Influence of electric field on growth and metabolic activity of aerobic microorganism consortia : 전기장이 호기성 미생물 군집의 성장과 대사활성에 미치는 영향

나병관 서경대학교 대학원 2005 국내박사

폐수처리 생물반응기에서 생장하는 호기성 미생물 군집은 유기화합물의 생화학적 산화제로서 작용한다. 폐수처리 효율은 미생물 군집의 대사활성에 의해 절대적으로 영향을 받는다. pH, 온도, 물활성도, 이온강도와 삼투압은 미생물 생태계의 대사활성에 영향을 주는 인자로서 알려져 왔다. 최근 폐수처리 생물반응기에 생성되는 생물막의 형성과 구조에 대한 전기화학적 산화환원 전위나 전기장의 영향이 연구되어 왔다. 본 연구에서는 반응기에 생성된 전기장이 미생물 성장과 대사활성에 영향을 주는 환경인자 일 수 있다는 가능성을 제안했다. 폐수처리 생물반응기에서 생장하는 미생물 군집의 성장과 대사활성에 대해 전기장의 효과를 시험했다. COD 소비, MLSS, HST와 SV30은 전기장에 의해 명확하게 영향을 받았지만 TN, TP와 OD는 영향을 받지 않았다. 이는 폐수처리 생물반응기에 형성된 전기장이 미생물의 대사와 성장에 영향을 주는 환경인자로써 간주할 수 있다는 것을 보여준다. Aerobic microorganism consortia growing in wastewater treatment bioreactor function as biochemical oxidizer of organic compounds. The wastewater treatment efficiency is absolutely influenced by the metabolic activity of the microorganism consortia. pH, temperature, waster activity, ionic strength and osmotic pressure have been known to be factors to affect the metabolic activity of bacterial ecosystem. Recently, the influence of electrochemical redox potential or electric field on the formation and structure of biofilm growing in bioractor for wastewater treatment has been studied. In this study, we proposed a possibility that electric field formed in a bioreactor can be an environmental factor influenced on microorganism growth and metabolic activity. We tested the effect of electric field on growth and metabolic activity of microorganism consortia growing in the bioreactor for wastewater treatment. The COD consumption, MLSS, HST and SV30 were positively influenced by the electric field but TN, TP and OD were not influenced. This shows that the electric field formed in the bioreactor for wastewater treatment is thought to be an environmental factor affecting microorganism metabolism or growth.

Plant Microbial Fuel Cell를 이용한 Solanum lycopersicum의 활성도 변화 측정

이은빈 건국대학교 대학원 2021 국내석사

본 연구에서는 식물 미생물 연료전지를 이용하여 미생물의 활성도를 측정하는 시스템을 개발하였다. 식물은 광합성을 통하여 양분을 생산하고 일부를 뿌리를 통해 배출한다. 이로 인해 뿌리 부근의 미생물 활성에 영향을 주게 된다. 기존의 식물 활성도의 확인은 경험에 의한 육안 확인이 일반적 이였으나, 이 시스템 이용 시 비침투식이며 직접적인 방법으로 식물의 활성도 모니터링이 가능하다. 실험 식물은 토마토(Solanum lycopersicum)씨로부터 재배하여 사용하였다. 식물 배양 조건에 따른 전기화학 신호와 미생물 군집 비교 분석, 그리고 식물 생장 호르몬 IAA(Indole acetic acid) 함량을 확인하였다. 그 결과 이를 식물의 활성도로 활용할 수 있음을 확인하였다. 식물 수에 따른 전기신호와 미생물 군집 비교를 위하여 토마토 씨를 아무것도 뿌리지 않은 것과 토마토 씨 10립을 골고루 뿌린 것으로 나누어 진행하였다. 두 그룹을 비교한 경우, 약 0.1V의 전압 차이가 나타나는 것을 확인하였다. 또한 빛에 따른 전기신호와 미생물 군집 비교, 식물 생장 호르몬 IAA의 함량 분석을 위하여 적외선 (λmax 849nm), 적색 (λmax 660nm), 황색 (λmax 600nm), 녹색 (λmax 500nm), 청색 (λmax 450nm), 자외선 (λmax 300nm), control로 나누어 진행하였다. 모든 빛의 광량은 700lux로 맞추었으며 다른 빛에 비해 적색과 청색에서 약 0.12V의 높은 신호가 측정되었다. Control의 경우 다른 빛에 비해 약 0.04V로 가장 낮은 신호가 측정되었다. 근권부 미생물의 동정을 통해 토마토 씨 10립을 뿌린 식물에서 Electrochemically Active Bacteria (EAB)의 종류가 많이 발견되었다. Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE)를 통해 식물 수와 빛 변화 시 미생물 군집이 변화하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 식물 조직에 삽입하는 센서와는 달리, 식물에 손상을 주지 않는 비삽입형 센서를 사용한 방법으로서 식물-미생물 연료 전지를 이용한 식물 활성도 모니터링 시스템을 개발하였다. 1개의 소형 식물만이 아니라 대량 재배 시설에도 쉽게 적용할 수 있기 때문에 현재 주목 받고 있는 식물 공장과 식물 관련 연구 및 산업에도 쉽게 적용이 가능 할 것으로 판단된다. In this study, plant activity monitoring sensor using Plant Microbial Fuel Cell (PMFC) was investigated. The experimental plant for the system was the Solanum lycopersicum. The electrical potential development from of the PMFCs during the growth of the plant on the various cultivation condition was the basis of the experiment. The results indicated that the electrical potential developments from the PMFCs were closely related to plant activity. Preliminary results showed that the monitoring of seed germination from the soil was possible using the system. When the PMFC systems with the experiment plants were operated with different color of light (i.e. Infrared ray (λmax 849nm), Ultraviolet (λmax 300nm) and visible light(400-700nm)) over 40 day, the red (λmax 660nm) and the blue light (λmax 450nm)induced the highest potential generation accompanying with the higher plant growth rate. Under the red and the blue light condition, high concentrations of indole-3-acetic acid (IAA) were observed in the roots and the leaves of the plant. To identify bacteria in the rhizosphere, soil sample near the root surface were collected and bacterial community was compared by denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) method. The results indicated that the different light condition induced different bacterial species in the plant rhizospheres. These experimental results suggest that the PMFC technology can be implemented in plant activity monitoring, and plant related researches and industries.

자력을 이용한 미생물연료전지 양극부의 성능 개선

최창호 건국대학교 대학원 2008 국내석사

효율적인 미생물연료전지를 개발하기 위하여 자력을 적용한 양극부가 설치된 미생물연료전지를 개발하였다. 양이온교환막을 사용하지 않은 미생물연료전지의 산소에 대한 문제점을 개선하기 위하여 양극과 음극 사이와 양극 하부에 자석을 설치하였고 발생되는 전류의 변화를 관찰한 결과 자석을 적용한 미생물연료전지의 전류밀도가 증가함을 확인할 수 있었다. 양극과 음극 사이에 설치한 자석은 음극부로의 산소 확산 속도를 감소시켰으며 이로 인해 산소 확산에 의한 저해를 감소시킴으로써 전류생산의 안정성을 증가시켰다. 양극에 자석을 부착시킨 미생물연료전지는 최대 78 %의 전력 밀도가 증가하였다. 자석을 이용한 성능 개선은 큰 비용이 소모되지 않으며 설치 후 추가로 에너지의 소비나 산소제거제와 같은 물질을 공급할 필요가 없어서 유용한 방법이라 할 수 있다. 자석에 의한 산소의 조절은 양이온교환막이 없는 미생물연료전지 외에 다른 종류의 미생물연료전지의 성능향상에도 유용할 것으로 예상되며 자석의 구조 및 자력의 세기, 적용 방법을 변경하여 더 향상된 성능의 미생물연료전지 제작을 위한 연구가 진행될 예정이다. The application of magnetic force to a cathode compartment of membrane-less microbial fuel cell (ML-MFC) increases both the oxygen supplement efficacy to a cathode and power generation. Magnetic force prevents oxygen diffusion into anode compartment and decrease of current generation. An increase of power production was observed when a permanent magnet was attached to a cathode When a permanent magnet was set under the cathode, both current density and power density increased, as compared to MFCs without a magnet. 2.71 mA/m2, 0.15 mW/m2 increased to 4.72 mA/m2, 0.26 mW/m2 in non-aerated MFCs. 19.17 mA/m2, 1.15 mW/m2 increased to 22.51 mA/m2, 1.36 mW/m2 in aerated MFCs. The effect of the magnet in aerated MFCs was lower than the effect in non-aerated MFCs. The magnetic force effect can be explained by an increased dissolving and diffusion rate of oxygen by the magnetic attractive force acting on oxygen gas. The use of permanent magnets is effective in promoting oxygen reduction. The experiment’s results promote a new method for improving the performance of ML-MFC without consuming energy.

전기화학적 산화환원 전위를 이용한 생물막 공법의 연구

송하수 서경대학교 대학원 2005 국내석사

폐수처리 시스템에서 미생물에 의한 탈질화는 매우 어렵다. 왜냐하면 질산염 환원이 ORP -0.2 Volt 이하에서 이루어지고 C/N도 3이상이기 때문이다. 하지만 일반적으로 호기성 처리 후 유출수의 ORP와 C/N는 각각 -0.2 Volt 보다 크고 1보다 적게 나온다. 그 이유는 아세테이트 또는 메탄올과 같은 유기인 화합물이 미생물에 의한 탈질화에 포함되기 때문이다. 그래서 우리들은 호기성 처리 후 유출수의 유기인 화합물과 미생물에 의한 탈질화의 방법을 개선하기 위하여 생물 전기화학적 반응기를 개발하였다. 반응기는 활성탄으로 코팅된 titanium 양극과 stainless steel 음극으로 구성되었고 양극은 호기성 반응조에 음극은 혐기성 반응조에 설치하였다. 양극에는 5 Volt를 음극에는 12 Volt를 연결하였다. 실험에 사용된 폐수는 실험실에서 인공폐수를 제조하였다. 실험결과 유기화합물의 분해효율과 유출수의 탈질률은 대조군인 전기화학적 장치를 하지 않은 반응기보다 증가하는 것을 알 수 있었다. 산화가 더 높은 ORP에서 활성화된 미생물이 낮은 ORP에서 활성화된 미생물보다 유기물 제거율이 더 좋고 음극에서 생성되는 수소에 의해 활성화된 탈질 미생물이 탈질율이 더 좋다는 것이 본 실험의 원리 이다. In the wastewater treatment system, bacterial denitrification of outflow is very difficult because the dissimilatroy nitrate reduction can be carried out under anaerobic condition below 0.2 volt (vs. NHE) of oxidation-reduction potential (ORP) and the ratio of carbon to nitrogen (C/N ratio) has to be more than about 3. Generally, the C/N ratio and ORP of outflow after aerobic treatment are highly less than 1.0 and higher than 0.2 volt, respectively. This reason why organic compounds such as acetate or methanol have been added to the bacterial denitrification reactor of which reactant is flowed out from aerobic treatment reactor. In this study, we developed a bioelectrochemical reactor to improve the bacterial treatment of organic compounds and bacterial denitrification of outflow. The reactor was composed of titanium anode coasted with active carbon and stainless steel cathode. The anode and cathode were located in aerobic treatment reactor and anaerobic denitrification reactor, respectively. Five volts of oxidation potential was charged to anode and 12 volts of reduction potential was charged to cathode. In test with artificial wastewater composed in laboratory, degradation efficiency of organic compounds and denitrification of outflow were more increased in the electrochemical reactor than those in normal reactor. This is a clue that bacterial oxidation may be activated under higher ORP but bacterial denitrification may be activated under lower ORP and by hydrogen produced from cathode.

Biotechnological applications of white rot fungi for bioremediation of PAHs

이환휘 Graduate School, Korea University 2014 국내박사

환경오염문제는 지역과 국가를 초월하여 전지구적인 문제로 대두되고 있으며, 국내에서 이용되는 발전용 연료나 화석연료의 과다한 사용 등으로 인한 난분해성 오염물질인 다환 방향족 탄화수소(PAHs)가 주로 발생되고 있어 심각한 문제를 야기하고 있다. 이러한 문제해결을 위해 백색부후균을 이용한 PAHs 등의 난분해성 물질 분해 또는 제거에 관한 연구가 증폭되고 있다. 이는 백색부후균이 낮은 기질 특이성으로 인한 리그닌분해효소의 활성으로 목재의 구성성분인 리그닌, 셀룰로오스, 헤미 셀룰로오스를 총체적으로 분해할 수 있는 능력을 지니고 있기 때문이다. 따라서, 본 연구를 통해 백색부후균을 이용한 효과적인 생물학적 환경복원(bioremediation) 적용방법에 대해 평가하였으며, 특히 PAHs의 분해를 위한 다양한 접근전략을 제시하였다. 기본적으로, 총 150점의 백색부후균을 이용하여 염료 탈색능력, 갈산 산화반응, 리그닌 분해효소, PAHs 저항성 등의 평가로 특징을 파악하여 우수 균주를 선별하고 생물공학적 bioremeidation에 적용하였다. 총 150 백색부후균 중, 71.3%의 균주가 10일 안에 RBBR 탈색능력을 보였으며, 22.7%의 균주가 갈산을 산화시켜 갈색 반응을 나타내었다. 이들 중 갈산의 반응을 진한갈색으로 나타낸 6균주와, PAHs의 저항성이 높은 6 균주를 선발하여 PAHs의 생분해 능력을 비교하여 검정하였다. 4종류의 PAHs인, PHE, ANT, FLT, PYR의 분해 실험을 통해, 선발된 모든 균주가 PAHs 분해자로 널리 알려진 Phanerochaete chrysosporium보다 우수한 분해능력을 나타내었다. 또한, 갈산 산화반응으로부터 선발된 균주들이 PAHs 저항성이 높은 균주들 보다 평균적으로 분해능력이 뛰어나다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 갈산 산화반응 방법은 PAHs를 분해하는 우수한 백색부후균을 선발하는 데 있어서, RBBR 염료 탈색능력이나 PAHs 저항성보다도 가장 중요한 방법이라 할 수 있다. 그리고 이들 중, 분해능력이 가장 뛰어난 균주는 Peniophora incarnata KUC8836 였으며, 이 균주를 통한 다양한 bioremediation 접근을 전략적으로 실시하였다. 선발된 우수 균주 중 하나인 Phlebia brevispora KUC9045는 RBBR 탈색과정에서 흥미로운 특성을 나타내었다. 본 균주는 RBBR 탈색과정 시, 노랑과 분홍 빛깔의 두 가지 유형을 보였으며, 이 두 색은 먼저 UV 분광광도계를 이용해 흡광도의 통계적인 차이가 있음을 증명하였다. 균사의 형태학적인 특징 또한 상이하였으며, 특히 단백질량이 노랑빛깔로 탈색된 배지에서 높게 나타났다. 이와 마찬가지로, laccase와 MnP의 생산량도 노랑빛깔로 탈색되는 초기에 높은 수치를 보여, 색 변화와 관련하여 초기 효소 생산량과 밀접한 관련이 있음을 유추할 수 있었다. 무엇보다도, GeneFishing 기술을 이용하여 두 유형의 탈색배지로부터 각각 다른 유전자가 발견되었으며, 이는 탈색과정의 기작을 규명하는 데 중요한 열쇠가 될 수 있을 것으로 사료된다. 선발된 우수 균주 중, 몇 균주를 대상으로 크레오소트 오염토양 내에 잔존하는 PAHs 분해능력을 검정하였다. 16가지 PAHs의 전체 농도는 229 mg Kg-1였으며, 멸균토양에 균주를 접종하였다. 실험결과로, P. incarnata KUC8836가 가장 높은 PAHs 분해율을 보였으며, 함께 선발된 Mycoaciella bispora KUC8201 또한 대조 균주인 Merulius tremellosus(Phlebia tremellosa) KUC9161 보다 우수한 분해능력을 나타내었다. P. incarnata KUC8836은 토양 내의 PAHs 분해과정 중 리그닌 분해효소의 높은 활성을 보였으며, 이는 PAHs의 분해에 직접적으로 영향을 미친 중요한 역할이라 판단된다. 본 연구를 통해 최종 선발된 균주인 P. incarnata KUC8836를 이용하여 PAHs 분해에 관해 경제적이고, 시간을 절약할 수 있는 효과적인 bioremediation 접근법을 제시하였다. 먼저 리그닌 분해효소 활성을 높이기 위해 2 종류의 배지 조건과 4가지의 기질을 이용하여 최적의 조건을 생성하였다. 결과적으로, P. incarnata KUC8836는 질소제한 배지보다 일반적으로 이용되는 2% ME 액체배지에서 효소 활성이 높으며, Tween 80, Cu2+, Mn2+, 그리고 VA의 4가지 물질 중, Tween 80에서 뚜렷한 효소생산량의 증가를 나타내었다. 이러한 조건을 PAH 분해에 적용하여 ANT와 PYR의 분해에서 역시 효과적인 분해를 보이며 최적배지 조건을 확립하였다. Tween 80을 첨가한 ME 배지에서 P. incarnata KUC8836은 50 mg L-1 ANT의 기존 분해능력에 비해 뛰어난 향상을 보이며 15일만에 97.3%의 분해율을 나타내었다. 이와 더불어, MnP의 생산량 증가도 분해율의 향상과 일치하는 경향을 보였다. 또한, 50 mg L-1의 PYR 분해에서도 6일 만에 92% 이상의 분해율을 나타내면서 분해속도를 향상시켰으며, 리그닌 분해효소 활성도 분해 경향성과 일치하였다. 이를 통해, Tween 80은 P. incarnata KUC8836를 이용한 PAHs 분해에서 탁월한 기질임을 시사할 수 있다. 마지막으로, 최근 들어 활발히 진행되고 있는 유전자 기법을 동원하여 laccase, MnP 등의 리그닌 분해효소 유전자를 탐색하고 염기서열을 규명하였다. Laccase 효소 유전자인 pilc1은 PYR의 분해과정에서 생성된 laccase로부터 발견되었다. 또한 MnP 유전자인 pimp1은 ANT 분해 중 생산된 MnP로부터 발견되었다. 이 두 유전자는 모두 full length of cDNA로 염기서열이 규명되었으며, 모두 지금까지 알려지지 않은 새로운 유전자임이 밝혀졌다. 이들 중, pimp1은 제한효소인 EcoRI과 SpeI으로 처리한 후, pESC-URA벡터에 삽입하여 플라스미드를 제조하였고, 이를 Saccharomyces cerevisiae에 형질전환시켜 이형발현을 유도하였다. 형질전환체 균주로부터 MnP의 세포 내/외적 생산을 확인할 수 있었고, 특히 transformant1로부터 가장 높은 수치(3.58 U/mL)의 MnP가 생산되었다. 세포 내적인 MnP발현은 western blot 방법으로 진행되었으며, 44 kDa의 MnP가 생산되었음을 확인하였다. 본 연구로부터, PAHs를 분해하기 위한 생물학적 환경복원 기법이 순차적인 단계를 거친 우수 균주의 선발과 다양한 방법으로의 PAHs 분해 전략 및 유전자적 접근법으로 백색부후균을 이용한 PAHs의 분해 연구에 확장을 이룰 수 있었다. 선발된 우수 균주들과 더불어 최우수 균주로 선발된 P. incarnata KUC8836는 PAHs 뿐 아니라 각종 난분해성 오염물질의 분해에 적용될 수 있으며, 다양한 범위의 오염지역에 적용시킬 수 있는 bioremediation 기술 자원 및 유전공학을 접목시킨 생물공학의 발전을 도모할 수 있다. 또한, 국내에 자생하는 고유 미생물자원으로서의 가치를 확립시키며, 생물자원의 중요성이 대두되고 있는 현시점에서 국가 경쟁력을 뒷받침할 수 있는 유용한 자원으로서 이용이 가능하리라 사료된다. WRF are the most valuable group, and they are capable of lignin degradation by extracellular enzymes due to their low substrate specificity. Hence, practical approaches for bioremediation of PAHs were investigated using WRF. To accomplish effective bioremediation of PAHs, biotechnological applications were sequentially performed by WRF. Basically, 150 white rot fungal isolates were evaluated with their characteristics, which were dye decolorization ability, gallic acid reaction, ligninolytic enzyme activities, and tolerance against PAHs in order to select efficient fungi for effective biotechnological applications. Among 150 WRF, 71.3% of isolates demonstrated rapid decolorization of RBBR within ten days, and 22.7% of isolates oxidized gallic acid to a brown color. Among them, six isolates showed dark brown color as the result of the oxidation of gallic acid, and they were selected to degrade PAHs with the isolates, which were primarily selected via tolerance test to PAHs. And the results of PAHs-degradation indicated that the isolates selected via gallic acid were more important for degradation of PAHs. Gallic acid reaction test was the most important characteristic for selecting fungi that can degrade PAHs. Consequently, gallic acid reaction test was more effective than the RBBR test or the tolerance test for evaluating fungi. Among the selected species, Peniophora incarnata KUC8836 was the greatest degrader of PAHs. One of selected fungus, Phlebia brevispora KUC9045 was used to determine the mechanism of decolorization of RBBR with several characteristics due to the resulting two phenomena of yellowish and pinkish colors during decolorization of RBBR. The two decolorized colors were significantly different according to UV spectrophotometry, and the morphology of hyphae observed in each respective color culture was also entirely different from that of controls. Moreover, the protein was produced with higher efficiency in the yellowish culture than in the pinkish culture. Likewise, both of the two ligninolytic enzymes, laccase and MnP, were remarkably stimulated in the yellowish culture at the beginning of the decolorization. Most interestingly, GeneFishing technology revealed that two genes in the yellowish culture and one gene in the pinkish culture were differentially expressed. Some of the selected species were evaluated to degrade PAHs in creosote contaminated soil, which was sterilized with the concentration of a total PAH (229 mg Kg-1). Peniophora incarnata KUC8836 also demonstrated the significant degradation of PAHs among the WRF, including, Mycoaciella bispora KUC8201, and Merulius tremellosus (Phlebia tremellosa) KUC9161. In addition, ligninolytic enzymes were produced from P. incarnata KUC8836, and they played important roles in degradation of PAHs. The most important and essential aim of bioremediation is cost-effective and time-processing. For achievement more effective bioremediation, optimized condition was determined for induction of ligninolytic enzymes from the selected fungus, P. incarnata KUC8836. The fungus was cultivated on media under nitrogen-limited or ordinary conditions by adding several inducers to the liquid media; Tween 80, Cu2+, Mn2+, and VA. Among a number of conditions, the fungus was stimulated to produce the ligninolytic enzymes by Tween 80 in 2% ME culture condition. For biodegradation of PAHs, the degradation rates of anthracene were elevated up to 97.3% within 15 days with the addition of Tween 80, which enabled P. incarnata KUC8836 to produce much greater amounts of MnP. PYR was also rapidly degraded six days after the addition of Tween 80. The rapid degradation of PAHs was verified using kinetics and half-life values. Thus, Tween 80 was a valuable substance to P. incarnata KUC8836 during bioremediation. Taken together, genetic approaches were investigated for advanced bioremediation of PAHs. Two genes encoding the novel enzyme were ascertained to comprehend the mechanisms of the ligninolytic enzymes involved in the degradation of PAHs. The present study described pilc1 and pimp1 as novel ligninolytic enzyme genes obtained during degradation of PYR and ANT, respectively. And both of the two enzymes were obtained as the full length of cDNA. The genes encoding the ligninolytic enzymes of P. incarnata have not been reported. And pilc1 and pimp1 might be useful for biodegradation and gene expression technologies at a transcriptional level. Moreover, one of the genes, pimp1 was cloned and successfully expressed in the yeast, Saccharomyces cerevisiae for hetelogous expression of MnP. The pimp1 digested with EcoRI and SpeI was inserted to the pESC-URA vector resulting in the recombinant plasmid pESC-URA/pimp1 containing the MnP signal peptide. The recombinant plasmid was then inserted to S. cerevisiae and the transformant was cultured, which were induced with galactose. MnP was significantly secreted into the culture medium as an active protein with higher efficiency (3.58 U/mL) in transformant1 culture than in wild type of S. cerevisiae. And the recombinant protein of MnP was revealed with western blotting analysis as 44 kDa. With these strategies, it was discovered that WRF were effectively selected and applied in order to improve bioremediation of PAHs and they definitely represent powerful prospective tool for bioremediation technologies. And these valuable fungal resources can be represented as a national competitiveness of Korea under the Nagoya protocol initiative. Additionally, P. incarnata KUC8836 has a high potential to be used in the large-scale biodegradation of PAHs, and can be useful for the bioremediation of soil, sediments and other environments contaminated with recalcitrant organic pollutants with its genes involved in ligninolytic enzymes.

염생식물을 사용한 고성능 식물 미생물 연료전지의 개발

김재훈 건국대학교 대학원 2026 국내석사

본 연구는 식물-미생물 연료전지(Plant Microbial Fuel Cell, PMFCs)의 성능 개량과 관련된 것이다. 이를 위하여, 염수의 사용이 가능한 내염성 식물의 적용과 전극 위치 변경 등 다양한 구성요소의 변경을 통하여 높은 내부저항을 감소시키고, 저면관수를 통한 안정적인 운용을 가능하도록 시도하였다. 이 결과를 기존 PMFC와 비교하여 전기적 성능의 우수성을 확인하고자 하였다. 전압 측정으로 식물 급수 방법을 먼저 결정한 후, 일반형, Surface cathode, Vertical cathode, Rhizosphere cathode 네 가지 전극 배치의 전압 및 전류를 비교하여 적합한 PMFC 전극 배치를 결정하였다. 또한 염수 공급 PMFC와 담수 공급 PMFC를 적용하여 세 식물(남천, 스킨답서스, 아이스플랜트)의 광합성 효율, 전압, 전류, 전류밀도, 전력밀도 및 내부저항을 비교하였다. 실험 결과, 저면관수는 두상관수보다 PMFC의 안정성을 높였다. 전극 배치에서는 Rhizosphere cathode 모델이 장기적으로 가장 높은 전압 유지력을 보였다. 염수 공급 실험에서는 내염성이 낮은 남천이 고사하여 가장 낮은 전기적 성능을 보였지만, 아이스플랜트를 적용한 PMFC는 36일 차까지 활성이 유지되며 모든 측정 결과에서 가장 우수한 성능을 나타내었다. 염수를 공급했을 때 담수에 비해 내부저항이 약 88.6% 감소하였으며, 전류밀도는 약 323.0%, 전력밀도는 약 97.0% 증가하였다. 본 연구는 염수와 염생식물의 조합이 PMFC 내부저항을 효과적으로 감소할 수 있음을 확인하였으며, 이를 통해 PMFC 성능 향상의 새로운 방향성을 제시하고자 하였다. This study concerns the performance improvement of Plant Microbial Fuel Cells (PMFCs). Various modifications were attempted, including the application of salt-tolerant plants capable of utilizing saline water and changes in electrode positioning, to reduce high internal resistance and enable stable operation through bottom watering. The results were compared with existing PMFCs to confirm superior electrical performance. After determining the plant watering method based on voltage measurements, the voltage and current were compared across four electrode configurations to identify the optimal PMFC electrode arrangement: Standard, Surface cathode, Vertical cathode, and Rhizosphere cathode. Furthermore, PMFCs supplied with both saline water and fresh water were applied to compare photosynthetic efficiency, voltage, current, current density, power density, and internal resistance for three plants (Nandina domestica, Epipremnum aureum, and Mesembryanthemum crystallinum). Experimental results showed that bottom watering increased PMFC stability compared to top watering. Regarding electrode placement, the Rhizosphere cathode model demonstrated the highest long-term voltage retention. In the salt supply experiment, the less salt-tolerant N. domestica died, showing the lowest electrical performance. However, the PMFC with ice plant maintained activity until day 36 and exhibited the best performance across all measurements. When supplied with saline water, the internal resistance decreased by about 88.6% compared to freshwater, while the current density increased by about 323.0% and the power density by about 97.0%. This study confirmed that the combination of brine and halophytes can effectively reduce the internal resistance of PMFCs, thereby proposing a new direction for enhancing PMFC performance.

Development of a Phage-based Square Planar Inductor System for On-site Detection of Fresh Produce Borne Pathogens : 신선 과채류 유래 식중독균의 현장 검출을 위한 파지 기반의 평판 인덕터 시스템 개발

최인영 경북대학교대학원 2021 국내박사

최근 신선 과채류에 대한 소비가 급격히 증가함에 따라 이와 관련된 식중독의 발병은 2004-2010년(9.2%) 대비 2010–2017년에는 12.7%로 증가되어왔다. 이를 예방하기 위해 미국 FDA에서는 신선 과채류의 재배, 수확, 포장, 보관에 관한 가이드라인을 제시해 왔으나, 생산부터 소비에 이르기까지 전 단계에 걸쳐 식중독균 오염에 노출되어 있고, 단순 세척이나 절단 등 최소가공을 통해 유통 및 섭취되므로 오염된 식중독균을 제거하는 것은 제한적이다. 따라서, 신선 과채류의 미생물학적 안전성을 확보하기 위해서는 실시간 모니터링이 절대적으로 요구된다. 현재 상용화된 면역학적 또는 유전학적 기반의 검출법의 경우, 기존 배지법에 비해 검출 시간을 현저히 단축시켰으나, 시료의 전처리, 숙련된 전문가 및 고가의 장비의 필요성은 현장으로의 적용에 있어 한계로 작용해왔다. 바이오센서는 이와 같은 한계를 보완한 검출법으로 제시되어 오고 있으나, 다중의 식중독균 동시 검출에 적용된 사례가 거의 없고, 경제성, 현장 적용의 어려움 등의 한계를 보이고 있다. 따라서, 이를 극복하기 위해서는 경제적/실용적 측면이 고려된 현장 적용 가능한 동시·신속 검출법의 개발이 절실히 요구된다. 이에 본 연구에서는 항체의 단점(안정성, 생산 비용 등)을 극복하고자 생물학적 수용체로서 파지를 탐색하여 적합성을 규명하였으며, 기존의 마그네토엘라스틱 바이오센서의 원리를 기반으로 한 평판 인덕터 시스템을 구축하고, 최종적으로는 구축된 시스템을 신선 과채류로 적용하여 새로운 검출법으로서의 적합성을 검증하고자 하였다. 본 논문의 제3장에서는 4종의 대표적인 신선 과채류 유래 식중독균(B. cereus, S. aureus, S. Typhimurium, E. coli O157:H7)에 특이적인 각각의 파지를 정제하여 생물학적 수용체로서의 적합성을 검토하였다. 정제된 4종의 파지 모두 10 log PFU/mL 이상의 농도로 정제되었으며, 각각의 파지는 BC 파지, SA 파지, ST 파지, EC 파지로 명명되었다. TEM을 이용하여 분석된 형태학적 특성에 기반하여BC 파지와 SA 파지는 각각 Siphoviridae과와 Myoviridae과로 분류되었다. 54종의 식중독균을 대상으로 dot assay와 EOP test를 진행한 결과, 4종의 파지 모두 species-level에서 높은 특이성을 보여주었다. 또한, 다양한 pH 및 온도에 BC 파지 및 SA파지 각각을 노출시킨 후 파지의 안정성을 비교·검토한 결과, 2종의 파지 모두 비교적 넓은 pH 및 온도 범위에서 안정성이 유지됨을 확인하였다. 뿐만 아니라 각각의 파지를 대상으로 실시한 유전자분석을 통해 신규성을 입증하였으며, 독성인자, 알러지 유발 인자, 항생제 내성 인자를 보유하지 않음을 확인함으로써 안전성을 입증하였다. 다양한 농도(7, 8, 9, 10 log PFU/mL)의 파지를 센서 표면으로 고정화 후 SEM을 이용하여 센서 표면의 파지 밀도를 비교한 결과, 최적의 파지 농도는 9 log PFU/mL으로 결정되었다. 마지막으로 4종의 파지 각각에 대해 다양한 고정화 방법(물리적 흡착법, DTSP 처리법, 11-MUA 및 EDC/NHS 병용 처리법, sucrose 처리법 및 concanavalin A 처리법)을 적용하여 고정화 후 고정화율 및 균 부착 후 비교하였다. BC 파지와 ST 파지의 최적 고정화 방법은 11-MUA와 EDC/NHS 병용 처리법으로, SA 파지와 EC 파지의 최적 고정화 방법은 DTSP 처리법으로 결정이 되었으며, 이들은 기존의 물리적 흡착법에 비해 고정화 효율이 최대 1.6-2.2배 향상됨을 확인하였다. 결론적으로 4종의 파지가 보유한 형태학적 ·생물학적·유전학적 특성은 생물학적 수용체로서의 적합성을 증명할 수 있었으며, 각각의 파지에 대한 최적 고정화 방법을 규명함으로써 효율성을 극대화하였다. 본 논문의 제4장에서는 본 연구의 기본 구성요소인 센서를 다양한 크기(1 mm, 2 mm)로 제작하였으며, base plate, 자동화된 식품 스탠드, H-type frame에 연결된 자석판, 평판 인덕터, 그리고 네트워크 분석기로 구성된 평판 인덕터 시스템을 구축하였다. 제작된 각 크기(1 mm, 2 mm)의 센서에 대해 자석판 사이의 거리를 조절하여 신호 증폭 및 Q-value를 비교·검토한 결과, 최적 거리는 각각 320 mm와 376 mm로 확인되었으며, 각기 다른 크기의 센서를 동시 검출하기 위해서는 두 그래프의 교차점인 350 mm을 최적 거리로 결정하였다. 또한, 제작된 1 mm와 2 mm 크기의 센서를 무작위로 20개씩 선정하여 측정된 센서의 고유의 공진주파수 영역대는 각각 2.25 ± 0.00 MHz와 1.10 ±0.00 MHz로 확인되어 동시 검출에 활용 가능함을 확인하였다. 뿐만 아니라, 하나의 인덕터 상에서 센서의 수를 증가시키면서 신호 증폭을 확인하였을 때 동시에 측정 가능한 최대 센서의 수는 3개로 확인되었으며, 센서 각각의 신호를 분석하기 위해서는 근접한 센서 간의 거리를 1.2 mm 이상 유지할 필요가 있음을 확인하였다. 또한, 제3장에서 검토된 파지들을 기반으로 한 검출 시스템의 특이성을 검토하기 위해 ST 파지와 EC 파지가 각각 고정화된 센서들을 다양한 농도의 대상미생물 순수 배양액, 다양한 농도의 대상 미생물과 고농도(8 log CFU/mL)의 비대상 미생물을 혼합한 혼합액에 반응시킨 후 각 센서의 공진주파수의 변화를 측정하였다. 그 결과, ST파지 및 EC 파지가 고정화된 센서 모두 혼합액에 노출된 센서와 대상 미생물 순수 배양액에 노출된 센서의 공지주파수에 유의적인 차이를 보이지 않음에 따라 본 연구에서 개발된 파지 기반의 센서는 대상 유해미생물만을 특이적으로 검출할 수 있음을 확인하였다. 또한, 식중독균이 존재하는 신선 과채류 표면에서 파지 기반의 센서의 노출 시간에 따른 공진주파수의 변화를 검토한 결과, 최적 노출 시간은 15분으로 결정하였다. 파지 기반의 평판 인덕터 시스템의 적용에 앞서 신선 과채류의 표면특성(거칠기, 소수성 및 기공 수)을 기반으로 군집분석을 통해 4종의 대표 신선 과채류(사과, 배, 깻잎, 시금치)를 선정하고, 대표 신선 과채류 4종에 식중독균을 인위적으로 접종하여 검출능을 비교하였다. 민감도 및 검출한계에서 대표 신선 과채류 4종간의 유의적인 차이는 나타나지 않았으므로 파지 기반의 평판 인덕터 시스템은 신선 과채류의 표면 특성에 관계없이 대상 미생물을 효율적으로 검출할 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 파지 기반의 평판 인덕터 시스템을 이용하여 2종의 대상 식중독균(S. Typhimurium, E. coli O157:H7)이 인위적으로 접종된 대표 신선 과채류 상에서 검출을 진행한 결과, 낮은 검출한계 및 높은 상관계수를 보여주었으므로 성공적으로 대상 미생물을 동시 검출하였음을 확인하였다. 본 논문에서는 정제된 파지들의 생물학적 수용체로서의 적합성을 규명함으로써 4종의 식중독균에 특이적인 파지를 확보하였으며, 센서 공정을 효과적으로 최적화를 통해 180원가량 낮춤으로써 상용화를 위한 기반을 구축하였다. 또한, 구축된 검출시스템은 최대 3개 센서 신호의 동시 분석이 가능하므로 다중의 유해미생물을 15분 이내에 동시 검출이 가능케 하였을 뿐만 아니라, 낮은 검출한계, 높은 신뢰도 및 민감도를 가지는 것으로 확인되었다. 따라서, 개발된 평판 인덕터 시스템은 신선 과채류의 안전성 확보를 위해 분석시간, 비용, 편리성을 향상시킨 새로운 개념의 검출법으로 추후 상용화를 위한 연구를 통해 식품회사, 식품검사 연구실 등에서 활용 가능할 것으로 사료된다.

남해안 돌산도 해역 가두리에서 참전복(Haliotis discus ajnnai Ino)의 성장과 부착생물

서명배 전남대학교 산업대학원 2002 국내석사

본 연구는 가두리를 이용한 전복양식에서 전복의 성장과 생존에 미치는 요인을 조사하기 위하여 남해안 돌산도 해역에서 1999년 11월부터 2년 동안 실시되었다. 전복의 성장속도는 30∼100㎛/day이었으며, 하절기에는 성장이 낮은 것으로 나타났다. 소형 전복(30mm 이하)이 동절기를 보낼 때와 전복패각 부착생물 제거 작업이 늦었을 때도 성장이 낮았다. 전복의 생존율은 1년생 59.8%, 2년생 71.4%, 3년생 73.6%로 1년생의 생존율이 낮았고, 시기별로는 하절기의 생존율이 낮았다. 동절기에 입식하거나, 그물바닥이 편평하게 시설되지 못할 때도 생존율이 나빴다. 가두리 양식장에서 나타나는 부착생물은 13종이었다. 진주담치, 참굴, 따개비, 관덮개꽃지렁이는 수온 증가에 따라 부착량이 증가하여 하절기에 피해를 주었으며, 부착생물이 제거된 10월 이후에는 영향을 주지 않았다. 가두리 양식장의 부착생물은 전복의 성장과 생존에 영향을 주는 것으로 나타났다. 그물과 전복집의 교체시기, 전복패각 부착생물의 제거 시기, 전복의 입식 크기는 전복의 성장과 생존에 영향을 주는 것으로 나타났다. 적절한 먹이처리 방법은 먹이를 통한 부착생물의 유입을 줄일 수 있다고 판단된다. This study was conducted to evaluate the factors affecting the growth and survival of abalone (Haliotis disrus hannai Ino) in the aquaculture using the net cage during two years from November, 1999 off Dolsan-do in southern coast of Korea. The growth rate of abalone was 30∼100 ㎛/day with the lower rate during the summer. The growth rate of smaller abalone (<30mm) was lower during the winter. The delayed removal of attached organisms on the shells reduced the growth rate. The survival of 1-year-old abalone was 59.8%, 2-year-old 71.4%, and 3-year-old 73.6%. The survival rate was lowest during the summer. The survival rate was reduced if the abalone was stocked in winter, or the bottom of the net was not flat. The attached organisms occurred in the net cage culture system were 13 species. The biomass of Mytilus spp., Crassostrea gigas, Chthamalus spp., and Hydroides norvegica increased with water temperature. These organisms had a harmful effect to the abalone during the summer, however removing the attached organisms in October diminished the effect. The attached organisms affected the growth and survival of abalone. The date of changing the nets and shelters and removing the attached animals on the shells, and the stocking size influenced the growth and survival. A proper manipulation of food could minimize the introduction of attached animals during the feeding.

미생물전기화학기술(MET)을 이용한 돼지분뇨의 혐기성 소화 효율 최적화 연구

김선원 仁濟大學校 2020 국내박사

본 연구에서는 돼지분뇨를 대상으로 혐기성 소화효율을 개선할 수 있는 방법을 확보하기 위하여 볏짚과 돈분을 혼합한 혐기성 병합 소화 공정과 미생물전기화학기반의 혐기성 소화 공정 효율을 평가하였다. 먼저, 각기 다른 온도 (35℃ 및 45℃)에서 유기성 부산물인 볏짚의 첨가에 따른 돼지분뇨의 혐기성 병합 소화 효율을 비교하였다. 병합 소화 결과, 볏짚의 첨가로 COD와 TS, VS가 증가하였지만 제거효율은 볏짚을 첨가하지 않았을 때보다 높았다. 바이오가스의 발생량은 TR(45℃, 볏짚 첨가)에서 11,320 mL/L로 나타나 동일한 온도조건에서는 볏짚을 첨가한 경우가 2.4 ~ 2.8배 높게 나타났다. 또한 MR(35℃, 볏짚 첨가, 42.3%)와 TR(40.6%)의 바이오가스 중 메탄 성분비는 상대적으로 낮았지만, 바이오가스 발생량이 높아 MR(4,450 mL/L)와 TR(4,600 mL/L)의 메탄 발생량은 MN(35℃, 볏짚 미첨가, 2,528 mL/L)과 TN(45℃, 볏짚 미첨가, 2,973 mL/L)보다 1.5 ~ 1.8배 높았다. 하지만 볏짚 첨가 조건에서 메탄수율은 미첨가 시료에 비해 낮게 나타났다. 돼지분뇨에 첨가한 볏짚은 혐기성 병합 소화 시 바이오가스 발생량 증가에는 기여하지만, 온도조건에 따라 메탄 분율에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 미생물전기화학기술(MET) 기반의 혐기성 소화실험은 서로 다른 전압(0.1 ~ 0.9V)을 적용하여 35℃의 중온조건에서 운전하였다. MET 기반의 혐기성 소화 시스템의 COD 제거율(69 ~ 72%) 및 TOC 제거율(76 ~ 79%)은 기존 혐기성 소화 시스템(COD 63% 제거, TOC 75% 제거)에 비해 개선되었다. M4(인가전압 0.7 V)에서 메탄생산성(2.96 m3-CH4/m3)과 메탄수율(0.75 m3-CH4/kg-VSremoved)이 가장 높았다. MiSeq 분석을 통해 소화 시스템의 부유미생물과 부착미생물(생물막)의 군집구조가 완전히 다르다는 것을 알았으며, 부유미생물 군집의 종 다양성은 부착미생물 군집보다 더 높았다. 아세트산 영양성 메탄생성균인 Methanosarcina flavescens는 생물막에서 20% 이상(특히, M4의 경우 55%)을 차지하여 가장 우점하여 본 실험의 혐기성 소화 시스템에서 주된 메탄 생성을 담당하는 것으로 나타났다. 따라서 전극과 낮은 전압은 메탄생산경로에 기여하는 미생물군집에 영향을 미쳐 메탄생성반응을 촉진하는 것으로 판단된다.

Pseudomonas fluorescence KNU417의 톨루엔 분해특성과 게껍질을 이용한 충진 바이오필터 개발

權赫滿 江陵大學校 大學院 2007 국내석사

원유에 오염된 토양으로부터 톨루엔을 유일 탄소원 및 에너지원으로 사용할 수 있는 미생물을 분리하였으며 동정결과 Pseudomonas fluorescence였다. 이 미생물의 최적 분해 온도는 30℃였으며 이 온도에 적응한 미생물은 분해하지 못했던 10 ℃에서 17시간 만에 100mg/L의 톨루엔을 완전히 분해하였고 40 ℃ 에서는 30 시간 동안 80 % 정도 분해할 수 있었다. 본 미생물은 20 mg/L의 낮은 톨루엔에 적응시킨 후 100, 200 mg/L 톨루엔에 투입했을때 분해속도가 각각 3.3배, 2.3배가 향상되었으며 분해 하지 못했던 250 mg/L을 넘어 30 mg/L의 톨루엔까지 분해할 수 있었다. pH 는 5.5 ~ 9.0 범위에서 분해 속도에 별다른 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나 pH 4.5에서 톨루엔 분해속도는 확연하게 감소하였다. 이러한 저해 현상은 미생물을 최적 pH인 7.0에 적응을 시킨 후에도 극복하지 못하였다. 따라서 본 미생물을 이용한 생물공정 개발에서는 pH 조절이 가장 중요한 고려사항 중의 하나임을 알 수 있었다. 이 미생물의 질소원으로 암모늄(NH_(4)^(+)) 대신 질산염(NO_(3)^(-))을 사용하였을 때 적응기가 2~10 시간 정도 길어졌고 미생물 수율이 45% 정도 감소하였다. 그러나 적응기가 지난 후의 톨루엔 분해속도에서는 별 차이를 보이지 않았다. 바이오필터 담체로써 게껍질을 선정하였으며 게껍질의 톨루엔 흡착능과 유기물함량은 각각 15.7 mg/g, 53.8 %로 상대적으로 높았으면 게껍질의 12 %가 단백질로 이루어져 있었다. 뿐만 아니라 외벽이 단단하여 담체로서 지지체 역할을 하며, pH를 조절하는 역할을 아울러 수행하였다. 게껍질은 수분함유량이 18.1 %로 다소 낮았지만 수분함유량이 301.2 %인 섬율를 게껍질과 함께 충진하여 바이오필터의 건조를 완화시켜 주도록 하였다. 기상 톨루엔 주입농도와 머루름 시간을 각각 0.8 ~ 1.5 mg/L와 9초 정도로 하여 바이오필터를 운전하였다. 상업용 화학물질을 영양분으로 하는 바이오필터는 1단에서 50 ~ 70 %의 제거효율을 보였으며 2단에서 95%이상 톨루엔을 제거하였다. 부염토 상등댁을 영양분으로 한 바이오필터는 1단에서 운전초기 상업용 화학물질을 영양분으로 하는 바이오필터 보다 제거효율이 10 ~ 20 % 정도 떨어지나 2단을 통해 나오는 톨루엔은 75 ~ 85 % 제거 하였다. 이는 값 싼 부염토가 값 비싼 상업용 화학물질로 된 영양분을 대체할 수 있는 가능성을 보여준다. A microorganism capable of degrading toluene was isolated from crude oil contaminate soil and identified as Pesudomonas fluorescence. The optimum temperature for toluene degradadation was 30 ℃. Although the wild cells were not able to degrade toluene at 10 ℃ and 40 ℃, the cells adapted to toluene at 30 ℃ degrade 100 mg/L of toluene completely at 10 ℃ and 80 % of the toluene at 40 ℃. The 20 mg/L toluene-adapted cells increased toluene degradation rate twice and degraded up to 300 mg/L of toluene. Although the optimum pH was 7.0, the degradation rates were not much different in the range of 5.5 to 9.0. When nitrate was used as a nitrogen source instead of ammonium, the adaptation period became longer by 2 ~ 10 hours and the cell growth yield became lower by 45 %. The toluene degradation rates after adaptation period, however, were almost same in both case. After testing toluene adsorption, water holding and microorganism attachment, crab shell was chosen as a main medium in a biofilter. The crab shell with 53.8 % total organic and 12 % protein content showed 15.7 mg/g toluene adsorption. The crab shell also has relatively rigid structure and ability to neutraliza acidic condition. In order to increase water holding capacity, towel scrapes of which water content was 301.2 % was supplemented in the biofilter. The biofilter was operated under 0.8 ~ 1.5 mg/L inlet toluene concentration and 9 second residence time. While the removal efficiency was over 95%, the effieciency was lowered to 75 ~ 85 % with leaf mold solution as nutrient feeding instead of defined medium.