미생물 흡착을 이용한 납 제거시 초기농도에 따른 저해 작용

서정호, 유일증, 정극, 김동석*, 박영식**

울산전문대학 공업화학과

대구효성카톨릭대학교 환경과학과*

부산대학교 화학공학과**

Inhibition effects of initial lead concentration on the biosorption

of lead using microorganisms

Jung Ho Suh, Il Zeung You, Keuk Jung,

Dong Seog Kim*, Young Seek Park**

Dept. of Industrial Chemistry, Ulsan Junior College,

Dept. of Environ. Science, Catholic University of Taegu Hyosung*

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University**

1. 서론

급속한 산업의 발전은 인류에게 물질문명의 풍요를 안겨주었지만 다양한 오염물질의 발생으로 자연 생태계의 파괴도 더불어 제공하였다. 하천이나 강으로 배출되는 일반하수, 산업폐수, 각종 폐기물의 매립 및 농약살포 등의 다양한 오염물질의 배출로 인해 지구 환경이 파괴되고 있을 뿐만 아니라 인류의 건강까지도 위협당하고 있다[1]. 특히 생산활동의 과정에서 배출되는 산업폐수는 유해 중금속을 다량 함유하고 있어 적절한 처리없이 배출될 경우 생태계의 먹이사슬에 의한 농축효과(biomagnification)로 인해 그 피해가 급격히 확산될 수 있으므로 중금속의 제거와 회수는 인류의 미래를 대비한 매우 중요한 과제로 많은 관심과 연구가 진행되고 있다[2,3].

그러나 자연증발, 막공정, 침전, 흡착, 이온교환수지법 등의 재래식 공정은 대부분 전처리가 필요하고 용액중의 중금속 농도가 1∼100mg/L 정도로 낮게 함유되어 있을 경우에는 비효율적이거나 비용이 비싼 단점이 있다[4]. 따라서 최근 재래식 공정의 문제점을 해결하고 타 공정에 비해 경제적으로 유리한 미생물을 이용한 중금속 제거 공정이 대안으로 제시되고 있으며, 미국에서는 조류의 한 종류인 Chlorella vulgaria를 silica에 고정화시킨 algaSORB라는 충진층형 중금속 제거 장치[5]와 Advanced Mineral Technologies, Inc.에서 AMT-BIOCLAIM이라는 미생물 흡착제거제가 개발되어[6] 실용화 단계에 접어들고 있다.

미생물이 중금속을 제거하는 방법으로는 다양한 메커니즘이 사용되는데, 크게 물질대사에 관계없이 음전하를 띠는 세포벽이나 세포질 외벽, 미생물이 분비하는 세포외고분자물질에 흡착되는 단순하고 수동적이며 급격한 물리화학적 흡착과 물질대사 의존성인 이온교환, 단백질에 의한 킬레이트 형성(metallothionein), 세포질 내부로의 이동, 효소에 의한 불용화(산화, 환원, 메틸화, 탈메틸화) 등의 능동적이며 느린 미생물흡착으로 나눌 수 있다[4]. 세포외벽 등에 의해 중금속이 흡착되는 물리화학적 제거의 경우에, 미생물은 단순한 이온교환수지의 대용으로 사용될 수 있으나, 세포내부에 축적되는 물질대사 의존성의 경우에는 미생물의 배양 상태, 생존 여부, 세포외고분자물질의 분비 여부, 초기 중금속이온의 농도 등에 따라 중금속의 제거능에 영향을 받게 된다.

본 연구에서는 발효공정에서 많이 사용되어 막대한 량의 폐 biomass가 발생되는 Aureobasidium pullulans와 Saccharomyces cerevisiae를 이용하여 납을 제거할 때, 납 용액의 초기농도에 따른 흡착량과 저해 현상을 밝혀 미생물 흡착공정의 이용가능성을 타진한다.

2. 실험

미생물

본 실험에 사용한 미생물은 Aureobasidium pullulans KFCC 10245와 Saccharomyces cerevisiae KCTC 1199이다. A. pullulans는 Aspergillus niger 등과 함께 올리고당을 생산하는 미생물로 yeast-like, hyphae, chlamydospore와 같은 여러 가지 형태로 존재하는 불완전균류이며[7], S. cerevisiae는 빵의 제조와 알코올 발효에 사용되고 있으며, 발효공정에서 발생하는 엄청난 량의 biomass를 이용하는 방안으로 미생물흡착에 많이 이용되어 왔으며 여러 가지 중금속에 대해 흡착능이 뛰어난 미생물로 보고되어 있다[8]. 본 실험에 사용된 두 미생물의 배지는 오상진 등[9]과 같으며, 삼각플라스크를 사용하여 shaking incubator에서 30℃, 150 rpm으로 48시간동안 배양한 후, 3000rpm에서 20분간 원심분리한 다음 상등액은 버리고 pellet은 증류수로 재현탁하여 다시 원심분리하는 과정을 3차례 실시하여 배양된 미생물을 회수하여 냉장 보관후 흡착실험에 사용하였다.

흡착실험

본 실험에 사용된 납용액은 특급시약인 Pb(NO3)2를 사용하였고, 미생물현탁액(50ml)과 납용액(50ml)을 각각 원하는 농도의 2배로 준비하여 300ml 삼각플라스크에 1대 1의 부피비로 혼합하여 실험하고자 하는 온도에서 shaking incubator로 교반하였다(150rpm). 초기 납 용액의 pH 조절은 0.1M HCl로 행하였으며, 흡착시작 후 일정한 시간 간격으로 시료를 채취하여 10000rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 채취한 후 적당히 희석하여 분석하였다. 중금속의 농도는 희석한 상등액을 원자흡수분광기(Perkin Elmer model 3300)를 사용하여 분석하였다. 세포건조무게는 미생물 현탁액으로부터 일정량 채취한 다음 105℃에서 2시간 동안 건조한 후 측정하였다.

결과 및 토론

본 실험은 살아있는 미생물을 사용하여 납을 흡착시키므로 납의 초기농도가 높아짐에 따라 미생물이 납에 의해 독성영향을 받을 것으로 판단된다. 따라서 초기 납 이온의 양을 계속 증가시키면서 초기 납 농도의 변화에 따른 S. cerevisiae의 납흡착량을 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1(a)에 나타낸 것과 같이 초기 미생물용액의 pH가 4.0인 경우 납의 초기농도가 100mg/L까지는 평형흡착량이 증가하지만 150mg/L이상에서는 납의 평형흡착량이 오히려 감소하는 것을 볼 수 있다. pH 3.1의 경우에서는 초기 농도가 150mg/L까지는 흡착량이 계속 증가하였으나 그 이상에서는 감소하였다. 따라서 S. cerevisiae의 경우 실험한 전 pH 범위에서 납의 초기농도 150mg/L 이상에서는 흡착의 저해작용을 받는다는 것을 알 수 있었다. 그러나 Fig. 2에 나타난 것과 같이 흡착량의 최고치는 본 실험에서 사용한 pH농도 3.1∼4.0 범위에서 거의 변화가 없었으며 미생물용액의 pH에 따라 저해되는 초기 납 농도가 달라지는 것을 알 수 있었다.

A. pullulans를 사용하여 납을 흡착시킬 때도 S. cerevisiae의 결과와 유사하게 초기 납의 농도가 증가할수록 저해작용이 생기는 것을 알 수 있었다(Fig. 3). 그러나 pH를 달리했을 때 Fig. 4와 같이 저해작용을 받는 초기 납농도는 전 pH 범위에서 거의 비슷하게 나타나지만 흡착량의 최고치가 pH에 따라 현저하게 달라지는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 S. cerevisiae가 받는 저해작용과는 다른 형태인 것을 알 수 있었다. 이것은 S. cerevisiae의 경우에는 수소이온과의 경쟁에 의한 저해보다 초기 납농도에 의한 저해가 더 큰 영향을 미치고, A. pullulans의 경우에는 초기 납농도에 의한 저해보다 수소이온과의 경쟁에 의한 저해가 납 흡착에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다.

참고문헌

1. Hoffman, D.J., Rattner, B.A., Bruton, G.A. Jr. and Cairns, J. Jr., Handbook of Ecotoxicology, CRC Press, Inc., 1995.

2. 서정호, Saccharomyces cerevisiae와 Aureobasidium pullulans의 납 흡착 특성, 부산대학교 박사학위논문, 1997.

3. Lee, H.S., Biosoption of Cr, Cu and Al by Sargassum biomass, Biotechnol. Bioprocess Eng., 2, 126-131, 1997.

4. Voleskey, B., Biosorption of heavy metals, Boca Raton, Fla: CRC Press, pp. 3-5, 1990.

5. EPA, Superfund innovative technology evaluation, EPA/540/R-93/526, Technology profile, 6th ed., pp. 142-143, 1993.

6. Brierly, J.A., C.L. Brierly and G.M. Goyak, AMT-BIOCLAIM : a new wastewater treatment and metal recovery technology, In : Fundamental and applied biohydrometallurgy, Elsevier, Amsterdam, 291, 1986.

7. Gadd, G.M. and de Rome, L., Biosorption of copper by fungal melanin, Appl. Microbiol. Biotechnol., 29, 610-617, 1988.

8. Gadd, G.M. and Mowll, J.L., The relationship between cadmium uptake, potassium release and viability in Saccharomyces cerevisiae, FEMS Microbiol. Lett. Vol. 16, 45-48(1983).

9. 오상진, 서정호, 송승구, Aureobasidium pullulans와 Saccharomyces cerevisiae의 납 흡착속도, 화학공학의 이론과 응용, 2(2), 2211-2214, 1996.