KR19990069400A - 광섬유가 부착된 생물반응기 및 이를 이용한독성탐지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 독성물질의 종류에 따라 빛을 발하도록 유전자 제조합된 박테리아를 이용하여 공장 폐수, 폐처리장의 유입수 및, 배출수, 하천, 상수원으로 유입되는 독성물질을 연속, 비연속적으로 탐지할 수 있는 광섬유 부착 소형생물반응기와 이를 이용한 독성물질 탐지방법에 관한 것이다. 작업부피가 소량으로써 장기간에 걸쳐 미생물을 성장 유지시키는데 있어 배지 소모량이 작고 운전 및 관리가 용이하다. 또한 광섬유를 소형반응기와 결합시키므로 독성탐지에 이용되는 미생물이 소형 생물반응기내에서 발하는 빛의 변화를 민감하고 신속히 빛의 소실없이 빛 측정장치인 루미노미터로 전달시킬 수 있다. 또한 이 광섬유부착 소형 생물반응기를 2단계로 구성하여 1단계 반응기에서는 미생물을 독성물질과 혼합시키지 않거나 방사능에 노출되지 않고 2단계 반응기로 유입시켜 독성물질과 혼합하여 미생물이 발산하는 빛의 변화를 측정하므로써 독성물질과의 혼합이나 방사능에 따른 성장저해에도 불구하고 장기간에 걸쳐 연속적으로 독성물질이나 방사능의 유해를 탐지할 수 있는 발명이다.

Description

광섬유가 부착된 생물반응기 및 이를 이용한 독성탐지 방법

본 발명은 폐수, 강물, 하천수, 상수원 등에 함유된 독성 및 방사능을 탐지할 수 있는 광섬유가 부착된 생물반응기 및 이를 이용한 수질 독성탐지방법에 관한 것이다.

종래 폐수처리장, 강, 하천 그리고 상수원등의 독성은 물벼룩 혹은 물고기 등의 수중생물의 생존정도를 이용하여 측정하고 있다. 물벼룩과 같은 수중생물을 이용하는 방법은 독성물질이 수중생물의 생존에 미치는 영향정도를 파악하여 독성 물질의 유입과 독성정도를 판단하므로 독성 탐지시간이 지연되고 여러종류의 독성을 탐지하지 못하는 단점이 있을 뿐만 아니라 연속적으로 독성을 탐지할 수 없는 단점을 가지고 있다. 또 다른 방법으로 수중생물을 이용한 독성탐지 방법의 단점을 개선하기 위해서 미생물을 이용하는 방법이 연구되고 있는데, 독성물질의 종류에 따라 생물학적 빛을 발산하도록 유전자 재조합된 박테리아를 이용하는 방법이 있다. 그러나 미생물을 이용한 종래의 방법은 폐수처리장, 하천 그리고 상수원등에 독성 물질의 유입 유무를 장시간에 걸쳐 탐지할 경우 독성탐지에 이용되고 있는 유전자 재조합 박테리아를 성장 유지시키기 위해서는 많은 양의 영양배지가 소모되며 독성물질의 유입으로 미생물의 성장을 저해시켜 종국에는 미생물의 성장이 정지되어 독성물질을 탐지할 수 없게 된다.

본 발명은 독성물질의 종류에 따라 생물학적 빛을 발산하도록 유전자 재조합된 박테리아를 이용하여 폐수처리장, 하천 그리고 상수원등으로 유입되는 독성을 장시간에 걸쳐 탐지하기 위해 독성물질의 유입에도 불구하고 장기간에 걸쳐 미생물을 안정적으로 성장 유지 시키고 영양배지의 소모량을 최소화할 뿐만 아니라 미생물로 부터 발하는 생물학적 빛을 직접적으로 측정할 수 있는 생물반응기 및 수질 독성탐지방법을 제공하는데 있다.

도 1은 독성 및 방사능 탐지에 이용되는 유전자 재조합 박테리아를 생물반응기에서 성장시킨 미생물로부터 발생되는 빛을 측정하기 위한 광섬유가 부착된 소형 생물반응기의 상세도

도 2는 유전자 재조합 박테리아를 이용한 독성 및 방사능을 연속, 비연속적으로 탐지하기 위한 광섬유가 부착된 소형 생물반응기를 2단계로 구성한 수질 독성탐지 시스템 계통도

도 3은 미토마이신의 생물반응기내에서 DPD 2794가 발산해지는 빛을 측정한 결과이다.

도 4는 미토마이신 주입전 생물반응기내에서 미생물의 안정적 성장을 나타낸 결과이다.

도 5는 희석속도 0.74/hr에서 BL값을 나타낸 것이다.

도 6은 희석속도 1.03/hr에서 실험결과이다.

도 7은 2단계 반응기의 희석속도를 0.829/hr로 고정시킨 페놀의 2단계 반응기 내에서의 농도별 페놀주입량에 따른 빛 측정결과이다.

도 8 A, B, C, D는 도 7에 있어서 시간대별 페놀 첨가량에 따른 빛 측정결과이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 영양배지 유입구(2) : 영양배지 배출구

(3) : 공기 유입구(4) : 접종구

(5) : 배기가스 배출구(6) : 응축기

(7) : 공기여과기(8) : 물 유입구

(9) : 물 배출구(10) : 교반봉

(11) : 교반장치(12) : 유리

(13) : 광섬유 부착장치(14) : 광섬유

(15) : 1단계 생물반응기(16) : 2단계 생물반응기

도 1은 광섬유가 부착된 소형 생물반응기의 상세도로서 각각 미생물의 성장 유지를 위한 영양배지 유입구(1)와 배출구(2)가 있고, 공기 유입구(3)와 유입되는 공기 중에 있는 미생물을 제거하기 위한 필터(7)가 있으며 미생물 접종 및 독성물질 주입구(4)가 있고, 광섬유 부착 소형 생물반응기에서 발생되는 미량의 기포와 이산화탄소는 응축기(6)를 거쳐 기포를 응축시킨 후 배출구(5)를 통해 배출된다. 광섬유가 부착된 소형 생물반응기의 온도를 30℃로 유지하기 위해 30℃의 물이 소형생물반응기 내의 이중쟈켓(double jacket)내로 순환시키는 유입구(8)와 배출구(9)가 있으며 (10)과 (11)은 소형 생물반응기내의 교반을 위한 교반기(magnetic bar : 10)와 교반장치(magnetic stir plate : 11)가 있다. 미생물이 발산하는 빛을 유리(12)를 통해 광섬유(14 : Turner Designs, Fiber Optic Probe 20-040)에 전달시키기 위하여 반응기에 광섬유연결장치(13)가 고정되어 있다. 광섬유가 부착된 소형 생물반응기 내에서 광섬유는 독성탐지를 위해 생육하고 있는 미생물에서 발산하는 생물학적 빛을 측정하는 루미노미터(Turner Designs, Moedel 20e Luminometer)로 빛의 손실없이 신속하고 연속적으로 전달한다. 경제적인 독성탐지를 위해 운전부피 38ml, 20ml, 10ml로 소형화하여 광섬유가 부착된 생물반응기로 수질 독성탐지장치 및 방법을 발명하였다.

도 2는 2단계 광섬유부착 소형 생물반응기를 이용한 연속독성탐지 시스템에 대한 계통도로서 운전부피 10ml의 제 1 단계 광섬유가 부착된 소형 생물반응기(15)와 운전부피 20ml의 제 2 단계 광섬유가 부착된 소형 생물반응기(16)를 나타낸다. 1단계 반응기내의 미생물의 성장에 필요한 영양배지(17)가 제 1 단계 반응기내로 유입되고 이 배지를 이용 미생물은 계속 성장하게 된다. 1단계 반응기내에 독성물질과의 접촉 없이 일정하게 성장 유지된 미생물(18)은 2단계 반응기로 유입된다. 1단계 반응기에서 2단계 반응기로 유입된 미생물은 2단계 반응기로 유입되는 폐수처리장, 유입수 및 배출수, 하천, 상수원 그리고 원자력발전소 등의 폐수(19)와 혼합하게 된다. 유입된 미생물이 독성물질의 종류에 따라 빛을 발산하도록 유전자 재조합된 박테리아인 경우, 2단계 반응기내로 유입된 독성물질의 종류에 따라 빛을 발산하게 된다. 이러한 2단계 반응기내에서의 미생물이 발하는 빛의 변화는 2단계 반응기에 연결된 광섬유(21)를 통해 빛 측정장치인 루미노미터에 전달되어 빛 변화량이 연속적으로 측정되고 시간에 따른 빛의 변화를 통해 독성물질의 유입유무와 독성의 세기정도를 감지하게 된다. 2단계 반응기 독성의 종류에 따라 빛을 발하도록 유전자 재조합된 미생물을 성장 유지시켜 연속적으로 독성을 탐지하는 이 시스템은 운전부피가 작으므로 미생물의 성장 유지에 필요한 영양 배지의 소모량이 작을 뿐만 아니라 전체적으로 시스템의 크기가 작으므로 반응기의 제작비용이 절감되고, 운전 및 관리가 용이하다. 독성탐지에 사용되는 미생물이 독성물질과 혼합되면 성장이 저해되어 장기간에 걸쳐 독성탐지에 이용될 수 없다. 그러나 본 2단계의 광섬유부착 소형 생물반응기를 이용한 연속독성탐지 시스템은 1단계 반응기에서 미생물은 독성물질과는 전혀 혼합되지 않고 성장유지되어 2단계 반응기로 유입되므로 독성물질의 유입에도 불구하고 장기간에 걸쳐 연속적으로 독성을 탐지할 수 있다. 또한 2단계 반응기에는 광섬유가 연결되어 있어 미생물이 독성물질과의 혼합에 따라 발생하는 시간에 따른 빛의 변화가 손실없이 즉시 빛 측정 장치에 전달되어 지므로 폐수처리장, 하천, 상수원등지로 독성물질 유입 유무나 원전폐수의 방사선 오염유무와 원전주변의 방사능의 영향을 신속하고도 연속적으로 탐지할 수 있다. 표 1은 독성물지탐지에 이용되는 유전자 재조합 박테리아(미국 듀퐁사 제품)의 종류를 나타낸다.

[도 2] 유전자 재조합 박테리아별 독성탐지영역

[실시예 1]

운전부피가 38ml인 광섬유부착 소형생물반응기 내에 DPD2794를 성장 유지시키면서 소형 생물반응기내의 영양배지 유입속도를 운전부피로 나눈 희석속도를 0.767/hr로 일정하게 유지한 후 미생물의 유전자를 파괴하는 물질인 미토마이신씨(Mitomycin C)의 소형 생물반응기 내의 농도가 0.5ppm이 되도록 주입하였을 경우 DPD2794에서 발해지는 빛을 측정한 것이다. 실험결과는 도 3과 도 4에 나타냈으며 BL은 DPD2794가 발산하는 생물학적 빛을 루미노미터로 측정한 것이고 SBL은 BL을 OD600으로 나눈 값으로 DPD2794 세포 1개당 발생하는 빛을 의미한다. 최대 SBL은 4623이였고 미토마이신 C을 주입한 시간을 0으로 기준할 때 최대 SBL과 최대 BL에 도달하는 시간은 160분으로 동일했다. OD600은 소형생물반응기내에서 자라고 있는 DPD2794의 유브이 광도계(UV Spectrophotometer)의 660nm의 파장에서의 광도(Optical density)로써 DPD2794의 농도를 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이 DPD2794가 미토마이신C로 인해 발생시키는 생물학적 빛인 BL과 이 SBL의 시간에 따른 변화정도가 거의 일치하므로 광섬유 부착 소형생물반응기내에서 미생물이 발생하는 생물학적 빛만을 측정하여 독성을 탐지할 수 있음을 알 수 있다. 도 4에서 미토마이신C를 주입하기전 까지 미생물의 OD600이 일정하게 유지되므로 미생물의 광섬유 부착 소형생물반응기내에서 안정적으로 성장 유지됨을 알 수 있다.

[실시예 2]

운전부피가 38ml인 소형 생물반응기 이용 DPD2794를 성장 유지시키면서 소형생물반응기내에 배지유입 속도를 운전부피로 나눈 희석속도에 따라 미생물의 유전자를 파괴하는 화학물질인 미토마이신C의 소형 생물반응기내에서의 농도가 0.1ppm이 되도록 주입하였을 경우 DPD2794가 발생하는 빛을 측정하였다. 희석속도는 0.74/hr에서 BL값을 그림 3으로 제시하였다.

미토마이신 C를 주입하기전 광섬유부착 소형 생물반응기내에서의 미생물의 성장이 안정적으로 유지되면서 미생물이 발생시키는 빛이 일정하게 유지된다. 미토마이신 C를 주입하면서 부터 미생물에서 발생하는 빛의 양이 점점 증가하여 주입후 167분에서 최대값을 나타냄을 알 수 있다. 희석속도가 0.34/hr, 0.533/hr, 1.06/hr일 때 최대 BL 값은 각각 16000, 7700, 441이며 탐지시간은 각각 400분, 335분, 210분으로 희석속도가 증감함에 따라 독성물질을 더 빨리 탐지할 수 있음을 알 수 있다.

[실시예 3]

DPD2540이 연속적으로 자라고 있는 운전부피가 38ml인 광섬유부착 소형 생물반응기내의 희석속도에 따라 미생물내의 단백질을 변형시키는 페놀의 반응기내에서의 농도가 300ppm이 되도록 반응기내로 주입시켰을 경우 DPD2540이 발생하는 생물학적 빛을 루미노미터로 측정하였다. 희석속도 1.03/hr에서의 실험결과를 도 6으로 나타냈으며 페놀을 주입한 시간을 0으로 설정하였다.

도 6에서 300ppm 페놀을 광섬유부착 소형 생물반응기에 주입하였을 때 65분 경에 독성탐지가 가능함을 알 수 있다. 희석속도가 0.218/hr, 0.498/hr, 1.03/hr일 때 반응 탐지시간은 각각 105분, 90분, 61분으로 빠른 희석속도에서 독성물질을 더 빠리 탐지할 수 있음을 알 수 있다.

[실시예 4]

실시예 4는 운전부피 10ml의 광섬유부착 소형 생물반응기를 제 1 단계 반응기로 운전부피 20ml의 광섬유부착 소형 생물반응기를 제 2 단계 반응기로 설정한 독성탐지 시스템에서 제 2 단계 반응기에서의 희석속도를 0.829/hr로 고정시키고 페놀의 2단계 반응기내에서의 농도가 100ppm, 300pm, 700ppm, 1400ppm 이 되게 2단계 반응기내로 주입하였을 경우 TV1061이 발하는 생물학적 빛을 루미노미터로 측정한 것이다. 결과는 도 7과 도 8에 나타내었다. 도 7은 2단계 광섬유부착 소형 생물반응기를 이용한 독성탐지 시스템을 이용 TV1061을 100시간 이상 성장 유지시킨 결과이다.

독성물질 유입전 미생물이 발생하는 생물학적 빛이 일정하게 유지되므로 미생물이 반응기내에서 안정적으로 성장 유지됨을 알 수 있다. 또한 페놀을 주입하였을 때도 빠른 시간내 주입전으로 회복됨을 알 수 있다. 도 8은 100ppm, 300ppm, 700ppm, 1400ppm 페놀을 주입했을 때의 나타난 현상이다. 도 8에서 100ppm, 300ppm, 700ppm, 페놀 주입시 탐지시간은 각각 30분, 40분, 55분 으로 2단계 광섬유 부착 소형생물반응기를 이용 독성탐지 시스템에 TV1061로 독성을 탐지할 경우 최소 30 최대 55분내에서 독성을 탐지할 수 있음을 알 수 있다. 또한 주입한 페놀의 농도가 증가할수록 페놀을 주입한 시간에서 최대 SBL에 도달하는데 걸리는 시간이 증가하는데 이는 주입된 페놀의 농도가 증가함에 따라 독성탐지에 사용된 TV1061의 성장 저해에 따라 최초 페놀 주입시 빛이 감소했다가 1단계 반응기에서 페놀과 혼합되지 않은 박테리아가 유입되면서 점차로 미생물의 성장이 회복되기 때문이다. 1400ppm의 페놀을 주입하였을 경우는 2단계 반응기내의 독성탐지용 박테리아에서 발생되는 빛이 페놀을 주입하지 않았을 때에 비해 급격히 감소하였다가 페놀과 혼합되지않은 1단계 반응기의 박테리아가 유입됨에 따라 점점 회복되면서 페놀 주입후 140분이 되면 페놀주입 전으로 회복됨을 확인 할 수 있다.

독성물질의 종류에 따라 생물학적 빛을 발산하도록 유전자 재조합된 박테리아를 본 발명의 생물반응기에서 배양하여 독성물질을 장시간에 걸쳐 탐지하더라도 미생물을 안정적으로 성장 유지시키면서 영양배지의 소모량을 최소화할 뿐만 아니라 여러 가지 독성을 탐지할 수 있는 경제적인 방법을 제공한다.

Claims (6)

1. 미생물을 이용한 독성 탐지장치에 있어서, 1단계 생물반응기(15)와 2단계 생물반응기(16)에 각각 광섬유(13)가 부착되어 일련의 장치로 구성됨을 특징으로 하는 생물반응기.
2. 제 1 항에 있어서,

   광섬유가 부착된 1단계 및 2단계 생물반응기는 각각의 용적이 57㎖ 이하의 소형반응기들이 일련의 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 독성탐지용 생물반응기.
3. 제 1 항에 있어서,

   생물반응기의 외부에 온수 공급용 유입구(8), 배출구(9)로된 2중쟈켓과 교반장치가 부착되고, 반응기 내부에 영양배지 유입구(1), 미생물 또는 독성물질 주입구(4), 영양배지 배출구(2), 배기가스 배출구(5)와 응축기(6), 공기 공급용 필터(7), 주입구(3) 그리고 교반봉(10)이 연결되고, 미생물이 발산하는 빛을 유리(12)를 통해 광섬유(14)에 전달되어 루미노미터에서 측정하도록 일련의 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 독성탐지용 생물반응기.
4. 1단계 생물반응기에서 유전자 재조합된 박테리아를 영양배지로 배양하여 2단계 생물반응기에서 오염된 물과 접촉시켜 광섬유를 통해 미생물이 발산하는 생물학적 빛을 루노미터로 측정하는 것을 특징으로 하는 일련의 장치로 구성된 생물반응기를 이용한 독성탐지 방법.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   생물반응기를 연속식 또는 비연속식으로 운전하여 독성을 탐지하는 것을 특징으로 하는 일련의 장치로 구성된 생물반응기를 이용한 독성탐지 방법.
6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   생물반응기를 폐수, 폐수처리장 유입수 또는 배출수, 용수, 하천수, 상수원 및 원전폐수, 원전주변 방사선 유해성 탐지에 이용하는 것을 특징으로 하는 일련의 장치로 구성된 생물반응기를 이용한 독성탐지 방법.