In this work, a method for simultaneously degrading the toxic pollutant, thiocyanate (SCN-), and producing microalgal lipids using mixed microbial communities was developed. Aerobic activated sludge was used as the seed culture and thiocyanate was used as the sole nitrogen source. Two cultivation methods were sequentially employed: a lithoautotrophic mode and a photoautotrophic mode. SCN hydrolysis and a nitrification was found to occur under the first (lithoautotrophic) condition, while the oxidized forms of nitrogen were assimilated by the photoautotrophic consortium and lipids were produced under the second condition. The highest CO2 fixation rate and lipid productivity were observed with 2.5 and 5% CO2, respectively. The proposed integrated algal-bacterial system appears to be a feasible and even beneficial option for thiocyanate treatment and production of microalgal lipids.
To provide the first insight into the bacterial and algal diversity seen during SCN- decomposition under lithotrophic/photoautotrophic conditions in an activated sludge-based system, high-throughput pyrosequencing was used. The results revealed that a Thiobacillus-like microorganism was mainly responsible for SCN- hydrolysis and hydrosulfide (HS-) oxidation. The abundance of this genus was relatively high (7.1-22.7% of the total screened sequences) for a long period (102-264 h), even after the complete degradation of SCN- and in the presence of microalgae. As SCN- hydrolysis proceeded, the proportion of nitrifying bacteria decreased sharply, inhibiting further nitrification. In contrast to the patterns among bacteria, especially nitrifiers, the diversity and dominance patterns were relatively stable among algae throughout the hydrolysis of SCN-. Since these findings may indicate that microalgae can tolerate high levels of SCN-, it is speculated that the co-existence of Thiobacillus plus microalgae could support effective SCN- decomposition.
A cooperative algal-bacterial system that efficiently degrades SCN-, a toxic contaminant, and maximize the lipid productivity, was also developed. A consortium of mixed bacteria (activated sludge) and microalgae was sequentially cultivated under photoautotrophic and photoheterotrophic modes. After the degradation of SCN-, algal-bacterial cultures containing Chlorella protothecoides and Ettlia sp. yielded significantly increased lipid productivity under photoheterotrophic conditions compared to photoheterotrophic conditions (28.7- and 17.3-fold higher, respectively).
This study also investigated the feasibilities of microalgae-mediated process for the actual cokes wastewater was examined. Under a 2.5-fold dilution of wastewater, microalgae typically assimilated NH4+ and also accumulated lipids. The highest biomass and lipid contents, which were 1,480 mg/L and 94.5 mg/g, were obtained in algal-bacterial culture at 5-fold diluted wastewater, respectively. At higher concentration of the coke wastewater, photosynthetic activity of microalga was significantly inhibited, irrespective of the phenol degradation. Redundancy analysis (RDA) and a map of nonmetric multidimensional scaling (NMDS) collectively revealed that algal-bacterial culture effectively degrades organic carbon, particularly phenol. However, the effect of aerobic bacteria on NH4+ uptake was negligible. Therefore, the use of proper dilution or suitable pretreatments should be considered before the application of microalgae in the treatment of the actual wastewater.
In this work, an integrated algal-bacterial system that efficiently remove the phenol and ammonium (NH4+)-nitrogen, was investigated, and the electro-flotation-oxidation using boron-doped diamond (BDD) electrode was employed to not only recovery the algal biomass but degrade residual organic pollutants and thiocyanate (SCN-) from the coke wastewater. In the invested cases, the harvesting efficiency of microalgae and mineralization of residual pollutants were closely consistent with the current density used. Without release of cationic coagulant, aluminum (Al), microalgae that were floc-formed with other microbes, were successfully harvested. As the current efficiency was higher at lower current density, the optimization of operating condition allowed this process to be more cost-benefit and profitable. Taken together, the electrochemical-mediated process based on the anodic oxidation may has a great potential for harvesting microalgae and simultaneously degrading residual pollutants from the coke wastewater.
물리화학적으로 매우 안정적인 물질 중 하나인 황화시안은 주로 플라스틱 생산, 금속 제련, 코크스 공정을 비롯한 철강산업으로부터 발생하게 된다. 황화시안은 분해가 어려울 뿐만 아니라, 매우 강한 독성으로 인해 상대적으로 낮은 농도에 노출되더라도 척추 동물을 비롯한 대부분의 생물유기체들은 큰 손상을 입게 될 수 있다. 지속적으로 노출될 경우, 중추 신경계 손상으로 인한 망상이나 환각, 경련, 또는 정신병에 이르기까지 치명적인 질병을 야기할 수 있기 때문에, 자연계로 방류되기 전에 반드시 처리되어야만 한다. 황화시안을 처리하는 방법은 크게 물리화학적 공법과 생물학적 공법으로 구분할 수 있다. 물리화학적 처리기술의 경우 상대적으로 안정적인 운전이 가능하지만, 경제성과 복잡한 처리 공정, 그리고 처리규모가 제한적이라는 단점이 있기 때문에, 우리나라의 경우 황화시안 폐수가 발생하는 대부분의 폐수처리 시설에서는 활성 슬러지를 이용한 생물학적 처리 공법을 도입하여 처리하고 있다. 하지만, 이 방법 역시 복잡한 공정, 생물 저해 현상에 따른 불안정한 처리 효율, 그리고 2차 오염물질의 발생 등 해결해야 할 다양한 문제점들이 드러나게 되면서, 이러한 한계점들을 극복할 수 있는 새로운 접근 방식의 필요성이 대두되고 있다.
미세조류는 다양한 형태의 질소원을 에너지 효율적으로 성장 대사에 이용하면서 동시에 단위 면적당 높은 지질 생산성 및 이산화탄소 고정능을 가지고 있기 때문에, 기존의 생물학적 질소 처리 공법의 한계를 극복하는데 주요한 역할을 할 수 있을 것으로 추측하여, 본 연구에서는 미세조류 기반 황화시안폐수 처리와 바이오디젤 생산 공정을 개발하고자 하였다. 먼저, 효율성과 경제성을 높여보고자, 활성 슬러지에 내생하는 다양한 미생물 군집을 이용해 보기로 하였다. 이것을 증명하기 위해 황화시안 인공 폐수를 제조하였고, 하수 종말 처리장의 호기 처리조에서 슬러지를 채취하여 4리터 광학 생물반응기에 접종하여 그 변화를 살펴보았다. 약 80시간의 침체기를 거쳐 황화시안이 산화되기 시작하였고, 약 124 시간 이후에는 활성슬러지의 내생 군집에 의해 황화시안이 완전히 산화되는 것을 확인할 수 있었다. 이후에, 예상대로 암모늄 질소가 증가하였고, 암모늄 질소는 다시 질산염과 아질산염의 형태로 산화되는 것을 확인할 수 있었다. 활성 슬러지 내의 내생 미세조류 군집의 성장을 유도하기 위해 황화시안이 산화된 이후 빛을 조사하였고, 이후 점차 모든 형태의 질소원이 제거되는 것을 확인할 수 있었다. 양자수율과 엽록소 분석을 통해 미세조류의 광합성능을 측정해본 결과, 대부분의 질소가 미세조류의 성장 대사에 이용되었다는 것을 간접적으로 확인할 수 있었다. 황화시안 처리 후, 미세조류의 지질 생산을 증대시키기 위해 각기 다른 농도의 이산화탄소를 주입하였고, 그 결과 질량비 2.5%의 이산화탄소를 공급시켜 주었을 때, 가장 높은 지방산을 생산하는 것을 확인하였다. 기존의 문헌과 비교해 보았을 때, 미세조류와 박테리아의 조합이 새롭고 효율적인 공정으로써 발전 가능성이 충분할 것으로 결론을 내릴 수 있었다.
이때, 활성 슬러지 내의 박테리아와 미세조류 군집의 변화를 차세대 염기서열 분석법을 이용하여 심도 있게 살펴보고자 하였다. 황화시안이 처리되는 과정에서는 티오바실루스가 주요한 역할을 했을 것으로 추정할 수 있었고, 미세조류의 경우 마이크로악티넘이 우점종을 차지하고 있었다. 개체 수 변화를 고려해 보았을 때, 서로 다른 두 군집의 생물학적인 공생은 큰 문제가 없는 것으로 사료되었고, 오히려 기존의 질산화균이나 탈질균을 이용하는 것보다 미세조류 군집을 이용하는 것이 훨씬 더 안정적일 수 있다는 결론을 도출할 수 있었다.
이렇게 황화시안을 처리하고 미세조류 바이오매스를 확보한 후, 휘발성지방산과 효모 추출액을 추가로 주입하여 공정적으로 지질의 생산성을 극대화시켜보고자 하였다. 그 결과, 최상위 수치를 고려해 보았을 때, 각각 28.7배 그리고 17.3배 높은 지질을 생산할 수 있었다. 반응 표면분석법을 이용하여, 지질 생산성에 미치는 환경인자에 대한 통계분석을 진행하였고, 결론적으로는 휘발성 지방산이 지질 생산성을 향상시키는데 매우 주요한 역할을 한다는 결론을 얻을 수 있었다. 생물학적인 관점에서 휘발성 지방산은 미세조류 세포 내에서 지질 합성에 매우 주요한 중간물질인 아시텔보효소 A로 직접 전환될 수 있기 때문에, 미세조류의 지질 합성 대사에 유용하게 이용되었을 가능성이 높기 때문에, 지질 생산성의 증대에 지대한 영향을 미친다는 통계 결과와도 연관성이 매우 높을 것으로 사료된다. 박테리아가 공존하는 환경에서 광합성 조건에서 미세조류가 우점종이 된 상태에서 적절한 유기탄소원을 이용한다면, 지질의 생산성을 상당히 향상시킬 수 있다는 결론도 함께 도출할 수 있었다.
인공 폐수에서의 결과를 바탕으로 실재 고농도의 황화시안이 유출되고 있는 철강 폐수에 적용을 해보았다. 철강 폐수에는 황화시안 이외에도 매우 다양한 형태의 독성물질이 다량 분포하고 있기 때문에, 이러한 물질들 또는 이로부터 유래될 수 있는 산화성 스트레스에 의해 미세조류의 광합성능이 저해를 받는 현상이 일어났다. 다변량 분석법 중 하나인 가외성 분석을 통해, 활성 슬러지의 호기성 박테리아는 궁극적으로 미세조류의 광합성능을 향상시키는 데에는 크게 기여하지 못하다는 것을 통계적인 수치로 확인할 수 있었기 때문에, 박테리아와 미세조류 공정을 분리하는 것이 효율적일 것이라는 결론을 도출할 수 있었다. 실제로 박테리아와 미세조류 공정을 분리하여 철강 폐수를 처리하였을 때, 훨씬 더 안정적이고 효율적인 처리가 가능해진다는 것을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다. BDD전극을 이용한 전기산화 및 동시 미세조류 수확공정을 후단에 적용한다면, 미세조류 기반 황화시안처리 및 바이오연료 생산 기술의 실현가능성을 높이는데 크게 기여할 수 있을 것이라고 사료된다.
