Transcript 환경공학개론-제5장

환경미생물학
환경미생물이란?
환경미생물
 환경오염과 관련된 미생물
 환경오염을 유발시키는 미생물
 환경오염을 제어하는 미생물
환경과학과 환경공학
 환경과학은 환경오염의 발생원인과 자연계에서의
운명에 대한 연구 (환경물리학, 환경화학, 환경미
생물학, 환경생태학 등)
 환경공학은 오염의 처리기술에 치중
왜 미생물이 필요한가?
미생물은 어디에나 존재한다.
 강물, 토양, 바다, 공기, 온천, 화산
미생물은 생리적 기능이 다양하다.
 지구상에 가장 많은 종 수를 차지하는 곤충에 비해
1,000배 이상의 종
 모든 물질은 미생물에 의해 분해 가능하다.
미생물은 환경에 빠르게 적응한다.
 돌연변이에 의한 유전적 변화와 진화가 쉽다.
 새로운 합성물질을 분해하는 미생물의 출현이 가능
미생물을 이용한 환경오염 정화
자연 미생물의 이용
 활성슬러지를 이용한 하수, 폐수의 처리
 영양염류의 미생물학적 전환과 부영양화 예방
 합성 오염물질, 독성물질의 분해
 자원 생산을 통한 에너지문제 해결
생물공학적 응용
 유전자 변형을 통한 고효율 미생물의 개발
 난분해성 오염물질의 분해 미생물 개발
 병원성 미생물의 제어
세포로서의 미생물
세포(Cell)
 세포막(cell membrane) 또는 세포벽(cell wall)에
의해 분리되고 생명활동을 하는 기본단위
세포의 특성
 영양섭취(nutrition) = 대사(metabolism)
 생장(growth) = 자기복제(self-replication)
 분화(differentiation)
 화학적 신호전달(chemical signaling)
 진화(evolution)
세포의 물질대사(metabolism)
살아있는 세포에서 일어나는 화학반응
효소(enzyme)-세포의 대사를 일으키는 촉매
 효소의 특징 ; 촉매작용, 반응특이성, 기질특이성,
pH, 온도
 효소의 성분 = 단백질(아미노산의 중합체)
 특이한 입체구조(아미노산 순서에 의해 결정)
 유전정보 물질인 DNA로부터 생성됨
효소와 활성화 에너지
효소는 화학반응의 활성화 에너지를 낮추어 주어 반응을 빠르게 한다.
효소가 없을 때의
활성화에너지
효소의 특성-온도, pH
체외 : 고온의 일시적 반응
체내 (효소 관여) : 단계적으로 효소의
촉매가 이루어 지는 반응
효소는 최적의 온도 (35-40℃), 최
적pH (6-8), 최적기질농도가 있다.
대사특성에 따른 미생물의 구분
탄소원에 따라
독립영양 미생물
종속영양 미생물
에너지원(原)에 따라
광합성 미생물
화학합성 미생물
광합성 독립영양
 빛 에너지 이용, CO2 고정
 녹색 광합성 세균 (시아노 박테리아)
광합성 종속영양
 빛 에너지 이용, 유기물이 전자공여체로서 필요
 혐기성광합성 세균
화학합성 독립영양
 화학에너지 이용, CO2 고정
 질소산화세균
화학합성 종속영양
 대부분의 세균
용존산소와의 관계
호기성 (aerobic)
혐기성 (anaerobic)
임의성 (facultative)
온도와의 관계
친냉성 미생물 (psychrophilic microbes)
친온성 미생물 (mesophilic microbes)
친열성 미생물 (thermophilic microbes)
미생물의 성장
미생물의 성장 곡선
지체기
대수증식기
정체기
사멸기
 지체기
 환경에 적응하는 시기
 대수증식기
미생물 수
 세포수가 지수적으로 증가
 정체기
 신생 세포수=사멸 세포수
 사멸기
 사멸세포수가 증가
시간
미생물학의 연구대상
바이러스
원핵생물(Prokayote)
세균(Bacteria)
진핵생물(Eukaryote)
균류(Fungi)
조류(Algae)
원생동물(Protozoa)
후생동물(Metazoa)
바이러스
원핵생물과 진핵생물의 차이점
Bacteria
0.8 – 5 ㎛,
분자식 : C5H7O2N or C60H87O23N12P
폐수처리에 가장 중요한 역할
구균
간균
나선균
Fungi
탄소동화작용 않음
대부분이 호기성
사상균(絲狀菌)으로 낮은 pH에서도 잘 성장
Sludge Bulking과 관계
Algae
엽록소를 가지는 단세포 또는 다세포 식물
탄소동화작용, 무기물 섭취
물에 맛과 냄새 발생
Protozoa
탄소동화작용 않음
호기성
Bacteria 섭취
Sarcodina (아메바류)
Matisgophora (편모충류)
Ciliates (섬모충류) 등
원생생물 (1)
► Sarcodina (아메바류)
► Matisgophora (편모충류)
Peranema
► Ciliates (섬모충류)
Paramecium
Vorticella
Sludge Worm
폐수처리 관련 미생물 먹이사슬의 최상위에 위치
Bacteria와 Protozoa 섭취
Rotifer (윤충류), Crustaceans(갑각류) 등
► Rotifer (윤충류)
Collotheca
Rotifer
Brachionus
plicatilis
► Crustaceans
Chydoridae
Hyalellidae
생장과 제한요인
환경에서의 제약 = 제한요인(limiting factor)
제한요인의 조절을 통한 적절 생장 유도
온도의 경우;
 온도의 증가는 일반적으로 생장을 촉진
 일정온도 이상에서는 단백질의 변성으로 사멸
 미생물마다 최저, 최고, 최적 온도가 존재
미생물에 의한 탄소순환
질소의 순환
질소: 단백질,핵산, 클로로필, 조효소 등의 중
요한 구성요소
건조한 대기 가스의 약 78%가 질소분자로 구
성 (가장 큰 질소 저장소)
 질소고정박테리아를 제외한 모든 생물은 대기속의
질소를 직접 이용할 수 없음
 식물과 거의 모든 생산자는 질산염이온 (NO3-)형
태로 질소 흡수 -> 질산염 이온은 질산화 작용
(nitrification)과 질소고정(nitrogen fixation)에 의
해 형성
생산자부터 분해자까지
생산자(식물)에 의해 질산염 이온 흡수
 식물 단백질 형성
소비자와 분해자 영역으로 이동
 소비자-약간의 동물 단백질 형성(나머지는 대사작용
으로 변화되고 질소노폐물은 다양한 형태로 배설(요
소,요산,암모니아))
 분해자-여러 단계의 분해과정 통해 단백질과 질소노
폐물 재순환
 유기노폐물을 분해하여 암모니아, 물, 이산환탄소 생
성 (암모니아는 물에 쉽게 이온화되고 암모니아 이온
(NH4+)형성
암모니아 박테리아->질화박테리아
 독립영양을 하는 Nitrosomonas와 같은 박테이아에
의해 암모니아 이온은 아질산염(NO2-)형태로 전환
(질산화 작용, nitrification)
 Nitrobacter 박테리아에 의해 아질산염은 질산염
(NO3-)으로 전환
교환풀로 이동(순환하여 다시 식물에 흡수)
 교환풀에서의 손실:가용성 질소 함유 이온들이 물과
함께 토양에서 씻겨 내려가 유실
 혐기성 조건 형성->혐기성 토양 박테리아
(Pseudomonas denitrificans)에 의해 아질산염과 질
산염이 질소산화물(N2O)과 질소가스로 전환
대기 저장소로 이동
 탈질화 박테리아(Pseudomonas denitrificans) 
질소원 손실(아질산염, 질산염질소산화물, 질소
가스)
질소고정자
 질소 고정 박테리아와 남조 박테리아에 의해 대기
질소 고정
 암모니아를 만들기 위해 복잡한 생화학 경로를 통
해 질소와 수소 결합
 초과분은 토양과 물로 다시 방출->질화박테리아에
의해 아질산염과 질산염으로 전환
미생물에 의한 질소순환
환경오염문제와 미생물
용존산소, BOD와 유기물
유기물의 분해-미생물에 의한 산소의 소모
 물속의 용존산소(DO)에는 한계가 존재함
 용존산소의 감소  물속 생물의 사멸
생화학적 산소요구량(BOD)
 물속의 유기물을 분해하는데 필요한 산소의 양
 높은 BOD=높은 유기물 농도
 하천수의 수질기준
• 1급수 (1ppm), 2급수 (3ppm), 3급수 (6ppm),
• 4급수 (8ppm), 5급수 (10ppm)
생태계의 자정작용
자정(Self-Purification)
 환경용량 이내의 오염물질은 자연적으로 정화됨
 미생물에 의한 유기물질의 분해과정
 환경용량을 벗어나면 오염이 심화됨
 미생물에 의한 산소의 제거
자정작용에 영향을 주는 요소들
 수체의 혼합에 의한 용존산소의 지속적 공급
 오염물질의 유입속도
 존재하는 미생물의 숫자 및 종류
수인성 질병과 미생물
수인성 질병
 세균: 장티푸스, 콜레라, 세균성이질, 급성폐렴, 위
장염
 바이러스: A형 간염, 소아마비, 장염, 뇌수막염
 원생동물: 급성설사, 아메바성 이질, 뇌척수막염
병원성 원생동물
 Cryptosporidium & Giardia
 하수에서 염소소독 된 수돗물까지 거의 모든 환경
수 중에 존재 가능
 미국, 영국, 일본 등 매년 발병사고 속출
 약10년 동안 50만 명 이상의 감염자 발생
 모래여과 공정이 원생동물 제거에 어느 정도는 효
과가 있다는 연구가 발표
C. Parvum
4.5-5.5 μm
C. Muris
6 - 8 μm
Giardia
lamblia
Giardia
lamblia
(정면)
(측면)
Giardia cyst
부영양화와 미생물
물속에서의 광합성은 질소와 인에 의해 제한
적절하게 처리되지 못한 하수= 질소, 인 공급원
광합성 생물의 번식
 원핵성 광합성생물 (시아노 박테리아)가 유리
 호수인 경우 녹색의 시아노 박테리아가 번성함
 독소의 분비(신경독소)
 정수처리시 여과효율을 떨어뜨림
 악취발생, 유기물증가로 용존 산소의 고갈
미생물의 응용
유용한 금속의 추출-미생물 제련
 금속 함유량이 낮은 저품위 광석으로 부터 금속을 회수
 불용성의 금속을 미생물을 이용하여 가용성으로 변환
 저품위 구리 또는 우라늄 광석에 응용
원유 회수
 경제성이 없는 유전으로부터 원유회수
 미생물이 생산하는 계면활성제를 이용
연료의 생산
 목재폐기물, 슬러지 등으로부터 알코올(에탄올) 생산
 메탄가스의 생산으로 에너지원 대체
 수소발생세균: 미래의 대체 에너지원
기타 단백질의 공급
미생물 농약 개발 (예:솔잎혹파리백강균)