B. cepacia G4와 M. trichosporium OB3b의 TCE 생분해능을 조사한 결과, M. trichosporium OB3b의 최대 반응속도(\( \mathrm{V}_{\max } \))가 약 10배 높아 고농도 TCE를 처리하는데 더 적합함을 확인하였다. TCE는 미생물에게는 성장기질로 사용될 수 없으며, TMO 또는 sMMO에 의한 산화 공동대사 과정을 필요로 한다. 그러나, 이 과정은 TCE의 생분해 속도를 저하시킬 수 있는데, 이는 공급되는 성장기질과 TCE 사이의 경쟁 저해 때문이다. 2단계 CSTR/TBF 시스템은 TCE를 분해하는 TBF 유닛과 불활성화된 생촉매를 재활성화시키는 CSTR로 구성되어 있으며, 이 시스템은 3개월 이상 안정적으로 운영되어 TCE 처리에 효과적임을 보여준다.
<h1>결과 및 토론</h1> <h2>미생물 생촉매 분해능 및 특성 평가</h2> <p>TCE 분해용 생촉매로 가장 많이 사용되는 미생물로는 Burkholderia cepacia G4와 Methylosinus trichosporium OB3b가 있다. Burkholderia cepacia G4와 다양한 pseudomonads 계열의 미생물들은 toluene, phenol 등을 성장기질로 제공하면 TCE 분해능이 있는 toluene monooxygenase (TMO)가 유도발현되며, TMO는 분해대사과정의 첫 번째 산화반응에서 기질과 함께 TCE를 공동대사로 분해한다. B.cepacia G4 유래 TMO의 TCE에 대한 최대 분해속도 \( \left(\mathrm{V}_{\mathrm{max}}\right) \)와 기질 친화도 \( \mathrm{K}_{\mathrm{m}} \)은 각각 \( 10 \sim 20 \mathrm{nmol} / \mathrm{min} \cdot mg~ protein\) 과 \( 3 \sim 10~ \mu \mathrm{M} \)이다. Methane monooxygenase (MMO)는 메탄을 메탄올로 산화시킬 때 공동대사적으로 TCE를 산화시킨다. M. trichosporium OB3b는 배지내에 구리이온이 결핍된 조건에서 TCE 분해능이 우수한 soluble MMO가 생성되며, M. trichosporium OB3b의 \( \mathrm{V}_{\max } \) 및 \( \mathrm{K}_{\mathrm{m}} \)은 각각 \( 450 \mathrm{nmol} / \mathrm{min} \cdot \mathrm{mg~ protein} \) 및 \( 45~ \mu \mathrm{M} \) 수준이다.</p> <p>B. cepacia G4와 M. trichosporium OB3b의 TCE 생분해능 및 특성을 평가해 보면, \( \mathrm{V}_{\max } \)는 M. trichosporium OB3b가 10 배정도 높아 고농도의 TCE를 함유하고 있는 산업폐가스 처리에는 M. trichosporium OB3b가 효율적으로 사용될 수 있음을 알 수 있다. 반면에 \( \mathrm{K}_{\mathrm{m}} \)값 역시 M. trichosporium OB3b의 경우 \( 145~ \mu \mathrm{~M} \)로 B. cepacia G4의 \( 3 \sim 10~ \mu \mathrm{~M} \)에 비해 높아 오히려 낮은 농도의 TCE 처리에는 B. cepacia G4가 효과적으로 사용될 수 있다. B. cepacia G4는 TCE 독성에 덜 민감하기도 하고, 성장속도가 M. trichosporium OB3b에 비해 빠르므로 생분해능 재활성이 용이하다는 장점도 있으므로 낮은 농도의 TCE 처리에 이용될 수 있을 것으로 평가할 수 있다.</p> <h2>공동대사를 이용한 TCE 처리에서의 문제점</h2> <p>미생물은 TCE를 성장기질로 사용하지 못하므로 다른 성장기질이 TMO 또는 sMMO에 의해 산화될 때 같이 산화되는 공동대사 과정을 거쳐야만 분해될 수 있다. 그러나, 이러한 공동대사는 공급되는 성장기질과 TCE 사이에 심한 경쟁저해가 유발되어 TCE 생분해 속도가 저하되어 반응기 효율이 낮아질 수 있다.</p> <p>이러한 기질 경쟁저해를 막기 위하여 성장기질을 공급하지 않는 경우 TCE 분해과정에서 TCE 및 독성 분해산물에 의해 TMO 또는 sMMO의 활성 저하와 세포 활성 저하가 일어나 시간이 경과함에 따라 TCE 분해 효율이 급격히 감소된다. TCE와의 경쟁적 저해를 최소화하는 최적 농도의 성장기질을 공급하여 TCE 분해능 및 반응기 운전 안정성을 향상시킨 연구 결과들이 보고되었으나, 장기간 동안 TCE를 처리할 수는 없었다. 이러한 문제점을 구복할 수 있는 반응기 시스탬으로 parallel TBF system을 늘 수 있다. 이 시스템은 두 개의 TBF 반응기를 병렬로 연결하여, 한 쪽 TBF에서 TCE론 처리하는 동안 다른 쪽 TBF에서는 불활성화된 미생물막을 재활성화시키고, 이와 간은 반옹기 운전을 교대로 반복적으로 운영함으로써 TCE 제거효율을 안정적으로 약 \( 50 \% \)이상 유지할 수 있었으며, 비표적 낮은 농도 \( \left(2 \sim 4 \mathrm{ppm}_{\mathrm{v}}\right) \)에서는 \( 100 \% \) 수준의 처리효율을 안정적으로 얻은 결과가 보고되었다. 그러나, 이 시스템은 처리효율이 낮은 편이기 때문에 보다 높은 처리 효울을 가지면서 공동대사의 상반적 특성을 해결할 수 있는 반응기 시스템 개발이 필요하다고 평가할 수 있다.</p> <h2>2단계 CSTR/TBF 시스템을 이용한 연속적 TCE 처리기술 평가</h2> <p>일반적으로 산업체에서 발생하는 폐가스는 연속적으로 배출되며 농도가 높은 편이므로 장기간 안징되게 높은 농도의 TCE률 처리할 수 있는 생물반응기 시스템 개발이 요구되고 있다. 이러한 목적에 부합될 수 있는 반응기 시스템이 2단계 CSTR/TBF 시스템이라고 할 수 있다. 2단계 CSTR/TBF 시스템은 TCE 분해를 위한 TBF uint와 TCE 분해과정에서 불활성화된 생촉매를 재활성화시키는 CSTR을 연결시킨 시스템이다. 폐가스에 포함된 TCE는 공기와 함께 공급되면서 TBF 단위 반응기에서 미생물막에 의해 분해된다. 분해과정에서 불활성화된 생촉매는 유일탄소원으로 phenol(for B. cepacia) 또는 methane(for M. trichosporium)과 다른 배지 성분이 공급되는 CSTR에서 재활성화된 다음 다시 TBF 단위 반응기로 재순환될 수 있도록 구성되어 있다. 성장기질은 CSTR반응기에만 공급되고 TBF에는 공급되지 않으므로 경쟁저해 현상을 막을 수 있어 TCE 분해 효율을 높일 수 있다.</p> <p>B. cepacia를 생촉매로 사용한 2단계 CSTR/TBF 시스템의 성능을 평가해 보면, 유입부 TCE 농도가 \( 15 \mathrm{~ppm}_{\mathrm{v}} \) 수준의 고농도에서도 \( 100 \% \) 수준의 처리능력을 보여주고 있음을 알 수 있다. 유입부 TCE 농도가 \( 18 \mathrm{~ppm}_{\mathrm{v}} \) 수준에서는 CSTR에서 TBF로 공급되는 세포 배양액 순환속도를 \( 40 \mathrm{~ml} / \mathrm{min} \)로 높여주거나, 또는 EBRT(empty bed residence time)를 \( 9.8 \mathrm{~min} \)으로 높이면 \( 18 \mathrm{~ppm}_{\mathrm{v}} \) 수준의 유입 TCE 농도.에서도 \( 100 \% \)의 효율을 얻을 수 있었다. 반응기 운전 기간과 관련하여 기존 연구 결과와 비교해 보면, 1단계 TBF는 수일 정도만 안정되게 운전되는 반면, 2단계 CSTR/TBF 시스템은 3개월 이상의 상기간 운전에서도 안정된 TCE 처리효율을 보여 주고 있어 연속적인 TCE 처리가 가능한 시스템으로 평가할 수 있다.</p>