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웹진 Vol.24, No.10 (2022년 10월) 발간
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양돈 축산 폐수와 폐수 내 병원성 박테리아를 동시에 정화하는 미세조류 활용 기술 개발
생명과학 한국생명공학연구원 (2022-09-21)

국내 연구진이 미세조류를 활용하여 양돈 축사의 폐수를 정화하면서도 폐수 내 병원성 박테리아까지 감소시키는 기술을 개발하였다.

한국생명공학연구원 세포공장연구센터 안치용 박사팀은 양돈 농가에서 발생하는 폐수를 별도의 희석과정 없이도 정화하는 동시에 폐수 내 박테리아도 효과적으로 제어할 수 있는 미세조류 활용 기술 개발에 성공하였다고 밝혔다.

이를 통해 축산 폐수로 인한 환경오염 문제해결과 공중보건 증진에 이바지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

소득수준 향상과 식생활 변화로 축산물 소비량은 꾸준히 증가 1인당 돈육 소비량(단위 : kg) : 6.3(ʼ80) → 11.8(ʼ90) → 16.5(ʼ00) → 19.3(ʼ10) → 22.5(ʼ15) → 27.0(ʼ18)
하고 있으며 이에 비례한 사육 규모의 확대 돼지사육 마릿수(단위 : 천 마리) : 2,853(ʼ85) → 6,461(ʼ95) → 8,962(ʼ05) → 10,187(ʼ15) → 11,365(ʼ20)
 * 출처 : 통계로 본 축산업 구조 변화(통계청, 2020.12)
로 축산 폐수 또한 늘어나고 있어 이로 인한 환경오염이 사회문제로 대두되고 있다.

특히, 축산폐수는 고농도의 유기물과 난분해성 유기물, 질소, 인 등을 포함하고 있어 이를 처리하기 위해서는 기술적, 경제적인 어려움이 크다.

축산폐수는 정화시설에서 처리 공정을 거쳐 배출하지만, 이 과정에서 병원성 박테리아를 제어하기 위해 오존처리와 같은 추가 공정으로 비용과 시간이 증가하는 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하고 나아가 바이오연료나 유용물질을 생산할 수 있는 바이오매스까지 확보하기 위해 미세조류를 이용한 폐수처리 공정개발이 추진되고 있지만, 병원성 박테리아까지 제어할 수 있는 기술은 개발된 바가 없다.

연구팀은 고농도 암모니아성 질소 제거에 특화된 것으로 알려진 Coelastrella라는 미세조류를 질소 결핍 상태로 만들어 축산 폐수의 영양염을 보다 많이 흡수할 수 있도록 하였다.

개발된 미세조류는 실험실 환경에서는 암모니아의 99%와 화학적 산소요구량(chemical oxygen demand, COD)의 92%를 제거하였으며, 파일럿 규모에서도 실험실 환경의 80% 수준에 달하는 정화 효과가 있는 것을 확인하였다.

연구팀이 개발한 미세조류는 폐수 내 병원성 박테리아의 성장도 저해하였다.

정화된 폐수를 차세대 염기서열 분석으로 확인한 결과 폐수 내 박테리아의 다양성이 높아졌으며, 특히 요도감염을 유발하는 Oligella 계열의 병원성 박테리아가 현저히 감소함을 발견하였다.

연구책임자인 안치용 박사는 “미세조류를 활용한 양돈폐수 처리는 폐수 영양염을 바이오연료의 원료 즉, 바이오매스로의 전환 기술인 바이오-리파이너리(bio-refinery)와 폐수 내 병원성 박테리아의 효율적 제어라는 두 마리 토끼를 함께 잡은 연구”라며, 

“향후 더욱 다양한 축산 기반 폐수에 적용한다면 기존 폐수처리 시스템에 버금가는 폐수 고도처리 공정으로 발전될 수 있다”라고 밝혔다.

이번 연구는 마이크로바이옴 분야의 세계적인 저널인 Microbiome (IF 16.837) 2022년 08월 31일자 온라인 판에 게재되었으며, 
(논문명 : Extra benefit of microalgae in raw piggery wastewater treatment: pathogen reduction / 교신저자 : 안치용 박사 / 제1저자 : 이상아․김민식 박사)

과학기술정보통신부의 유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업과 한국생명공학연구원의 주요사업의 지원으로 수행되었다.
 

연   구   결   과   개   요

□ 연구배경

 ○ 산업혁명 이후로 10억 명이었던 지구의 인구수는 현재 80억 명으로 급격히 증가하였음. 따라서 전 세계적 육류 소비량의 증가 동시에 가축 분뇨 폐수 (livestock wastewater) 또한 급격히 증가하고 있음. 

 ○ 가축 분뇨 중, 돈폐수의 경우 완벽히 처리되지 않고 강으로 방류될 경우 수생생물 독성을 유발하는 암모니아 및 병원성 박테리아가 다량 포함되어 있어 확실한 처리가 요구됨. 

 ○ 본 연구는 기존 실험실 수준에서 확보한 미세조류 돈폐수 처리 공정을 파일럿(pilot) 규모로 확장하여 미세조류 돈폐수 처리 공정의 산업적 실행 가능성을 평가함과 동시에 돈폐수 내 병원성 박테리아가 효과적으로 제거됨을 메타지놈 분석을 통해 규명하고자 본 연구를 기획하였음.

□ 연구내용

 ○ 본 연구팀은 산소발생 광합성 메커니즘을 갖는 단세포성 진핵생물인 미세조류를 적응진화(adaptive evolution) 방식을 통해 환경으로부터 분리하였으며, 실험실 규모에서 효율적인 돈폐수의 생물학적 수처리 공정 기법을 선행연구를 통해 성공적으로 수립하였음. 

 ○ 본 연구에서는 상기 방식을 응용하여 0.25 톤 파일럿(pilot) 규모 공정으로의 확장 연구를 도모하였음. 그리고 돈폐수 속 박테리아 군집에서 30% 이상을 차지하는 risk group-2 의 병원성 박테리아를 10% 이하로 감소시켰으며, 이 중, 다수를 차지한 Oligella (요도 감염균)는 3% 이하로 제어함.

 ○ 이를 증명하고자, 수처리 공정에서의 시기별 박테리아 군집구조 및 미세조류-박테리아 상호작용을, 차세대염기서열분석(Next Generation Sequencing)으로 확보한 메타지놈 데이터 분석을 기반으로 접근하였음. 그 결과 미세조류와 높은 양의 상관관계(positive correlation)를 보인 Brevundimonas, Sphingopyxis, Stenotrophomonas에 의해 병원성 박테리아인 Oligella의 감소가 유도됨을 확인하였음. 
 ○ 그리고 제어 효과를 실험적으로 검증하고자, 병원성 박테리아인 Oligella 및 상기 3종의 박테리아를 분리 배양하고, 디스크 디퓨젼(disk diffusion) 실험을 통해 공동 배양을 한 결과, 박테리아 종마다 저해 수준은 달랐으나, 3종 모두 Oligella의 성장을 저해함을 입증하였음.

□ 연구성과의 의미

 ○ 수처리 공정기간 단축

  - 고농도의 암모니아를 포함하는 돈폐수 원수를 어떠한 전처리(희석, 혐기소화 등) 없이 그대로 미세조류에 의한 고도처리 공정에 사용하고 96시간이라는 단기간에 80% 이상 영양염을 제어함.

 ○ Scale-up 공정에서 랩수준의 80% 이상 재현 효과를 보임

  - 보통 파일럿 규모에서의 실험결과는, 실험실 수준보다 그 효율성이 월등히 떨어지는 것이 일반적이나, 본 연구에서는 그 공정 구조가 간단한 이유로 실험실 수준에 비해 80% 이상 영양염을 제거함으로써 높은 재현성을 보여줌.

 ○ NGS 메타데이터의 해석에 대한 신뢰성 입증 

  - 또한, 메타지놈 분석에서 모니터링하는 박테리아는 우점종이 아닌 이상 실제 분리하기 쉽지 않으며, 미생물 군집 내에서 매주 중요한 기능을 가지고 있다고 해도 실험적으로 그 군집을 동일하게 구현하는 것은 매우 어려움. 따라서 대부분의 메타지놈을 바탕으로 한 빅데이터 연구는 지금까지 해석하지 못했던 자연현상에 대한 새로운 해석을 기반으로 한 추정연구임. 그러나 본 연구를 통해 실제 병원성 박테리아를 분리하고, 종 상대적 풍부도(relative abundance)를 기반으로 스피어만 등위상관계수(Spearman’s rank-order correlation coefficient)로 도출된 미세조류-박테리아 상호작용 네트워크에서 병원성 박테리아와 강력한 음의 상관관계를 보인 3종의 박테리아가 실제 Oligella를 효과적으로 제어하는 실험적 검증에 성공함으로써, 메타지놈 빅데이터 해석에 대한 신뢰성을 줄 수 있는 의미 있는 연구라 할 수 있음. 
 

양돈 축산 폐수와 폐수 내 병원성 박테리아를 동시에 정화하는 미세조류 활용 기술 개발

그림1. 돼지 축산 폐수처리 공정 모식도 및 물리화학적 폐수 변화 모니터링
(A) 실험 개략도. 2일간 종속영양(heterotrophic) 배양 후, 2일간의 혼합영양(mixotrophic)배양을 통한 폐수처리 과정을 나타냄
(B-G) 처리 과정 중의 암모니아, COD, 흡광도, ORP, pH, 수온의 변화를 측정한 결과이며, 미세조류 처리에 의해 암모니아, COD 제거가 향상되었음을 나타냄

 

양돈 축산 폐수와 폐수 내 병원성 박테리아를 동시에 정화하는 미세조류 활용 기술 개발

그림2. 박테리아 군집 구조 변화 및 생물종 다양성 평가
(A) 처리 과정 중 미생물 군집구조의 변화
(B-G) 종 다양성, 종 풍부도, 균등도 등을 계산한 결과. 미세조류에 의해 종 다양성이 전반적으로 향상됨

 

양돈 축산 폐수와 폐수 내 병원성 박테리아를 동시에 정화하는 미세조류 활용 기술 개발

그림3. 통계학적 미세조류-박테리아 상호작용 평가 및 미세조류 관련 박테리아 3종의 Oligella 속 요도감염 박테리아 제어효과
(A) 미세조류(Coelastrella) - Oligella 간 직접적인 저해 효과가 없었음을 나타냄
(B) 미생물 상호작용 네트워크 분석결과
(C) 미세조류와 관련된 핵심 네트워크만을 확대한 그림. 미세조류 생장과 양의 관계(회색 실선)에 있는 Brevundimonas, Stenotrophomonas 등이 Oligella가 포함된 Group II 모듈과는 음의 관계(붉은색 점선)로 연결되어 있어, 상호 간 저해 가능성을 나타냄.Oligella와 음의 관계로 연결된 박테리아를 분리, 배양하여 disk diffusion 실험으로, 이들 박테리아가 Oligella 생장 저해 효과가 있음을 확인한 결과
(B) 박테리아가 Oligella 생장 저해 효과가 있음을 확인한 결과를 보다 확실히 보여주기 위해 disk를 빼고 촬영한 사진

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