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영어

The biological treatment of TNT-containing wastewater, known commonly as pink water, was investigated using a stirred tank reactor with Stenotrophomonas maltophilia OK-5 bacterial culture. S. maltophilia OK-5 exhibited effective degradation of TNT contained in pink water, completely degrading TNT (100 mg/L) within 6 days of incubation. The dark-red brown color derived from Hydride-Meisenheimer complex became more pronounced during the incubation period, which was determined quantitatively. High-pressure liquid chromatography was used to measure residual TNT, which also resolved the metabolic intermediates (i.e., 2,4-dinitrotoluene, 2,6-dinitrotoluene and 2,4-dinitro-6-hydroxytoluene). Gas chromatography-mass spectrometry was used to verify these intermediates. Quantification of the nitroreductase (pnrB) gene isolated from S. maltophilia OK-5 growing in pink water was performed with real-time PCR. The amount of pnrB gene copies increased to 103-fold after 5 days of incubation time.

한국어

TNT (2,4,6-Trinitrotoluene)의 제조 공정 중 발생되는 폐 수인 pink water 또는 red water는 TNT 뿐만 아니라 여러 가지 질소 방향족을 포함하는 산업폐수로서, 미국의 경우 TNT를 생산하는 단일 공장에서 하루에 약 200 kL의 폐수 가 배출되고 있다 [1]. Pink water는 TNT 제조 공정 중 부 분적으로 정제된 TNT를 마지막으로 정제하는 공정에서 발생하는 폐수로서 이름에서 유래하는 것처럼 수용액 상태 로 존재하는 질소방향족 화합물의 광화학적 반응으로 인해 점차 노란색에서 분홍색으로 변하며, pH 3 이하의 강산성 이고, 특유의 향기를 가진다 [1,2]. 또한 TNT 제조 공정 중 발생하는 다른 형태의 폐수인 red water는 TNT의 정제 과정과 TNT를 축ㆍ중합하는 과정에서 발생한다 [1,3]. TNT 제조 공정에서 배출되는 이들 폐수 속에는 TNT 성분 뿐만 아니라, dinitrotoluenes (DNT), nitrobenzenes (NB) 등이 포함되어 있어 이러한 폐수가 환경에 유출되면 심각 한 환경오염문제를 초래한다 [4,5]. 폐수의 주성분인 TNT 에 인체가 장기간 노출될 경우 골수섬유증 (myelofibrosis) 과 체중감소증 및 재생불량성 빈혈 (aplastic anemia) 등의 질병을 유발시킬 수 있다 [6]. 또 다른 성분들인 DNT와 NB 는 생명체에 축적되어 내분비교란물질 (endocrine disrupture) 로서 작용하며 자연생태계에서 배출된 질소방향족 화합물 들은 자연적으로 분해가 어려워 토양에 장기간 지속되어 토 양 및 수계 생태계를 오염시킨다 [7,8]. 특히 하천이나 해양 으로 이들 산업 폐수가 방출될 경우 부영양화의 원인이 될 수 있다는 연구 보고가 있다 [9]. 따라서 이러한 질소방향족 화합물들은 생태계에 대한 독성효과로 인하여 미국환경보 호청에서 우선감시대상 화합물로 분류하고 있다 [10]. 환경오염물질로서 난분해성인 TNT와 DNT의 생물학적 제거방법에 대해 많은 연구가 시도되어왔으며, 세균뿐만 아니 라 진균류에 의한 분해와 분해기작에 관한 연구가 활발히 보 고되었다 [11,12]. TNT를 분해하는 세균들로는 Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida, Enterobacter cloacae, Stenotrophomonas maltophilia, Desulfovibrio sp. 등이 보고 된 바 있다 [13-17]. 지금까지 TNT 함유 폐수에 대한 처리 공정으로는 주로 과립활성탄을 이용한 흡착제거 방법과 고 온 소각공정을 이용하여 TNT 함유 폐수를 처리하였으나, 물리ㆍ화학적 폐수 처리 공정은 경제적 비용과 이차 환경 오염물질의 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하고자 습지 식물인 Myriophyllum aquaticum과 백색부후균 (white-rot fungus)인 Phanerochaete chrysosporium 을 이용한 생물학적 처리방법에 관한 연구가 시도된 바 있 다 [18,19]. 사실 최근까지 토양미생물을 이용한 TNT 분 해 연구는 주로 생화학적 혹은 유전학적 측면에서 분해 관련 유전자 및 단백질의 탐색에 중점적으로 연구되고 있으며, TNT 대사과정 중 실시간으로 변화하는 대사 관련 유전자들의 발현량과 TNT의 분해율에 대한 연구는 보고 된 바 없다. 또한 TNT를 생산하는 과정에서 발생되는 막 대한 양의 폐수에 대해 세균을 이용한 생물학적 처리 적용 에 관한 연구는 Kwon 등 [20]이 혐기적조건 하에서 혼합 배양을 통해 TNT 함유 폐수를 처리한 보고가 있을 뿐 거의 미비한 실정이다. 본 연구실에서는 TNT 분해능이 우수한 Stenotrophomonas maltophilia OK-5를 분리하여 다양한 생리화학적 및 분자 유전학적 특성 연구를 통하여 이 균주의 산업적 이용가능 성을 조사하였으며, 특히 게놈 셔플링 및 단백질체학 분석 을 통해 TNT 대사작용에 관여하는 중요 유전자들에 대한 탐색을 실시하였다 [21-25]. 본 연구에서는 이 S. maltophilia OK-5를 이용하여 교반 탱크 반응조 내에서 TNT 제조 공정에서 발생하는 pink water의 생물학적 처리가능성을 조사하였으며, 처리과정 에서 생성되는 TNT 분해대사산물들을 HPLC와 GC-MS 등에 의한 분석을 통하여 확인하였다. 또한 S. maltophilia OK-5가 pink water를 생물학적으로 분해하는 동안 TNT 대사에 관여하는 nitroreductase (pnrB) 유전자의 발현량을 RT-PCR로 측정하였다.