• 한국지하수토양환경학회지:지하수토양환경
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• 제17권1호
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• pp.33-41
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• 2012

Nanoscale zero-valent iron (nZVI) has recently received much attention for remediation of soil and groundwater contaminated with trichloroethylene (TCE). But there have been many debates on the toxic or inhibitory effects of nZVI on the environment. The objective of this study was to investigate the effects of nZVI on the activity of Geobacter lovleyi and to determine the potent effect of combination of abiotic and biotic treatment of TCE dechlorination. TCE degradation efficiencies of Geobacter lovleyi along with nZVI were more increased than those when nZVI was solely used. The amount of total microbial protein was increased in the presence of nZVI and hydrogen evolved from nZVI was consumed as electron donor by Geobacter lovleyi. In addition, dechlorination of TCE to cis-DCE by Geobacter lovleyi along with nZVI in respiking of exogenous of TCE shows that the reactivity of Geobacter lovleyi was also maintained. These results suggest that the application of Geobacter lovleyi along with nZVI for the dehalorination is beneficial for the enhancement of TCE degradation rate and reactivity of Geobacter lovleyi.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제13권11호
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• pp.37-42
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• 2012

본 연구는 TBOS를 기질로 적용한 Geobacter lovleyi의 TCE 탈염소화 공정에 관하여 조사하였다. Geobacter lovleiy를 이용한 TCE 탈염소화 반응은 TCE 초기농도와 Geobacter lovleyi 주입량, 초기 TBOS 농도의 독립변수를 수학적으로 표시하였고, 반응표면법(RSM)을 활용하여 모델화하였다. 이 실험들은 Box-Behnken Design(BBD)을 통해 계획된 15개의 실험을 통해 이루어졌다. RSM을 통하여 TCE 제거효율과 독립변수들의 모델식이 도출되었다 : $Y_1$= -11.50(initial concentration of TCE) + 4.25(단백질 양, 주입된 Geobacter lovleyi의 양) - 4.75(initial concentration of TBOS) - ${6.58X_1}^2$ - ${8.583X_3}^2$ + 93.67, $Y_2=-10.92X_1+5.06X_2-4.89X_3-{4.93X_3}^2-2.19X_1X_2+2.54X_1X_3-2.19X_2X_3+16.71$. 도출된 반응모델은 수정결정계수는 각 0.975, 0.934로 1에 가깝게 나타났으며, 모델의 기여율이 높은 것으로 나타났다. 또한, 통계적 분석결과 TCE 탈염소화 효율에 미치는 영향은 TCE 초기농도 > TBOS 초기농도 > 단백질 양의 순으로 나타났으며, 상호항의 영향은 나타나지 않았다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제13권9호
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• pp.53-59
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• 2012

본 연구에서는 Slow Release Substrate(SRS)로 사용되는 TBOS의 분해특성과 TBOS 분해생성물인 acetate와 butyrate를 적용한 탈염소화 효율을 파악하고자 하였다. 회분식 실험은 GC/FID를 이용하여 TCE 및 cis-dichloroethene(cis-DCE), 1-butanol, TBOS를 분석하였으며, acetate와 butylate는 HPLC를 이용하여 분석하였다. 혐기성 가수분해 반응을 통해 1M의 TBOS는 4M의 1-butanol로 전환 및 축적되었으며, 가수분해율은 $0.186{\mu}M/day$로 나타났다. 또한, 1-butanol은 퇴적토 내 토착균주에 의해 acetate와 butyrate로 분해되었다. 이 결과 TBOS는 자연에서의 탈염소화 공정에서 SRS로 사용하기에 적합한 것으로 판단된다. Acetate와 butyrate를 전자공여체로 적용한 TCE 탈염소화 반응은 초기 TCE 농도가 낮아짐에 따라 탈염소화 효율은 높아지는 것으로 나타났다. 또한, acetate를 적용한 탈염소화 반응의 1차 반응 상수가 butyrate를 적용한 경우보다 높게 나타났다. 이는 탈염소화 반응에서 Geobacter lovleyi의 기질친화도 및 생분해성, 그리고 다양한 기질에 대한 적응도의 영향으로 판단된다. 그러나 Geobacter lovleyi의 TCE 탈염 소화 반응에 따른 cis-DCE의 축적이 발생할 경우 Geobacter lovleyi의 탈염소화 능력이 감소하는 것으로 나타났다. 결론적으로 SRS는 Geobacter lovleyi를 이용한 TCE 탈염소화 공정 향상에 도움이 될 것이며, 이에 따라 발생되는 cis-DCE는 영가철 같은 환원성 금속이나 공존 가능한 탈염소화 미생물을 이용한 처리가 함께 필요할 것으로 판단된다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제19권6호
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• pp.498-504
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• 2008

Metal-reducing bacterium, Geobacter sulfurreducens is available for mediator-less microbial fuel cell (MFC) because it has biological nanowires(pili) which transfer electrons to outside the cell. In this study, in the anode chamber of the MFC system using G. sulfurreducens, the concentrations of NaCl, sodium phosphate and sodium bicarbonate as electrolytes were mainly optimized for the generation of electricity from acetate. 0.4%(w/v) NaClO and 0.5M $H_2SO_4$ could be utilized for the sterilization of acrylic plates and proton exchange membrane (major construction materials of the MFC reactor), respectively. When NaCl concentration in anode phosphate buffer increased from 5 to 50 mM, power density increased from 6 to $20\;mW/m^2$. However, with increasing sodium phosphate buffer concentration from 5 to 50 mM, power density significantly decreased from 18 to $1\;mW/m^2$. Twenty-four mM sodium bicarbonate did not affect electricity generation as well as pH under 50 mM phosphate buffer condition. Optimized anode chamber of MFC using G. sulfurreducens generated relatively high power density ($20\;mW/m^2$) with the maximum coulombic efficiency (41.3%).

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제22권10호
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• pp.1395-1400
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• 2012

In this study, we investigated various cultural and operational factors to enhance electricity generation in a microbial fuel cell (MFC) using Geobacter sulfurreducens. The pure culture of G. sulfurreducens was cultivated using various substrates including acetate, malate, succinate, and butyrate, with fumarate as an electron acceptor. Cell growth was observed only in acetate-fed medium, when the cell concentrations increased 4-fold for 3 days. A high acetate concentration suppressed electricity generation. As the acetate concentration was increased from 5 to 20 mM, the power density dropped from 16 to $13mW/m^2$, whereas the coulombic efficiency (CE) declined by about half. The immobilization of G. sulfurreducens on the anode considerably reduced the enrichment period from 15 to 7 days. Using argon gas to create an anaerobic condition in the anode chamber led to increased pH, and electricity generation subsequently dropped. When the plain carbon paper cathode was replaced by Pt-coated carbon paper (0.5 mg $Pt/cm^2$), the CE increased greatly from 39% to 83%.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제26권4호
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• pp.757-762
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• 2016

The group of Fe(III) oxide-reducing bacteria includes exoelectrogenic bacteria, and they possess similar properties of transferring electrons to extracellular insoluble-electron acceptors. The exoelectrogenic bacteria can use the anode in microbial fuel cells (MFCs) as the terminal electron acceptor in anaerobic acetate oxidation. In the present study, the anodic community was compared with the community using Fe(III) oxide (ferrihydrite) as the electron acceptor coupled with acetate oxidation. To precisely analyze the structures, the community was established by enrichment cultures using the same inoculum used for the MFCs. High-throughput sequencing of the 16S rRNA gene revealed considerable differences between the structure of the anodic communities and that of the Fe(III) oxide-reducing community. Geobacter species were predominantly detected (>46%) in the anodic communities. In contrast, Pseudomonas (70%) and Desulfosporosinus (16%) were predominant in the Fe(III) oxide-reducing community. These results demonstrated that Geobacter species are the most specialized among Fe(III)-reducing bacteria for electron transfer to the anode in MFCs. In addition, the present study indicates the presence of a novel lineage of bacteria in the genus Pseudomonas that highly prefers ferrihydrite as the terminal electron acceptor in acetate oxidation.

• 미생물학회지
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• 제45권2호
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• pp.140-147
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• 2009

경기도 김포 지역과 인천 서구 지역공단 주변에 위치한 소하천의 저니(sediment)에서 난분해성 염소화합물인 PCE (tetrachloroethylene)의 혐기성 탈염소화 능력이 있는 군집을 선별하고, 탈염소화에 관여하는 미생물을 탐색하였다. 혐기성 탈염소화 능력을 조사하기 위해 전자공여체로 lactate를 사용하여 혐기성 회분식 실험을 실시하였으며, 탈염소화 능력을 가진 군집을 선별하였다. 선발된 미생물군집은 분자생물학적 기법인 16S rRNA gene의 Polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) 기법과 탈염소화 미생물을 선택적으로 탐색할 수 있는 species-specific primer를 이용하여 분석하였다. 총 16개의 시료 중에서 접종 8주 만에 3개의 시료에서 ethene까지 탈염소화시켰으며, 4개의 시료에서 cis-1,2-dichloroethene (cis-DCE)까지 탈염소화시켰다. 또한, 16S rRNA gene을 이용한 PCR-DGGE와 탈염소화 species-specific primer를 이용하여 분석한 결과, PCE 탈염소화 시료 내에는 Dehalococcoides sp.와 Geobacter sp.가 주로 존재하였으며, Dehalobacter sp.도 일부 시료에서 검출되었다.

• Journal of Microbiology and Biotechnology
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• 제26권3호
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• pp.511-520
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• 2016

The most energy-demanding step of wastewater treatment is the aeration-dependent elimination of organic carbon. Microbial fuel cells (MFCs) offer an alternative strategy in which carbon elimination is conducted by anaerobic microorganisms that transport respiratory electrons originating from carbon oxidation to an anode. Hence, chemical energy is directly transformed into electrical energy. In this study, the use and stability of barcode-containing exoelectrogenic model biofilms under non-axenic wastewater treatment conditions are described. Genomic barcodes were integrated in Shewanella oneidensis, Geobacter sulfurreducens, and G. metallireducens. These barcodes are unique for each strain and allow distinction between those cells and naturally occurring wild types as well as quantification of the amount of cells in a biofilm via multiplex qPCR. MFCs were pre-incubated with these three strains, and after 6 days the anodes were transferred into MFCs containing synthetic wastewater with 1% wastewater sludge. Over time, the system stabilized and the coulomb efficiency was constant. Overall, the initial synthetic biofilm community represented half of the anodic population at the end of the experimental timeline. The part of the community that contained a barcode was dominated by G. sulfurreducens cells (61.5%), while S. oneidensis and G. metallireducens cells comprised 10.5% and 17.9%, respectively. To the best of our knowledge, this is the first study to describe the stability of a synthetic exoelectrogenic consortium under non-axenic conditions. The observed stability offers new possibilities for the application of synthetic biofilms and synthetically engineered organisms fed with non-sterile waste streams.

• 한국미생물·생명공학회지
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• 제47권4호
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• pp.630-638
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• 2019

아산화질소는 이산화탄소보다 약 310배 높은 지구온난화 지수를 갖는 주요 온실가스이다. 본 연구에서는 아산화질소 배출저감을 위해 고도처리슬러지를 접종원으로 이용하여 아산화질소 환원 컨소시움을 확보하였다. 이 컨소시움의 우점종은 Sulfurovum (17.95%), Geobacter (14.63%), Rectinema(11.45%)와 Chlorobium (8.24%)이었다. 아산화질소 환원 컨소시움의 활성에 미치는 C/N 비(mol·mol-1), 탄소원의 영향을 조사한 결과, C/N 비 6.3 및 아세트산을 탄소원으로 공급한 조건에서 최대 아산화질소 환원 활성을 나타냈다. 또한, 본 컨소시움의 3,000 ppm 이하의 아산화질소 농도 범위에서 아산화질소 농도가 증가할수록 환원속도도 증가하였다. 속도론적 해석 결과, 아산화질소 환원 컨소시움의 최대 아산화질소 환원 속도는 163.9 ㎍-N·g VSS^-1·h^-1이었다. 본 Consortium은 아산화질소를 N2로 환원하는데 관여를 nosZ 뿐만 아니라, 질산염을 아질산염으로 환원하는 narG, 아질산염을 일산화질소로 환원하는 nirK 유전자 및 일산화질소를 아산화질소를 환원하는 norB 유전자를 모두 보유하고 있었다. 이는 본 컨소시움은 아산화질소 제거 공정 뿐 만 아니라, 탈질공정에도 활용 가능한 유용한 미생물 자원임을 의미한다.

• 미생물학회지
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• 제48권4호
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• pp.254-261
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• 2012

본 연구의 목적은 포도당을 자연의 저질기반 미생물연료전지에 주입할 경우 전기생산을 최적화하기 위한 것이며, 이 때 관련된 미생물의 군집을 분석하고 관련미생물의 역할을 검토하고자 하였다. 1,000 mg/L의 포도당이 주입되었을 때 생성되는 전류가 약 3배 가량 증가하였다. 이러한 증가는 주로 발효세균과 전기생성세균의 상호작용에 기인하는 것으로서, 이는 발효미생물에 의해 생성된 유기산이 전기생성 미생물에 의해서 분해되므로 유기산의 축적을 방지하여 되먹임저해(feedback inhibition) 현상을 감소 시키는데 그 원인이 있는 것으로 보인다. 반면, 더 높은 농도의 포도당이 주입되었을 시에는 전류가 떨어지거나 큰 증가가 일어나지 않았다. 만약 적절한 농도의 포도당이 주입될 시, 전기생성 미생물과 발효미생물이 동시에 포도당을 분해하면서 피드백을 제거하며 전류생성이 증가함을 알 수 있었다. 포도당을 토양에 주입하였을 시에 Clostridium sp.과 같은 발효미생물이 많이 나타났다. 포도당의 발효는 전기생성에 있어서 긍정적 영향과 부정적 영향을 미칠 수 있음이 밝혀졌다. 즉 발효산물이 전기생성미생물에 의해서 분해되어서 사용된다면 전기생성이 증가한다. 하지만, 발효산물이 전기생성미생물에 의해서 분해되지 못한다면 여러 전기생성을 억제하는 화학적반응(pH 저하, 메탄생성, 유기산 축적 등)이 일어나고 미생물연료전지와 관계없는 미생물들이 주입된 유기물을 대부분 분해하여 전기생성이 저하될 수 있음이 밝혀졌다. 적절한 농도의 포도당 주입을 통한 발효세균(Clostridium sp. 등)과 전기발생균(Geobacter sp. 등)의 적절한 조합은 자연상태에서의 혼합미생물존재 환경에서의 전기생산을 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다.