혐기성 미생물 군집의 동적 변화에 따른 medium chain carboxylic acids 생산 거동 분석

Abstract

바이오매스는 지구 온난화 같은 환경 문제를 해결하면서 동시에 연료 및 화학재료 제조에 필요한 원료를 얻을 수 있다는 점에서 학계와 산업계의 주요 관심사가 되어 왔다.

바이오매스 관련 생산 방식 중 carboxylate platform은 anaerobic한 조건 하에 reverse β-oxidation에 의한 chain elongation이 발생하여 small-chain carboxylic acids(이하 SCCAs)를 medium-chain carboxylic acids(이하 MCCAs)로 전환하며 여러 종류의 volatile fatty acids(이하 VFAs)를 생산하는 방식이다.

본 연구에서는 먼저 음식물 쓰레기 100 g/L와 슬러지 50 mL/L를 혼합하는 방식으로 SCCAs 및 MCCAs의 생산 거동을 관찰하였으며, 그에 따라 미생물 군집을 분석하여 미생물의 조성이 변화하는 과정을 genus level에서 관찰하였다.

다음으로, 활성 슬러지를 음식물 쓰레기와 혼합했을 때의 군집의 핵심 species 조합을 모방하여 Lactobacillus amylovorus, Megasphaera hexanoica, Megasphaera elsdenii의 단독 배양 및 혼합배양 실험을 음식물 쓰레기 함유 배지에서 수행하여 대사산물인 carboxylic acids 및 lactic acid의 생산량 및 소모량을 분석하였다.

마지막으로 Megasphaera hexanoica의 lactic acid 대사를 확인하기 위하여 sodium lactate만을 첨가한 배지와, carboxylic acid의 소듐염과 sodium lactate를 함께 첨가한 배지에 Megasphaera hexanoica를 접종하여 대사산물인 carboxylic acid, lactic acid를 분석하였다.

먼저, 음식물 쓰레기와 활성 슬러지를 혼합한 결과물에서는 초반 MCCAs의 증가가 이루어지는 것이 주요 특징으로 관찰되었으며, 이것은 Megasphaera genus의 활동의 결과물로 추정하였다. 한편, 7, 15, 32일 동결한 슬러지를 각각 음식물 쓰레기에 접종한 결과에서 슬러지 자체 군집에 영향을 주기 위한 동결 기간은 최소한 7일 이상의 동결이 필요함을 확인하였다. 한편, 이후에 실행한 7일 이상 동결한 슬러지를 음식물 쓰레기에 접종하였을 시에는 먼저 lactic acid 증가한 후 다시 감소하고 butyric acid가 증가하였으며, butyric acid 또한 감소하고 이후 MCCAs가 마지막에 생성되었음을 확인하였다.

활성 슬러지를 음식물 쓰레기를 접종하였을 시의 군집 구조를 모방하여 주요 species인 Lactobacillus amylovorus, Megasphaera hexanoica, Megasphaera elsdenii를 음식물 쓰레기 함유 배지에 혼합배양을 실시한 결과, L.amylovorus와 M. hexanoica를 혼합배양한 조건에서는 외부에서 acetate 추가하지 않을 시 lactic acid가 계속 축적되었다. 외부에서 공급한 acetate가 존재할 때 lactic acid와 acetate가 함께 소모되며, VFAs들을 생성하는 경향성을 확인하였다. L. amylovorus와 M. elsdenii 혼합배양 조건에서는 lactic acid가 소모되며, 외부 acetate 투입이 있을 경우 acetate가 감소하면서 butyric acid, petanoic acid, hexanoic acid 등이 생성되는 것을 확인하였다. 한편, 세 미생물 균주를 모두 혼합배양한 결과는 전반적인 경향성이 L. amylovorus와 M. elsdenii를 혼합배양한 결과와 유사함을 확인하였다.

M. hexanoica의 lactic acid 대사를 확인하고자 수행한 실험에서는 해당 미생물이 lactic acid를 대사한다는 것을 재확인하였다. 또한, M. hexanoica가 lactic acid를 소모 시, VFAs들이 그 촉진제가 될 수 있음을 추정하였다.

본 연구를 통해, 슬러지를 동결 전처리를 하여 이를 음식물 쓰레기에 접종함으로써 동결이 미생물 군집 및 대사산물에 미치는 영향을 규명하였다. 또한 슬러지를 음식물 쓰레기에 접종했을 때의 군집 구조를 모방하는 방식으로 음식물 쓰레기를 특정 미생물들의 혼합배양을 통해 바이오화학원료로 전환할 수 있는 사례를 제시하였다. 마지막으로 M. hexanoica의 lactic acid 대사 과정을 촉진시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 본 실험 결과를 활용하여 폐기물인 음식물 쓰레기를 유용한 바이오화학원료 및 바이오연료로 전환하는 연구 및 산업적인 생산에 도움이 될 것이 예상된다.