정수처리 과정별 관 재질에 따른 생물막 형성 및 DGGE와 Pyrosequencing을 이용한 세균 다양성 연구

국문 초록 (Abstract)

정수처리장으로 유입되는 원수와 응집수, 침전수, 여과수, 정수의 평균 종속영양세균수는 1.6 × 10^4 CFU/mL ~ 1 CFU/mL였고, 원수부터 정수까지의 평균 잔류염소농도는 0.08 mg/L ~ 0.88 mg/L였다. 스테인리스관과 동관에 형성된 생물막의 종속영양세균수는 원수, 응집수, 침전수에서 2주만에 2.9 × 10^3 CFU/cm2 이상으로 급격히 증가하였다. 반면, 여과수에서는 스테인리스관과 동관 모두 18 CFU/cm2 이하의 종속영양세균수가 검출되었고, 정수에서는 검출되지 않았다. DGGE와 pyrosequencing 방법들을 이용해 원수, 응집수, 침전수에 존재하는 생물막의 세균 군집 분석결과, 스테인리스관과 동관에서 Rhizobiales와 Sphingomonadales가 지속적으로 나타나는 우점종이였다. 스테인리스관의 경우, 12주차 이후 Flavobacteriales가 새로운 우점종으로 나타났다. Pyrosequencing분석 결과, DGGE 분석에서는 검출되지 않았던 Chitinophagaceae, Sphingobaceriaceae, Rhodobaceraceae, Oxalobacterceae 등 다양한 세균들이 검출되었다. 여과수의 경우, 스테인리스관과 동관에 형성된 생물막에서 Propionibacterium sp., Sphingomonas sp., Escherichia sp., Falvobacterium sp. 등과 유사한 16S rRNA 유전자 서열을 가지는 band들이 검출되었지만, 정수에서는 검출되지 않았다. 본 연구 결과, 스테인리스관과 동관에 형성된 생물막에 지속적으로 존재하는 우점종은 비슷하였지만, 생물막 형성 기간에 따른 생물막내 우점종의 군집비율에는 차이 있었다. 또한 스테인리스관에 형성된 생물막의 경우 시간 변화에 따른 새로운 우점종으로의 변화가 나타났으며, 종속영양세균수 및 종다양성이 동관보다 더 높았다. 추가적으로, 생물막이 구조적으로는 성숙하였을지라도 생물막을 구성하고 있는 세균은 끊임없이 변화하기 때문에 생물막 형성 기간은 생물막 연구 시 고려해야 할 중요한 요인중 하나로 생각된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Heterotrophic bacteria density of raw, coagulated, settled, filtered, and treated water in water treatment plant ranged from 1.6 × 10^4 CFU/mL ~ 1 CFU/mL. Free residual chlorine concentration of raw to treated water ranged from 0.08 mg/L ~ 0.88 mg/L. Heterotrophic bacterial density of biofilm formed from stainless and copper pipes in raw, coagulated, and settled water was highly increased above 2.9 × 10^3 CFU/cm2 within two week. On the other hand, heterotrophic bacterial density of bioflim formed from stainless and copper pipes in filtered water was detected below 18 CFU/cm2, but treated water was not detected. Heterotrophic bacterial density of biofilm formed from stainless was higher than that from copper pipe. Using DGGE and pyrosequencing methods, we found that Rhizobiales and Sphingomonadales were continuously dominant in both stainless and copper pipes in raw, coaulated, and settled water. In case of stainless pipe, Flavobacteriales appeared new dominant species after twelve week. Through the pyrosequencing analysis, we identified various bacteria with dominant species such as Chitinophagaceae, Sphingobaceriaceae, Rhodobaceraceae, Oxalobacterceae, etc which were not detected by DGGE. In case of filtered water, detected bands of biofilm formed from stainless and copper pipes were identified as Propionibacterium sp., Sphingomonas sp., Escherichia sp., Falvobacterium sp., and etc, based on 16S rRNA gene sequence, while any bands in treated water were not detected. In this study, dominant species of biofilm formed from stainless are similar to those from copper pipe but composition ratio of dominant species by period of biofilm formation was different. In case of biofilm formed from stainless pipe, it was appeared that change to new dominant species and Heterotrophic bacterial density and species diversity were higher than those from copper pipe. Although biofilm was matured structurally matured, component bacteria of biofilm were continuously changed. therefore, period of biofilm s formation would be considered as an important factor for studying biofilm.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구배경 및 목적 1
• Ⅱ. 재료 및 방법 4
• 1. 조사지역 4
• 2. 조사기간 4
• 3. 생물막 형성을 위한 반응기 설치 및 운용 4
• 4. 수질분석 4
• 5. 생물막 회수 및 채수 방법 6
• 6. 종속영양세균 7
• 7. DNA 추출 7
• 8. 16S rRNA 유전자 증폭 7
• 9. 16S rRNA 유전자의 V3 부분 증폭 8
• 10. 정제 및 농축 8
• 11. DGGE 8
• 12. 염기서열 분석 9
• 13. 생물다양성 분석 9
• 14. 계통도 10
• 15. Pyrosequencing 10
• 15.1 유전자 증폭 확인 10
• 15.2 시료의뢰 및 분석 10
• Ⅲ. 결과 11
• 1. 공정수별 수질분석 11
• 1.1 원수와 정수 수질비교 11
• 1.2 각 처리 공정수의 pH, 탁도, 수온, 염소농도 14
• 2. 종속영양세균 16
• 2.1 공정수별 종속영양세균 16
• 2.1.1 원수 16
• 2.1.2 응집수 16
• 2.1.3 침전수 16
• 2.1.4 여과수 16
• 2.1.5 정수 17
• 2.2 생물막 종속영양세균 20
• 2.2.1 원수 20
• 2.2.2 응집수 20
• 2.2.3 침전수 20
• 2.2.4 여과수 20
• 2.2.5 정수 20
• 3. DGGE 23
• 3.1 원수 23
• 3.1.1 염기서열 분석 26
• 3.1.2 계통도 32
• 3.2 응집수 35
• 3.2.1 염기서열 38
• 3.2.2 계통도 41
• 3.3 침전수 44
• 3.3.1 염기서열분석 47
• 3.3.2 계통도 50
• 3.4 여과수 52
• 3.4.1 염기서열 분석 54
• 3.4.2 계통도 56
• 3.5 정수 58
• 4. Pyrosequencing 58
• 4.1. 원수 58
• 4.1.1. 군집구조 58
• 4.1.1.1 Phylum level 58
• 4.1.1.2 Family level 60
• 4.1.2 생물 다양성 62
• 4.2 응집수 64
• 4.2.1 군집구조 64
• 4.2.1.1 Phylum level 64
• 4.2.1.2 Family level 66
• 4.2.2 생물다양성 68
• 4.3. 침전수 70
• 4.3.1 군집구조 70
• 4.3.1.1 Phylum level 70
• 4.3.1.2 Family level 72
• 4.3.2 생물다양성 74
• Ⅳ. 고찰 76
• Ⅴ. 참고문헌 81
• Abstract 86