제올라이트를 이용한 생물막 형성시 미생물의 부착에 금속이 미치는 영향에 관한 연구 = A Study on the Effect of Metals on Bacteria Adhesion to Zeolite as Bio-media Materials

국문 초록 (Abstract)

천연 제올라이트는 효과적인 다공성 구조와 높은 양이온 교환능력을 가지고 있을 뿐 만 아니라 비교적 저렴한 가격으로 인하여 흡착제 및 생물막 담체 등으로 널리 사용되는 물질이다. 본 연구에서는 천연 제올라이트를 이용한 생물막 형성시 제올라이트에 흡착된 금속 양이온$(Na^+,\;Ca^{2+},\;Mg^{2+},\;Al^{3+})$이 미생물의 흡착량에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 검토하였다. 본 실험을 위하여 천연 제올라이트의 양이온 교환능력(cation exchange capacity; CEC)의 10%, 20%, 100%를 금속 양이온으로 치환하여 개질시킨 Metal-modified zeolite(MMZ)를 사용하였고 미생물은 Pseudomonas putida를 계대배양하여 사용하였다. 미생물 흡착실험 결과 MMZ로의 미생물의 흡착량이 천연 제올라이트로의 흡착량 보다 일반적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 즉, 10% CEC의 경우 미생물의 흡착량은 $Mg^{2+}>natural>Na^+>Al^{3+}>Ca^{2+}$, 20% CEC의 경우 $Mg^{2+}>Ca^{2+}>Al^{3+}>natural>Na^+$, 100%의 CEC의 경우 $Ca^{2+}>Mg^{2+}>natural>Al^{3+}>Na^+$의 흡착량을 나타내었다. 특히, 마그네슘으로 개질된 Mg-modified zeolite(Mg-MZ)의 경우 가장 높은 미생물 흡착량을 보였으며 10% CEC로 개질한 경우 천연 제올라이트보다 60% 이상 증가된 흡착량을 나타내었다. 그러나 제올라이트에 흡착된 양이온의 양이 증가할수록 미생물의 흡착량은 감소되는 경향을 나타내었는데, 즉, 10% CEC Mg-MZ의 경우 미생물의 흡착 증가량이 60% 이상이었으나 20% CEC의 경우 50%, 100% CEC의 경우 10%로 흡착 증가량이 감소되었다. 또한 제올라이트에 흡착된 $Mg^{2+}$와 수용액 상에 존재하는 $Mg^{2+}$가 미생물의 흡착량에 미치는 영향을 비교한 결과 제올라이트에 흡착될 수 있는 미생물의 최대흡착량은 큰 차이가 없는 것으로 조사되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Natural zeolite is widely used as sorbents and bio-media materials because it is cheap as well as it has efficient porous structures and large cation exchange. In this study, the effect of metal cations $(Na^+,\;Ca^{2+},\;Mg^{2+},\;Al^{3+})$ adsorbed to natural zeolite on the microorganism attachment was investigated. Metal-modified zeolites (MMZ) were prepared with 0.01 M, 0.02 M and 0.1 M NaCl, $CaCl_2$, $MgCl_2$ and $AlCl_3$ solutions respectively, which concentrations were equivalent to 10%, 20% and 100% of cation exchange capacity (CEC) of natural zeolite. Pseudomonas putida was used as microorganism which was cultivated in Beef Extract Medium at $26^{\circ}C$. The microorganism attachment to MMZ was increased more than natural zeolite. The amount of bacterial adhesion to MMZ and natural zeolite were $Mg^{2+}>natural>Na^+>Al^{3+}>Ca^{2+}$ under 10% of CEC, $Mg^{2+}>Ca^{2+}>Al^{3+}>natural>Na^+$ under 20% of CEC and $Ca^{2+}>Mg^{2+}>natural>Al^{3+}>Na^+$ under 100% of CEC. Especially, Mg-modified zeolite (Mg-MZ) showed the highest amount of bacterial adhesion, which increased the microorganism attachment 60% higher than natural zeolite under 10% of CEC. However, the amount of bacterial adhesion was decreased as the concentration of metal cations modified to zeolite were increased, showing that the increased amounts were 60% under 10% of CEC, 50% under 20% of CEC and 10% under 100% of CEC in Mg-MZ. Additionally, the effect of $Mg^{2+}$ in solution on the bacterial adhesion was investigated in order to compare it with the effect of $Mg^{2+}$ adsorbed to zeolite. The maximum quantity of bacterial adhesion to Mg-MZ was not different from the amount of microorganism attachment to the natural zeolite when $Mg^{2+}$ solution was added.

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