KR20120093641A

KR20120093641A - 신규한 스핑고모나스 속 미생물 및 이를 이용한 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해방법

Info

Publication number: KR20120093641A
Application number: KR1020110013335A
Authority: KR
Inventors: 조경숙; 이정희; 문경은; 김태관; 이상현
Original assignee: 이화여자대학교 산학협력단
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-08-23
Also published as: EP2677025A1; EP2677025B1; EP2677025A4; WO2012111875A1; US20130316436A1; KR101241546B1; JP2013532967A; JP5627770B2; US8748154B2

Abstract

본 발명은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP), 상기 균주를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물, 상기 조성물을 포함하는 바이오커버 또는 바이오필터, 상기 조성물을 이용한 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 방법 및 상기 바이오커버 또는 바이오필터를 이용한 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 메탄뿐만 아니라, 악취도 동시에 효과적으로 제거할 수 있으므로 기존의 메탄과 악취를 개별적으로 처리하는데 소요되는 경비를 절감하고, 매립지 등의 메탄 및 악취성분을 동시에 효과적으로 분해할 수 있다.

Description

신규한 스핑고모나스 속 미생물 및 이를 이용한 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해방법{Novel Sphingomonas sp. strain and method for decomposition methane or compounds inducing malodor using the same}

본 발명은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP), 상기 균주를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물, 상기 조성물을 포함하는 바이오커버 또는 바이오필터, 상기 조성물을 이용한 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 방법 및 상기 바이오커버 또는 바이오필터를 이용한 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템에 관한 것이다.

혐기성 조건하에서 유기물은 미생물에 의해 분해되어 메탄과 이산화탄소로 최종 분해되며, 이러한 분해과정에서 황화수소, 메틸메르캅탄(methanethiol, MT), 황화메틸(dimethyl sulfide, DMS), 암모니아, 아민, 지방산 등의 악취물질이 발생하게 된다. 따라서, 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 혐기성 소화조 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설 및 공정, 축사 등은 메탄과 악취가 동시에 배출되는 대표적인 시설(공정)로 알려져 있다. 특히, 이중에서 매립지는 메탄과 악취가 동시에 배출되는 가장 대표적인 시설로, 2007년 현재 전국에 227개소(환경부 자원순환국, 2007)가 있으며 총 매립가능 면적과 매립용량은 각각 29,213,000 m², 379,416,000 m³이고, 이들 매립지의 매립가스 처리현황을 살펴보면, 매립가스를 포집하여 고농도 메탄을 자원화할 수 있는 설비를 갖춘 매립지는 전체의 4%(10개소)에 불과하고, 대부분의 매립지(199개소, 89%)에서 매립가스는 대기 중으로 확산되고 있는 것으로 알려져 있다.

메탄은 이산화탄소 다음으로 중요한 온실기체로, 전체 대기 복사강제력(radiative forcing)의 18%를 차지한다. 대기 중 메탄 농도는 산업시대 후 두배 이상 증가하였기 때문에 많은 연구들은 메탄의 발생원(source)과 제거(sink)를 알아내거나 그에 관련한 미생물을 찾는데 초점이 맞춰져 있다(Bodelier et al., FEMS Microbiol. Ecol. 52, 163-174, 2005). 또한, 기존의 연구들은 전지구적 탄소 순환(global carbon cycle)에서 중요한 역할을 하는 메탄산화세균의 서식지에 따른 분포와 다양성을 조사하는데 집중되었다(Bodelier et al., FEMS Microbiol. Ecol. 52, 163-174, 2005). 대표적인 메탄 발생원으로는 매립지가 있는데, 매립지에서 발생되는 메탄은 미국에서 인위적으로 발생되는 메탄의 약 35% 정도로, 대기 중에 발생되는 글로벌 메탄의 5?10%를 차지하는 것으로 추정된다(IPCC, 2001; Stern et al., Waste Manage. 27, 1248-1258, 2007). 폐기물 분야에서 발생되는 메탄저감과 관련된 대표적인 기존 기술은 매립가스 포집 및 자원화 기술이나, 이 기술은 불량 매립지 및 메탄이 저농도로 배출되는 경우 적용이 곤란한 문제가 있다.

또한, 매립지, 음식물 쓰레기 처리시설, 축산폐기물 처리시설 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설에서는 메탄과 동시에 배출되는 악취가 민원을 야기하는 주요 원인이 되고 있다. 2006년 생활기초시설에 대한 악취 민원 중 이들 유기성 폐기물 처리시설에 대한 악취 민원이 60%를 차지하였으며(환경부 대기관리과, 2006), 유기성 폐기물 처리시설에 대한 악취 민원 중 32%는 매립지 악취와 관련된 것으로 조사되었다(환경부 대기관리과, 2006). 이러한, 매립지의 악취 유발 원인물질은 매우 다양한데, 그 중 황화수소가 악취에 대한 기여도가 가장 높으며, 황화수소의 농도는 0.7?1463.5 mg/m³, 배출속도는 0.3?633.5 mg?m^-2?h^-1 정도로 알려져 있다. 국내 매립장 악취 현황 조사에 따르면, 고농도의 악취를 수반한 매립가스가 매립층과 복토층의 크랙(crack)이나 홀(hole)이 발생한 부위를 통해 대기 중으로 배출되어 심각한 악취문제를 유발하는 것으로 밝혀져 있으며, 크랙이 발생한 복토 표면의 매립가스 중 악취농도는 희석배수로 약 17,000이었고, 황화수소 농도는 400,000 ppb 이상인 것으로 조사되었다. 또한, 압축기를 이용하여 폐기물이 과도하게 다져지는 경우 매립가스가 측면경사면으로 이동 배출되므로, 경사면 악취 관리가 필요한 것으로 알려져 있다.

이러한, 매립지 등과 같은 유기성 폐기물 처리시설(공정)에 대한 악취 관리는 악취 측정과 모니터링 중심으로 수행되고 있으며, 악취제어 대책으로는 탈취제 살포 등 소극적인 대응만 이루어지고 있는 실정이다. 또한, 향후 매립지, 분뇨/가축분뇨 처리시설, 기타 유기성 폐기물 처리시설 등과 같은 공공환경 시설에 대한 악취배출 시설 설치 신고가 의무화될 예정이므로 이들 시설에 대한 보다 근본적인 악취 저감이 필요한 실정이다.

최근에 악취 저감 효율이 우수한 복토재 활용, 크랙이 발생한 부분에 on-site 바이오필터 설치, 매립가스 포집공에 이동식 바이오필터 설치 등 여러 가지 악취저감 기술 적용이 제안되고 있지만, 악취저감 투자대비 낮은 비용편익으로 인해 근본적이면서 적극적인 악취 저감 기술이 적용되지 못하고 있는 실정이다. 특히, 메탄 저감 기술에 비해 악취 관리 기술개발은 매우 활발하게 진행되어 물리, 화학, 생물, 복합기술 등 매우 다양한 악취 관리 기술이 개발되어 상용화되어 있으며, 다양한 종류의 악취 관리 및 제어 기술이 개발되었음에도 불구하고, 종래의 악취 저감 기술을 매립지를 비롯한 대규모의 면오염원에 적용하기에는 설치비 및 조업비 등 경제적으로 타당성이 부족하여 이들 발생원의 악취문제는 해결을 못하고 있는 실정이다.

따라서, 악취 저감과 동시에 메탄 저감이 가능하면 메탄 저감에 따른 탄소배출권 확보라는 경제적인 효과가 신규로 창출되므로 이러한 악취만 저감하는 기술을 도입할 때 발생되는 비용 부담 문제는 해소될 것이다. 또한, 매립지 등과 같은 폐기물 처리시설의 악취문제가 해결되면 국가 토지이용 효율이 향상될 것이며 관련 산업의 활성화에 의한 국가 산업 경쟁력 강화 효과를 가져 올 수 있을 것으로 기대된다.

이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 매립지 등에서 발생하는 메탄 및 악취를 동시에 제거하기 위한 기술 개발을 위하여 예의 노력한 결과, 신규 스핑고모나스속 균주가 메탄뿐만 아니라 악취유발 화합물도 동시에 제거할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오커버를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오필터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 조성물을 이용하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 분해하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 상기 바이오커버가 하나 이상 적층된 바이오커버층; 및 상기 바이오커버층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오커버층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 바이오 활성층을 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 메탄 또는 악취유발화합물 발생원에 상기 바이오필터가 하나 이상 적층된 바이오필터층; 및 상기 바이오필터층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오필터층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 바이오 활성층을 설치하여 메탄 또는 악취유발화합물을 생물학적으로 분해하는 메탄 또는 악취유발화합물의 분해 시스템을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 하나의 양태로서, 본 발명은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 제공한다.

본 발명의 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주는 본 발명자들에 의해 새로이 동정된 미생물로서, 메탄 뿐 만 아니라 황화메틸, 황화수소 등의 악취유발 화합물도 분해할 수 있는 미생물이다.

본 발명자들은 매립지 및 습지의 토양과 농화배양배지를 첨가한 배양병을 밀봉하고, 탄소원으로 메탄과 DMS를 주입하되, 배양 동안 질소와 인을 계속적으로 공급한 후 농화배양액을 접종원으로 사용하여 메탄 및 악취(악취유발 화합물) 분해능이 우수한 신규 메탄산화세균을 분리하여 균체의 DNA를 추출하고, 16S rDNA 부분 염기서열을 분석한 결과 스핑고모나스 속의 신규 균주임을 밝혔으며, 이 신규의 메탄 및 악취유발 화합물을 동시에 분해할 수 있는 스핑고모나스 속 미생물을 MD2 균주라 명명하였다(표 1 및 도 1). 상기 스핑고모나스 속 MD2 균주는 2011년 1월 6일자로 한국생명공학연구원 생물자원센터에 기탁하여 기탁번호 KCTC 11845BP를 부여받았다.

또한, 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주의 성장속도를 기존의 메탄산화세균인 메틸로시스티스 속 M6(Methylocystis sp. M6, KCTC 11519BP)와 비교한 결과, 메틸로시스티스 속 M6 균주는 4일 동안 배양한 결과 600 nm 에서의 흡광도 값이 1 정도로 증가하였으나. 스핑고모나스 속 MD2 균주는 복합기질을 탄소원으로 이용하면서도 종속영양세균으로 배양 2일 이내에 600 nm 에서 희석하여 측정한 흡광도 값이 18 정도까지 증가하였다(도 2). 이러한 결과는 종래의 메탄산화세균은 성장속도가 매우 느리고, 폭발염려가 있고 가격이 비싼 메탄가스를 기질로 사용하여야하므로 메탄산화세균의 대량배양이 용이하지 않고 산업적 이용에 많은 제약이 있었으나, 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주는 유기성 폐기물 등과 같은 저렴한 기질을 이용하여 빠른 시간 내에 대량 배양이 용이하므로 다양한 산업 분야에서 응용 가능한 장점이 있다.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 제공한다.

본 발명의 조성물은 메탄 및 악취를 동시에 분해할 수 있는 스핑고모나스 속 MD2 균주(KCTC 11845BP)를 포함하므로 메탄 또는 악취유발 화합물을 분해하기 위한 용도로 유용하게 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 악취유발 화합물은 사람을 포함한 동물의 후각을 자극하여 불쾌감을 느끼게 하는 물질로서, 악취는 식욕을 잃게 하고, 호흡을 곤란하게 하며, 멀미와 구토 등을 일으켜 정신의 혼란을 초래하는 것으로 알려져 있다.

상기 악취유발 화합물은 이에 제한되지는 않으나, 암모니아, 메틸메르캅탄, 황화수소, 다이메틸설파이드, 다이메틸다이설파이드, 트라이메틸아민, 아세트알데하이드, 스타이렌, 프로피온알데하이드, 뷰티르알데하이드, n-발레르알데하이드, i-발레르알데하이드, 톨루엔, 벤젠, 자일렌, 메틸에틸케톤, 메틸아이소뷰티르케톤 및 뷰티르아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 황화수소, 메틸메르캅탄, 황화메틸, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 화합물일 수 있다.

본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물은 본 발명의 스핑고모나스 속 MD 2 균주의 배양을 위한 통상의 배지를 함유할 수 있다. 또한, 본 발명의 조성물은 세균 배양액의 배양 환경 조성을 위한 충전제로 토양, 활성탄, 마사토 및 지렁이 분변토로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 충전제를 포함할 수 있다.

상기 토양은 이에 제한되지는 않으나, 논/밭 토양, 산림 토양 또는 습지 토양 등을 사용할 수 있고, 표면층에서 10 내지 200 cm 깊이에서 채취한 후, 2 mm 이하의 체로 쳐서 큰 입자는 제거하고 사용할 수 있다.

상기 지렁이 분변토는 지렁이 체내에서 분비된 각종 효소, 광물질, 미처 소화가 되지 않은 먹이 및 장에서 분비된 암모니아 등이 혼합된 물질로서, 하수처리과정에서 발생한 하수오니를 지렁이 먹이로 공급하여 생산된 지렁이 분변토를 6개월 이상 자연 발효/건조과정을 거친 후 불순물을 제거하고 입자 크기가 0.2 내지 2 mm인 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물에 포함되는 충전제의 양은 메탄 또는 악취발생원의 환경, 악취유발 화합물의 종류 및 양, 사용 환경 및 사용조건 등의 제반 사정에 따라 당업자에 의해 적절한 종류 및 양의 충전제를 선택하여 본 발명의 조성물에 포함시킬 수 있음은 자명하다.

또한, 본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물은 메탄의 분해 효율을 높이기 위하여 통상의 메탄산화세균을 더 포함할 수 있다. 상기 메탄산화세균으로는 메틸로모나스속(Methylomonas), 메틸로마이크로비움속(Methylomicrobium), 메틸로박터속(Methylobacter), 메틸로칼둠속(Methylocaldum), 메틸로파가속(Methylophaga), 메틸로사르시나속(Methylosarcina), 메틸로써머스속(Methylothermus), 메틸로할로비우스속(Methylohalobius), 메틸로스파에라속(Methylosphaera), 메틸로시스티스속(Methylocystis), 메틸로셀라속(Methylocella), 메틸로캅사속(Methylocapsa), 메틸로시너스속(Methylosinus), 또는 메틸로코커스속(Methylococcus) 등을 단독 또는 2종 이상 포함시킬 수 있다.

또 다른 하나의 양태로서, 본 발명은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오커버를 제공한다.

본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오커버에 넣어주고, 상기 바이오커버를 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물과 접촉시키면 메탄 또는 악취유발 화합물을 효과적으로 분해할 수 있다.

본 발명의 바이오커버는 본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 함유하는 바이오 메디아층을 포함할 수 있으며, 상기 바이오 메디아층은 메탄 및 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해할 수 있는 메탄 및 악취유발 화합물을 동시에 분해할 수 있는 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 포함한다.

또한, 상기 바이오 메디아층은 메탄의 분해 효율을 높이기 위하여 통상의 메탄산화세균을 더 포함할 수 있으며, 상기 메탄산화세균의 종류는 전술한 바와 같다.

또한, 상기 바이오 메디아층은 세균의 배양을 위한 배지와 배양액의 배양 환경 조성을 위한 충전제로 토양, 활성탄, 마사토 및 지렁이 분변토로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 바이오 메디아층은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP) 등의 미생물이 필요로 하는 산소를 공급하여 바이오커버의 두께를 얇게 하기 위하여 산소생성제를 추가로 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않으나 과산화마그네슘, 과산화칼슘 및 과탄산나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 산소생성제로 포함할 수 있다.

또 다른 하나의 양태로서, 본 발명은 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오필터를 제공한다.

본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 바이오필터 내 담체에 넣어주고, 상기 바이오필터를 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 필터링하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 효과적으로 분해할 수 있다.

본 발명의 바이오필터는 본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 함유하는 담체를 포함할 수 있으며, 상기 담체는 본 발명의 메탄 및 악취유발 화합물을 분해하는 스핑고모나스 속 MD2 균주의 부착 및 생육을 위한 것으로서 이에 제한되지는 않으나, 토양, 지렁이분변토, 이탄재, 활성탄 섬유, 폴리우레탄, 규조토, 화산석, 섬유상 담체, 고분자폼 또는 세라믹 다공체, 난석 및 활성탄을 각각 또는 조합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 난석 및 활성탄을 조합하여 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 직경 5 내지 10 mm의 난석 및 직경 4 내지 8 mm의 활성탄을 조합하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 바이오필터는 스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP) 등의 미생물이 필요로 하는 산소를 공급하여 바이오필터의 두께를 얇게 하기 위하여 산소생성제를 추가로 포함할 수 있으며, 이에 제한되지는 않으나 산소생성제로 과산화마그네슘, 과산화칼슘 및 과탄산나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

또 다른 하나의 양태로서, 본 발명은 본 발명의 조성물을 사용하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 분해하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 분해 방법은 본 발명의 조성물을 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 처리하는 단계; 및 상기 조성물이 메탄 또는 악취유발 화합물을 분해시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원은 메탄 또는 악취유발 화합물이 발생하는 장소로서 이에 제한되지는 않으나, 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장, 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 석유화학제품 제조공장, 생활하수처리장, 산업폐수처리장, 가축사육장, 식품가공 공장, 페인트 제조공장, 주물제조 공장, 석유정제 처리시설, 분뇨처리장, 도살장, 비료 제조 공장, 플라스틱 제조 연소시설, 도장시설 또는 도금공장일 수 있다.

또 다른 하나의 양태로서, 본 발명은 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 바이오 활성층을 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템에 있어서, 상기 바이오 활성층은 본 발명의 바이오커버가 하나 이상 적층된 바이오커버층; 및 상기 바이오커버층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오커버층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템을 제공한다.

또한, 또 다른 하나의 양태로서, 본 발명은 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 바이오 활성층을 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템에 있어서, 상기 바이오 활성층은 본 발명의 바이오필터가 하나 이상 적층된 바이오필터층; 및 상기 바이오필터층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오필터층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템을 제공한다.

상기 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원은 전술한 바와 같이, 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장, 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 석유화학제품 제조공장, 생활하수처리장, 산업폐수처리장, 가축사육장, 식품가공 공장, 페인트 제조공장, 주물제조 공장, 석유정제 처리시설, 분뇨처리장, 도살장, 비료 제조 공장, 플라스틱 제조 연소시설, 도장시설 또는 도금공장일 수 있다.

상기 바이오커버층 및 바이오필터층은 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주를 포함하고 있어 메탄 또는 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해할 수 있다.

상기 바이오커버층 및 바이오필터층은 전술한 통상의 메탄산화세균을 더 포함할 수 있다.

상기 바이오커버층은 메탄 및 악취유발 화합물의 산화 효율을 높이기 위하여 충전제로 토양, 활성탄, 마사토 및 지렁이 분변토로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 토양, 활성탄, 지렁이분변토 및 마사토를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 4 : 2 : 1 : 1 중량비의 토양, 활성탄, 지렁이분변토 및 마사토를 포함할 수 있다.

상기 바이오필터층은 본 발명의 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물을 함유하는 담체를 포함할 수 있으며, 상기 담체는 이에 제한되지는 않으나, 토양, 지렁이분변토, 이탄재, 활성탄 섬유, 폴리우레탄, 규조토, 화산석, 섬유상 담체, 고분자폼 또는 세라믹 다공체, 난석 및 활성탄을 각각 또는 조합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 난석 및 활성탄을 조합하여 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 직경 5 내지 10 mm의 난석 및 직경 4 내지 8 mm의 활성탄을 조합하여 사용할 수 있다.

상기 바이오커버층의 두께는 20 내지 100 cm 인 것이 바람직하다. 상기 두께가 20 cm 미만인 경우, 메탄산화세균과 메탄가스가 접촉할 수 있는 시간이 짧아 산화작용이 충분히 일어나지 않아 메탄가스가 이산화탄소로 전환되지 못하며, 상기 두께가 100 cm를 초과할 경우, 대기에서 확산되는 산소가 바이오커버층의 저면까지 확산하지 못하여 호기성 조건을 조성할 수 없다.

상기 바이오커버층 및 바이오필터층은 산소를 공급하기 위한 통기층이 둘러싸고 있으며, 상기 통기층을 구성하는 성분은 산소 공급이 가능한 입자 크기를 갖는 것이라면 특별히 제한하지는 않는다. 예를 들어, 모래, 또는 자갈로 구성될 수 있다. 또한, 상기 통기층에는 공기를 공급할 수 있는 통기관이 하나 이상 설치되어 있을 수 있으며, 상기 통기관을 통해 송풍기로 공기를 주입할 수 있다.

본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주 및 이를 이용한 메탄 또는 악취유발화합물의 동시 분해방법에 의하면 메탄 뿐 만 아니라, 악취도 동시에 효과적으로 제거할 수 있으므로 기존의 메탄과 악취를 개별적으로 처리하는데 소요되는 경비를 절감하고, 매립지 등의 메탄 및 악취성분을 동시에 효과적으로 분해할 수 있다.

도 1은 스핑고모나스속 MD2의 계통발생학적 연관 관계를 보인 도면이다.
도 2는 기존 메탄산화세균 M6와 MD2 균주의 성장곡선을 비교한 결과를 보인 그래프이다.
도 3은 스핑고모나스속 MD2의 메탄 및 DMS 분해 특성을 보인 그래프로서, (a)는 메탄만 첨가한 조건. (b), (c)는 메탄과 DMS를 함께 첨가한 조건. (d) DMS만 첨가한 조건을 나타낸다.
도 4는 스핑고모나스 속 MD2 균주를 이용한 바이오커버 성능 평가를 위한 바이오커버 장치의 구성도를 보인 도면이다.
도 5는 바이오커버 1의 메탄의 출구와 입구 농도 (a) 및 제거 효율 (b)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 바이오커버 2의 메탄과 DMS의 출구와 입구 농도 (a, c) 및 제거 효율(b, d)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 바이오커버 3의 메탄, DMS, 벤젠 및 톨루엔의 출구와 입구 농도 (a, c 및 e) 및 제거 효율 (b, d 및 f)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 스핑고모나스 속 MD2 균주를 이용한 바이오필터 성능 평가를 위한 바이오필터 장치의 구성도를 보인 도면이다.
도 9는 바이오필터 1의 메탄의 출구와 입구 농도 (a) 및 제거 효율 (b)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 바이오필터 2의 메탄과 DMS의 출구와 입구 농도 (a, c) 및 제거 효율 (b, d)을 나타낸 그래프이다.
도 11은 바이오필터 3의 메탄, DMS, 벤젠 및 톨루엔의 출구와 입구 농도 (a, c 및 e) 및 제거 효율 (b, d 및 f)를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1. 메탄 및 악취유발 화합물 동시 분해 세균 컨소시움 확보

메탄 및 악취유발 화합물(이하, 악취와 혼용하여 사용한다)의 동시 분해 농화배양액을 얻기 위해 매립지와 습지로부터 토양을 채취하였다. 토양 시료는 공주 매립지와 가평 매립지의 복토층의 표면으로부터 약 10 cm 깊이에서 토양을 채취하였다. 또한, 공주 금강 습지에서 표면에서 약 10 cm 깊이에서 토양을 채취하였다. 채취한 토양은 각각 메쉬(mesh) 2 mm 체를 쳐서 작은 입자만을 선별하여 운반한 후, 사용 전까지 4℃에서 보관하였다.

메탄과 악취를 동시에 분해하는 혼합 균주를 얻기 위해 농화배양을 다음과 같이 수행하였다. 공주 매립지, 가평매립지 및 습지에서 채취한 토양을 동일비율(중량비)로 혼합한 혼합토양을 접종원으로 사용하였다. 600 ㎖ 혈청병에 무기염 배지(nitrate mineral salts 배지, NMS 배지; MgSO₄7H₂O 1 g/L; CaCl₂2H₂O 0.295 g/L; KNO₃ 1 g/L; KH₂PO₄ 0.26 g/L; Na₂HPO₄12H₂O0.41 g/L) 20 ㎖와 혼합토양 8 g-습중량을 부틸고무마개로 밀봉하였다. 밀봉된 혈청병에 메탄가스 실린더(99% v/v, Dong-A gases, Korea)로부터 메탄가스를 기밀실린지(gas-tight syringe)를 이용하여 최종 농도가 5%(v/v)가 되도록 주입하였다. 또한, DMS 용액(99%, Acros Organics, USA)을 마이크로실린지(micro syringe)를 이용하여 2 ㎕ 주입하였다. 메탄과 DMS를 주입한 후, 혈청병을 30℃에서 200 rpm으로 진탕배양 하면서, 2일마다 한번씩 혈청병 상부 headspace 가스를 기밀실린지로 0.3 ㎖ 채취하여 불꽃 이온화 검출기(Flame Ionization detector, FID)가 장착된 가스 크로마토그래피(Gas chromatography, Agilent 6890 plus, USA)를 이용하여 메탄과 DMS 잔류 농도를 분석하였다. 혈청병 내의 메탄과 DMS 농도가 검출한계(메탄 20 ppm. DMS 5 ppm) 이하로 떨어지면, 산소 공급을 위해 혈청병 마개를 열어 혈청병 내부 공기를 외부 공기로 치환한 후, 마개를 닫고 메탄가스와 DMS를 상기와 동일한 양을 주입한 후, 상기와 동일한 조건에서 재배양하였다. 이러한 방식으로 재배양을 5회 수행하였다. 재배양 하는 동안에 질소와 인이 부족하지 않도록 2번 재배양할 때마다 한번씩 질소 농축액(KNO₃ 20 g/L, KH₂PO₄ 5.2 g/L)과 인 농축액(Na₂HPO₄12H₂O 16.5 g/L)을 각각 1 ㎖ 씩 혈청병에 첨가하였다.

실시예 2. 메탄 및 악취유발 화합물에 대한 분해능을 갖는 세균의 분리 및 동정

메탄 및 악취를 동시에 분해할 수 있는 세균을 순수 분리하기 위해 상기의 방법으로 농화한 배양액을 접종원으로 사용하여 순수균을 분리하였다. 0.9% NaCl 용액 9 ㎖에 농화배양액 1 ㎖을 넣고 희석한 후, 이 희석액을 0.9% NaCl 용액으로 1/10씩 연속적으로 희석하였다. 이렇게 해서 얻은 희석액을 각각 NMS-한천 플레이트(NMS 배지에 하천을 15 g/L 넣어서 제조)에 평판 도말하였다. 5 L-데시케이터 내부를 70% 에탄올로 잘 닦아 소독한 후, 상기의 평판 도말한 NMS-한천 플레이트를 데시케이터에 넣은 후, 데시케이터 뚜껑을 통해 메탄가스(99%)와 DMS(99%)를 각각 250 ㎖과 16.7 ㎕ 주입한 후, 30℃에서 정치배양하면서 균주의 성장을 관찰하였다. 성장된 콜로니를 형태와 색에 따라 7종을 선별하여 각각의 콜로니를 Difco^TM R2A 한천 배지(Becton, Dickinson and Company, USA, Yeast extract 0.5 g/L; Proteose Peptone No.3 0.5 g/L; Casamino Acids 0.5 g/L; Dextrose 0.5 g/L; Soluble Starch 0.5 g/L; Sodium Pyruvate 0.3 g/L; Dipotassium Phosphate 0.3 g/L; Magnesium sulfate 0.05 g/L; Agar 15.0 g/L)에 접종하여 스트리킹 한 후 30℃에서 정치배양하여 각 플레이트에서는 한 종류의 콜로니만이 생성되는 것을 확인하였다.

이렇게 해서 얻은 7 종의 콜로니가 순수균임을 확인한 후, 각 콜로니를 R2A 한천배지에 대량배양한 후 균체를 모아 4 ㎖ NMS 배지가 포함된 혈청병에 접종하고 부틸고무마개로 막은 후, 메탄은 최종농도가 5%(v/v)이 되도록 주입하고, DMS 용액은 2 ㎕ 주입하였다. 시간에 따른 혈청병 headspace의 메탄과 DMS의 농도를 분석한 결과, 선별된 7종 중에서 메탄과 DMS의 산화능을 확실히 보인 2종의 균주 중에 활성이 더 좋은 1종의 균주를 선택하여 MD2로 명명하였다.

메탄 및 악취 동시 분해 순수균인 MD2를 동정하기 위해, 메탄과 DMS를 유일 탄소원으로 주입한 NMS 배지에서 26일 동안 배양한 배양액 1㎖을 14,000 × g에서 5분간 원심분리하여 얻은 균체로부터 토양용 BIO101 FastDNA SPIN Kit(MP Biomedicals LLC, Solon, USA)를 사용하여 설명서에 따라 DNA를 추출하였다. 추출된 DNA를 27f(서열번호 1; 5'-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3')와 1492r(서열번호 2; 5'-TAC GGY TAC CTT GTT ACG AC-3')를 이용하여 증폭하였다. 증폭 조건은 첫 번째 단계에서 초기변성이 95℃에서 5분, 두 번째 단계에서 변성 96℃ 1분, 풀림 58℃ 30초 , 증폭 72℃ 1분 45초를 30회 수행하였고, 마지막 단계에서 72℃ 10분으로 유지하였으며, 증폭이 끝난 후에는 4℃로 유지되도록 하였다. 증폭된 DNA는 QIAquick PCR 정제 키트(QIAGEN GnH, Hilden, Germany)를 이용하여 정제한 후 염기서열을 분석하였다. 분석된 염기서열은 Basic Local Alignment Search Tool(BLAST) 알고리즘을 사용하여 진뱅크 데이터베이스(GenBank database)와 비교함으로써 유사성이 가장 높은 균주를 검색하였다.

검색결과, 메탄과 황화메틸을 동시에 분해할 수 있는 균주 MD2를 분리하였고, 16S rDNA 부분 염기서열 분석결과 스핑고모나스 속에 속하였다. MD2 균주의 염기서열(서열번호 3) 결과는 표 1과 같고, MD2 균주와 유사한 계통발생학적 트리결과는 도 1에 나타내었다.

계통발생학적 분석 결과, 스핑고모나스속 MD2는 아직까지 메탄산화의 기능이 밝혀지지 않은 알파프로테오박테리아(Alphaproteobacteria) 강에 속하는 스핑고모나달레스(Sphingomonadales) 과로 그중 스핑고모나스 종과 유사도가 가장 높음을 알 수 있었다. 이런 스핑고모나스속 MD2는 일반적으로 메탄산화세균으로서 잘 알려진 알파프로테오박테리아 강의 리조비알레스(Rhizobiales) 과와 감마프로테오박테리아(Gammaproteobacteria) 강의 메탄산화세균과는 계통발생학적으로 구분됨을 알 수 있었다(도 1). 이러한 결과는, 스핑고모나스속 MD2 균주는 지금까지 밝혀지지 않은 메탄산화 세균임을 나타내며, 상기 MD2 균주는 2011년 1월 6일자로 한국생명공학연구원 생물자원센터에 기탁하였다(기탁번호 KCTC 11845BP).

실시예 3. 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주와 기존 메탄산화세균의 성장 속도 비교

기존 메탄산화세균과 본 발명의 MD2 균주의 성장속도를 다음과 같은 방법으로 비교하였다. 기존 메탄산화세균으로는 제2형 메탄영양세균(type II methanotroph)에 속하는 메틸로시스티스 속 M6(Methylocystis sp. M6, KCTC 11519BP)를 대상균주로 실험하였다. 메틸로시스티스 속 M6 균주은 탄소가 1개인 메탄 혹은 메탄올에서만 성장이 가능하므로, NMS 배지를 1 L 첨가한 2 L-발효조 용기에 M6 균주를 초기 흡광도값(600 nm)이 0.109±0.0002이 되도록 접종한 후, 20%(v/v)메탄이 함유된 공기를 연속적으로 주입하면서 30℃에서 180 rpm으로 진탕배양하였다.

본 발명의 MD2 균주는 복합기질이 들어간 배지 조건에서도 성장 가능한 종속영양세균이므로, Bacto^TM Triptic Soy Broth(Becton, Dickinson and Company, USA)에 MD2 균주를 초기 흡광도값(600 nm)이 0.06±0.0007 가 되도록 접종한 후, 30℃에서 180 rpm으로 진탕배양하였다.

두 종의 균주를 배양하면서 일정한 시간 간격으로 배양액을 1 ㎖씩 채취하여 배양액의 흡광도값을 600 nm에서 측정하여 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타난 결과를 살펴보면, 메틸로시스티스 속 M6 균주는 4일 동안 배양한 결과 600 nm에서의 흡광도 값이 1 정도로 증가하였다. 이에 반해 본 발명의 MD2 균주는 복합기질을 탄소원으로 이용하면서도 종속영양세균으로 배양 2일 이내에 600 nm에서 희석하여 측정 후 산출한 흡광도 값이 18 정도까지 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 종래의 메탄산화세균은 성장속도가 매우 느리고, 폭발염려가 있고, 가격이 비싼 메탄가스를 기질로 사용하여야하므로 메탄산화세균의 대량배양이 용이하지 않고 산업적 이용에 많은 제약이 있었으나, 본 발명의 MD2 균주가 유기성 폐기물 등과 같은 저렴한 기질을 이용하여 빠른 시간 내에 대량 배양이 용이하므로, 다양한 산업 분야에서 응용 가능한 특징을 갖는다는 점을 나타내어준다.

실시예 4. 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 의 메탄 및 악취 분해능 조사

4-1. 메탄 및 DMS 분해능 조사

본 발명의 스핑고모나스속 MD2 균주의 메탄 및 악취 분해능을 평가하기 위하여 MD2 균주의 전배양을 다음과 같이 수행하였다. 600 ㎖ 혈청병에 NMS 배지를 20 ㎖ 씩 첨가하고 분리한 메탄 산화 순수균을 접종하여 부틸고무마개로 밀봉하였다. 고무마개로 밀봉한 혈청병에 메탄은 최종농도가 5%(v/v)이 되도록, DMS 용액은 2 ㎕ 주입한 후, 30℃, 200 rpm에서 진탕배양하면서 2일마다 메탄과 DMS 농도를 측정하여 주입된 메탄과 DMS가 검출 한계점 이하로 떨어지면, 메탄과 DMS를 동일 농도로 주입해주었다. 3번의 메탄과 DMS의 재주입 후 메탄과 DMS의 산화속도가 떨어지면 고무마개를 열고 8000 rpm에서 10 분 동안 원심분리하여 균체만을 회수하였다. 회수된 균체에 NMS 40 ㎖을 첨가하여 혼탁시킨 후 이를 600 ㎖ 혈청병에 각각 20 ㎖씩 분주하여 총 2개의 혈청병으로 계대배양 하였다. 이와 같은 방법으로 총 3회의 계대배양을 거쳐 총 8개의 혈청병으로 균주를 준비하였다.

총 8개의 혈청병에서 전배양된 균주를 모두 한 병에 모은 후 8000 rpm에서 10분 동안 원심분리하여 균체만을 회수하였다. 회수된 균체에 NMS 50 ㎖을 첨가하여 혼탁시킨 후 120 ㎖ 혈청병에 각각 4 ㎖씩 분주하였다. 각 혈청병을 고무마개로 밀봉한 후 3가지 조건(메탄만 첨가한 조건과, 메탄과 DMS를 함께 첨가한 조건 및 DMS만 첨가한 조건)에 맞게 메탄과 DMS를 첨가하였다. 메탄은 최종농도가 5%(v/v)가 되도록 주입하고, DMS 용액은 2 ㎕ 주입하였다. 각각의 혈청병을 30℃에서 200 rpm으로 진탕배양 하면서, 3시간마다 한번씩 혈청병 상부 headspace 가스를 기밀실린지로 0.3 ㎖ 채취하여 가스 크로마토그래피를 이용하여 메탄과 DMS 잔류 농도를 분석하였다. 시간에 대한 메탄과 DMS 농도 변화 그래프의 기울기로부터 각각의 비산화속도를 계산하였다. 모든 실험은 3 반복씩 수행하여 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3을 보면, MD2 균주가 메탄만을 단독으로 넣어준 조건에서 메탄을 분해할 수 있었으며(도 3의 a), 메탄과 DMS를 동시에 넣어준 조건에서는 메탄뿐만 아니라(도 3의 b) DMS도 2일 이내에 완전 분해하였다(도 3의 c). 그러나, 메탄 첨가 없이 DMS 만을 첨가한 조건에서는 DMS 분해속도가 매우 낮았다(도 3의 d). 메탄 단독 첨가 조건에서의 MD2 균주의 메탄분해속도는 2634±146 μmole?g-dry cell weight^-1h^-1 이었고, 메탄 및 DMS를 동시에 첨가한 조건에서의 메탄과 DMS의 분해속도는 각각 2320±96 μmole?g-dry cell weight^-1h^-1와 50±16 μmole?g-dry cell weight^-1h^-1이었다. 이러한 결과는 본 발명의 스핑고모나스속 MD2 균주가 메탄 및 DMS를 동시에 분해할 수 미생물임을 나타낸다.

4-2. 메탄, MT 및 황화수소 분해능 조사

DMS 이외의 대표적인 황화계 악취물질인 MT와 황화수소를 MD2 균주가 분해할 수 있는지 여부를 조사하기 위해, 상기 조건과 동일하게 준비 120 ㎖ 혈청병(MD2 균주가 접종된 NMS 배지 4 ㎖ 첨가)에 메탄가스를 최종농도가 5%가 되도록 주입하였다. 여기에 MT 가스(99%, Sigma Aldrich, USA)를 최종농도가 1000 ppm이 되도록 첨가하거나, 또는 황화수소 가스(99%, Seoul special gas, Korea)를 최종농도가 2000 ppm이 되도록 첨가한 후 혈청병을 30℃에서 200 rpm으로 진탕배양하였다. 진탕 배양하면서 하루에 한번씩 혈청병 상부 headspace 가스를 기밀실린지로 0.3 ㎖ 채취하여, 불꽃 이온화 검출기를 장착 가스 크로마토그래피를 이용하여 메탄 농도를 분석하였다. 또한, 혈청병에서 0.06 ㎖ 가스를 채취하여 불꽃 이온화 검출기를 장착한 가스 크로마토그래피를 이용하여 MT 혹은 황화수소 농도를 분석하여 표 2에 나타내었다.

표 2에 나타난 결과를 통해, MD2 균주는 MT와 황화수소와 같은 악취유발 화합물이 공존하는 조건에서도 메탄을 분해할 수 있음을 확인하였다. 또한, 메탄만 첨가한 조건에서의 MD2 균주에 의한 메탄분해속도와 비교했을 때, MT와 황화수소가 공존하는 조건에서 메탄분해속도는 각각 85%와 90%로 거의 저해를 받지 않고 메탄을 분해할 수 있음을 확인할 수 있었으며, MT와 황화수소를 메탄 공존하에서도 분해할 수 있음을 확인하였다(표 2).

상기의 도 3과 표 2의 결과로부터, 본 발명의 스핑고모나스속 MD2 균주는 메탄뿐만 아니라, 대표적인 악취유발 화합물인 DMS, MT 및 황화수소를 분해할 수 있는 능력을 가진 균주임을 알 수 있었다.

실시예 5. 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주의 미생물 제제 제조 및 균주 생존수 평가

본 발명의 MD2 균주의 미생물 제제는 다음과 같은 방법으로 제조하였다. Bacto^TM Triptic Soy Broth(Becton, Dickinson and Company, USA)를 이용하여 30℃에서 180 rpm 조건에서 대량 배양한 MD2 균주 배양액을 전처리 없이 그대로 탈지강에 흡수시킨 후 45℃ 열풍으로 건조시켜 탈지강 미생물 제제를 제조하였다. 또한, MD2 균주 배양액을 원심분리하여(8,000 rpm, 10분) 균체만을 회수한 다음, 균체를 배양액과 동일 부피의 증류수에 현탁한 다음 자당을 10 g/L 첨가하여 잘 혼합하였다. 이 MD2 균체 혼합액을 벤토나이트 혹은 전분에 완전히 흡수시킨 후 45℃ 열풍으로 건조시켰다. 벤토나이트를 흡수제로 사용한 경우에는 벤토나이트 1 kg에 MD2 균체 현탁액 0.4 L를 흡수시켰고(벤토나이트 미생물 제제), 전분의 경우에는 전분 1 kg에 미생물 현탁액 1 L를 흡수시켜 미생물 제제(전분 미생물 제제)를 제조하였다.

이렇게 제조된 각 미생물 제제를 용기에 담아 암실에 보관하면서 균주 생존율을 다음과 같이 조사하였다. 각 제제 1 g을 9 ㎖의 0.9% NaCl 용액에 현탁한 후, 0.9% NaCl 용액을 이용하여 순차적으로 1/10 배씩 멸균수로 희석하였다. 희석액을 Bacto^TM Triptic Soy Broth에 한천을 15 g/L 첨가하여 제조한 Bacto^TM Triptic Soy-한천 플레이트에 도말 한 후, 30℃에서 배양한 후 플레이트에 생장한 콜로니 수를 측정하여 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타난 바와 같이, 3종의 MD2 미생물 제제는 6개월 보관까지는 생균수가 크게 감소하지 않았다(표 3). 이러한 결과는, 본 발명의 MD2 균주를 이용하여 만든 미생물 제제의 안정성이 우수하다는 것을 나타낸다.

실시예 6. 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주를 이용한 바이오커버 성능 평가

6-1. 실험방법

MD2 균주를 접종한 기능성 바이오커버에 의한 메탄 및 악취 동시 제거 특성을 규명하기 위하여, 실험실 규모의 바이오커버를 제작하였다. 실험실 규모 바이오커버는 아크릴 컬럼을 이용하여 제작하였으며, 상세한 장치의 구성도는 도 4에 나타내었다.

바이오커버는 지름 8 cm, 높이 50 cm의 충전부와 지름 8 cm, 높이 15 cm의 환기부, 그리고 지름 8 cm, 높이 5 cm의 가스 주입부로 구성되었다. 가평 매립지 토양과 활성탄, 지렁이 분변토, 마사토를 중량비로 4 : 2 : 1 : 1로 혼합한 토양 2.2 kg에 Bacto TM triptic soy 배지에서 전배양한 MD2 균주 배양액을 200 ㎖ 첨가하여 손으로 잘 혼합한 후 각 바이오커버 충전부에 채워 넣었다.

바이오커버 하단의 가스 주입부는 유입되는 가스가 바이오커버 충전층으로 균일하게 공급되도록 난석(직경 5?10 mm)으로 채워 주었다. 메탄/이산화탄소(40:60% (v/v), Seoul special gas, Korea) 가스를 5 ㎖/분의 속도로, 바이오커버가 건조되는 것을 방지하기 위해 가스를 급습기(humidifier)를 통과시킨 후 바이오커버에 공급하였다.

'바이오커버 1'에는 메탄/이산화탄소 가스만을 공급하였다. '바이오커버 2'에는 메탄/이산화탄소/DMS 혼합가스를 다음과 같은 방법으로 공급하였다: DMS 용액(99%, Junsei, Japan)과 물을 1:9 (v/v)로 혼합한 용액 200 ㎖와 식용유 50 ㎖을 주입한 1 L-용기를 메탄/이산화탄소 가스 튜브에 연결하여 기화된 DMS 가스와 혼합된 메탄/이산화탄소/DMS 혼합가스를 바이오커버 2에 공급하였다.

'바이오커버 3'에는 메탄/이산화탄소/DMS/벤젠/톨루엔 혼합가스를 다음과 같은 방법으로 공급하였다: 벤젠 용액(99.7%, Kanto chemical, Japan)과 식용유를 1:2 (v/v)로 혼합한 용액 및 톨루엔 용액(100%, JC Baker, USA)과 식용유를 1:2 (v/v)로 혼합한 용액을 각각 200 ㎖ 씩 첨가한 0.5 L-용기와 DMS 용액을 첨가한 1 L-용기를 메탄/이산화탄소 가스튜브에 연결하여 기화된 DMS, 벤젠 및 톨루엔 가스와 혼합된 메탄/이산화탄소/DMS 혼합가스를 바이오커버 3에 공급하였다. 각 가스의 주입농도는 메탄 40%, DMS 500?2,900 ppm, 벤젠 300?800 ppm, 톨루엔 50?150 ppm 이었다.

바이오커버 상단 환기부는 공기를 100 ㎖/분의 유량으로 계속적으로 주입하여 매립지 토양과 접해 있는 대기 상태를 모사하였다. 바이오커버는 20일 동안 상온(20±5℃)에서 운전하였다. 바이오커버를 운전하는 동안 1?2일마다 한번씩 바이오커버 입구와 출구의 샘플링 포트로부터 500-㎕ 기밀실린지를 이용하여 300 ㎕씩 채취하여, 불꽃 이온화 검출기가 장착된 가스 크로마토그래피로 각각의 가스 농도를 분석하여, 입구와 출구농도 차이로부터 각 가스의 제거율을 구하였다.

6-2. 실험결과

상기 실시예 6-1에 따라 얻은, 본 발명의 스핑고모나스속 MD2 균주를 접종한 바이오커버에 의한 메탄 및 악취 동시 분해 결과를 도 5 내지 도 7에 나타내었다.

메탄만을 단독으로 공급한 바이오커버 1의 경우, 바이오커버에 유입되는 메탄 농도가 400,000 ppm일때 메탄제거 효율이 78?81%로 평균 80% 정도의 안정적인 제거효율을 얻을 수 있었다(도 5).

메탄과 DMS을 동시에 공급한 바이오커버 2의 경우, 유입 메탄 농도가 400,000 ppm일때 메탄제거 효율이 91?97%로 매우 높게 유지되었다. DMS는 바이오커버 운전초기부터 거의 완전히 제거되었으며, DMS 유입농도를 단계적으로 500?2,900 ppm까지 증가시켜도 안정적으로 100%의 DMS 제거능이 유지되었다(도 6).

메탄, DMS, 벤젠과 톨루엔을 동시에 공급한 바이오커버 3의 경우, 유입 메탄 농도가 400,000 ppm일때 메탄제거효율이 96?98%로 매우 높게 유지되었다. DMS, 벤젠, 톨루엔은 바이오커버 운전초기부터 거의 완전히 제거되었다. 또한, DMS 유입농도를 단계적으로 500?2,300 ppmm까지 증가시키고, 벤젠 및 톨루엔은 각각 300?800 ppm, 50?150 ppm까지 증가시킨 경우에도 3 종의 악취유발 화합물 모두 안정적으로 100% 제거되었다(도 7).

이러한 결과는, 스핑고모나스 속 MD2 균주를 접종한 바이오커버가 메탄 및 황화메틸/벤젠/톨루엔 등과 같은 악취유발 화합물을 동시에 효과적으로 제거할 수 있음을 나타내며, 그 성능도 안정적으로 유지될 수 있음을 의미한다.

실시예 7. 본 발명의 스핑고모나스 속 MD2 균주를 이용한 바이오필터 성능 평가

7-1. 실험방법

MD2 균주를 접종한 기능성 바이오필터에 의한 메탄 및 악취 동시 제거 특성을 규명하기 위하여, 실험실 규모의 바이오필터를 제작하였다. 실험실 규모 바이오필터는 아크릴 컬럼을 이용하여 제작하였으며, 상세한 장치의 구성도는 도 8에 나타내었다. 지름 8 cm, 높이 100 cm의 바이오필터와 지름 20 cm, 높이 15 cm의 드레인(drain) 저장조 및 액체 살수장치로 구성되었다. 바이오필터 하단에 유입되는 가스가 충진층으로 균일하게 공급되도록 다공망을 설치하고 난석과 활성탄을 담체로 충진하였다. 바이오필터의 담체가 건조되는 것을 방지하고 미생물에 무기염을 연속해서 공급하기 위하여 드레인 저장조에 무기염 배지인 NMS 배지를 첨가하였다. 이 용액을 순환펌프를 이용하여 바이오필터의 상부에서 하부로 1일 4회 1분간 분사해주었다. 드레인 저장조의 무기염 배지는 7일에 한번씩 교환해 주었다.

'바이오필터 1'에는 메탄/공기 혼합가스를 공급하였다. 순수 메탄(99%, Seoul special gas, Korea) 가스와 공기를 바이오필터가 건조되는 것을 방지하기 위해 가스를 급습기를 통과시킨 후 바이오필터에 공급하였다. '바이오필터 2'에는 메탄/공기/DMS 혼합가스를 다음과 같은 방법으로 공급하였다: DMS 용액(99%, Junsei, Japan)과 식용유를 1:20(v/v)로 혼합한 용액 200 ㎖을 주입한 1 L-용기에 압축공기를 연결하여 강제 기화된 DMS/공기가스와 메탄가스를 급습기를 통과시킨 후 바이오필터 2에 공급하였다.

'바이오필터 3'에는 메탄/공기/DMS/벤젠/톨루엔 혼합가스를 다음과 같은 방법으로 공급하였다: 벤젠(99.7%, Kanto, Japan)과 식용유를 1:20(v/v)로 혼합한 용액, 톨루엔(100%, JC Baker, USA)과 식용유를 1:20(v/v)로 혼합한 용액, 그리고 DMS와 식용유를 1:20(v/v)로 혼합한 용액을 각각 200 ㎖씩 첨가한 1 L-용기에 병렬로 압축공기를 연결하여 강제 기화된 DMS/벤젠/톨루엔/공기가스와 메탄가스를 급습기를 통과시킨 후 '바이오필터 3'에 공급하였다.

본 연구에서 사용한 담체는 난석(직경 5?10 mm, Japan)과 활성탄(직경 4?8 mm, Korea)을 이용하였다. 난석과 활성탄의 중량비는 1:10 (w/w)이었고, 각각의 바이오필터에 난석 2000 g, 활성탄 200 g씩 충전하였다.

Bacto^TM Triptic Soy Broth에서 전배양한 MD2 균주 배양액 500 ㎖와 지렁이 분변토(난지오물처리장, Korea)를 NMS로 10배 희석한 용액 500 ㎖를 1.5 L의 NMS와 함께 드레인 저장조에 접종하고, 균이 담체에 흡착되도록 이 용액을 순환펌프를 이용하여 바이오필터에 총 7일간 1일 4회 2분간 분사해주었다.

'바이오필터 1'은 메탄 공급 농도 1?6 %, 체류시간 20분 (250 ㎖/min; 3 h^-1) 조건에서 20일간 상온(20ㅁ5℃)에서 운행하였다. '바이오필터 2'는 메탄 공급 농도 1?6 %, DMS는 50?300 ppm, 체류시간 20분 (250 ㎖/min; 3 h^-1) 조건에서 20일 간 상온(20±5℃)에서 운행하였다. 그리고 '바이오필터 3'은 메탄 공급 농도 1?5 %, DMS는 50?300ppm, 벤젠과 톨루엔 10?200 ppm, 체류시간 20분(250 ㎖/min; 3 h^-1) 조건에서 20일 동안 상온(20±5℃)에서 운행하였다.

메탄, DMS, 벤젠 및 톨루엔의 농도는 바이오필터 입/출구 가스를 500-㎕ 기밀실린지를 이용하여 300 ㎕씩 채취하여, 불꽃이온화검출기가 장착된 가스 크로마토그래피로 각각의 가스 농도를 분석하였다. 입구와 출구농도 차이로부터 각 가스의 제거율을 구하였다. 또한, 메탄, DMS, 벤젠 및 톨루엔 분해산물을 모니터링하기 위해 시료 가스 중의 이산화탄소 농도를 열전도도 검출기(Thermal Conductivity Detector)가 장착된 가스 크로마토그래피로 분석하였으며, MT 및 황화수소 농도는 불꽃 이온화 검출기가 장착된 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 또한, 각 바이오필터의 드레인 저수조속의 용액을 여과(0.4 ㎛ 주사기 필터)하여 얻은 여과액 중의 DMSO와 황산염 농도를 각각 고성능 액체크로마토그래피(high performance liquid chromatography, HPLC)와 이온크로마토그래피(ion chromatography, IC)를 이용하여 분석하였다.

7-2. 실험결과

본 발명의 스핑고모나스속 MD2 균주를 접종한 바이오필터에 의한 메탄 및 악취 동시 저감 결과를 도 9 내지 도 11 및 표 4 내지 표 5에 나타내었다.

메탄만을 단독으로 공급한 바이오필터 1의 경우, 운전 초기에는 20% 미만의 메탄 분해 효율을 보였지만, 시간이 지남에 따라 효율이 증가하여 12일 후 90% 이상의 메탄 제거 효율을 나타내었다. 시간에 따라 입구 메탄 농도를 증가 시켰음에도 불구하고, 바이오필터의 메탄 제거능이 평균 80% 정도로 안정적으로 유지되었다(도 9).

메탄과 황화메틸을 동시에 공급한 바이오필터 2의 경우, 운전 초기에는 20% 미만의 메탄 분해 효율을 보였지만, 시간이 지남에 따라 빠르게 효율이 증가되어, 80% 이상의 메탄 제거효율을 8일 후 나타내었다. 시간에 따라 입구 메탄 농도를 증가 시켰음에도 불구하고, 바이오필터의 메탄 제거능이 평균 80%로 안정적으로 유지되었다. 황화메틸은 초기부터 안정적으로 완전하게 분해를 하였다(도 10).

메탄, 황화메틸, 벤젠과 톨루엔을 동시에 공급한 바이오필터 3의 경우, 운전 초기에는 10% 미만의 메탄 분해 효율을 보였지만, 시간이 지남에 따라 효율이 증가하여 60% 이상의 메탄 제거 효율을 8일 후 나타내었다. 시간이 지남에 따라 입구 메탄 농도를 증가 시켰음에도 불구하고, 바이오필터의 메탄 제거능이 60% 이상으로 안정적으로 유지되었다. 황화메틸/벤젠/톨루엔은 초기부터 완전하게 안정적으로 분해하였으며, 입구 농도가 변하더라도 전량 분해되고 있음 알 수 있었다(도 11).

또한, 각 바이오필터에 있어서 탄소원으로서의 메탄과 황화메틸/벤젠/톨루엔의 대사산물을 밝히고 물질 밸런스를 계산하여 표 4에 나타내었다. 황화메틸, 벤젠과 톨루엔의 유입양은 메탄의 유입양에 비교하여 1/100이하이기에 무시되었다.

표 4를 보면, 바이오필터 1에서는 3.6%의 메탄이 바이오필터에 의해서 제거되었고, 그때 발생된 이산화탄소의 양은 3.7%였다. 바이오필터 2에서는 4%의 메탄이 바이오필터에 의해서 제거되었고, 그때 발생된 이산화탄소의 양은 4% 이상이었다. 바이오필터 3에서는 2.3%의 메탄이 바이오필터에 의해서 제거되었고, 그때 발생된 이산화탄소의 양은 2.3%였다. 이산화탄소 농도 분석을 통하여, 바이오필터에서 메탄, 황화메틸, 톨루엔 및 벤젠에 함유된 탄소는 이산화탄소로 전량 산화됨을 확인할 수 있었다(표 4).

또한, 바이오필터에 있어서 황원으로서의 황화메틸의 대사산물을 밝히고 물질 밸런스를 계산하였다. 바이오필터 2와 바이오필터 3에서 황화메틸의 분해대사산물을 분석하기 위하여 DMSO와 황산염과 같은 용존성 DMS 분해산물을 정성/정량 분석한 결과를 표 5에 나타내었다.

표 5를 보면, 출구가스 중의 MT와 황화수소는 검출되지 않았으며, 바이오필터 2의 저장조 액상에는 황화메틸의 유입양 대비 76% 정도의 양이 황산염으로 완전 산화되었고, 8% 정도의 양은 DMSO로 변환되었다. 황의 회수율은 84% 이고, 이때 황화메틸의 90% 이상이 황산염으로 산화되었다. 바이오필터 3의 저장조 액상에는 황화메틸의 유입양 대비 84% 정도는 황산염으로 완전 산화되었고, 19% 는 DMSO로 변환되었다. 계산된 회수율은 103% 였으며, 황화메틸의 약 82% 정도가 황산염으로 산화되었다(표 5).

본 발명의 바이오필터에서는 황화메틸이 DMSO로의 전환 보다는 DMS-MT-황화수소의 대사경로를 따라 분해되었으며, 이러한 결과는 최종분해산물이 악취를 발생시키지 않는 물질로 완전 산화된다는 것을 의미하므로 악취제거 측면에서는 매우 의미 있는 결과이다.

상기 결과들은 메탄 및 황화메틸을 동시 분해할 수 있는 스핑고모나스속 MD2 균주를 접종한 바이오필터를 이용하여 메탄 및 황화메틸을 동시에 효과적으로 저감할 수 있다는 것을 보여 주고 있다.

한국생명공학연구원

KCTC11845BP

20110106

<110> Ewha University - Industry Collaboration Foundation <120> Novel Sphingomonas sp. strain and method for decomposition methane or compounds inducing malodor using the same <130> PA110015/KR <160> 3 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer 27F for PCR <400> 1 agagtttgat cmtggctcag 20 <210> 2 <211> 20 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> primer 1492R for PCR <400> 2 tacggytacc ttgttacgac 20 <210> 3 <211> 1382 <212> DNA <213> 16S rDNA sequence of Sphingomonas sp. MD2 strain <400> 3 ggcatgccta cacatgcagt cgaacgagat ccttncggat nctagtggcg cacgggtgcg 60 taacgcgtgg gaatcctgcc ctttgggtac ggaataactc agtagaaatt tgtgctaata 120 ccgtataatg tcttcggacc aaagatttat cgcccaagga tgagcccgcg taggattagc 180 tagttggtga ggtaaaagct caccaaggcg acgatcctta gctggtctga gaggatgatc 240 agccacactg ggactgagac acggcccaga ctcctacggg aggcagcagt ggggaatatt 300 ggacaatggg cgaaagcctg atccagcaat gccgcgtgag tgatgaaggc cctagggttg 360 taaagctctt ttacccggga tgataatgac agtaccggga gaataagctc cggctaactt 420 cgtgccagca gccgcggtaa tacgagggga gctagcgttg ttcggaatta ctgggcgtaa 480 agcgcgcgta ggcggttttt taagtcagag gtgaaagccc ggggctcaac cccggaatag 540 cctttgaaac tggaaaacta gaatcttgga gaggtcagtg gaattccgag tgtagaggtg 600 aaattcgtag atattcggaa gaacaccagt ggcgaaggcg actgactgga caagtattga 660 cgctgaggtg cgaaagcgtg gggagcaaac aggattagat accctggtag tccacgccgt 720 aaacgatgat aactagctgt ccgggctcat agagcttggg tggcgcagct aacgcattaa 780 gttatccgcc tggggagtac ggtcgcaaga ttaaaactca aaggaattga cgggggcctg 840 cacaagcggt ggagcatgtg ggtttaattc gaagcaacgc gcagaacctt accagcgttt 900 gacatcctga tcgcggttac cagagatggt ttccttcagt tcggctggat cagtgacagg 960 tgctgcatgg ctgtcgtcag ctcgtgtcgt gagatgttgg gttaagtccc gcaacgagcg 1020 caaccctcat ccctagttgc catcattaag ttgggcactc taaggaaact gccggtgata 1080 agccggagga aggtggggat gacgtcaagt cctcatggcc cttacgcgct gggctacaca 1140 cgtgctacaa tggcggtgac agtgggcagc aacctcgcga gaggtagcta atctccaaaa 1200 gccgtctcag ttcggattgt tctctgcaac tcgagagcat gaaggcggaa tcgctagtaa 1260 tcgcggatca gcatgccgcg gtgaatacgt tcccaggcct tgtacacacc gcccgtcaca 1320 ccatgggagt tggtttcacc cgaaggcagt gctctaaccc gcaagggagg aagctgacca 1380 cg 1382

Claims

스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP).
스핑고모나스 속(Sphingomonas sp.) MD2 균주(KCTC 11845BP)를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 조성물.
제2항에 있어서, 상기 악취유발 화합물은 황화수소, 메틸메르캅탄(methanethiol), 황화메틸(dimethyl sulfide), 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 화합물인 것인 조성물.
제2항에 있어서, 상기 조성물은 토양, 활성탄, 마사토 및 지렁이 분변토로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 추가로 포함하는 것인 조성물.
제2항의 조성물을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오커버.
제5항에 있어서, 상기 바이오커버는 산소생성제를 추가로 포함하는 것인 바이오커버.
제2항의 조성물을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물 분해용 바이오필터.
제7항에 있어서, 상기 바이오필터는 산소생성제를 추가로 포함하는 것인 바이오필터.
제2항 내지 제4항 중 어느 하나 이상의 조성물을 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 처리하는 단계; 및 상기 조성물이 메탄 또는 악취유발 화합물을 분해시키는 단계를 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물을 분해하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원은 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장, 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 석유화학제품 제조공장, 생활하수처리장, 산업폐수처리장, 가축사육장, 식품가공 공장, 페인트 제조공장, 주물제조 공장, 석유정제 처리시설, 분뇨처리장, 도살장, 비료 제조 공장, 플라스틱 제조 연소시설, 도장시설 또는 도금공장인 것인 방법.
메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 바이오 활성층을 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템에 있어서,
상기 바이오 활성층은 제5항의 바이오커버가 하나 이상 적층된 바이오커버층; 및 상기 바이오커버층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오커버층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템.
제11항에 있어서, 상기 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원은 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장, 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 석유화학제품 제조공장, 생활하수처리장, 산업폐수처리장, 가축사육장, 식품가공 공장, 페인트 제조공장, 주물제조 공장, 석유정제 처리시설, 분뇨처리장, 도살장, 비료 제조 공장, 플라스틱 제조 연소시설, 도장시설 또는 도금공장인 것인 시스템.
메탄 또는 악취유발 화합물 발생원에 바이오 활성층을 설치하여 메탄 또는 악취유발 화합물을 생물학적으로 분해하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템에 있어서,
상기 바이오 활성층은 제7항의 바이오필터가 하나 이상 적층된 바이오필터층; 및 상기 바이오필터층을 둘러싸는 통기층 또는 상기 바이오필터층의 하부에 적층되는 통기층을 포함하는 메탄 또는 악취유발 화합물의 분해 시스템.
제13항에 있어서, 상기 메탄 또는 악취유발 화합물 발생원은 폐기물 매립지, 쓰레기 매립지, 폐수처리장, 분뇨처리장, 축산폐수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 석유화학제품 제조공장, 생활하수처리장, 산업폐수처리장, 가축사육장, 식품가공 공장, 페인트 제조공장, 주물제조 공장, 석유정제 처리시설, 분뇨처리장, 도살장, 비료 제조 공장, 플라스틱 제조 연소시설, 도장시설 또는 도금공장인 것인 시스템.