미생물의 세포벽을 구성하는 많은 생물고분자들이 금속이온의 흡착과 이온교환에 주된 역할을 한다는 사실이 연구자들에 의하여 보고되어져왔다. 미생물로부터 유도되어지는 생물고분자들은 이온교환수지나 킬레이팅 수지와 같은 합성 고부나들이 상업적인 흡착제로서 널리 사용되고 있지만, 산업적인 적용에서 다양한 금속 이온들을 회수하기 위한 생물 흡착제로서 유용하다. 이 연구에서는 금속을 제거하는데 유용하고 상업적인 생물고분자들이 소개되어질 것이다.
Zooloea ramigera 115를 사용하여 생물응집제로서 사용되는 생물고분자생산 실험을 하였다. 생물고분자 생산을 높이기 위하여 회분식, 유가배양, 연속배양방법을 사용하였다. 탄소원으로는 포도당, 유당, 당밀, 유청을 사용하였다. 기질이 포도당의 경우에는 C/N배 98일 때 생물고분자 생산 효과가 좋았으며, 유당의 경우에는 C/N비 30, 당밀과 유청의 경우에는 C/N비 60일 때 생물고분자 생산이 가장 좋았다. 유가배양 방법이 회분식 배양방법 보다 최종 생물고분자 생산이 우수하였다. C/N비를 달리한 2단계 연속 배양방법으로 생산성을 향상시켰다. 당밀의 경우 0.048$hr^{-1}$의 희석속도에서, 유청의 경우 0.096$hr^{-1}$에서 생산성이 가장 좋았다.
생물고분자 생산을 위하여 오니에서 slime을 생산하는 Zoogloea ramigera 115를 선택하였다. 추출한 생물고분자는 카드뮴, 아연 같은 금속에 대해서 높은 흡착성능을 나타냈다. 특히 발효조 broth는 높은 흡착성능을 나타냄으로써 부가적인 분리공정없이 생물흡착제로서 사용 가능할 것이다. 생물고분자는 calcium alginate bead 형태로 고정화되어 유가금속 회수를 위하여 충전층 반응기에 사용되었다. 생물흡착제는 구리, 카드뮴, 망간, 아연에 대하여 80% 또는 그이상의 높은 제거율을 나타냈으며 흡착-탈착-재흡착 실험에서 높은 안정성을 나타냈다. 고정화된 생물고분자 시스템은 이온교환수지와 같은 다른 중금속 제거 시스템과 경쟁력 및 잠재적인 산업상 응용 가능성을 보였다.
토양으로부터 생물고분자의 생산균주로 분리한 알칼리 내성 Bacillus sp.의 생물고분자 생산을 위한 최적 배양조건을 검토하였고, 반응 표면분석법에 의한 생산 최적화를 수행하였다. 최대의 생물고분자 생산은 soluble starch 8%, yeast extract 0.75%, $NaNO_3$ 0.1%, $MgSO_4\;7H_2O$ 0.05% 및 $Na_2CO_3$ 1%(pH 10)의 조성배지에서 배양온도 $30^{\circ}C$로 36시간 이상 진탕배양하였을 때 얻어졌으며, 이때의 생물고분자 생산량은 약 44g/l(대당수율로는 약 55%)이었다. C/N비, 온도 및 pH를 독립변수로 한 반응 표면분석에 의한 생물고분자 생산의 최적조건은 C/N비 15.16, 배양온도 $34.62^{\circ}C$ 및 pH 9.50의 정상점에서 얻어졌으며, 이 조건에서 생물고분자의 생산량은 66.84g/l로 추정 되었다.
미생물을 이용한 유용물질 생산연구의 일환으로 토양으로부터 생물고분자 생산균주를 분리하고, 이 분리균에 대한 균학적 성질 및 생성 생물고분자의 이화학적 성상을 검토하였다. 분리균주는 Bacillus속의 한 균종으로 동정 하였으며, 알칼리 내성균주의 특징을 나타내었다. 이 균주로부터 생성된 생물고분자는 성분분석, 정색반응 및 I.R. spectrum 분석결과 단백질 함량이 높고, 일부 amino sugar가 존재하나 uronic acid는 함유하지 않았다. 그러나 cetyl pyridinium chloride에는 침전되어 산성의 생물고분자인 것으로 추정되었다.
미생물을 이용한 생분해성 고분자 생산연구의 일환으로 토양으로부터 고점성의 생물고분자 생산균주를 분리하고, 이 분리균에 대한 분류학적 성질 및 생성 생물고분자의 이화학적 성상을 검토, 규명하였다. 분리균주는 Alcaligenes속의 한 균종으로 동정하였으며, 호알카리성 균주의 특성을 나타내었다. CPC(cetylpridinium chloride)침전 및 acetone처리하여 정제한 산성 고분자 물질은 carboxyl기를 갖고 자외 흡수가 강한 glutamic acid만을 구성성분으로 하였고, glutamic acid는 $\gamma$-peptide 결합의 $\gamma$-polyglutamic acid로 존재하였다. 중화당량은 약 350으로 $\gamma$-PGA 2.7잔가당 1개의 음이온이 존재하였으며, 분자량은 약 $6.5{\times}10^5$Daltons이었다.
생물응집체 개발을 목적으로 Zoogloea ramigera115를 이용하여 균주배양 및 생물고분다 생성실험을 시시하였다. 다당류 최고 생성률을 얻을 수 있는 최적기질로 탄소원으로는 glucose, 질소원으로는 $NaNO_3$ 유기영양원으로는 yeast extract가 선택되었다. 초기 pH가 6일 때 가장 높은 세포성장과 점성을 나타내었다. 생성돈 생물고분자는 ultrasonication과 고속 원심분리를 거친 후 propanol 첨가에 의해 효율적으로 추출되었다. 생물고분자는 jae test에 의한 응집실험에서 높은 침강성을 보여 응집제 사용가능성을 확인하였다.
기질농도, HRT, 온도, pH, $Ca^{2+}$ 농도변화에 따른 반응기의 생물막형성과 세포외고분자물질의 조성변화에 따른 기질 제거율을 살펴보았다. 그 결과 반응기의 초기 생물막 형성은 각 조건에 따라서 약간의 차이를 보였다. 반응기 운전 초기에 균에 의해 생산된 세포외고분자물질은 점액질의 형태로 세포벽에 부착되어 주위환경의 해로운 요인으로부터 세포를 보호하는 기능을 가지고 있어 생물막 형성을 촉진시키는 역할을 하였으나, 생물막이 안정화된 후에는 오히려 생물막의 산소투과와 영양분의 접촉을 떨어뜨리는 역할을 하여 기질 제거율을 저하시키는 작용을 하는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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