톨루엔을 분해시키는 미생물의 무작위 운동(motility) 에 관한 연구

이 정훈, 윤 성윤, 이 진원

광운대학교 화학공학과

A Study on the Random Motility of

toluene-decomposable microbes

Jeong Hoon Lee, Seongyun Yun, Jinwon Lee

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

서론

최근들어 환경오염에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데 여러 나라 혹은 지역에서 상호규제의 움직임을 보이고 있다.  오염물의 배출과 유해 물질에 대한 사용을 제한하는 것도 중요하지만 오염물을 처리하여 원 상태로 회복시키는 기술에 대한 개발도 함께 병행해 나아가야 한다.  특히 토양오염의 심각성이 점차 부각되고 있으나, 실제 그 해결방법에 관해서는 요원한 실정이다.  토양오염은 쓰레기 매립지에서의 침출수에 의한 오염, 각종 화학공장에서 배출된 유기 화합물질 등에 의한 공장주변의 토양오염, 그리고 광범위한 농경지에서 사용되고 있는 농약과 화학비료등에 의한 농지의 오염 등을 들수 있으며 이로인해 농경지 뿐만 아니라 주거지의 감소로 국토의 효율성을 떨어뜨리게 된다.  이에 토양에 존재하는 오염물질을 제거하여 원래의 상태로 회복시키는 기술에 대한 연구가 필요하다.

토양오염물 처리에 관한 기술에는 여러가지가 있다.  그중 생물학적 회복기술이 특히 각광을 받고 있는데 이는 에너지의 사용량이 적고 경제적이며 2차 오염물이 발생하지 않고 원위치 처리의 가능으로 광범위한 오염지역의 정화에 효과적이기 때문이다.  일반적으로 실험실에서 행해지는 생물학적 처리  실험에는 세가지가 있다.  플라스크법, 팬처리법, 탑처리법 등이 있다.  본 연구에서는 탑처리법을 응용한 모래관을 이용하여 톨루엔을 분해시키는 미생물의 무작위운동에 관한 특성을 측정하였다.

이론

주변 화합물의 농도변화는 주로 세포표면에 위치한 receptor 에서 감지하는데, 이것은 효소와 비슷하게 구조적으로 특정한 화합물에 대해서만 반응하게 된다.  얼마나 많은 화합물을 감지하느냐에 따라 화합물의 농도변화를 감지하여 편모를 움직이게 된다.  편모의 회전은 시계방향과 반시계 방향 모두 가능한데, 시계방향으로 회전할 경우에는 방향을 전환하게 되며 반시계방향으로 회전할 경우에는 앞으로 나가는 전진운동을 하게 된다.  이러한 방향전환은 무작위로 이루어지며, 원하는 화합물이 존재하는 방향으로 전진시에 많이 이동하여 전체적인 이동을 하게 된다.  이러한 자발적인 이동이 보통 물질의 확산현상과 크게 다른 점이다.

토양과 같은 다공성 시스템에서 오염물의 농도 변화가 존재할때, 그 분해에 미치는 효과를 측정하기 위해서는 미생물의 이동을 정량적으로 나타낼 수 있는 수학적인 모델과 반응정도를 표시할 수 있는 상수가 필요하다.  이에 관해 여러 형태의 구성식(constitative equation)이 제안되어 있고, 거시적 또는 미시적인 거동을 묘사할 수 있는 많은 모델들이 개발되었다.  한 예로 Keller 와 Segel 은 다음과 같은 현상학적 모델에서 미생물의 유동을 표현했다.

[eqn: {partial`` c} over { partial`` t} ```=] １∇ ·Jc

미생물의 농도 c 가 시간과 위치의 함수라 할때, 미생물 양의 보존을 나타내는 식은 위와같이 표시할 수 있다.  여기서 Jc 는 미생물의 유동(flux), □는 divergence 를 나타낸다.  두개의 항으로 이루어진 유동식은 다음과 같이 제안되었는데, 첫 항은 확산현상과 유사한 무작위 운동을 나타내고 두번째 항은 대류현상과 비슷한 키모텍시스 운동을 나타낸다.

Jc = １□ ∇ c ／ Vc c

위에서 □ 는 무작위 운동계수, Vc 는 chemotaxis 속도를 의미한다.  위 식은 미생물의 성장 및 분열이나 사멸을 고려하지 않은 경우로서 실험적으로 관찰하는 시간이 성장속도에 비해 매우 짧을때 유용하다.  여기서 실험적으로 □ 와 Vc 의 값들이 결정된다면 임의의 시간과 공간에서 미생물의 농도를 결정할 수 있으므로, 미생물의 이동과 분포를 예측하는 것이 가능하다.  따라서 많은 실험에 있어서의 노력은 위와 같이 제안된 모델들의 계수들을 정확히 측정하는데 기울여지고 있다.

본 실험의 목적은 무작위 운동계수인 □ 를 측정하는데 있다.

실험

이 실험을 위해 톨루엔을 분해시키는 능력이 우수하다고 선별된 Alcaligenes Xylosoxidans 라는 미생물을 사용하였다.

media 조성 : 먼저 미생물을 Glucose 10 g/l, Yeast. ex 5 g/l, (NH4)2SO4 5 g/l,	KH2PO4 5 g/l, MgSO4·7H2O 1 g/l 에서 배양을 시킨다.

agar 조성 : Sodium Benzoate 1 g/l, Agar 20 g/l, MgSO4·7H2O 0.2 g/l, NH4Cl	0.5 g/l, NaCl 0.1 g/l, K2HPO4 1 g/l

buffer 조성 : buffer 는 media 조성중에서 carbon source 를 제외한 것으로 조성	은 다음과 같다.

(NH4)2SO4 5 g/l, KH2PO4 5 g/l, MgSO4·7H2O 1 g/l

토양 준비 : 토양은 14, 28, 48, 60 mesh 의 4가지 크기의  sieve 로 걸러지고	사용되는 토양은 흐르는 물로 여러번에 걸쳐 세척한 후 마지막으	로 증류수로 씻은후 건조기에서 하루정도 건조시켜 사용한다.

살균 : 각각의 용액들과 토양은 121℃ 1.5 기압에서 약 20 분간 살균시킨다.

장치 setting : 실험에 관한 장치 setting 은 다음과 같다.  그림 1 에서와 같이                  간격 1.5 cm인 4개의 hole 이 있는 컬럼내에 토양, culture, buffer	를 넣는다.  먼저 밑에서 7.5 cm의 높이까지는 soil 과 buffer 를	넣고 다음에 soil 과 culture 를 넣고 파라핀 랩으로 봉한다.  그리	고 1, 3, 5 시간에 걸쳐 정치시켜 놓는다.

측정 : 측정은 일정시간이 지난 후 column 에 있는 각각의 hole 로부터 1 ml 의	주사기를 사용하여 샘플을 0.1 ml 정도 채취하여 buffer 용액으로 희석시	켜 여러 배율로 조정한 후 하루전에 준비해놓은 agar plate 에 바른 다음	incubator 에 저장시킨다.	그리고 약 이틀후에 형성되는 colony 의 수를	센다.  이렇게 함으로써 시간, 입자 크기, 그리고 거리에 따른 미생물의	이동분포를 알 수 있게 된다.

결과

본 실험에서 사용된 Alcaligenes Xylosoxidans 의 aerobic, anaerobic 조건에서의 성장곡선은 그림 2 와 같다.  aerobic 상태에서의 td는 약 53 분이었고 anaerobic 상태에서의  td는 약 50 분으로 별 차이가 없었으며, 특히 anaerobic 상태에서의 감소율은 10 시간동안 약 12 % 였다.

그림 1.   column 장치

(a) aerobic condition

(b) anaerobic condition

그림 2. Alcaligenes Xylosoxidans 의 성장곡선