Aureobasidium pullulans와 Saccharomyces cerevisiae의 납 제거 메카니즘

서정호, 강미영, 김동석*, 송승구

부산대학교 화학공학과, 대구효성카톨릭대학교 환경보건학과*

Mechanisms of Lead Removal by Aureobasidium pullulans and Saccharomyces cerevisiae

Jung Ho Suh, Mi Young Kang, Dong Seog Kim*, Seung Koo Song

Dept. of Chemical Engineering, Pusan National University,

Dept. of Environmental Health, Catholic University of Taegu Hyosung*

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. 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.

중금속 제거를 위한 자연증발, 막공정, 침전, 흡착, 이온교환수지법 등의 재래식 공정은 대부분 전처리가 필요하고 용액중의 중금속 농도가 1∼100mg/L 정도로 낮게 함유되어 있을 경우에는 미효율적이거나 비용이 바싼 단점이 있다[1]. 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[2]와 Advanced Mineral Technologies, Inc.에서 AMT-BIOCLAIM이라는 미생물 흡착제거제가 개발되어[3] 실용화 단계에 접어들고 있다.

미생물이 중금속을 제거하는 방법으로는 다양한 메커니즘이 사용되는데, 크게 물질대사에 관계없이 음전하를 띠는 세포벽이나 세포질 외벽, 미생물이 분비하는 세포외 고분자 물질에 흡착되는 단순하고 수동적이며 급격한 물리화학적 흡착과 물질대사 의존성인 이온교환, 단백질에 의한 킬레이트 형성, 세포질 내부로의 이동, 효소에 의한 불용화(산화, 환원, 메틸화, 탈메틸화)등의 능동적이며 느린 미생물흡착으로 볼 수 있다[1].

본 연구에서는 발효공정에서 많이 사용되어 막대한 량의 폐 biomass가 발생되는 Aureobasidium pullulans와 Saccharomyces cerevisiae를 이용하여 납을 제거할 때, 세포외 고분자물질을 배출한다고 알려진 A. pullulans와 체내에 중금속을 잘 축적한다고 알려진 S. cerevisiae를 이용하여 각 미생물의 납 흡착 메카니즘을 비교 고찰하고자 한다.

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[4], 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[5]. 본 실험에 사용된 두 미생물의 배지는 [6]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). 흡착시작후 일정한 시간 간격으로 시료를 채취하여 10000rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액을 채취한 후 적당히 희석하여 분석하였다. 중금속의 농도는 희석한 상등액을 원자분광흡광기(Perkin Elmer model 3300)를 사용하여 분석했다. 세포건조무게는 미생물 현탁액으로부터 일정량 채취한 다음 105℃에서 2시간 동안 건조한 후 측정하였다.

이온교환실험

흡착실험에 사용하는 미생물 현탁액을 실험 시작전 일정량을 채취하여 용액내 존재하는 칼슘, 마그네슘, 칼륨 등의 이온의 량을 미리 측정하고, 흡착실험후 시료를 채취하여 원심분리후 상등액에 존재하는 이온의 량을 측정하여, 초기에 존재하는 이온의 량을 뺀 량을 탈착된 이온의 량으로 계산하였다.

세포외 고분자물질 분리

세포외 고분자물질을 추출하는 방법에는 고속원심분리법, 초음파세척법, EDTA 추출법, 증기추출법 등이 있으나, 본 실험에서는 Fig. 1과 같이 EDTA법과 고속원심분리법을 혼합하여 사용하였다.

결과 및 토론

Fig. 2는 배양 후 회수된 A. pullulans를 배지가 없는 상태에서 냉장보관 하였을 때, A. pullulans가 분비하는 세포외 고분자물질의 양을 보존기간에 따라 정량적으로 측정한 것을 나타낸 것이며, 세포외 고분자물질의 양 변화와 함께 보존기간에 따른 중금속의 흡착량을 나타내었다. 일부 미생물에서 외부 자극에 대해 세포자신을 보호하기 위하여 세포외 고분자물질을 분비한다고 보고되어 있는 데, Fig. 2에 나타난 것과 같이 에너지원의 결핍과 온도에 대한 영향에 의해 40일 정도까지는 세포외 고분자물질의 양이 증가하였지만, 40일 이후에는 정량적 변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 이 결과를 보존기간에 따른 납흡착량의 변화와 비교해 보면, 세포외 고분자물질의 양이 증가함에 따라 A. pullulans의 납 흡착량도 증가하고 세포외 고분자물질의 양이 일정해졌을 때 납의 흡착량도 일정해지는 경향을 볼 수 있다. 따라서 A. pullulans의 납 흡착에서는 A. pullulans가 분비하는 세포외 고분자물질이 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있었고, 이를 확인하기 위해서 Fig. 3에 배양된 A. pullulans에서 세포외 고분자물질을 분리하고 남은 미생물 pellet으로 납흡착 실험을 시행한 결과를 나타내었다. 그림에서 나타난 것과 같이 흡착량은 단위 미생물 건조 무게당 약 20mg 정도로 보존기간에 관계없이 거의 일정한 것으로 나타났다. 따라서 A. pullulans에 의한 납흡착에서 세포외 고분자물질이 차지하는 비율은 최대흡착량을 기준으로 대략 90%정도로 대부분을 차지하는 것을 알 수 있었으며, 나머지는 세포막과 세포벽, 일부 분리되지 않은 세포외 고분자물질에 의해 흡착되는 것으로 생각되었다.

Fig. 4는 S. cerevisiae의 납 흡착시 S. cerevisiae가 방출하는 K+, Mg2+, Ca2+의 농도 변화를 나타낸 것이다. S. cerevisiae에 의한 납 흡착시 방출되는 K+의 농도는 24시간까지 증가하다가 24시간 이후에는  0.15mmol/g으로 농도의 변화가 거의 없는 것으로 나타났고, Mg2+는 120시간까지 서서히 증가하다 120시간 이후 0.1mM정도로 일정한 것을 볼 수 있었지만, 미생물 현탁액과 납용액이 혼합되어 있는 용액에서 시간에 따른 Ca2+의 농도 변화는 없었다.

K+는 일반적으로 미생물 내에서 다양한 삼투몰농도(osmolarity) 즉, 배지내의 고농도의 기질에 대해 미생물이 자랄 수 있게 해주는 삼투 내성(osmotic tolerance)을 유지시키는 중요한 인자로 본 실험과 같이 기질이 없는 경우에는 에너지원 결핍으로 인해 세포외부로 부터 내부로 K+의 이동이 발생되지 않고 역으로 서서히 방출된다. 여기에 납 흡착에 의한 독성 영향으로 세포 내부에 있는 K+가 세포외부로 방출되는 것이 촉진된 것으로 보이며, Mg2+도 K+와 마찬가지로 세포내부에 존재하는 필수금속으로 인산기를 ATP로부터 글루코오스와 만노오스 같은 여러종류의 육탄당에 전달하여 에너지원인 육탄당이 세포막을 통과할 수 있도록 도와주는 효소 작용에 관여하는 금속으로 액포(vacuole)나 ATP에 결합되어 있는 형태로 존재하는 데, 이러한 Mg2+의 방출은 납이온과 Mg2+의 이온교환이 발생한데 기인한 것으로 생각된다.

참고문헌

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

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

3. 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, pp. 291(1986).

4. 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).

5. Nakajima, A., Sakaguchi, T., Appl. Microbiol. Biotechnol., 24, 59(1986).

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