KR20040009090A - 폐유기물 분해활성이 우수한 신균주 바실러스리케니포미스 ｈ－３（ｋｃｔｃ １０２７３ｂｐ） - Google Patents

폐유기물 분해활성이 우수한 신균주 바실러스리케니포미스 ｈ－３（ｋｃｔｃ １０２７３ｂｐ） Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐유기물 분해활성이 우수한 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 균체성장이 빠르고 효소활성이 뛰어난 신규한 미생물로서 바실러스 리케니포미스 H-3(Bacillus licheniformisH-3)[KCTC 10273BP]를 고체배양하고 이를 이용하여 생활폐기물 중 폐유기성 자원인 음식물 찌꺼기의 발효 소멸화를 위한 신규 미생물제제에 관한 것이다.

Description

폐유기물 분해활성이 우수한 신균주 바실러스 리케니포미스 Ｈ－３（ＫＣＴＣ １０２７３ＢＰ）{Novel Bacillus licheniformis H-3 strain having capability of food waste decomposition}
본 발명은 폐유기물 분해활성이 우수한 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 균체성장이 빠르고 효소활성이 뛰어난 신규한 미생물로서 바실러스 리케니포미스 H-3(Bacillus licheniformisH-3)[KCTC 10273BP]를 고체배양하고 이를 이용하여 생활폐기물 중 폐유기성 자원인 음식물 찌꺼기의 발효 소멸화를 위한 신규 미생물제제에 관한 것이다.
음식물찌꺼기의 1일 배출량은 12,000 ∼ 20,000톤에 이르며 이중 극히 일부가 사료화 또는 퇴비화하여 재활용되고 있으나 대부분이 매립 또는 소각방식에 의존하고 있어 이로 인한 환경오염문제는 실로 심각한 사회문제로 대두되고 있다. 음식물쓰레기는 수분함량이 80 ∼ 85%로서 쉽게 부패되어 악취와 오수가 발생하므로 분리수거·운반이 어려우며, 매립 시에는 다량의 침출수가 흘러나와 지하수 오염 등의 2차 환경오염을 유발시키고 침출수를 처리하는데 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 소각 시에도 발열량이 낮고 수분이 많아 소각온도 저하에 따른 보조연료의 추가사용의 문제점이 유발되는 등 매립이나 소각시에는 처리기술이 단순하다는 장점도 있지만 직접적인 폐해나 경제적인 손실도 많이 발생하게 된다.
따라서, 음식물찌꺼기 발생 원단위에서 처리시설을 설치하여 발생 즉시 바로 처리된다면 음식물쓰레기의 발생을 근본적으로 해결할 수 있고, 경제적이며, 안전한 방법으로서 발생된 음식물쓰레기를 1차 현장에서 완전 소멸화를 유도하여 2차 오염으로 인한 여러 가지 폐해를 줄일 수 있다.
이러한 방법중의 하나가 발효(호기적 발효)를 이용한 발효처리에 의한 소멸화 방안을 들 수 있다. 이 같은 발효 처리 장치는 국내 뿐 아니라 일본 등지에서도 활발히 연구가 진행 중에 있으나 기 개발된 처리기술에 대한 신뢰도는 상당히 낮은 편이며, 판매 설치된 처리장치들마저도 적정한 공정효율을 보이지 못하고 있으며 기존의 소멸화 장치를 이용한 처리방법은 악취를 많이 발생시키고, 완전 소멸화를 유도할 수 없었으며, 소음 및 유지비 등의 문제점으로 인해 사용자들에 의해 기피되어 왔던 것이 사실이다. 또한, 대부분 단순건조에 의한 방식으로 미생물에 의한 유기물 분해에 의한 실질적인 감량효율을 보이지 못하고 있다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 점을 감안하여 음식물찌꺼기의 발효 소멸화하기 위한 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3를 분리하고 이를 이용하여 음식물찌꺼기의 발효 소멸화를 성공함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 음식물찌꺼기의 발효 소멸화에 적합한 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 균주를 이용한 미생물제제를 제공하는데 있다.
도 1은 pH에 따른 음식물찌꺼기의 CO2발생량을 그래프로 나타낸 것이다.
본 발명은 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP)과 이를 포함하는 미생물제제를 그 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 균체성장이 빠르고 효소활성이 뛰어난 신규한 미생물로서 바실러스 리케니포미스 H-3[KCTC 10273BP]를 분리하고 이를 이용하여 생활폐기물 중 폐유기성 자원인 음식물 찌꺼기의 발효 소멸화를 위한 신규 미생물제제에 관한 것이다.
음식물찌꺼기의 발효 소멸화에는 음식물찌꺼기가 발효기 내에서 투입된 미생물제제에 의하여 유기물질이 생물학적으로 분해되어 병원균은 지속적인 발효열에 의하여 사멸되고, 최종적으로 완전 소멸화를 달성할 수 있다. 따라서 본 발명의 가치성은 발효 소멸화에 관여하는 미생물의 종류 및 특성에 따라 영향하는 바 크기 때문에 발효 소멸화 목적에 적절한 미생물만을 선별하여야 한다.
본 발명은 음식물찌꺼기의 발효 소멸화를 위하여 효소활성 및 길항능이 우수하고 증식속도가 빠른 미생물 균주는 퇴비로부터 시료를 채취하여, 그 시료를 생리식염수로 희석하여 효소기질이 포함된 고체 평판 배지에 접종하여 2일 동안 30℃에서 배양하여 halo를 보인 콜로니를 분리한 후, 동일한 조성의 액체배지에서 30 ℃, 4일간 배양하여 배양 상등액의 효소활성을 측정한다. 다양하고 우수한 효소활성을 나타낸 균주를 순수 분리하여 버어지스 매뉴얼(Bergy's Manual of Determinative Bacteriology)과 16s rRNA의 부분적 염기서열 분석에 따라 본 발명의 균주의 형태학적, 생리학적, 생화학적 및 유전학적 특성을 조사하여 균주 동정을 실시하였다.
그 결과, 다음 표 1에 나타낸 바와 같이 상기 분리 균주는 고체배지에서 원형의 집락을 형성하며, 집락 색깔은 하얀색을 띄었다. 이 균주는 그람 양성균이었고, 운동성과 포자형성능이 있으며, 간균인 호기적 조건과 혐기적 조건에서 생육이 가능한 편성혐기성 균주이다. 또한, 카탈라제와 옥시다제 생성을 가지며, 시트레이트 이용성 및 전분, 젤라틴, 카제인 분해능을 가졌고, 니트레이트 환원능이 있었다. 포도당의 발효능이 없었고, 탄소원으로 글루코즈와 말토즈로부터 호기적 조건에서 산을 생성하였다.
분리균주의 동정을 위하여 분자유전학적 방법으로 16S rDNA의 염기서열분석을 수행한 결과, 본 발명의 신규한 균주는 염기서열이 결정된 492 bp[서열번호 1]상에서 "The BLAST search"를 통해 바실러스 리케니포미스와 높은 상동성을 가짐을 확인하였다[표 2]. 이상의 형태학적, 생리학적, 분자유전학적 특성 등을 종합하여 분리균주는 바실러스 리케니포미스로 동정되어 바실러스 리케니포미스 H-3이라 명명하고 미생물 국제기탁기관인 한국생명공학연구원 유전자은행에 기탁하여 2002년 6월 12일자로 수탁번호 KCTC 10273BP를 부여받았다.
인자 H-3
형태학적 특성그람염색모양크기 (㎛)길이 (㎛)운동성포자형성 +간균++
배양학적 특성호기적 배양형기적 배양생육온도 5℃30℃40℃ ++++
생리학적 특성카탈라제 생산옥시다제 생산글루코즈로부터 산 생성탄수화물(OF1)탄수화물로부터 산 생성글루코즈말토즈아라비노즈자일로즈시트레이트 이용니트레이트 환원젤라틴 가수분해카제인 가수분해스타치 가수분해Voges-Proskauer(VP) test +++O++++-+++
1산화-발효시험
균주 유사균주 유사성(%) 염기서열 길이
H-3 바실러스 리케니포미스 100%(492/492) 492
본 발명의 미생물 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP)은 표 2에서 나타낸 바와 같이 100% 유사성을 가지지만, 이는 전체 1500 bp정도의 16srDNA 염기서열중 염기서열이 결정된 492 bp만이 바실러스 리케니포미스와 일치한다는 의미이며, 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP)은 알려진 바실러스 리케니포미스보다 다양하고 높은 효소활성을 보유하는 것으로 확인되었다.
신규주 바실러스 리케니포미스 H-3은 효소활성과 생육이 우수하게 나타나며, 이를 탈지강, 규조토 또는 복합담체에 흡착하여 미생물제제를 제조한다.
이와 같은 미생물제제는 활발한 대사과정으로 인해 음식물 소멸시간을 단축시킬 수 있으며 높은 효소활성을 가지므로 소멸 전 기간 동안의 분해활성을 유지하여 발효 소멸화를 수행할 수 있다.
이하, 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 신균주의 효소 활성 측정
신균주 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP)을 다음 표 3에 나타낸 조성으로 아가를 제외하고 만든 각각의 액체배지에서 30 ℃, 4일간 배양 후, 그 배양 상등액의 효소활성을 측정하였다. 아밀라제(Amylase), 셀룰라제(Cellulase), 자일라나제(Xylanase) 효소의 활성은 DNS법을 사용하여 측정하였으며, 프로테아제(Protease) 효소 활성은 Bradford assay법을 사용하여 측정하였고, 리파제(Lipase) 효소활성은 Agar diffusion법과 Ota & Yamada 법을 사용하여 측정하였다. 다음 표 4에서와 같이, 아밀라제의 활성이 크게 나타났으며, 프로테아제와셀룰라제, 자일라나제의 활성도 보유한 것으로 보아 신균주는 발효소멸과정 중에 활성을 크게 나타내는 것으로 확인되었다.
성분(g/ℓ) 아밀라제 프로테아제 셀룰라제 리파제 자일란네이즈
자일란 5
가용성 전분 5
CMC* 5
탈지유 10
트리부티린(올리브 오일) 5
아라비아 고무 5
펩톤 5 30 5 3 5
효모 추출물 5 10 5 5 5
K2HPO4 1 10 1 1
MgSO47H2O 0.1 2 0.1 0.1
NaCl 2 10 2 5 2
아가 20 20 20 20 20
*carboxy methyl cellulose
효소 바실러스 리케니포미스 H-3(Unit/㎖)
아밀라제 0.3257
프로테아제 57.2
셀룰라제 0.1753
리파제 -
자일라나제 0.2198
실시예 2: 담체에 따른 신균주 활성조사
음식물찌꺼기 발효 소멸화에 사용되는 최적의 담체를 조사하기 위하여 다음 표 5의 여러 담체를 사용하였다. 신균주 바실러스 리케니포미스 H-3을 24시간 동안 액체배양 후 원심분리하여 균체를 회수하였다. 회수된 균체를 증류수와 1:1 (v/v)의 비율로 현탁하고, 각각의 담체와 중량비 1:1(w/w)의 비율로 균일하게혼합한 후 30 ℃에서 하루 동안 건조시켜 실험에 사용하였다. 각각의 담체 (탈지강, 규조토, 셀카시, 화이트카본, 활성탄)에 신균주의 생균수를 확인하고 생산된 제제내의 생존하는 생균수를 조사하여 다음 표 5에 나타내었다. 본 균주가 사용된 담체 중 탈지강이 가장 많은 생균수의 변화가 측정되었다.
담체 생균수(CFU/g)
셀카시 1.35 ×108
규조토 19.75 ×108
화이트카본 10.6 ×108
활성탄 0
탈지강 27.97 ×108
또한, 각각의 담체로 생산된 제제를 그 종류별로 소멸과정중의 미생물수 변화를 조사한 결과는 다음 표 6과 같다. 제제를 음식물과 함께 반응시켰을 때, 생균수가 전체적으로 증가하였고, 그 중에 탈지강이 46.1 ×108로서 가장 많이 증가되었으며 셀카시(CellCaSi)나 화이트 카본(white carbon), 활성탄은 제제를 투여하지 않은 대조군과 거의 같은 수의 생균수가 증가되는 것으로 나타났다. pH는 초기와 반응 24시간 후의 pH와 큰 차이를 나타내지 않았다.
제 제 생균수(CFU/g) pH
0 h 24 h 증가된 생균수 0 h 24 h
대조군 8.8 ×107 6.6 ×108 5.7 ×108 4.4 4.1
셀카시 13.4 ×107 6.7 ×108 5.4 ×108 5.3 5.2
규조토 7.37 ×107 18.6 ×108 17.9 ×108 4.5 4.7
화이트카본 31.4 ×107 8.9 ×108 5.8 ×108 4.9 4.5
활성탄 10.7 ×107 6.4 ×108 5.3 ×108 5.4 5.0
탈지강 44.6 ×107 50.6 ×108 46.1 ×108 5.0 4.3
실시예 3: 소멸 효과
다음 표 7에 나타낸 각각의 담체로 생산된 미생물제제를 음식물찌꺼기에 사용하여 발효소멸화를 수행하여 각각의 미생물제제에 따른 총당, 환원당, 총질소의 변화를 조사하였다. 2(D) ×20(H) cm 용기에 음식물 2 g을 넣고 증류수 18 ㎖을 혼합한 후, 신균주 H-3을 사용하여 각 담체별로 생산된 제제를 2%가 되도록 접종하여 100 rpm, 30 ℃, 24시간동안 반응하여 담체별로 생산된 미생물제제의 소멸효과를 확인하였다. 총당의 경우 원심분리한 배양 상등액 200 ㎕에 5% 페놀 용액 200 ㎕을 혼합하고, 1 ㎖ 황산을 첨가하여 10분간 정치한 다음, 교반하여 30분 후에 490 nm에서 측정하였다. 환원당 측정은 동일한 배양상등액 0.6 ㎖에 DNS 용액 0.6 ㎖을 첨가하여 끊는 물에서 5분간 반응시키고, 40% 로쉘(Rochelle) 용액 0.2 ㎖를 첨가한 후 냉각시키고 575 nm에서 측정하였다. 총질소 측정은 배양상등액 5 ㎖에 증류수 500 ㎖과 NaOH 20 g, K2S2O815 g을 녹인 용액 1 ㎖을 첨가한 후 121 ℃에서 45분간 가열한 후, 실온에서 냉각시키고 HCl (1 : 16, v/v)용액 0.5 ㎖을 첨가한 후 220 nm에서 측정하였다. 초기의 총당은 모든 제제에서미생물의 급격한 증식에 따른 에너지원으로 이용하여 감소되는 것을 확인할 수 있었고, 환원당도 지속적인 분해작용으로 감소되었다. 그 중 탈지강을 담체로 하여 제작한 미생물제제를 사용한 경우 총당이 20.3 g/ℓ에서 9.4 g/ℓ로, 환원당은 3.7 g/ℓ에서 1.0 g/ℓ로 감소되었고, 총질소는 모든 제제에서 비슷한 비율로 감소되는 것으로 나타났다.
구 분 총 당(g/ℓ) 환원당(g/ℓ) 총 질소(g/ℓ)
0 h 24 h 0 h 24 h 0 h 24 h
대조군 8.6 4.1 1.7 0.5 0.5 0.2
셀카시 8.7 2.5 2.6 0.4 0.5 0.2
규조토 9.5 1.7 2.6 0.5 0.5 0.3
화이트카본 9.1 4.1 2.6 0.5 0.5 0.2
활성탄 10.1 0.4 2.7 0.3 0.5 0.2
탈지강 20.3 9.4 3.7 1.0 0.8 0.6
또한, 음식물찌꺼기의 발효소멸화 효율을 높이기 위해 음식물찌꺼기의 pH에 따른 CO2발생량을 측정한 결과를 첨부도면 도 1에 나타내었다. 미생물들은 증식을 위해 유기물질을 기질로 이용하며, 주로 수용성 상태로 존재하는 유기물질을 이용한다. 따라서, 기질의 수용성 성분의 측정은 미생물활성을 측정하는 지표가 된다. 신균주를 첨가해 준 경우 용존성 유기탄소함량은 초기량에 비해 600 ∼ 1000 mg/ℓ정도 감소되었다. 음식물 쓰레기를 pH 7과 pH 9로 조절한 실험구에 미생물을 첨가해 준 경우 가장 많은 감소를 나타내었다.
실시예 4: 음식물찌꺼기의 발효 소멸용 미생물제제 제조
신균주 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP)을 액체배지(LB 배지 : 박토-트립톤 1 g/L, 효모 추출물 0.5 g/L, NaCl 1g/L)에 접종하여 25 ℃에서 24시간 동안 배양한 후, 탈지강을 담체로 이용하여 담체 : 배양액 = 10 : 4 의 부피비로 균일하게 혼합한 후 30 ℃에서 24시간 동안 고상배양을 통하여 미생물제제를 제조하였다. 본 실시예에서 30 ℃에서 24시간 배양 후 생균수를 확인하였더니 2.8 ×109CFU/g이었다.
실시예 5: 중형발효 소멸기 운전
왕겨 8 kg과 상기 실시예 1에서 제조된 미생물제제 2.2 kg을 소멸용기(30 kg working volume/50 kg 발효 소멸기) 안에 함께 투여하고, 1시간동안 교반 후 교반과 대기, 수분사를 자동 on/off 타이머를 이용하여 간헐적으로 운전하였다(교반 30회/4 min - 대기 25 min - 수분사 20 L/min). 반응조는 미생물에 의한 유기물의 분해과정에서 발생하는 발효열을 평가하기 위해 별도의 가온, 공기공급은 하지 않았다. 매일 약 30 kg의 남은 음식물찌꺼기를 첨가하였다. 25일 동안 총 600 kg의 음식물이 첨가되었고, 25일 후에 남은 음식물의 양은 60 kg이었으며 무게 감소율을 계산하면 약 90%가 감소되었다. 투여된 음식물 중 갈비뼈 등의 물질이 포함되었던 것을 고려한다면 무게감소율은 더 증가될 것으로 기대되며, 운전일수가 증가하면 발효소멸율도 향상될 것이다.
따라서, 음식물찌꺼기에 대한 본 발명 미생물제제를 이용한 발효 소멸화에 있어서 활발한 대사과정으로 인해 음식물 소멸시간을 단축시킬 수 있으며 높은 효소활성을 가지므로 소멸 전 기간 동안의 분해활성을 유지하여 발효 소멸화를 성공적으로 수행할 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 신균주는 균체 성장이 빠르고 효소활성 및 길항능이 우수하여 소멸 전 기간 동안의 분해활성을 유지함으로써 발효 소멸화를 성공적으로 수행할 수 있어 미생물제제로 매우 유용하다.

Claims (3)

  1. 페유기물의 분해 활성이 우수한 바실러스 리케니포미스 H-3(Bacillus licheniformis H-3)[KCTC 10273BP].
  2. 바실러스 리케니포미스 H-3(KCTC 10273BP) 균주를 생육기질 및 보존 담체에 흡착하여 제조한 것을 특징으로 하는 폐유기물 발효 소멸화용 미생물제제.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 생육기질 및 보존 담체는 탈지강, 규조토 또는 이의 혼합물인 것을 특징으로 하는 폐유기물 발효 소멸화용 미생물제제.
KR10-2002-0042920A 2002-07-22 2002-07-22 폐유기물 분해활성이 우수한 신균주 바실러스리케니포미스 ｈ－３（ｋｃｔｃ １０２７３ｂｐ） KR100443267B1 (ko)

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