넘어서는 질소 성분의 축적은 토양의 산성화, 수질의 부영양화에 직접 영향을 미치게 된다. 또한 질소 성분이 환경에 축적되면 불량한 토양조건이 만들어지고 토양 내 최종 질소성분 분해자의 부족현상이 생겨, 결국 질소 축적의 악순환이 만들어진다. In addition, organic nitrogen components such as nitrogen fertilizer continuously administered to the soil and livestock wastewater generated by livestock raising for food production has become an important environmental problem. The accumulation of nitrogen above the self-cleaning capacity of the ecosystem directly affects the acidification of the soil and eutrophication of the water quality. In addition, when nitrogen is accumulated in the environment, poor soil conditions are created and the final nitrogen decomposer in the soil is shortened, resulting in a vicious cycle of nitrogen accumulation.

환경에 축적되는 질소는 유기성 질소(Org-N), 암모니아성 질소(NH3 +-N), 아질산성 질소(NO2 --N) 및 질산성 질소(NO3 --N)의 형태로 존재하는데, 환경에 잔류하는 질소의 주된 형태는 유기 질소와 암모니아성 질소이다. 환경에 과축적된 질소 성분을 완전히 제거하기 위해서는 질소성분의 질산화와 탈질화가 모두 이루어져야 한다. 질소성분의 오염은 초기에는 주로 암모니아성 질소로 존재하지만 오염이 회복됨에 따라 호기성 상태에서 질산성 질소로 다시 산화되는데, 이 산화과정을 질산화라고 한다. 산화반응에 의한 질산화의 주된 산물은 나이트라이트(NO2-)와 나이트래이트 (NO3-)의 형태로 존재한다. 생태계 질소성분의 자연 순환은 최종적으로 이 두 개의 질산화 물질을 질소가스(N2)로 환원하여 환경에 되돌리게 된다. 결국 위의 두 가지 질산화 산물이 신속하게 제거되지 않을 경우, 환경의 질소 성분의 과량 축적이 해결되지 않는다. Nitrogen accumulates in the environment in the form of organic nitrogen (Org-N), ammonia nitrogen (NH 3 + -N), nitrite nitrogen (NO 2 -- N) and nitrate nitrogen (NO 3 -- N) The main forms of nitrogen remaining in the environment are organic nitrogen and ammonia nitrogen. In order to completely remove nitrogen accumulated in the environment, both nitrification and denitrification of nitrogen must be carried out. Nitrogen contamination is primarily present as ammonia nitrogen, but as the contamination is restored, it is oxidized back to nitrate nitrogen in an aerobic state. This oxidation process is called nitrification. The main products of nitrification by oxidation are in the form of nitrites (NO 2 −) and nitrates (NO 3 −). Natural circulation of the ecosystem nitrogen component finally reduces these two nitrification substances to nitrogen gas (N 2 ) and returns them to the environment. After all, if the above two nitrification products are not removed quickly, the excess accumulation of nitrogen in the environment is not solved.

본 발명자들은 상기의 탈질화 작용에 있어서, 탈질 기능이 우수한 미생물 균주를 발명하기 위하여 예의 노력한 결과, 종속영양탈질능력 및 독립영양탈질능력을 동시에 갖는 신종 균주를 발견하였으며, 이 균주 및 그 배양액을 함유하는 탈질 처리용 조성물 및 이를 이용하여 탈질 처리하는 방법을 발명하였다.
In the denitrification action of the present inventors, as a result of diligent efforts to invent a microorganism strain having excellent denitrification function, the present inventors have found a new strain having both heterotrophic and autotrophic denitrification ability, and containing this strain and its culture solution. To invent a composition for denitrification and a method for denitrification using the same.

본 발명의 목적은 종속영양탈질기능과 독립영양탈질기능을 모두 갖는 신종 균주를 제공함에 있다.It is an object of the present invention to provide a novel strain having both heterotrophic and autotrophic denitrification.

또한 본 발명의 또다른 목적은 상기 군주의 세포, 배양액, 또는 이들의 혼합물을 유효성분으로 함유하는 탈질 처리용 조성물 및 이를 수계 또는 토양에 공급하는 단계를 포함하는 탈질 처리 방법을 제공함에 있다.
In addition, another object of the present invention to provide a denitrification treatment composition containing the cells of the monarch, culture, or a mixture thereof as an active ingredient and a denitrification treatment method comprising the step of supplying the same to the aqueous or soil.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 종속영양탈질능력 및 독립영양탈질능력을 갖는 신종 카스텔라니에라속 균주(KFCC11514P)를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a novel Castellaniera genus strain (KFCC11514P) having heterotrophic and autotrophic denitrifying ability.

또한 바람직하게는 상기 종속영양탈질은 글루코오스를 전자공여체로 가지며, 바람직하게는 독립영양탈질은 황화합물을 전자공여체로 갖는다. 또한 바람직하게는 상기 균주는 종속영양탈질을 수행한 뒤 독립영양탈질을 수행한다.Also preferably, the heterotrophic denitrification has glucose as an electron donor, and preferably the autotrophic denitrification has a sulfur compound as an electron donor. Also preferably, the strain performs autotrophic denitrification after performing heterotrophic denitrification.

또한, 본 발명은 상기의 균주의 세포, 배양액 또는 이들의 혼합물을 유효성분으로 함유하는 탈질용 조성물을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a composition for denitrification containing the cells of the above strain, the culture medium or a mixture thereof as an active ingredient.

또, 본 발명은 상기의 균주의 세포, 배양액 또는 이들의 혼합물을 수계 또는 토양에 공급하는 단계를 포함하는 탈질 방법을 제공한다.
In another aspect, the present invention provides a denitrification method comprising the step of supplying a cell, a culture medium or a mixture thereof to the aqueous or soil.

본 발명이 제공하는 신종 카스텔라니에라속 균주 (KFCC11514P)를 이용하는 경우, 하수, 폐수뿐만 아니라 지하수 및 토양의 질소를 무기물과 유기물 모두를 이용하여 처리할 수 있는바, 효과적이며 환경친화적인 질소오염 개선을 가능하게 한다.
In case of using the new Castellaniera genus strain (KFCC11514P) provided by the present invention, nitrogen from groundwater and soil as well as sewage and wastewater can be treated with both inorganic and organic substances, thereby improving effective and environmentally friendly nitrogen pollution. To make it possible.

도 1은 16S rRNA 유전자 서열을 기초로 한 Neighbour-joining 계통도로, SORA1의 계통발생학적 위치를 나타내고 있다. 축적은 2%의 핵산서열상 차이를 나타낸다.
도 2는 황이용 조건에서의 질소제거특성을 나타내는 그래프로, 중탄산염 (bicarbonate, 2mM)이 보충된 MBM 배지에서의 SORA1의 무기영양생장중에서의 질산염 (nitrate), 아질산염 (nitrite) 및 황산염 (sulfate)의 이온농도 변화에 대한 그래프이다. 배지는 티오황산염 (thiosulfate)을 전자공여체로 포함하며, 질산염 (nitrate)을 전자수용체로 포함하고 있다. ●: 아질산염, ○: 질산염, □: 황산염, ◇: 흡광도 측정 결과. 세포 성장은 650 nm파장에서의 흡광도 측정에 따랐다.
도 3은 유기물 이용조건에서의 질소제거특성을 나타내는 그래프이다. 30℃에서, MBM배지에 티오황산염 대신 2mL/L의 spent caustic(폐가성소다)를 포함시켰을 때의 질산염, 아질산염, 황산염의 이온농도 변화에 대한 그래프이다. ●: 아질산염 (nitrite), ○: 질산염 (nitrate), □: 황산염 (sulfate).
도 4는 30℃에서, 글루코오스를 포함하는 MBM배지에서 SORA01의 종속영양탈질작용 및 그로부터의 질산염, 아질산염, CODCr 및 황산염의 농도변화를 나타낸 그래프이다. ●: 아질산염 (nitrite), ○: 질산염 (nitrate), □: 황산염 (sulfate), △: CODCr, ◇: 흡광도 측정 결과. 세포 성장은 650 nm파장에서의 흡광도 측정에 따랐다.
도 5는 30℃의 혼합영양조건에서의 질산염, 아질산염, CODCr 및 황산염의 농도변화를 나타낸다.
(a)는 아질산염의 제거를 위하여 충분한 유기물과 티오황산염을 전자공여체로 제공한 결과이다. (b)는 아질산염 제거에 필요한 양의 절반의 유기물과 티오황산염을 첨가한 결과이다.
●: 아질산염 (nitrite), ○: 질산염 (nitrate), △: 황산염 (sulfate), ▼: CODCr (유기물)
1 is a neighbor-joining phylogenetic tree based on 16S rRNA gene sequence, showing the phylogenetic location of SORA1. Accumulation shows a 2% difference in nucleic acid sequence.
FIG. 2 is a graph showing nitrogen removal characteristics under sulfur use conditions, in which nitrate, nitrite and sulphate in inorganic nutrient growth of SORA1 in MBM medium supplemented with bicarbonate (2mM). This is a graph of the change in ion concentration. The medium contains thiosulfate as an electron donor, and nitrate as an electron acceptor. ●: nitrite, ○: nitrate, □: sulfate, ◇: absorbance measurement result. Cell growth was followed by absorbance measurements at 650 nm wavelength.
Figure 3 is a graph showing the nitrogen removal characteristics in the organic use conditions. It is a graph of the ion concentration change of nitrate, nitrite and sulfate when MBM medium contains 2 mL / L spent caustic instead of thiosulfate. ●: nitrite, ○: nitrate, □: sulfate.
4 is a graph showing heterotrophic denitrification of SORA01 and concentration changes of nitrate, nitrite, COD Cr and sulfate therefrom in a MBM medium containing glucose at 30 ° C. ●: nitrite, ○: nitrate, □: sulfate, △: COD Cr , ◇: absorbance measurement results. Cell growth was followed by absorbance measurements at 650 nm wavelength.
Figure 5 shows the concentration changes of nitrate, nitrite, COD Cr and sulfate in mixed nutrient conditions of 30 ℃.
(a) is the result of providing electron donors with sufficient organics and thiosulfate to remove nitrite. (b) is the result of adding half the amount of organic matter and thiosulfate required to remove nitrite.
●: nitrite, ○: nitrate, △: sulfate, ▼: COD Cr (organic)

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 종속영양탈질능력 및 독립영양탈질능력을 갖는 신종 카스텔라니에라속 균주 (KFCC11514P)를 제공한다. The present invention provides a novel Castellaniera genus strain (KFCC11514P) having heterotrophic and autotrophic denitrifying ability.

카스텔라니에라속 균주 (KFCC11514P)는 하수처리공정에서 분리하였으며, 황화합물과 유기물을 모두 탈질의 전자공여체로 이용할 수 있는 균주이다.Castellaniera genus strain (KFCC11514P) was isolated from the sewage treatment process and can be used as an electron donor for denitrification.

본 발명에서 사용하는 용어인 “탈질”이란 미생물이 산소가 없는 상태에서 호흡을 위하여 최종 전자수용체로 작용하는 질산성 질소를 환원시키는 것을 의미한다. 미생물이 이용하는 전자공여체에 따라 독립영양탈질과 종속영양탈질로 구분된다. As used herein, the term “denitrification” means that the microorganism reduces nitrate nitrogen, which acts as a final electron acceptor for respiration in the absence of oxygen. Depending on the electron donor used by the microorganism, it is divided into autotrophic and heterotrophic denitrification.

본 발명에 있어서 “종속영양탈질”이란 유기물을 전자공여체로 사용하여 탈질작용을 수행하는 것을 의미하며, 유기물이라면 그 범위를 한정하지 아니하며, 일 예로 포도당, 젖당, 녹말, 셀루로오즈, 수크로오즈, 말토오즈, 단백질, 지방, 알코올, 탄화수소, 부티레이트 (butyrate), 아세테이트 (acetate) 및 프로피오네이트 (propionate) 글루코오즈 등일 수 있다. 또한 바람직하게는 전자공여체로 글루코오즈를 이용할 수 있다. In the present invention, "dependent nutrient denitrification" means to perform denitrification by using an organic substance as an electron donor, and if the organic substance is not limited in scope, for example, glucose, lactose, starch, cellulose, sucrose , Maltose, proteins, fats, alcohols, hydrocarbons, butyrate, acetate and propionate glucose, and the like. Also preferably, glucose may be used as the electron donor.

본 발명에 있어서 “독립영양탈질”이란 무기물을 전자공여체로 사용하여 탈질작용을 수행하는 것을 의미하며, 전자공여체로써의 무기물은 그 범위를 제한하지 아니하며, 일 예로는 황, 황화합물, 철, 수소, 암모니아 등 일 수 있다. 또한 바람직하게는 전자공여체로 황화합물을 이용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 티오황산염 (thiosulfate) 또는 Spent Caustic (SC) 일 수 있다. In the present invention, "independent nutrient denitrification" means to perform denitrification by using an inorganic material as an electron donor, and the inorganic material as an electron donor does not limit the range, and examples thereof include sulfur, sulfur compounds, iron, hydrogen, Ammonia and the like. Also preferably, a sulfur compound may be used as the electron donor, and more preferably, thiosulfate or Spent Caustic (SC).

또한 본 발명의 균주는 종속영양탈질을 수행한 뒤 독립영양탈질을 수행한다. 하수, 폐수나 토양 등 자연환경에서 유, 무기물이 혼재되어 있으므로 유기물과 무기물이 동시에 존재하는 혼합영양조건에서 탈질 특성을 살펴본 결과, 먼저 유기물을 이용하여 탈질을 수행한 뒤 약 5일 후 황원을 소비함을 알 수 있었다.
In addition, the strain of the present invention performs heterotrophic denitrification after performing heterotrophic denitrification. As organic and inorganic materials are mixed in sewage, wastewater, and soil, the denitrification characteristics under mixed nutrient conditions where organic and inorganic materials exist at the same time. First, after denitrification using organic materials, the sulfur source is consumed after about 5 days. I could see.

또한, 본 발명은 상기의 균주의 세포, 배양액 또는 이들의 혼합물을 유효성분으로 함유하는 탈질용 조성물을 제공한다. In another aspect, the present invention provides a composition for denitrification containing the cells of the above strain, the culture medium or a mixture thereof as an active ingredient.

본 발명에 있어서 “배양액”은 본 발명의 신종 카스텔라니에라 (Castellaniella) 속 균주 (KFCC11514P)를 배양할 수 있는 배지에 의해 얻은 것이라면 모두 가능하다.In the present invention, the "culture medium" can be used as long as it is obtained by a medium capable of culturing the new Castellaniella sp. Strain (KFCC11514P) of the present invention.

상기 조성물에는 균주의 고정이 용이하며, 수중에서도 장기간 안정된 구조를 유지하는 물리적인 고정효과가 큰 것으로 알려진 제올라이트, 황토, 점토 등의 유기 담체, 세라믹 담체, 플라스틱 담체 등의 일반적인 담체가 사용될 수 있다. 또한, 종속영양탈질을 위한 탄소원이 포함될 수 있으며, 탄소원은 바람직하게는 bicarbonate일 수 있다.
It is easy to fix the strain in the composition, a general carrier such as organic carriers, ceramic carriers, plastic carriers, such as zeolites, ochers, clays and the like, which are known to have a large physical fixing effect, which maintains a stable structure in water for a long time. In addition, a carbon source for heterotrophic denitrification may be included, and the carbon source may preferably be bicarbonate.

또, 본 발명은 상기 균주의 세포, 배양액 또는 이들의 혼합물을 수계 또는 토양에 공급하는 단계를 포함하는 탈질 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a denitrification method comprising the step of supplying a cell, a culture medium or a mixture thereof to the aqueous or soil.

본 발명에 있어서 “수계”는 하수, 폐수, 지하수 및 오수가 바람직하고, “토양”은 자연토양 및 인공토양을 모두 포함한다.In the present invention, "water system" is preferably sewage, wastewater, groundwater and sewage, and "soil" includes both natural and artificial soils.

본 발명에서 공급하는 것은, 세포나 배양액을 수계 또는 토양에 분사, 유입으로써 첨가하는 과정을 의미하며, 첨가과정의 수단에 대하여 한정하지 아니한다.
Supplying in the present invention means a process of adding a cell or a culture solution by spraying or inflowing into an aqueous system or soil, and is not limited to the means of the addition process.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다. 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples. It will be apparent to those skilled in the art that the embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention.

<< 실시예1Example 1 > 실험재료 및 방법  > Experimental Materials and Methods

1-1: 1-1: 접종원의Inoculator 준비 Ready

석유화학공장에서 발생하는 황함유 액상 폐기물을 의미하는 “Spent caustic (SC)”를 활용하는 탈질균을 분리하기 위하여 한국, 부산의 남부 하수처리장에 있는 파일럿 규모의 Bardenpho공정 반응기의 무산소 탱크에서 슬러지 샘플를 얻었다.
Sludge samples were taken from an oxygen-free tank in a pilot-scale Bardenpho process reactor at a southern sewage treatment plant in Busan, South Korea, to isolate denitrifying bacteria using “Spent caustic (SC)”, a sulfur-containing liquid waste from a petrochemical plant. Got it.

1-2: 균주의 분리에 이용한 배지1-2: Medium used for isolation of strains

SC 활용 탈질균을 분리하기 위하여 Thiobacillus denitrificans의 배양배지 (German Collection of Microorganisms and Cell Cultures에서 생산하는 medium 832)를 이용하였다. Medium 832는 용매1리터에 대하여 Na2HPO4를 1.2 g, KH2PO4를 1.8g, MgSO4·7H2O 를 0.1 g, (NH4)2·SO4를 0.1 g, CaCl2를 0.03 g, FeCl3·6H2O를 0.02 g, MnSO4·4H2O를 0.02 g, Na2S2O3·5H2O를 10.0 g, NaHCO3를 0.5 g, KNO3를 5.0 g 를 포함하고 있다. 생리학적 검사를 위하여 MBM 배지를 사용하였으며, 이 배지는 용매 1리터에 대하여 NaNO3 0.2 g, KH2PO4를 0.2 g, NH4Cl을 0.2 g, MgCl2·6H2O를 0.4 g, KCl을 0.2 g, CaCl2·2H2O를 0.1 g, Na2S2O3·5H2O를 2.5 g, of SL-4 미량 원소 용액을 2.0 mL, 레자주린 (resazurin)을 1.0 mg포함한다. Thiobacillus to isolate SC- derived denitrifying bacteria The culture medium of denitrificans (medium 832 produced by German Collection of Microorganisms and Cell Cultures) was used. Medium 832: 1.2 g of Na 2 HPO 4 , 1.8 g of KH 2 PO 4 , 0.1 g of MgSO 4 · 7H 2 O, 0.1 g of (NH 4 ) 2 · SO 4 , and 0.03 of CaCl 2 , with respect to 1 liter of solvent. g, FeCl 3 .6H 2 O, 0.02 g, MnSO 4 .4H 2 O, 0.02 g, Na 2 S 2 O 3 · 5H 2 O 10.0 g, NaHCO 3 0.5 g, KNO 3 containing 5.0 g have. MBM medium was used for the physiological test, which was performed by NaNO 3 per 1 liter of solvent. 0.2 g, 0.2 g of KH 2 PO 4 , 0.2 g of NH 4 Cl, 0.4 g of MgCl 2 · 6H 2 O, 0.2 g of KCl, 0.1 g of CaCl 2 · 2H 2 O, Na 2 S 2 O 3 2.5 g of 5H 2 O, 2.0 mL of SL-4 trace element solution, 1.0 mg of resazurin.

SL-4의 구성은 아래와 같다. 용매 1리터에 대하여 EDTA을 0.5 g, FeSO4·7H2O를 0.2 g, 미량원소 용액을 100 mL포함하며, 미량원소 용액에는 용매 1리터에 대하여 0.1 g의 ZnSO4 ·7H2O, 0.03g의 MnCl2 ·4H2O, 0.3g의 H3BO3, 0.2g의 CoCl2 ·6H2O, 0.01g의 CuCl2 ·2H2O, 0.02g의 NiCl2 ·6H2O, 0.03g의 Na2MoO4 ·2H2O를 포함하고 있다. 모든 배양 배지는 살균 뒤에 사용하였다.
The configuration of SL-4 is as follows. 0.5 g of EDTA, 0.2 g of FeSO 4 · 7H 2 O, and 100 mL of a trace element solution per 1 liter of solvent; 0.1 g of ZnSO 4 · 7H 2 O, 0.03 g, per 1 liter of solvent in a trace element solution MnCl 2 · 4H 2 O, 0.3 g H 3 BO 3 , 0.2 g CoCl 2 · 6H 2 O, 0.01 g CuCl 2 · 2H 2 O, 0.02 g NiCl 2 · 6H 2 O, 0.03 g Na 2 MoO 4 · 2H 2 O is included. All culture media were used after sterilization.

1-3: 분리1-3: Separation

무산소 탱크에서 얻은 슬러지 내 미생물의 농화배양은 832 medium을 포함하는 100 mL의 세럼 바이알 (serum vial)을 이용하였고 30℃의 어두운 인큐베이터에서 100 rpm으로 셰이킹하였다. 농화배양된 배양물을 832 medium (1% vol/vol)로 옮겨3일 내지 5일간 배양했다. 이 농화배양 과정을 8차례 반복하였다. 농축된 배양물과 이의 희석액을 832 medium을 포함하는 아가 플레이트에 도말하였다. 이 플레이트를 GasPack Jar (GasPack 100, BBL, USA)에서 30℃로 배양하였다. 플레이트에 형성된 콜로니를 분리하여 아가 플레이트에 다시 도말하여 정제하였다.
Enrichment of microorganisms in the sludge obtained from the anoxic tank was carried out using 100 mL of the serum vial containing 832 medium and shaken at 100 rpm in a dark incubator at 30 ℃. The concentrated culture was transferred to 832 medium (1% vol / vol) and incubated for 3 to 5 days. This thickening process was repeated eight times. The concentrated culture and its dilutions were plated on agar plates containing 832 medium. This plate was incubated at 30 ° C. in a GasPack Jar (GasPack 100, BBL, USA). Colonies formed on the plates were separated and plated again on agar plates to purify.

1-4: 1-4: 계통학적Systematic 분석 analysis

832 medium 플레이트의 콜로니를 분리하여 1 μL의 주형 DNA, 0.25 μL의 포워드 및 리버스 프라이머 (10 pmol), 2.5 μL의 10×Taq buffer, 10 μL의 10 mM dNTP, 0.125 μL의 DNA 중합효소 (Solgent, Daejeon, Korea)로 이루어진 PCR용액으로 부유시켰다. 콜로니는 Mastercycler gradient automated thermal cycler (Bio-Rad Laboratories, Inc., Hercules, USA)를 이용하여 증폭하였으며, 아래와 같은 순서로 실행하였다. 처음 denaturation는 95℃에서 2분간; denaturation (20 sec at 95℃), annealing (40초로 55℃에서), extension (30 초로 72℃에서)을 29 싸이클 반복하고 최종 extension을 72℃에서 5분간 진행하였다. 16S rDNA를 증폭하기 위해서 포워드 프라이머인 eub 10F (5´AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3´(서열번호1)과 리버스 프라이머인 eub 1392R (5´ACGGGCGGTGTGTACAAG-3´(서열번호2)를 사용하였다. 프라이머 eub 10F 및 eub 1392R를 이용하여 콜로니의 PCR을 수행한 뒤에, ABI 3730XL capillary DNA 서열분석기를 이용하여 서열을 분석하였다. MEGA 4.0. 프로그램을 이용하여 계통도를 그렸다.
Colonies of 832 medium plates were isolated to isolate 1 μL template DNA, 0.25 μL forward and reverse primer (10 pmol), 2.5 μL 10 × Taq buffer, 10 μL 10 mM dNTP, 0.125 μL DNA polymerase (Solgent, Daejeon, Korea) was suspended in a PCR solution consisting of. Colonies were amplified using a Mastercycler gradient automated thermal cycler (Bio-Rad Laboratories, Inc., Hercules, USA) and performed in the following order. Initial denaturation was at 95 ° C. for 2 minutes; 29 cycles of denaturation (20 sec at 95 ° C.), annealing (at 55 ° C. for 40 seconds) and extension (at 72 ° C. for 30 seconds) were repeated and the final extension was carried out at 72 ° C. for 5 minutes. To amplify 16S rDNA, forward primer eub 10F (5'AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3 '(SEQ ID NO: 1) and reverse primer eub 1392R (5'ACGGGCGGTGTGTACAAG-3' (SEQ ID NO: 2)) were used. Primers eub 10F and eub PCR of colonies using the 1392R was followed by sequence analysis using an ABI 3730XL capillary DNA sequencer MEGA 4.0.

1-5: 생리학적 실험1-5: Physiological Experiment

성장실험은 변형된 MBM 배지 상에서 수행되었다. 2 mM의 NaHCO3 가 탄소원으로 공급되었다. 세포성장은 DU-70 분광 광도계 (SPECTRONIC20D+, Thermo Fisher scientific, USA)를 이용하여 OD600 값을 측정하였다. 세럼 바이알 (serum vials)의 headspace는 순수 N2 (99.9% 이상) 가스로 채웠다. 종속영양탈질 실험은 0.075 gL- 1 glucose를 추가한 티오황산염 (thiosulfate)을 뺀 MBM 배지에서 수행하였다. 모든 생리학적 검사를 30℃에서 수행하였다. 혼성영양탈질 특성을 시험하기 위해서는 아래의 두가지 배지가 사용되었다. (1) 0.15g glucose를 포함하는 변형된 MBM 배지와 (2) 0.4 g의 NaNO3 와 0.15g의 glucose가 포함되는 변형된 MBM 배지. 모든 생리학적 실험은 50 mL 배지를 세럼 바이알에 채웠으며, 질소가스를 추가로 채웠다.
Growth experiments were performed on modified MBM media. 2 mM NaHCO 3 Was supplied as a carbon source. Cell growth was measured using an DU-70 spectrophotometer (SPECTRONIC20D +, Thermo Fisher scientific, USA) to measure the OD 600 value. Serum vials headspace is pure N 2 (99.9% or more) filled with gas. Heterotrophic denitrification experiments of 0.075 gL - 1 The addition of glucose was performed in MBM medium without thiosulfate. All physiological tests were performed at 30 ° C. The following two media were used to test the hybrid nutritional denitrification characteristics. (1) modified MBM medium containing 0.15 g glucose and (2) 0.4 g NaNO 3 And modified MBM medium containing 0.15 g of glucose. All physiological experiments were charged to the serum vial with 50 mL medium and additional nitrogen gas.

1-6: 1-6: SpentSpent causticcaustic 의 전자공여체 이용가능성 테스트Testing of electron donor availability

이 출원에서 사용되는 SC (Spent caustic)는 한국의 석유화학 회사에서 채취하였으며 멸균한 후 Serum vial 에 주입하였다. 분리주의 능력을 시험하기 위하여 SC를 전자공여체로 사용하였으며, 2mL의 SC는 티오황산염 고갈 MBM 배지에 추가하였다. 50mL의 SC 포함 배지를 테프론이 코팅된 부틸 고무 셉텀 (Teflon-coated butyl rubber septum) 및 알루미늄 캡를 이용하여 밀봉하였다. 세럼 바이알에 N2 를 채운 뒤, LB 배지에서 생장한 0.5 mL의 배양물과 함께 배양하였다. 배양물은 30℃에서 100rpm으로 셰이킹한 것이다.
SC (Spent caustic) used in this application was taken from a petrochemical company in Korea, sterilized and injected into Serum vial. SC was used as the electron donor to test the ability of the isolate, and 2 mL of SC was added to the thiosulfate depleted MBM medium. 50 mL of SC containing medium was sealed using Teflon-coated butyl rubber septum and aluminum cap. The serum vial was filled with N 2 and then incubated with 0.5 mL of culture grown in LB medium. Cultures were shaken at 30 ° C. at 100 rpm.

1-7: 분석방법1-7: Analysis Method

화학적 산소요구량(sCODCr)농도와 NH4 +-N의 농도를 자동분석기 (AA3, Bran+Luebbe, Germany)를 이용하여 분석하였으며, 샘플을 0.45 μm membrane filter로 여과 후 분석하였다. NO2 --N와 NO3 --N의 농도는 이온 크로마토그래피 (DX-300, DIONEX, Sunnyvale, USA)를 이용하여 측정하였다. pH 값은 Orion Research pH meter (230A, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, USA)을 이용하여 측정하였다.
Chemical oxygen demand (sCOD Cr ) concentration and NH 4 + -N concentration were analyzed using an automatic analyzer (AA3, Bran + Luebbe, Germany), and the sample was analyzed by filtration with 0.45 μm membrane filter. The concentrations of NO 2 -- N and NO 3 -- N were measured using ion chromatography (DX-300, DIONEX, Sunnyvale, USA). pH values were measured using an Orion Research pH meter (230A, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, USA).

1-8: 1-8: KCCMKCCM 에의 기탁Deposit to

본 발명의 세균은 한국 미생물 보존 센터 (Korean Culture Center of Microorganisms, KCCM)에 기탁하였으며, 균주의 이름을 Castellaniella sp. SORA01로 규정하였다.
The bacterium of the present invention was deposited in the Korean Culture Center of Microorganisms (KCCM), the name of the strain Castellaniella sp. Defined as SORA01.

<< 실시예2Example 2 >분리 및 분리주의 판별Determination of separation and separationism

균주 SORA01의 계통학적 위치를 결정하기 위하여 16S rRNA 유전자 서열을 Castellaniella종에 속하는 미생물과 비교하였으며, 균주 SORA01는 Castellaniella daejeonesis MJ06와 98%의 상동성을 보이며, 황 이용 탈질균으로 밝혀졌다 (도1). 16S rRNA 유전자 상동성에 기초하여 볼 때, 균주 SORA1은 C. dajeonensisC. denitrificans와 가장 가까운 위치에 존재한다. 균주 SORA1은 Betaproteobacteria강 (classs)에 속하며 이는 황 이용 탈질균으로 알려진 Thiobacillus denitrificans이 속한 강에 해당한다.
To determine the systematic location of strain SORA01, 16S rRNA gene sequences were compared with microorganisms belonging to Castellaniella spp., Strain SORA01 was castellaniella It showed 98% homology with daejeonesis MJ06 and was found to be a sulfur-derived denitrifier (FIG. 1). Based on 16S rRNA gene homology, strain SORA1 is located closest to C. dajeonensis and C. denitrificans . Strain SORA1 belongs to the Betaproteobacteria class, which is known as sulphur-derived denitrifier Corresponds to the river to which Thiobacillus denitrificans belongs.

<< 실시예3Example 3 > > 독립영양탈질Autotrophic denitrification 작용의 확인-  Confirmation of action MBMMBM 배지에서의 성장 및 독립영양 탈질 Growth and Autotrophic Denitrification in Medium

무산소 조건에서 MBM 배지에서의 균주 SORA1의 성장 패턴을 도2에 나타내었다. 균주 SORA1은 티오황산염이 전자공여체이며 질산염이 전자수용체일 때 일정하게 자라는 성장패턴을 보였으며, 8일째 OD650가 0.52에 도달하였다. 무균상태에서 질산염 감소와 티오황산염의 산화가 현저하지 아니함에 비하여, 균주 SORA1이 존재하는 MBM 배지에서는 질산염의 감소와 티오황산염의 산화가 동시에 수행되었다. 티오황산염을 이용한 독립영양 탈질은 황산염을 생산하며, 또한 균주 SORA1은 2.69 g SO4 2 --S/(g NO3 --N)를 생산하였으며 이는 화학양적 방정식인 NO3 - + 0.625S2O3 2 - + 0.125H2O → 0.5N2 + 1.25SO4 2 - + 0.25H+ (McCarty, 1975)와 일치하는 결과이다. 질산염 제거 및 황산염의 생산에 따라 균주 SORA1이 티오황산염을 이용하여 독립영양탈질을 수행한다는 것을 알았으며, 이는 종래에 밝혀진 바가 없는 사실이다. The growth pattern of strain SORA1 in MBM medium in anoxic conditions is shown in FIG. 2. The strain SORA1 showed a constant growth pattern when thiosulfate was an electron donor and nitrate was an electron acceptor. On the 8th day, OD 650 reached 0.52. Nitrate reduction and thiosulfate oxidation were not significant in aseptic conditions, whereas nitrate reduction and thiosulfate oxidation were simultaneously performed in MBM medium containing strain SORA1. Autotrophic denitrification with thiosulphate is produced, and the sulfate, and the strain is SORA1 2.69 g SO 4 2 - -S / - phosphorus (g NO 3 -N) which was produced a quantitative chemical equation NO 3 - + 0.625S 2 O 3 2 - + 0.125H 2 O → 0.5N 2 + 1.25SO 4 2 - + 0.25H + a matching and (McCarty, 1975). It was found that strain SORA1 performs autotrophic denitrification with thiosulphate upon nitrate removal and the production of sulphate, which is not known before.

종래 Castellaniella종에 속하는 C. denitrificans 또는 C. defragrans 등이 탈질능력이 있다는 것이 보고 되고 있으나, 그들의 능력이 독립영양 탈질인지 여부에 관한 증거는 밝혀지지 않았다.
C. denitrificans or C. defragrans belonging to the conventional Castellaniella species It has been reported that the back has denitrifying ability, but no evidence is available on whether their capacity is autotrophic denitrification.

<< 실시예4Example 4 > > 독립영양탈질Autotrophic denitrification 작용의 확인-  Confirmation of action spentspent causticcaustic 를 이용한 Using 독립영양탈질Autotrophic denitrification

균주 SORA01이 종래 SC를 주입한 반응기에서 분리된바, SC 존재하에서의 독립영양탈질 기능을 시험하였다. 시험을 위하여 티오황산염을 MBM 배지에서 제거하였으며, 2 mL/L의 SC가 주입되었다.Strain SORA01 was isolated in a reactor injected with conventional SC and tested for autotrophic denitrification in the presence of SC. Thiosulfate was removed from the MBM medium for testing and 2 mL / L of SC was injected.

도3은 SORA01이 SC가 전자공여체로 보충되었을 때 질산염을 제거한다는 것을 보여주며, 이는 SORA01이 SC를 이용하여 독립영양탈질을 수행가능하다는 것을 나타내는 것이다. 탈질률은 32.7%로 티오황산염이 존재하는 조건에 비하여 높지 않았다. 이와 같은 낮은 탈질률은 MBM배지에서의 SC 주입량이 2mL/L로 황의 농도가 화학양론적으로 요구되는 량 (SC내 황의 평균 농도는 13,977 mg/L)과 맞지 않기 때문인 것으로 예상된다. Figure 3 shows that SORA01 removes nitrates when SC is supplemented with electron donors, indicating that SORA01 is capable of autotrophic denitrification using SC. The denitrification rate was 32.7%, which was not high compared to the condition in which thiosulfate was present. This low denitrification rate is expected to be due to the SC injection in MBM medium at 2 mL / L, which does not match the stoichiometrically required amount of sulfur (the average concentration of sulfur in SC is 13,977 mg / L).

완전한 탈질을 위하여 4 mL/L의SC를 MBM배지에 주입해주어야 하지만 SC 원재료 그대로는 독립영양탈질에 필요한 알칼리도 보다 과도한 알칼리도를 포함하기 때문에, 4 mL/L의 SC는 배지의 pH를 9.5로 증가시키며, 이는 탈질작용을 저해한다. For complete denitrification, 4 mL / L of SC should be injected into the MBM medium, but 4 mL / L of SC increases the pH of the medium to 9.5 because the SC raw material contains excess alkalinity than is needed for autotrophic denitrification. , Which inhibits denitrification.

그러나, SC는 질산화작용와 탈질작용이 동시에 수행되는 과정에서 탈질을 위하여 충분히 공급될 수 있으며 이는 질산화작용이 알칼리도를 소모하기 때문이다. 또한 우리는 SC가 제공되는 때 중탄산염이 존재하지 않는 경우에는 SORA01이 생장하지 않음을 확인하였으며, 이는 SORA1이 SC를 탄소원으로 사용하지 못하는 것을 나타낸다 (데이터 미기재)
However, SC can be sufficiently supplied for denitrification in the process of nitrification and denitrification at the same time because nitrification consumes alkalinity. We also found that SORA01 did not grow in the absence of bicarbonate when SC was provided, indicating that SORA1 does not use SC as a carbon source (data not shown).

<< 실시예5Example 5 > > 독립영양탈질Autotrophic denitrification 작용의 확인- 글루코오스를 이용한  Confirmation of Action-Using Glucose 종속영양탈질Heterotrophic denitrification

SORA01이 종속영양탈질을 수행할 수 있는지를 시험하기 위하여 0.15 g의 글루코오즈를 전자공여체로 보충하였다. 균주 SORA01은 글루코오즈를 즉시 사용하여 질산염을 2일내에 99.0% 탈질시켰다. 이온화된 암모니아 (NH4 +-N)가 세포에 질소 영양소로 제공되고 질산염의 질소는 세포 안에 포함되지 않기 때문에, MBM 배지의 질산염이 COD를 감소시키면서 탈질된다고 생각된다. SORA01은 종속영양탈질을 위하여 3.18g COD를 요구하며, 이는 종래 문헌과 일치하는 값이다. OD650는 종래 연구와 마찬가지로 글루코오스를 탄소원으로 사용하는 것 및 이틀내 글루코오즈를 이용해 세포가 성장함을 보여준다. 탈질작용이 완전히 끝난 뒤 약 61.8 g의 COD가 남겨졌는데 이는 필요한 글루코오즈의 양을 초가하는 양이 제공되었기 때문이다.0.15 g of glucose was supplemented with electron donor to test whether SORA01 can perform heterotrophic denitrification. Strain SORA01 immediately depleted 99.0% nitrate within 2 days using glucose. Since ionized ammonia (NH 4 + -N) is provided to the cells as nitrogen nutrients and the nitrogen of nitrate is not contained in the cells, it is believed that the nitrates in MBM medium denitrate while reducing COD. SORA01 requires 3.18 g COD for heterotrophic denitrification, a value consistent with prior literature. OD 650 shows the growth of cells using glucose as a carbon source and glucose within two days, as in previous studies. After the denitrification was complete, about 61.8 g of COD was left, because an excess of the required amount of glucose was provided.

이 결과는 SORA01이 티오황산염뿐 만 아니라 글루코오즈를 전자공여체로 사용할 수 있다는 것을 보며주며, 이는 종래 보고된 바가 없다.
This result shows that SORA01 can use not only thiosulfate but also glucose as an electron donor, which has not been reported before.

<< 실시예6Example 6 > > 독립영양탈질Autotrophic denitrification 작용의 확인- 혼합영양조건에서의  Confirmation of action-under mixed nutrient conditions 탈질작용Denitrification

폐수는 대부분 유기물을 포함하기 때문에, 티오황산염과 유기물이 동시에 존재하는 혼합영양 조건에서의 탈질작용의 특성을 시험하였다. 먼저 글르코오즈와 티오황산염을 MBM 배지가 담긴 바이알(vial)에 충분한 양으로 공급하였다. 혼성영양의 패턴은 글루코오즈가 전자공여체로만 존재할때와 비슷하였다. 충분한 양의 유기물이 바이알에 공급되었을 때 COD가 모두 소비되지 않았으며, 항산염이 생산되지 않았다. 이는 혼합영양조건하에서 충분한 전자공여체가 존재하는 경우, 균주 SORA01이 유기물을 사용한 뒤 황을 이용하여 독립영양 탈질을 수행한다는 것을 명백히 보여주는 것이다. Since the wastewater contains mostly organic matter, the characteristics of denitrification under mixed nutrient conditions in which thiosulfate and organic matter exist simultaneously were tested. First, glucose and thiosulfate were supplied to a vial containing MBM medium in a sufficient amount. The pattern of hybrid nutrition was similar to when glucose was present only as an electron donor. When a sufficient amount of organics was fed into the vial, all of the COD was not consumed and no acid was produced. This clearly shows that if sufficient electron donors are present under mixed nutrient conditions, strain SORA01 performs autotrophic denitrification using sulfur after using organics.

균주 SORA1은 불충분한 유기물 조건하에서 글르코오즈를 가장 먼저 사용하였다. 글루코오즈를 사용하는 SORA01의 종속영양탈질은 2일내에 완전히 이루어지며, 그 뒤 티오황산염을 이용한 독립영양탈질이 이루어졌다. 또한, 종속영양탈질로부터 독립영양탈질로 전환되기위해서는 5일이상의 시간이 필요하였으며, 이는 상이한 전자공여체로 적응하기 위하여 걸리는 시간으로 예상된다. Strain SORA1 was the first to use glucose under insufficient organic conditions. Heterotrophic denitrification of SORA01 using glucose was complete within 2 days, followed by autotrophic denitrification with thiosulfate. In addition, it took more than 5 days to convert from heterotrophic to autotrophic denitrification, which is expected to take time to adapt to different electron donors.

혼합영양 탈질 특성의 결과에 따라, 이 분리주는 혼합영양조건에서 유기물과 황 모두를 사용할 수 있음을 결론지었다. 이는 활성슬러지의 미생물이 SC를 사용할 수 있으며, 폐수의 유기물이 사용된 뒤에 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 특히, 이는 Castellaniella종이 황을 사용하여 탈질을 수행할 수 있다는 것을 처음으로 보고하는 것이다.
As a result of the mixed nutrient denitrification properties, it was concluded that this isolate could use both organics and sulfur under mixed nutrient conditions. This indicates that microorganisms in activated sludge can use SC and can be used after the organics in the wastewater are used. In particular, this is the first report that Castellaniella species can be denitrified using sulfur.

한국미생물보존센터(국내)Korea Microbial Conservation Center (Domestic) KFCC11514PKFCC11514P 2011040720110407

Claims (6)

종속영양탈질능력 및 독립영양탈질능력을 갖는 신종 카스텔라니에라 (Castellaniella) 속 균주 (KFCC11514P).
A new strain of Castellaniella spp. (KFCC11514P) with heterotrophic and autotrophic denitrifying ability.
제1항에 있어서, 상기 종속영양탈질은 포도당, 젖당, 녹말, 셀루로오즈, 수크로오즈, 말토오즈, 단백질, 지방, 알코올, 탄화수소, 부티레이트 (butyrate), 아세테이트 (acetate) 및 프로피오네이트 (propionate) 및 글루코오즈로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 전자공여체로 갖는 것을 특징으로 하는 균주.
The method of claim 1, wherein the heterotrophic denitrification is glucose, lactose, starch, cellulose, sucrose, maltose, protein, fat, alcohol, hydrocarbons, butyrate, acetate and propionate ( propionate) and a strain characterized in that it has an electron donor selected from the group consisting of glucose.
제1항에 있어서, 상기 독립영양탈질은 황, 황화합물, 철, 수소 및 암모니아로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 전자공여체로 갖는 것을 특징으로 하는 균주.
[Claim 2] The strain according to claim 1, wherein the autotrophic denitrification has an electron donor selected from the group consisting of sulfur, sulfur compounds, iron, hydrogen and ammonia.
제1항에 있어서, 상기 균주는 종속영양탈질을 수행한 뒤 독립영양탈질을 수행하는 것을 특징으로 하는 균주.
According to claim 1, wherein the strain is characterized in that after performing heterotrophic denitrification autotrophic denitrification.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 균주의 세포, 배양액 또는 이들의 혼합물을 유효성분으로 함유하는 탈질용 조성물.
A composition for denitrification containing the cells of the strain according to any one of claims 1 to 4, a culture solution or a mixture thereof as an active ingredient.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 균주의 세포, 배양액 또는 이들의 혼합물을 수계 또는 토양에 공급하는 단계를 포함하는 탈질 방법.A denitrification method comprising the step of supplying a cell, a culture medium or a mixture thereof according to any one of claims 1 to 4 to an aqueous system or soil.
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