방향족 화합물인 폴리염화비페닐(PCB)은 비페닐 기본골격의 10개소의 탄소에 1개에서부터 10개까지의 염소가 치환되어 있는 물질로써 그 독성과 잔류성으로 인해 중대한 환경오염물질의 하나로 주목받고 있다. 폴리염화비페닐에 의한 환경오염은 수질오염으로 이어지며, 식물연쇄에 의해 어류의 경우 그 농축계수가 10만 정도까지 이른다고 한다. 이러한 현상은 육상에서도 일어나며 생물농축과 식물연쇄에 의해 결국 식품을 오염시키게 된다. 이와 같은 난분해성 오염물질의 정화에는 미생물이 가지고 있는 분해능력이 큰 역할을 담당한다는 것이 알려져 있다. 1970년대 토양으로부터 비페닐을 분해ㆍ이용할 수 있는 비페닐 자화성균이 단리된 이후, 호기적으로 폴리염화비페닐을 분해하는 균을 중심으로 연구가 행해져 왔으며 방향족 화합물에 있어서의 대사 경로 등이 밝혀지게 되었다. 본 연구에서는 폴리염화비페닐을 분해하는 능력을 가지는 분해균을 모델로 하여 다양한 환경하에서 폴리염화비페닐을 분해ㆍ대사 할 수 있는 미생물의 분리를 시도하였다. 그 결과 클로로비페닐 분해능을 가진 Gram 양성균을 단리하는데 성공하였고, 이 균이 Bacillus속의 미생물인 것을 확인하였다.
방향족 화합물은 화학, 식품, 고분자, 화장품, 의약 산업 등에 이용되는 중요한 물질로, 현재까지 대부분 화학 합성법 또는 식물 추출법으로 만들어진다. 그러나, 화석 연료의 고갈, 지구 온난화, 환경규제의 강화, 식물자원의 과다한 채취 등의 많은 위협요인에 직면하면서 재생 가능한 생물자원을 이용한 미생물을 이용한 생물공학적 방법으로 방향족 화합물을 생산하는 것은 매우 유망한 대안이다. 대사공학이 합성생물학과 접목되면서, L-트립토판 생합성 경로 유래의 인공 생합성 경로가 재 구축되어 5-히드록시트립토판, 세로토닌, 멜라토닌, 7-염화-L-트립토판, 7-브로모-L-트립토판, 인디고, 인디루빈, 인돌-3-초산, 바이오라세인, 데옥시바이오라세인과 같은 다양한 고부가 화합물을 생산할 수 있게 되었다. 본 총설은 이러한 방향족 화합물의 특성, 용도, 생합성 경로를 요약하였다. 또한 방향족 화합물을 미생물을 이용하여 생산하기 위한 최신의 대사공학 전략과 생산 농도를 올리는데 제기되는 문제들을 극복하기 위한 해결방안 등을 정리하여 보고한다. 시스템 대사 공학에 기반한 균주 개발과 재생 가능한 생물자원을 사용한 배지 및 생물공정의 최적화가 이루어지면 방향족 화합물의 미생물 생산을 위한 상업적으로 실행 가능한 기술 개발을 가능하게 할 것으로 예상된다.
벤젠, 나프탈렌 및 페난스렌과 요오드 사이의 각계를 사염화 탄소 용액에서 자외선 분광광도법에 의하여 연구한 결과 1:1분자 착물이 형성됨을 알았다. 이들 착물 생성에 의한 흡수 최대는 온도가 상승함에 따라 blue shift되므로 이에 따른 각 온도에서의 평형 상수를 구하였다. 이 값으로부터 이들 착물 생성에 대한 열역학적 파라미터를 산출한 결과 각 온도에서 여러 고리 방향족화합물과 요오드 사이에 생성된 착물의 상대적 안정도는 방향족 고리의 수가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다. 이러한 사실을 요오드에 대한 여러 고리 방향족 화합물들의 상대적 염기성도를 나타내며 방향족 화합물과 요오드 사이의 상호작용에 관한 공명현상에 의하여 설명할 수 있다. 그리고 이 계열의 연구결과를 폴리메틸 벤젠계열의 연구결과와 비교 고찰하였다.
다고리방향족 탄화수소를 페놀에 적응된 미생물을 이용하여 분해하고자 하였다. 분리된 Stenotrophomons maltophilia는 나프탈렌과 페난스렌을 탄소원 및 에너지원으로 이용하였으며 10mg/$\ell$의 나프탈렌과 0.9mg/$\ell$의 페난스렌이 완전히 분해되는데 지체기후 약 2일과 3일이 소요되었다. 나프탈렌, 페난스렌의 분해시 중간생성물로 chromatography 상에 새로운 피크들이 생성되었으며, 이러한 중간생성물을 파악하여 다고리 방향족 탄화수소의 분해경로를 모색하고자 하였다.
고농도의 톨루엔에서도 자랄 수 있는 균주 Pseudomonas Putida 1K1 은 benzene, benzoate, phenot, o-cresol, mt-cresol, toluene, m-toluate, xylene 등 8종의 방향족 화합물을 분해 이응 성장 가능하였으나 hexane, octane, decane, cyclohexane곽 같은 지방족 화합물은 이용하지 못했다. 방향족 화합물의 분해 이용에 있어서 p. putida 1K1은 0.1%의 낮은 농도에서는 이들 8종의 화합물을 모두 이용 성장 가능하였지만 1% 이상의 농도에서는 자랄 수 없었고, 다만 toluene의 경우에 있어서만 특이하게도 95% 의 고농도에서도 바르게 성장할 수 있었다. 여러 유기화합물에 대한 이 균수의 저항성을 조사하여 본 결과 1K1은 고농도의 지방족 화합물에 대해 아주 큰 저항성을 갖으나 대부분의 방향족 화합물에 의해서 는 쉽게 사멸되었으며, toluene과 xylene에 대해서는 예외적으로 상당한 저항성을 갖고 있었다. 한편, 이 균주는 toluene에서 성장할 경우 toluene의 영향으로 인해 세포의 형태가 정상적인 Pseudomonas의 형태와 상당히 다른 모습을 보였다. 또한 이 균주는 benzeate 분해를 위한 대사경로와 함께 toluene 분해를 위한 또 다른 경로가 있어 적어도 두개의 서로 다른 방향족 고리분해 대사경로를 갖는 것으로 보여졌다.
유기티탄 화합물들은 카르보닐 화합물들과의 첨가반응에서 알킬리튬이나 Grignard시약 같은 고전적인 유기금속화합물에 비하여 화학적, 입체화학적 선택성이 뛰어남은 이미 잘 알려져 있다. 하지만 탄소-탄소 결합에 이용된 유기티탄 화합물의 유기잔기는 방향족 중 일부와 aliphatic 중 methyl, allyl기 등에 한정되었다. 본 실험에서는 방향족 중 thiophene의 티탄화합물인 2-thiophenyl triisopropoxytitanium을 최초로 합성하고, 이것의 카르보닐 화합물과의 반응성을 실험하였다. 이 화합물은 알데히드와 케톤에 높은 수율(평균수율 94% 이상)로 첨가반응하고, 특히 알데히드와 케톤 경쟁반응에서 알데히드에만 그리고 케톤과 에스테르 작용기 사이에서는 케톤에만 화학 선택적으로 첨가 반응하였다. 그러므로 알데히드와 케톤기가 동시에 존재하는 화합물에서 케톤기를 보호시키지 않고 thiophene기를 직접 알데히드에 첨가할 수 있고, 케톤과 에스테르작용기가 있는 화합물에서는 케톤에 직접 첨가할 수 있는 새로운 방법이 개발되었다고 하겠다.
방향족화합물을 생분해하는 미생물을 분리하여 생물학적 처리에 응용하기 위해 폐수 및 토양에서 150종의 균을 분리하였다. 그 중에서 COD 제거율과 방향족화합물의 이용능이 가장 우수한 HC107균을 선발하여 Pseudomonas sp.로 동정하였다. 활성슬러지 장치에서 Pseudomonas sp. HC107 배양액을 2ml/day씩 처리하면서 화학, 제약 및 도료공장의 폐수를 혼합하여 연속처리한 결과 처리수의 COD, BOD 및 phenol 제거율이 평균 92.5%, 95.53 및 93%.5로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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