Aureobasidium pullulans와 Saccharomyces cerevisiae의 납흡착속도

오상진, 서정호, 송승구

부산대학교 화학공학과

Adsorption Rate of Lead  by Aureobasidium pullulans

and Saccharomyces cerevisiae

Sang Jin Oh, Jung Ho Suh, Seung Koo Song

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University

1. 서론

중금속 특히, 납, 수은, 카드뮴등은 여러 경로를 거쳐 인체에 축적되며 장기간 신체에 잔류하면서 치명적인 질병의 원인이 된다는 것은 이미 잘 알려져 있다. 따라서 다양한 중금속제거 기술이 연구되어 왔으며, 최근에는 미생물이 중금속을 섭취하는 성질을 이용하여 유가금속 회수와 독성금속제거에 미생물흡착(biosorption)이 많이 연구되고 있다. 미생물이 중금속을 제거하는 방법으로는 다양한 메커니즘이 사용되는데, 크게 물질대사에 관계없이 음전하를 띠는 세포벽이나 세포질 외벽, 미생물이 분비하는 세포외 고분자(extracellular polymer)에 흡착되는 단순하고 수동적이며 급격한 물리화학적 흡착과 물질대사 의존성인 이온교환, 단백질에 의한 킬레이트 형성(metallothenein), 세포질 내부로의 이동, 효소에 의한 불용화(산화, 환원, 메틸화, 탈메틸화)등의 능동적이며 느린 미생물흡착으로 볼 수 있다[1].

Aureobasidium pullulans는 다양한 형태를 갖는 균류로서 중금속으로 오염되어있는 나뭇잎의 표면에 우점종으로 자라는 미생물이고[2], Saccharomyces cerevisiae는 카드뮴의 제거능이 뛰어난 미생물로 보고되어있다[3].

미생물의 흡착을 명확히 규명하는 모델이 없으므로 활성탄의 성능을 평가하는 데 사용하는 Langmuir와 Freundich 흡착등온 모델식을 적용한다. 그러나, 흡착등온 모델은 미생물 흡착제가 흡착평형에 도달했을 때의 최대 흡착량을 비교하는 기준은 제공하지만 속도개념이 없으므로 시간당 제거량 비교가 되지 않기 때문에 미생물흡착 공정에 사용될 흡착제로 미생물을 선택할 때 시간당 제거량이라는 중요한 요인을 간과하게 된다.

따라서, 본 연구에서는 A. pullulans와 S. cerevisiae의 납에 대한 흡착등온모델과 흡착속도의 비교 및 동일 미생물의 활성도에 따른 흡착속도를 측정하여 그 특성을 비교하였으며, 흡착속도에 미치는 요인으로 알려진 다른 금속이나 양이온에 의한 경쟁적 흡착에 대해서도 고찰하였다.

2. 이론

미생물의 흡착등온모델은 단일 중금속용액의 경우 Voleskey et al.[4]이 적용한, 활성탄의 성능 평가에 사용되는 Langmuir와 Freundich 흡착등온 모델을 사용한다.

Langmuir 모델	:  [eqn: q_e = {q_max b` C_e}over{1`+`b`C_e}]

Freundich 모델	:  [eqn: q_e = k cdot C_e ^{1 over n}]

여기서, qe는 단위 미생물 흡착제당 평형상태의 흡착량, Ce는 흡착평형에서 액상의 잔류 중금속농도, qmax는 단위흡착제당 최대흡착량, b와 n은 흡착에너지와 관계있는 상수이고, k는 Freundich모델의 특성화 상수이다.

두 흡착등온 모델을 선형화한 다음 qe와 Ce의 실험값을 적용하고 최소자승법을 이용하여 qmax, b, n을 구한다.

흡착속도식은 흡착제의 흡착특성을 비교하는 기준으로 미생물에 의한 흡착속도는 초기속도법에 의해 차수와 흡착상수를 구한다. 따라서 초기금속농도(C0)를 달리하는 일련의 실험을 거쳐 초기흡착속도(rad)를 구하여 일반형에 적용하는 데, 본 실험결과 낮은 농도에서는 급격히 증가하다 높은 농도에서는 일정한 것으로 보아 일반형을 다음과 같은 형태를 취하였다.

[eqn: r_ad = {r_max C_0} over {alpha+C_0}]

이를 선형화하고 rad와 C0를 대입하여 rmax와 □를 구한다.

3. 실험

미생물

본 실험에서 사용된 Aureobasidium pullulans KFCC 10245와 Saccharomyces cerevisiae KCTC 1199는 다음과 같은 배지의 조성(g/l)으로 배양했다. A. pullulans는 sucrose(200), yeast extract(20), MgSO4(2), K2HPO4(5), NaNO3(15)로, S. cerevisiae는 glucose(100), yeast extract(8.5), MgSO4(0.11), NH4Cl(1.32), CaCl2(0.06)의 배지에서 배양했다. 300ml 삼각플라스크를 사용하여 rotary-shaking incubator에서 30℃, 150 rpm으로 72, 48시간동안 배양한 후, 3000rpm에서 20분간 원심분리한 다음 상등액은 버리고 pellet은 증류수로 재현탁하여 다시 원심분리하는 과정을 3차례 실시하여 미생물 현탁액을 만들었다. 죽은 세포는 살아있는 세포를 121℃에서 15분간 멸균한다음 3000rpm에서 20분간 원심분리한 미생물 pellet을 재현탁하여 얻어졌다.

흡착실험

사용된 납용액은 특급시약인 Pb(NO3)2를 사용하였고, 미생물현탁액(50ml)과 납용액(50ml)을 각각 원하는 농도의 2배로 준비하여 300ml 삼각플라스크에 1대 1의 부피비로 혼합하여 30℃에서 rotary-shaking incubator로 교반하였다. 일정한 시간 간격으로 시료를 채취하여 10000rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 채취한 후 적당히 희석하여 분석했다. 중금속의 농도는 희석한 상등액을 원자분광흡광기(Perkin Elmer model 3300)를 사용하여 분석했다. 세포건조무게는 미생물 현탁액으로부터 일정량 채취한다음 105℃에서 2시간 동안 건조한 후 측정하였다[5].

흡착속도실험

흡착실험에서와 같은 방법으로 미생물의 양은 일정하게 두고 초기 납농도를 50-500 mg/l까지 다양하게 변화시키면서 실시했다. 초기 흡착량은 미생물현탁액과 납용액을 혼합하고 10분 경과후 시료를 채취하여 흡착량을 측정한 값으로 초기속도를 구했다.

경쟁흡착실험

H+에 대한 Pb2+의 경쟁적 흡착실험은 초기 금속농도가 100, 150, 200, 300, 400mg/l인 납용액을  0.01M-HCl용액을 사용하여 각 금속농도당 pH 3.7, 4.5, 5.7인 금속용액을 만들고 동일한 농도의 미생물 현탁액에 혼합한다. 이후는 흡착속도 실험과 동일하다.

4. 결과 및 토론

A. pullulans와 S. cerevisiae를 이용하여 납을 흡착시킨 후 최대흡착량을 알아보기 위해 나타낸 것이 Fig. 1이다. 두 미생물을 비교해보면 평형 흡착량은 비슷하게 보였지만  A. pullulans는 평형농도가 낮은 영역에서는 Langmuir모델, 높은 부분에서는 Freundich모델을 따르는 것으로 보였고,  S. cerevisiae는 Langmuir모델에 잘 따르는 것으로 보아 두 균주간의 흡착양상이 다르다는 것을 알 수 있었다. Fig. 2는 두 미생물의 납에 대한 흡착속도를 나타낸 것이다. 최대흡착량은 비슷한 것으로 보였으나 초기흡착속도는 A. pullulans가 훨씬 빠른 것으로 보였으며 죽은 세포에 대한 흡착속도를 비교했을 때도 같은 결과를 보였다. 이것은 흡착제로서 현장 적용시  A. pullulans가 S. cerevisiae보다 경제성이 있다는 것을 의미한다. 같은 미생물끼리 살아있는 것과 죽은 것을 비교할 때 A. pullulans는 살아있는 것이 5배정도 빠른 반면에 S. cerevisiae는 속도가 거의 비슷한 것으로 보였다. 이것은 A. pullulans를 멸균과정에서 세포외 생체고분자가 상당량 유실된 것으로 생각되어지고, S. cerevisiae는 초기에는 물질대사 작용에 의한 흡착이 거의 없는 것으로 추측된다.

5. 참고문헌

1. Voleskey, B. (1990). Biosorption of heavy metals, Boca Raton, Fla: CRC Press

2. Mowll, J. L., and Gadd, G. M. (1984). J. Gen. Microbiol., 130, 279-284.

3. Norris, P.R., and Kelly, D.P. (1977). J. Gen. Microbiol., 99, 317-324.

4. Voleskey, B., May, H. and Halon, Z. R. (1993). Biotechnol. Bioeng., 41 826-829

5. Mattuschka, B., and Gunhild S. (1993) J. Chem. Tech. Biotechnol., 58, 57-63