토양/지하수에 오염된 PCE의 생물학적 분해연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 토양/지하수에 오염된 PCE를 효과적인 생물학적 방법으로 분해하기 위하여 호기적 조건에서 PCE를 분해하는 균주를 순수분리 하였다. 경기도내의 PCE/TCE가 오염된 토양 및 지하수로부터 총 438균주를 순수분리 하였으며 그 중 29균주가 toluene을 에너지원으로 분해하여 성장하였다. PCE분해 고효율 균주를 선정하기 위해 29균주를 이용한 스크린테스트(PCE 10 mg/L, toluene 50 mg/L)결과, PCH225균주가 15일 동안 PCE 10 mg/L를 72.5%분해하여 가장 높은 PCE분해효율을 보였다(초기 균 농도 1.0 g/L, pH 7, 30℃). PCH225는 형태학적 특징, 생리·생화학적 테스트, 16S rDNA염기서열분석, 지방산 분석 결과 Pseudomonas putida로 동정되었다. Pseudomonas putida PCH225에 의한 PCE분해 시 최적조건은 PCE 10 mg/L toluene 200 mg/L, pH 7, 30℃, 균농도 1.0 g/L(w/v)이었다. 최적조건 적용 하에 P. putida PCH225은 PCE 9.4 mg/L를 12일 동안 85%분해하였고 이때의 PCE분해율은 0.016 μmol/hr이었다. P. putida PCH225에 의한 PCE/TCE(10/10 mg/L)복합기질 분해 결과, PCE/TCE는 각각 27일 후 87.6, 86.3%분해되었다(toluene 50 mg/L, 초기 균 농도 1.0 g/L, pH 7, 30℃).
P. putida F1을 이용하여 P. putida PCH225와 동시에 PCE분해를 실험한 결과 두 균주 모두 PCE를 분해하였으며 이때 P. putida F1의 PCE분해율은 0.009 μmol/hr이었다(PCE 10 mg/L, toluene 50 mg/L, 초기 균 농도 1.0 g/L, pH 7, 30℃). Heat killed P. putida PCH225를 이용한 PCE분해 실험에서는 PCE의 분해를 확인할 수 없었다. P. putida PCH225에 의한 PCE가 분해되는 동안(0∼9일) dioxygenase activity를 측정한 결과 평균 3.07 CPS(count per second)/min의 효소활성을 확인하였다. PCE분해에 따른 P. putida PCH225의 성장패턴을 확인하기 위하여 두 조건(PCE+toluene, toluene)에서 P. putida PCH225의 OD600를 확인한 결과, PCE가 분해되는 동안 PCE+toluene조건에서는 toluene만 주입한 조건보다 OD가 더 빨리 감소하였다. 또한 PCE가 분해된 후 24일째에 두 조건의 생균수(CFU)를 비교한 결과 PCE+toluene 조건(2.6×106)에서는 toluene만 주입한 조건(5.0×107)보다 생균수가 약 19.2배 감소한 것을 확인하였다. P. putida PCH225에 의해 12일 동안 7.0 mg/L의 PCE가 분해된 후, 배지에서의 염소이온 측정 결과 2.44 mg/L의 염소이온(Cl-)이 생성된 것을 확인하였다. P. putida PCH225를 이용하여 PCE단일 기질분해 실험을 실시한 결과 총 17회의 반복실험(PCE 10 mg/L, 초기 균농도 5.0 g/L, pH 7, 30℃)중 8회의 실험에서 PCE가 분해되었고 이때의 PCE분해율은 평균 0.0038 μmol/hr이었고 PCE제거율은 0.114 μmol/mg-DCW/hr이었다. P. putida PCH225를 이용하여 호기적 조건의 토양에서 PCE분해를 확인하였으나 PCE는 분해되지 않았다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 토양/지하수에 오염된 PCE의 생물학적 분해 연구
• 표 목차 vii
• 그림 목차 ix
• 감사의 글 xii
• 제 1부 - 토양/지하수에 오염된 PCE의 생물학적 분해 연구에 대한 이론적 배경
• 제1장 서론 1
• 제2장 PCE의 특성 3
• 제1절 물리, 화학적 특성 3
• 제2절 PCE의 유해성 4
• 제3절 환경오염 규제 기준 5
• 제3장 토양/지하수에 오염된 PCE의 생물학적 분해 7
• 제1절 혐기적 조건에서의 생물학적 PCE분해 7
• 1. 유기물의 발효과정을 통한 수소이온의 형성 9
• 2. 철 금속 존재 하에 수소형성 11
• 3. Methanogenesis 11
• 4. Dehalogenation 12
• 제2절 혐기적 조건에서의 생물학적 PCE분해 기법 12
• 1. Natural Attenuation 12
• 2. In-Situ Bioremediation 13
• 제3절 호기적 조건에서의 생물학적 PCE분해 14
• 1. In Facultative Aerobic/Anaerobic Conditions 14
• 2. Aerobic Conditions 15
• 제4절 호기적 조건에서의 생물학적 PCE분해 기법 17
• 1. In-Situ Bioremediation 17
• 2. Ex-Situ Bioremediation 18
• 제5절 PCE분해 균주 19
• 제6절 생물학적 PCE제거의 최근의 연구 경향 23
• 제 2부- 토양/지하수에 오염된 PCE의 생물학적 분해 연구(호기적 조건에서 생물학적 PCE분해에 대한 연구)
• 제1장 연구의 목적 29
• 제2장 연구의 개요 30
• 제3장 재료 및 방법 32
• 제1절 균주의 분리 32
• 1. 시료의 채취 32
• 2. 균주의 증식 배양 및 분리 32
• 제2절 PCE분해 균주 선별 35
• 1. 스크린 테스트 35
• 제3절 고효율 PCE분해 균주의 동정 37
• 1. 형태학적 특징(Morphological Characteristics) 37
• 2. 생리·생화학적 특징(Physiolocial Characteristics) 37
• 3. 분자생물학적인 특징(Molecular Level Characteristics) 37
• 제4절 조건별 PCE분해 특성 38
• 1. PCE농도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 38
• 2. Toluene농도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 38
• 3. 초기 균 농도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 38
• 4. pH에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 39
• 5. 온도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 39
• 제5절 회분식 실험 40
• 1. 최적조건에서의 PCE분해 40
• 2. PCE, TCE혼합기질의 분해 40
• 3. Pseudomonas putida F1과 Heat Killed P. putida PCH225를 이용한 PCE분해 비교 실험 40
• 제6절 PCE분해 균주의 건조중량과 흡광도사이의 상관관계 도출 41
• 제7절 PCE분해에 따른 Dioxygenase 발현의 확인 42
• 1. Toluene Dioxygenase Activity Measuring Method(Indoxyl Formation) 42
• 2. 실험 방법 42
• 제8절 PCE분해에 따른 성장패턴의 변화 45
• 제9절 PCE분해에 따른 염소이온 생성 확인 47
• 제10절 토양에서의 PCE 분해 실험 49
• 제11절 PCE단일기질 분해 실험 51
• 제12절 시료의 분석 51
• 1. 검량선 작성 51
• 2. 액상 내 물질농도 계산 52
• 제4장 결과 및 고찰 54
• 제1절 샘플링 사이트의 PCE 오염농도 54
• 제2절 균주의 분리 54
• 제3절 PCE분해 균주의 선별 57
• 1. 1st Screen Test(수원-고농도 PCE,TCE인공오염 토양) 57
• 2. 2nd Screen Test(수원-전자장비 생산공장) 57
• 3. 3rd Screen Test(경기도 광주-쓰레기 매립장) 59
• 4. 4th Screen Test(화성-제약회사공장 앞 부지) 59
• 제4절 고효율 PCE분해 균주의 동정 61
• 1. 형태학적인 특징(Morphological Characteristics) 61
• 2. 생리·생화학적인 특징(Physiolocial Characteristics) 61
• 3. 분자 생물학적 특징(Molecular Level Characteristics) 63
• 제5절 호기적 조건에서의 P. putida PCH225에 의한 PCE의 분해 65
• 제6절 조건별 PCE 분해의 특성 67
• 1. PCE농도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 67
• 2. Toluene농도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 69
• 3. pH에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 71
• 4. 초기 균농도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 73
• 5. 온도에 따른 P. putida PCH225에 의한 PCE분해특성 75
• 제7절 회분식 실험 77
• 1. 최적조건에서의 PCE분해 77
• 2. PCE/TCE혼합기질의 분해 81
• 3. Pseudomonas putida F1, Heat Killed PCH225균주를 이용한 PCE분해 비교 실험 83
• 제8절 PCE분해 균주의 건조중량(Dry Cell Weight; DCW)과 흡광도(OD600)사이의 상관관계 도출 85
• 제9절 PCE분해에 따른 Dioxygenase 발현의 확인 87
• 제10절 PCE분해에 따른 P. putida PCH225의 성장패턴 변화 89
• 제11절 PCE분해 후의 염소이온 검출 95
• 제12절 토양에서의 Pseudomoans putida PCH225에 의한 PCE분해 97
• 제13절 P. putia PCH225에 의한 PCE단일기질의 분해 100
• 제5장 부록 102
• 1. PCE Standard Curve 102
• 2. Toluene Standard Curve 102
• 참고 문헌 103
• ABSTRACT(The Study of Tetrachloroethylene(PCE) Biodegradation in PCE Contaminated Soil/Groundwater) 112