A lab-scale upflow anaerobic bioreactor filled with granular sludge and cow manure was operated for 140 days to determine the mechanism of metal removal and the vertical distribution of metal precipitates. Heavy metal ions were removed in the order of $Cu^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Zn^{2+}$, $Fe^{2+}$ and $Mn^{2+}$ with respect to the height in the reactor. The solid phase analysis showed that the heavy metals were mostly precipitated in the form of metal sulfides by sulfate reduction. The contents of metal precipitates in the reactor were as follows: (ⅰ) Cd and Zn were highest in the bottom, (ⅱ) Fe was highest at the low-middle layer, and (ⅲ) Mn was increased with the height in the reactor. The vertical distribution of metal sulfides in the reactor was directly related to the solubility product (Ksp). Results obtained in this study suggest a feasibility of the application to separate precipitation of metal ions and recovery of valuable metals from metal-containing wastewater.
To remove metals and cyanide in sulfate-reducing condition, the toxicity of free cyanide (FC), zinc-complexed cyanide (ZC), nickel-complexed cyanide (NC) or copper-complexed cyanide (CC) was determined. FC at 1 mM decreased the initial sulfate reduction rate from 0.30 to 0.14 mmol $day^{-1} g^{-1}$ SS (suspended solid), whereas 0.5 mM cyanide had a minimal effect (0.25 mmol $day^{-1} g^{-1}$ SS). The order of toxicity of metal-complexed cyanides was as follows: ZC (most toxic) > FC = NC > CC (least toxic), which also corresponds with the order of the stability (dissociation) constants of the metal-cyanide complexes. Consortium degrading cyanide was enriched using NC as the sole nitrogen source. This consortium completely removed 0.5 mM of nickel-complexed cyanide under sulfate-reducing conditions in 11 days. Analysis of clone library of 16S rRNA genes shows that the consortium was composed of three major phylotypes including Desulfovibrio.
To efficiently remove different types of cyanide, activated sludge reactors treating FC, ZC or NC were operated for 50 days with a stepwise decrease of hydraulic retention time and the microbial activity and community structure in these reactors (designated as re-FC, re-ZC, and re-NC, respectively) were studied. In the re-FC and re-ZC, cyanides were almost completely removed, while approximately 80-87% of NC was removed in re-NC. In the batch test, the sludge taken from re-FC and re-ZC completely degraded FC, ZC, and NC, while the sludge from re-NC degraded only NC. These results might be attributable to the high toxicity of the nickel released after degradation of NC. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis of the 16S rRNA genes of the microbial community in three reactors showed that specific microbial communities and successions occurred in each reactor during acclimation. Most microorganisms identified by DGGE were clustered into the phylum Proteobacteria (17 bands), especially the order Burkholderiales (10/17 bands), and phylum Bacteroidetes (7 bands). Zoogloea and Acidovorax were observed in all of three reactors and Microbacterium and TM7 phylum of sequences were retrieved only from re-FC and re-ZC. Most of these common microorganisms are known to be involved in floc-formation. In the cultivation experiment, only a small fraction of isolates (4/14) exhibited 16S rRNA genes corresponding to those of the DGGE bands, and none of the isolates were able to degrade cyanide. This study demonstrated that specific microbial communities were enriched in the degradation of each type of cyanide, although those in re-FC and re-ZC showed similar properties with regard to cyanide degradation.
Strain $L61^T$, was isolated from re-NC. The strain was found to be Gram-negative, motile, non-spore-forming rods that formed circular, cream-colored, semi-translucent colonies on a yeast extract-mannitol medium. The strain also contained an nifH gene and formed nodules on Medicago sativa. Based on its 16S rDNA gene sequence similarity, strain $L61^T$ was identified as an α-Proteobacteria related to Ensifer adhaerens (97%), Sinorhizobium morelense (97%) and Rhizobium giadinii (97%). Meanwhile, according to a phylogenetic tree, strain $L61^T$ was clustered in a polyphylic group composed of Agrobacterium, Allorhizobium, and Rhizobium, yet distantly related to any defined species. The DNA-DNA relatedness between strain $L61^T$ and another similar isolate L22, was 86%, yet less than 10% with other reference strains from related species, including Rhizobium giardinii, Rhizobium huautlense, and Agrobacterium tumefaciens. Accordingly, a new species, Rhizobium daejeonense sp. nov., is proposed for strains $L61^T$ and L22, with the type strain $L61^T (=KCTC 12121^T =CCBAU 10050^T=IAM 15042^T)$.
중금속 제거 메커니즘과 높이에 따른 중금속 침전물의 분포를 보기 위하여Granular 슬러지와 우분으로 채워진 상향류식 혐기성반응기를 140일간 운전하였다. 반응기 내에서 중금속은 $Cu^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Zn^{2+}$, $Fe^{2+}$ 와 $Mn^{2+}$ 순으로 제거되었다. 반응기 내 고형물에 대한 분석을 통하여 중금속이 대부분 황산염환원에 의해 생성된 황화물과 결합하여 침전되었음을 알 수 있었다. 반응기내 중금속 침전물의 분포를 보면 카드뮴과 아연은 반응기 바닥층에 가장 많이 침전되었고, 철은 반응기 중하층에 가장 많이 침전되었으며 망간 침전물은 반응기 높이에 따라 증가하였다. 황화물형태 중금속 침전물의 반응기내 분포는 용해도적상수(Ksp)와 상관관계를 나타내었다. 본 연구의 결과는 중금속 함유 폐수에서 중금속을 생물학적 방법으로 분리제거하여 유가금속을 회수할 수 있는 가능성을 제시하였다.
황산염환원 조건에서 중금속과 시안을 동시에 제거하기 위하여 free cyanide (FC), zinc-complexed cyanide (ZC), nickel-complexed cyanide (NC) 및 copper-complexed cyanide (CC)의 독성을 측정하였다. 1 mM FC는 초기 황산염환원 속도를 0.30 에서 0.14 mmol $day^{-1} g^{-1}$ SS (suspended solid)로 감소하였으나 0.5 mM FC는 거의 영향이 없었다 (0.25 mmol $day^{-1} g^{-1}$ SS). 시안의 독성 순서는 독성이 강한 것으로부터 ZC > FC = NC > CC 순서였고 이는 중금속 착화물 형태 시안의 안정성과 상관관계가 있음을 말한다. 시안을 분해하는 미생물들을 농화배양했으며 이 농화배양액을 이용하여 황산염환원 조건에서 0.5 mM NC를 11일만에 완전히 제거하였다. 이 농화배양액 내 미생물 16S rRNA gene에 대한 clone library 결과는 이 농화배양액이 주로 Desulfovibrio를 포함한 세가지 미생물로 구성되었음을 설명한다.
여러 가지 종류의 시안을 효과적으로 제거하기 위하여 FC, ZC나 NC를 제거하는 활성슬러지 반응기 (각각 re-FC, re-ZC, re-NC로 표시)를 수리학적 체류시간을 점차 줄이면서 50일간 운전하였고 각 반응기 내 미생물 활성과 군집의 분포를 고찰하였다. Re-FC와 re-ZC에서는 시안이 완전히 제거되었지만 re-NC에서는 80-87%정도만 제거되었다. 배치실험에서는 re-FC와 re-ZC에서 채취한 슬러지는 세가지 시안을 다 제거하였으나 re-NC에서 채취한 슬러지는 NC만 분해하였다. 이 결과는 NC 분해과정에서 생성된 니켈 이온의 강한 독성 때문이라 추정된다, 세 반응기 내 미생물의 16S rRNA gene에 대한 Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) 분석은 각 반응기 내 미생물 군집이 반응기 운전과정에서 점차 특이적이 되는 것을 볼 수 있었다. DGGE로 확인된 미생물들은 대부분 phylum Proteobacteria (17 bands) (특히 Burkholderiales (10/17 bands))와 phylum Bacteroidetes (7 bands)에 속하였다. Zoogloea와 Acidovorax에 관련된 미생물은 세 반응기 모두에서 측정되었고, Microbacterium과 phylum TM7 관련된 미생물은 re-FC와 re-ZC에서 발견되었다. 이런 공통된 미생물의 대부분은 활성슬러지 내 블록 (floc)형성과 관련된 것으로 보고 되었다. 미생물 배양 실험에서 11가지 속 (genus)에 속하는 14가지 종 (species)의 미생물이 분리되었는데 그 중 4가지 종류 미생물의 염기서열은 DGGE의 밴드 염기서열과 일치하였다. 이 연구는 비록 re-FC와 re-ZC는 비슷한 시안 분해 패턴을 보이지만 시안 종류에 따른 미생물 군집은 매우 특이적임을 알 수 있었다.
균주 L61은 re-NC에서 분리되었다. 이 균주는 그람음성이고, 운동성이 있으며 포자를 형성하지 않는 막대형으로서 YMA배지에서 크림색의 원형 콜로니를 형성하다. 이 균은 nifH 유전자를 갖고 있으며 Medicago sativa에서 뿌리혹을 형성하였다. 16S rRNA 유전자 염기서열에 의한 계통수 분석을 통해 균주 L61이 R. giardinii (96.9%; 염기서열 상동성), R. radiobacter (96.1%), R. rubi (96.0%), R. larrymoorei (95.7%), R. vitis (95.4%), R. undicola (94.4%), R. loessense (94.4%), R. galegae (94.1%) and R. huautlense (94.9%)를 포함한 Rhizobium genus에 속함을 알 수 있었다. DNA-DNA 상동성 테스트에서 균주 L61은 R. giardinii, R. huautlense, A. tumefaciens와 10%이하의 상동성을 나타냈다. 탄소원이나 질소원 및 항생제에 대한 특성 테스트와 지방산 분석 실험 결과도 균주 L61이 Rhizobium 속에 속하는 새로운 종임을 지지한다. 따라서 균주 L61을 표준균주로 하는 새로운 종 Rhizobium. daejeonense를 제안한다.
