표제지
목차
감사의글 16
Part I. 고온성 미생물에 의한 고온 황화수소 제거 18
논문개요 18
I. 서론 20
II. 이론적 고찰 22
2.1. 황화계 악취물질의 특성 22
2.1.1. 악취의 정의 및 물리 화학적 특성 22
2.1.2. 악취의 발생원 25
2.1.3. 악취의 인체 유해성 및 오염사례 26
2.2. 악취 규제 기준 27
2.2.1. 국내 악취 기준 27
2.2.2. 국외 악취 기준 30
2.3. 악취 저감 기술 31
2.3.1. 악취 저감 기술의 장·단점 비교 31
2.3.2. Biofilter를 이용한 탈취기술 34
2.4. 미생물에 의한 탈취 mechanism 38
2.5. 황산화 세균의 특성 39
2.6. 고온균의 특성 몇 고온·고내염생 탈취 균주의 필요성 41
III. 실험재료 및 방법 45
3.1. 우수 고온 탈취미생물의 분리 및 특성 45
3.1.1. 황산화능이 우수한 고온탈취 미생물의 분리 및 특성 45
배지 및 농화 배양 45
황산화능이 우수한 고온탈취미생물의 선별 47
Yeast extract, 탄소원, 온도, pH 및 염농도에 따른 영향 49
3.1.2. 고농도 염에 대해 내성을 지닌 고온탈취미생물의 분리 및 특성 50
배지 및 농화 배양 50
고농도 염에 대해 내성을 지닌 고온성 탈취미생물의 선별 50
염농도, 온도 및 pH의 영향 51
3.2. 분자생물학적 기법을 이용한 고온성 탈취미생물의 동정 52
3.3. 고온성 탈취미생물의 황화수소 분해능 조사 53
3.4. 고온성 탈취미생물이 부착된 biofilter에서의 농화배양 55
3.5. 고온성 탈취미생물의 황화수소 제거 동역학 57
IV. 결과 및 고찰 59
4.1. 우수 고온 탈취미생물의 분리 및 특성 59
4.1.1. 황산화능이 우수한 고온탈취 미생물 TSO3 균주의 분리 및 특성 59
농화배양 및 선별 59
Yeast extract, 탄소원, 온도, pH 및 염농도의 영향 62
4.1.2. 고농도 고내염성 고온탈취미생물 THS61 균주의 분리 및 특성 69
농화배양 및 선별 69
염농도, 온도 및 pH의 영향 72
4.2. 분자생물학적 기법을 이용한 우수 고온탈취미생물의 동정 76
4.2.1. 황산화능이 우수한 고온탈취미생물 TSO3 균주의 동정 76
4.2.2. 고농도 염에 대해 내성을 지닌 고온탈취미생물 THS61 균주의 동정 78
4.3. 우수 고온탈취미생물을 이용한 황화수소 분해능 81
4.3.1. 우수 황산화 균주 TSO3의 황화수소 분해능 81
4.3.2. 고내염 탈취 균주 THS61의 황화수소 분해능 84
4.4. 우수 고온탈취미생물이 부착된 biofilter를 이용한 황화수소 악취제거 86
4.4.1/4.3.1. 우수 황산화 균주 TSO3가 부착된 biofilter를 이용한 황화수소 악취제거 86
4.4.2/4.3.2. 고내염 탈취 균주 THS61가 부착된 biofilter를 이용한 황화수소 악취제거 88
4.5. 우수 고온탈취미생물의 황화수소 제거 동역학 90
4.5.1. 우수 탈취균주 TSO3와 THS61의 황화수소 제거 동역학 90
4.5.2. 중온성 탈취균주와의 황화수소 제거능 비교 93
V. 결론 95
참고문헌 97
Abstract 105
Part II. 황산염 환원균의 황산염 환원 활성에 미치는 중금속의 영향 107
논문개요 107
I. 서론 109
II. 이론적 고찰 111
2.1. 혐기성 환경에서의 황산염의 거동 111
2.2. 중금속이 함유된 산성광산배수의 특성 및 오염현황 114
2.2.1. 산성광산배수의 정의 114
2.2.2. 산성광산배수의 생성 115
2.2.3. 산성광산배수의 영향 119
2.2.4. 산성광산배수의 오염 현황 119
2.3. 중금속으로 오염된 산생광산배수의 처리 121
2.3.1. 산성광산배수의 물리·화학적 처리 121
2.3.2. 산성광산배수의 생물학적 처리 122
2.4. 황산염 환원균을 이용한 중금속으로 오염될 산성광산배수 처리법 124
2.4.1. 황산염 환원균을 이용한 중금속 침전 제거 기작 124
2.4.2. 화학적인 수산화물 형태의 중금속 침전법과의 비교 124
2.4.3. 화학적인 황화물 형태의 중금속 침전법과의 비교 126
2.5. 황산염 환원균의 생리학적·계통발생학적 특성 127
III. 실험재료 및 방법 136
3.1. 황산염 환원균의 분리, 동정 및 특성 연구 136
3.1.1. 농화 배양 및 배지 136
3.1.2. 황산염 환원균의 탄소원에 따른 영향 138
3.1.3. 농화배양액의 미생물 군집 분석 138
3.2. 황산염 환원균의 황산염 환원 활성에 미치는 단일 중금속의 영향 145
3.2.1. 황산염 환원균을 이용한 단일 중금속 내성 조사 방법 145
3.2.2. 분석방법 146
3.3. 황산염 환원균의 황산염 환원 활성에 미치는 혼합 중금속의 영향 147
3.3.1. 표면반응법을 이용한 삼성분계 중금속의 영향 147
3.3.2. 분석방법 148
IV. 결과 및 고찰 149
4.1. 황산염 환원균의 특성 149
4.1.1. 농화배양 및 선별 149
4.1.2. 황산염 환원균의 탄소원에 따른 영향 150
4.1.3. 농화배양액의 미생물 군집 분석 150
4.2. 황산염 환원균의 황산염 환원에 미치는 단일 중금속 내생 157
4.2.1. 황산염 환원균의 단일 중금속 첨가량에 따른 황산염 농도 변화 157
4.2.2. 황산염 환원균의 단일 중금속 첨가량에 따른 중금속 농도 변화 161
4.2.3. 최대 황산염 환원량과 황산염 환원속도 비교 165
4.2.4. 중금속과 황화물과의 친화력 비교 171
4.3. 황산염 환원균의 황산염 환원에 미치는 혼합 중금속 내성 177
4.3.1. 황산염 환원균의 혼합 중금속 첨가량에 따른 황산염 농도 변화 177
4.3.2. 황산염 환원균의 혼합 중금속 첨가량에 따른 중금속 농도 변화 183
4.3.3. 최대 황산염 환원량과 황산염 환원속도 비교 186
4.3.4. 중금속과 황화물과의 친화력 비교 192
V. 결론 198
참고문헌 200
Abstract 210
부록 213
Part I. 고온성 미생물에 의한 고온 황화수소 제거 10
Table 2.1. Physicochemical characteristics of main odor compound 23
Table 2.2. The category scaes to measure odor intensity 24
Table 2.3. The concentraton and odor itnsit of sulfur compounds 25
Table 2.4. A summary of exposure concentraton and observe effects 27
Table 2.5. Odor reguations on Korea (Unit: mg/S㎥). National ambient air quality standards, 2003 29
Table 2.6. H₂S regulations on national (Unit: mg/S㎥) 30
Table 2.7. Comparision of waste gas contol tehnology 33
Table 2.8. Classificaton of bioreactors for waste gas purification 34
Table 2.9. Biologia conversions important in biofitration of odorous compounds ( Dennis and John, 2000) 35
Table 2.10. Species and genera of thermophilic bacteria discovered in recent years. (Brock, 1986) 44
Table 3.1. Chemical composition of media 46
Table 3.2. Analytical conditions for ion chromatography 47
Table 3.3. Analytica conditons for gas chromatography 54
Table 4.1. The specific growth rate of strain TS03 at vaous pH 69
Table 4.2. The specifc growth rate of strain THS61 at various pH 75
Table 4.3. Nearest Genbank relative of organisms represented by 16S-rDNA sequences identified in strain TS03 77
Table 4.4. Summary of phylogenetic diversity based on 16S-rDNA sequences identified in strain TS03 77
Table 4.5. Nearest Genbank relative of organisms represented by 16S-rDNA sequences identified in strain THS61 78
Table 4.6. Summray of phylogenetic diversity based on 16S-rDNA sequences identified in strain THS61 79
Table 4.7. Comparison of H2S maximum removal rate 93
Part II. 황산염 환원균의 황산염 환원 활성에 미치는 중금속의 영향 11
Table 2.1. Theoretical solubilities of hydroxides and sulfides of heavy metals in pure water (Lanouette et al., 1980) 125
Table 2.2. Important characters in the classification of representative sulfate-reducing bacteria 130
Table 3.1. Chemical compositions of A medium 137
Table 3.2. Chemical compositions of B medium 137
Table 3.3. Touch Down PCR condition 140
Table 3.4. Nest PCR condition 141
Table 3.5. Chemical composition of LB- Amp. medium 142
Table 3.6. Chemical composition of SOC medium 143
Table 3.7. Formula weight of metal ions used in this study 145
Table 3.8. Analytical conditions for ion chromatography 146
Table 3.9. Tolerance level for single metal ions 147
Table 3.10. Experimental condition for tri-mixture metals effect 148
Table 4.1. Summary of phylogenetic diversity of clones based on 16S rDNA sequence 155
Table 4.2. Heavy metal toxicity to sufate reducing bacteria (SRB) 176
Table 4.3. Effect of tri-mixture metals by surface method 184
Part I. 고온성 미생물에 의한 고온 황화수소 제거 12
Fig. 2.1. Applicability of various air pollution control technologies based on air flow rates and concentrations to be treated 32
Fig. 2.2. Internal mechanisms of a biofilter. Contaminated air (CG) passes through the filter bed medium (compost, peat, soil, etc.) with oxygen (O₂) and sorbs into a microbial biofilm/ liquid phase...(이미지참조) 36
Fig. 2.3. Adsorption of odors and regeneraton of active sits 37
Fig. 2.4. Schematic diagram of deodorization mechanism 38
Fig. 2.5. H₂S decompositon pathway by Tiobacillus sp 40
Fig. 2.6. Phylogeny of microorganism. (Brock et al., 1986) 41
Fig. 3.1. Procedure for enrichment culture of isolaton of termophilic sulfur oxidizing bacteria 48
Fig. 3.2. Image of the packng materias of biofilter. Scale bar 10 mm 55
Fig. 3.3. Schematic diagram of laboratory-scale biofilter apparatus (a) and laboratory-scale biofilter (100 mm Φ x 250 mm H) inoculated with the isolates... 56
Fig. 4.1. Time profiles of pH and sulfate concentration during the cultivation of a thermophilic H₂S degrading consortium in SOB, SOB-YE, MW, and MW-YE media. ●, SOB medium; ○... 60
Fig. 4.2. Time profiles of pH and sulfate concentration during the cultivation of a thermophilic H₂S degrading consortium in SOB-YE medium 61
Fig. 4.3. Time profiles of OD and sulfate concentration as yeast extract additives. Yeast extract additives: ●, 0g; ○, 1g; ▼, 5g; ▽, 10g 64
Fig. 4.4. Effect of yeast extract concentration on the growth and sulfur oxidation rates, ●, Specific growth rate; □, Sulfur oxidation rate 65
Fig. 4.5. Time profiles of OD and sulfate concentration as various carbon sources ●, SOB-YE; ○, Glucose; ▽, Sucrose; ▼, Peptone 66
Fig. 4.6. Effect of additives on the growth and sulfur oxidation rates. YE, Yeast extract; □ , Specific growth rate; (Unit: mg/S㎥), Sulfur oxidation rate(이미지참조) 67
Fig. 4.7. The specific growth rate of strain TS03 at various temperature 68
Fig. 4.8. Specific growth rate of Bacillus sp. TS03 at various NaCI concentrations 68
Fig. 4.9. Time profiles of pH, OD and sulfate concentration during cultivation of a thermophilic H₂S degrading consortium ○, SOB-YE medium; ●, SOB medium 71
Fig. 4.10. Specific growth rate of bacillus sp. THS61 at various NaCl concentrations 74
Fig. 4.11. The specific growth rate of strain THS61 at various temperature 74
Fig. 4.12. H₂S degradation and sulfate accumulation in the culture broth. YE addition: 200 mL of 0.5% yeast extract solution. ●, Inlet; ○. TS03; ▼, Control 83
Fig. 4.13. H₂S degradation and sulfate accumulation in the culture broth YE addition: 200 mL of 0.5% yeast extract solution. ●, Inlet; ○, THS61; ▽. Control 85
Fig. 4.14. Time profile of H₂S concentration, sulfate concentration and OD by biofilter inoculated with Bacillus sp. TS03 ●, Inlet; ○, TS03; ▽, Control, (c) 1, 2, 3, 4, 200 mL of 0.5% yeast extract solution; 4, 1... 87
Fig. 4.15. Time profile of H₂S concentration, sulfate concentration and OD by biofilter inoculated with Bacillus sp. THS61. ●, Inlet; ○, THS61; ▽, Control; (c): 1, 2, 3, 4, 200 mL of 0.5% yeast extract solution... 89
Fig. 4.16. Kinetic analysis of H₂S degradation in the biofilter inoculated with Bacillus sp.. (a): Strain TS03, r = 0.93, Vmax = 207.9 g-S·m-³·h-¹, K₂=170.8 ㎕/L, (b):...(이미지참조) 92
Part II. 황산염 환원균의 황산염 환원 활성에 미치는 중금속의 영향 14
Fig. 2.1. The sulfur cycle (Wide arrow: Pathway by anaerobic bacteria) 113
Fig. 2.2. Phylogenetic tree for the Gram-negative mesophilic SRB, with emphasis on the family desulfovibrionaceae. numbers before branch points represent percentages of bootstrap resampling... 131
Fig. 2.3. Phylogenetic tree for the Gram-negative mesophilic SRB, with emphasis on the family desulfobacteriaceae. numbers before branch points represent percentages of bootstrap resampling... 132
Fig. 2.4. Phylogenetic tree for the genus desulfotomaculum within the cluster of low G+C content Gram-positive bacteria. numbers before branch points represent percentages of bootstrap... 133
Fig. 2.5. Phylogenetic relationships of Gram-negative bacterial thermophilic SRB with other Bacterial and Archaeal groups. numbers before branch points represent percentages of... 134
Fig. 2.6. Phylogenetic position of archaeal thermophilic SRB. numbers before branch points represent percentages of bootstrap resampling based on 1000 trees. bootstrap values below 50% are... 135
Fig. 4.1. The blackening(ferrous sulfide precipitate) by sulfate reducing bacteria 149
Fig. 4.2. The agaose gel electrophoresis of genomic DNA, first(firtst) and second PCR product from sulfate reducing consortium. Lane 1, size marker;, 2, genomic DNA (mSRB); Lane 3, genomic DNA... 153
Fig. 4.3. DGGE patterns of sulfate reducing consortium which was amplified targeting V3 region of bacteria. the name of sample are indicated for... 154
Fig. 4.4. Dendrogram showing the phyogenetic relationship of clone sequences(shown in bold) with reference strains 156
Fig. 4.5. Time profile of sulfate concentrations in the media for different amended with heavy metal. (a) Cu² concentration (mM); ●, 0 mM; #, 0.2 mM; ▼, 04 mM... 159
Fig. 4.6. Time profile of sulfate concentrations in the media for different amended with heavy metal. (a) Pb² concentration (mM): ●, 0 mM; ○, 0.40 mM; ▼, 0.75 mM; ▽, 1.00 mM... 160
Fig. 4.7. Heavy metal insolubilization by sulfate reducing bacteria. (a) Cu² concentration (mM): □, 0.2 mM; ■, 0.4 mM; ■, 0.6 mM; ■, 0.75 mM; ■, 1.0 mM; ■, 2.0 mM...(이미지참조) 163
Fig. 4.8. Heavy metal insolubilization by sulfate reducing bacteria. (a) Pb² concentration (mM): □, 0.40 mM; ■, 0.75 mM; ■, 1.00 mM; ■, 1.50 mM; ■, 2.50 mM; ■, 3.50... (이미지참조) 164
Fig. 4.9. Effect of Cu²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria(이미지참조) 167
Fig. 4.10. Effect of Cd²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria(이미지참조) 168
Fig. 4.11. Effect of Pb²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria(이미지참조) 169
Fig. 4.12. Effect of Zn²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria(이미지참조) 170
Fig. 4.13. Comparison of metal/sulfur ratio. (a) Cu/s, (b) Cd/S, (c) Pb/S, (d) Zn/S 174
Fig. 4.14. Mechanism of metal sulfide inhibition (a) Active Cell, (b) Precipitation in cell vicinity, (c) Inhibited cell (Utgikar et al., 2002) 175
Fig. 4.15. Time profile of sulfate concentrations in the media supplemented with Cu²+, Cd²+ and Pb²+ mixture. Cu²+/Cd²/Pb²+ concentration (mM): (a) ●, no added; ○...(이미지참조) 179
Fig. 4.16. Time profile of sulfate concentrations in the media supplemented with Zn²+, Cu²+ and Cd²+ mixture. Zn²+/Cu²+/Cd²+ concentration (mM): (a) ●, no added; ○...(이미지참조) 180
Fig. 4.17. Time profile of sulfate concentrations in the media supplemented with Zn²+, Cu²+ and Pb²+ mixture. Zn²+/Cu²+/Pb²+ concentration (mM): (a) ●, no added; ○...(이미지참조) 181
Fig. 4.18. Time profile of sulfate concentrations in the media supplemented with Zn²+, Cd²+ and Pb² mixture. Zn²+/Cd²+/Pb²+ concentration (mM): (a) ●, no added; ○...(이미지참조) 182
Fig. 4.19. Effect of Cu²+/Cd²+/Pb²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria. Cu²+/Cd²+/Pb²+ concentration: a , no added, b, 0.4/0.3/0.6; c, 0/0.3/0.6; d...(이미지참조) 188
Fig. 4.20. Effect of Zn²+/Cu²+/Cd²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria. Zn²+/Cu²+/Cd²+ concentration: a , no added, b, 6/0.4/0.3; c, 0/0.4/0.3; d...(이미지참조) 189
Fig. 4.21. Effect of Zn²+/Cu²+/Pb²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria. Zn²+/Cu²+/Pb²+ concentration: a , no added, b, 6/0.4/0.6; c, 0/0.4/0.6; d...(이미지참조) 190
Fig. 4.22. Effect of Zn²+/Cd²+/Pb²+ concentrations on the sulfate reduction rates by sulfate-reducing bacteria. Zn²+/Cd²+/Pb²+ concentration: a , no added, b, 6/0.3/0.6; c, 0/0.3/0.6; d...(이미지참조) 191
Fig. 4.23. Comparison of metal/sulur ratio. Cu/Cd/Pb mixture: a, 0.4/0.3/0.6; b, 0/0.3/0.6; c, 0.75/0.3/0.6; d, 0.4/0/0.6; e, 0.4/1.0/0.6; f, 0.4/0.3/0; g, 0.4/0.3/1.5; h...(이미지참조) 193
Fig. 4.24. Comparison of metal/sulur ratio. Zn²+/Cu²+/Cd²+ concentration: a, 6/0.4/0.3; b, 0/0.4/0.3; c, 10/0.4/0.3; d, 6/0/0.3; e, 6/0.75/0.3; f, 6/0.4/0; g...(이미지참조) 194
Fig. 4.25. Comparison of metal/sulur ratio. Zn²+/Cu²+/Pb²+ concentration: a, 6/0.4/0.6; b, 0/0.4/0.6; c, 10/0.4/0.6; d, 6/0/0.6; e, 6/0.75/0.6; f, 6/0.4/0; g...(이미지참조) 195
Fig. 4.26. Comparison of metal/sulur ratio. Zn²+/Cd²+/Pb²+ concentration: a, 6/0.3/0.6; b, 0/0.3/0.6; c, 10/0.3/0.6; d, 6/0/0.6; e, 6/1.0/0.6; f, 6/0.3/0; g...(이미지참조) 196