KR20140119856A

KR20140119856A - 바이오 플락 시스템의 수질 정화용 갯벌 유래 로도코커스 속 신규 균주 및 미생물 제재

Info

Publication number: KR20140119856A
Application number: KR1020130033007A
Authority: KR
Inventors: 강경호; 강형일; 최석진; 허준욱; 정지섭; 박용빈; 오준영; 차준성; 홍혜란
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-13

Abstract

본 발명에서는 연안 갯벌에서 농화배양을 통해 엔도설판 및 유기물 분해능이 매우 우수한 미생물 (균주명 EDB 2)를 분리하여 생리생화학적 및 유전학적 특성을 분석한 결과 Rhodococcus pvridinivorans와 99%의 높은 상동성을 보였다. 균주 EDB-2는 호기성, 그람 양성, 막대형이며, 핑크빛을 띠고 있다. 생장가능 온도는 20℃~45℃, 최적온도는 약 20℃~42℃로 생장 온도 범위가 비교적 넓은 것으로 나타났다. Casein과 cellulose 가수분해능력은 없지만 DNA, agar, starch 그리고 tween의 분해 능력이 있는 것으로 나타나 지질 분해능이 우수하여 유기물로 오염된 수산폐수를 정화하는데 유용하게 쓰일 수 있을 것이다.

Description

바이오 플락 시스템의 수질 정화용 갯벌 유래 로도코커스 속 신규 균주 및 미생물 제재 {A novel microorganism Rhodococcus pyridinovorans EDB2 degrading aromatic compounds}

본 발명은 연안 갯벌에서 농화배양을 통해 동정된 로도코커스 속 신규 균주 Rhodococcus sp. (EDB2)를 이용한 천연 미생물제재를 제조하여 바이오 플락 양식장의 사육수에서 배양함으로서 양식생물이 만들어 내는 부산물을 포함한 양분 에너지를 동정된 미생물에 의해 분해하게 함으로서 분해된 부산물을 다시 생물 양식에 필요한 양분으로 사용할 수 있도록 하는 바이오플락 시스템의 이용한 수질 정화용 미생물 제재에 관한 것이다.

전 세계적으로 식량 위기에 대응하여 양식업에 대한 관심이 집중되고 있으며, 양식업은 수산 식량 공급의 주요 원천으로 그 역할이 높아지고 있다. 최근 양식장은 어류의 대량 생산 기반을 갖추고 있고, 양식장 내의 사육수의 순환 및 배수에 관한 방식 및 장치와 관련한 기술 개발이 이루어지고 있다.

육상에서 양식하는 경우, 사육수를 지속적으로 환수하여야 하며, 양식생물의 사육에 사용된 사육수는 사육생물이 배설한 유기물, 사료찌꺼기 등이 혼합되어 있어 이를 재사용하기 어렵다. 육상수조식이나 노지 등으로 조성된 양식장은 지속적으로 새로운 물을 공급하고 배출하는 방식으로 사육과정에서 발생하는 사육수는 시간이 경과함에 따라 사료 및 생물이 배출하는 노폐물 및 주변 환경으로부터 영양염인 질산염이나 인산염 등이 유입되어 발생되는 부영양화로 인해 수질이 악화된다.

이를 처리하기 위해서는 많은 비용이 수반되며, 실제적으로 사육폐수의 처리시설을 정상적으로 갖추지 못하고 그대로 하천 및 지하로 배출되어 환경오염을 야기시키고 있다.

한편 폐기물을 해양에 투입 처분하는 것은 원래 바람직한 방법은 아니지만, 폐기물관리법 및 해양오염방지법 등에서 기준을 정하여 제한적으로 실시가 인정되고 있다. 무분별한 투기 행위를 막기 위해 국제해사기구(International Maritime Organization:IMO)를 중심으로 해양오염 방지대책을 위한 조약 책정 등의 국제적인 협력이 적극적으로 추진되고 있고 이와 함께 각국에서 해양오염 대책이 정비되어 왔다. 대표적인 국제협약으로는 1972년 11월 3일 체결되고 1975년 8월에 발효된 '폐기물 및 기타 물질의 투기에 의한 해양오염 방지에 관한 협약(Convention on the Prevention of Marine Pollution by Dumping of Wastes and Other Matters)'(일명 런던협약)이 있다.

정부는 런던협약에 따라 2012년 1월부터 하수 오니와 가축분뇨, 2013년 1월부터 음폐수(음식물 쓰레기 폐수), 분뇨, 분뇨오니, 2014년부터 산업폐수 및 폐수 오니에 대해 해양배출을 금지하였음에도 불구하고 현재 각 지자체에서는 이를 대비한 방책이 수립되지 않은 것이 현실이다.

따라서 생물이 만들어 내는 부산물을 포함한 사육수를 배수하지 않고 사육수 안에 존재하는 단백질, 탄수화물, 지질 등과 같은 유기물을 미생물의 접종, 배양으로 미생물에 의해 자연적으로 분해하고, 분해된 부산물을 다시 생물 양식에 필요한 양분으로 사용하도록 하는 친환경적으로 양식생물을 연속적으로 생산할 수 있는 바이오플락 양식방법이 개발되고 있다.

즉, 바이오플락 기술 (BioFloc Technology)이란, 종속영양세균(heterotrophic bacteria, 타급영양세균, 타가영양균)과 양식어종을 함께 양식하여 종속 영양세균이 수조 물속의 유기부산물(질소를 포함한)을 조류(algae, 물에 사는 하등 식물)보다 10~100배 빨리 분해하여 물을 정화시킴으로서 종속 영양세균에 분해된 유기부산물은 다시 양식 어종에 단백질 먹이가 되어 물 교환 및 수처리 등의 여과 과정이 필요 없는 양식방법을 말한다.

이와 같은 양식기술이 효과적으로 이루어지기 위해서는 생물의 활동에 의해 오염된 사육수를 재활용할 수 있는 미생물에 의해 사육수 내의 유기물을 분해하여 재생산할 수 있는 미생물 배양 기술이 확보되어야하며 새로운 활성과 기능을 갖는 미생물의 확보는 바이오플락 양식방법을 성공적으로 이루기 위한 중요한 요소가 된다.

본 발명에서는 연안 갯벌에서 농화배양을 통해 염분 내성을 갖고 엔도설판 및 유기물 분해능이 매우 우수한 미생물 (균주명 EDB2)를 분리하여 그 특성을 분석함으로서 분리된 균주를 이용한 바이오 플락 시스템의 수질 정화에 적합한 미생물제제를 제공하고자한다.

국내 등록특허공보 제10-03289130호에는 2,4-디니트로페놀(dinitrophenol)을 분해할 수 있는 로도코커스(Rhodococcus) 속의 새로운 종인 로도코커스 코리엔시스 DNP505 (Rhodococcus koreensis DNP505)에 관한 것으로, 구체적으로는 인체 및 다른 생물체에 유해한 물질인 2,4-디니트로페놀을 분해할 수 있는 특징을 가지고 있어, 2,4-디니트로페놀에 오염된 폐수, 하수 또는 토양 등에 적용시 미생물을 이용한 생분해 과정을 통하여 오염원 내의 2,4-디니트로페놀을 효율적으로 정화하는데 이용될 수 있는 로도코커스 속의 새로운 종인 로도코커스 코리엔시스 DNP505에 관한 구성이 개시되어있다. 국내 등록특허공보 제10-0676930호는 휘발성 유기화합물 생분해능을 가지는 로도코커스(Rhodococcus sp.) EH831 (KCCM-10657P) 균주에 관한 것으로, 용해도가 매우 낮고 생분해가 어려우며 그 산화물이 치명적인 독성을 갖는 헥산(hexane)을 효과적으로 생분해할 수 있는 능력을 가진 로도코커스(Rhodococcus sp.) EH831 (KCCM-10657P) 균주 및 이를 이용하여 휘발성 유기화합물을 함유한 오염가스를 정화하는 방법에 관한 구성이 개시되어 있다. 국내 등록특허공보 제10-03252520호는 방향족 화합물을 분해할 수 있는 신규 미생물인 로도코커스 피리디노보란스 PDB9(Rhodococcus pyridinovorans PDB9)와 이를 이용한 방향족 화합물의 분해방법 및 상기 미생물을 함유하는 폐수, 하수, 또는 토양 처리제에 관한 것으로, 인체 및 다른 생물체에 유독한 영향을 미치는 방향족 화합물을 분해할 수 있는 신규 미생물인 로도코커스 피리디노보란스 PDB9를 분리, 동정하고, 방향족 화합물 중 유독성이 강한 피리딘의 분해방법을 최적화하여 피리딘이 포함된 폐수, 하수 또는 토양을 정화하는데 이용할 수 있는 처리제에 관한 구성이 개시되어있다. 국내 등록특허공보 제10-04352310호는 1∼37℃의 매우 넓은 온도 범위에서 원유, 디젤 및 휘발유와 같은 유류를 분해하는 로도코커스(Rhodococcus sp.)YHLT-2(KCTC 10203BP)균주 및 이 균주를 이용한 유류로 오염된 토양 및 지하수의 생물학적 정화방법에 관한 구성이 개시되어있다. 그러나 상기 선행문헌에 개시된 로도코커스 속의 균주들은 육상에서 유래하는 종으로 본 발명에서와 같이 염분에 대한 내성을 갖는 연안 갯벌을 기반으로 동정된 것이 아니라는 점에서 큰 차이를 갖는다.

본 발명은 염분을 함유한 유기물질로 오염된 폐수의 생물학적 환경정화 전략을 마련하기 위해, 갯벌의 주요 오염물질 중의 하나인 엔도설판 및 합성폐수 (펩톤과 글루코오스 비율 8:2) 분해능을 가지고 있는 미생물을 동정하고 동정된 신규 균주 로도코커스 속 (EDB2)를 이용하여 유기물로 오염된 염분이 함유된 바이오 플락 양식시스템의 사육수 수질 정화에 적합한 미생물제제를 제공하고자 한다.

본 발명에서는 연안 갯벌에서 엔도설판을 탄소 및 에너지원으로 이용하는 미생물을 분리하기 위하여 10ppm 농도의 엔도설판이 함유된 25 ml BM 배지인 무기영양배지를 준비한 후 해수 시료 또는 연안 토양시료를 5%씩 접종하여 실온(10 ~ 20^oC)에서 농화배양을 실시하였다. 농화배양을 통해 분리된 단일균주를 사용하여 10ppm의 엔도설판을 단일 탄소원 및 에너지원으로 첨가한 BM배지에서 분해능을 HPLC를 이용하여 분석하고, 그 중 분해능이 우수한 균주를 선별하였다.

엔도설판 농화배양액에서 분리한 6균주를 16S rRNA 염기서열에 기초하여 동정한 결과, 5개 속 6종으로 에치니콜라 비에트남엔시스(Echinicola vietnamensis ), 로도코커스 피리디노보란스( Rhodococcus pyridinivorans ), 루에게리아 모빌리스( Ruegeria mobilis ), 탈라소비우스 겔라티노보란스( Thalassobius gelatinovorus), 탈라소피라 테피디필라( Thalassospira tepidiphila ), 테나바쿨룸 아입타세( Tenacibaculum aiptasiae ) 로 조사되었다.

본 발명에서 조사된 농화배양액을 구성하는 이들 각각의 미생물에 대한 엔도설판 분해능을 실시한 결과, 엔도설판 분해능이 가장 우수한 것으로 평가되는 균주 Rhodococcus sp. EDB2를 선별하여 생리, 생화학, 유전학적 특성을 분석하였다.

엔도설판 농화배양액으로부터 순수분리한 각 균주를 단일탄소원 및 에너지원으로 엔도설판이 포함된 고체배지와 액체배지에서 엔도설판 분해능을 측정한 결과, EDB2는 매우 잘 성장하였다. HPLC 분석을 위해 5ppm 농도로 엔도설판을 처리하여 EDB2에 의한 엔도설판 분해능을 측정한 결과, 배양 후 7일 만에 약 85%의 엔도설판 분해능을 나타내어, 엔도설판 분해능이 매우 뛰어난 균주로 확인되었다.

육상으로부터 흘러들어오는 오폐수를 정화하는 기능을 갖는 갯벌로부터 동정한 로도코커스 속 신규 균주(EDB2)는 염분을 포함한 수질 환경에서 내성을 갖고 유기물의 분해능이 뛰어나므로 양식 사육수에 상기 균주를 접종하여 생물에 의해 만들어진 부산물을 분해하고 분해된 부산물을 다시 생물양식에 필요한 양분으로 재사용될 수 있어, 사육수의 환수 없이 양식할수 있는 바이오 플락양식 시스템의 수질 정화에 유용하게 사용 가능하다.

도 1은 엔도설판의 화학구조 및 국내 출하량을 나타낸다.
도 2는 농화배양에 의한 엔도설판 분해 미생물의 분리 과정을 나타낸다.
도 3은 갯벌에서 동정 분리한 로도코커스 피리디노보란스 EDB2 (Rhodococcus pyridinovorans EDB2) 균주의 16S rDNA 서열을 나타낸다.
도 4는 16S rRNA 서열에 의한 EDB2의 계통관계 분석결과를 나타낸다.
도 5는 API 20 E에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타낸다.
도 6은 API 20 NE에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타낸다.
도 7은 API CHB/E에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타낸다.
도 8은 API ZYM에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타낸다.
도 9은 고체 및 액체 배지에서 앤도설판을 이용할 수 있는 균주 EDB-2의 순수배양결과를 나타낸다.
도 10 HPLC에 의한 균주 EDB2의 엔도설판 분해능 시험결과를 나타낸다.
도 11은 갯벌 유래 EDB2 균주를 이용하여 제조된 미생물제제의 생산 프로세스를 나타낸다.
도 12는 갯벌 유래 EDB2 균주를 이용하여 제조된 미생물제제가 사용되는 양식장의 예를 나타낸다.

본 발명은 연안 갯벌과 해수를 엔도설판 농화배양액에 접종하고 농화배양하여 분리 동정된 기탁번호: KACC91762P의 균주로부터 선택되는 염분 내성이 있고, 온도 25 내지 42℃, pH5 내지 pH10에서 생장하며, 엔도설판, 단백질, 탄수화물, 지질 및 계면활성제등의 유기물 분해능이 있는 연안 갯벌 유래, 염분 내성이 있는 로도코커스 피리디노보란스(Rhodococcus pvridinivorans ) EDB2 균주를 이용한 바이오 플락양식 시스템의 수질 정화에 유용한 미생물제재 및 사육수 수질 정화 방법을 제공함에 특징이 있다.

본 발명에서 동정된 로도코커스 피리디노보란스(Rhodococcus pvridinivorans) EDB2 균주는 호기성, 그람 양성, 막대형이며, 핑크빛을 띠고 있다. 생장가능 온도는 20℃~45℃, 최적온도는 약 20℃~42℃로 생장 온도 범위가 비교적 넓은 것으로 나타났다. Casein과 cellulose 가수분해능력은 없지만 DNA, agar, starch 그리고 tween의 분해 능력이 있는 것으로 나타나 지질 분해능이 우수하여 지질로 오염된 환경 정화에 응용 가능성 높은 것으로 나타났다.

이에 본 발명자들은 상기 분리 및 동정된 본 발명의 균주를 2012년 11월 22일자로 국립농업과학원 농업유전자원센터(KACC)에 기탁하여 기탁번호 KACC91762P를 부여받았다.

이하 엔도설판 등의 유기물 분해능이 우수한 연안 갯벌 유래 균주의 동정방법 및 생물 화학적 특성에 대하여 다음에서 실시 예를 중심으로 설명한다.

1. 연안 갯벌로부터의 균주 분리 동정

1.1. 엔도설판 및 유기물 분해 균주 분리 및 배양 조건

엔도설판을 탄소 및 에너지원으로 이용하는 미생물을 분리하기 위하여 10ppm 농도의 엔도설판이 함유된 25 ml BM 배지 (1 M phosphate buffer 10 ml, MgSO₄·7H₂O 0.25 g, CaCl₂·2H₂O 0.02 g, FeSO₄·7H₂O 0.02 g, (NH₄)₂SO₄ 2.38 g, sea salt 30 g, 증류수 990 ml)인 무기 영양배지를 준비한 후 해수 시료 또는 연안 토양시료를 5%씩 접종하였다.

농화배양은 실온(10 ~ 20^oC)에서 이루어졌고, 1주일 간격으로 3회에 걸쳐 1 ml의 배양액을 새로운 배지에 접종하여 계대 배양을 지속하였다 (도 2). 다양한 엔도설판 분해미생물을 분리하기 위하여 새로운 시료를 사용하여 5회에 걸쳐 위에 언급한 것과 같은 방법으로 별도의 농화배양을 실시하였다.

엔도설판의 경우 7일간 배양한 후, 배양액 1 mL를 새로운 각 배지에 접종하고 같은 조건에서 2차, 3차 배양하는 과정을 반복하여 농화배양을 실시하였다. 합성폐수 분해능은 엔도설판 분해미생물을 대상으로 조사하였기 때문에 별도로 농화배양을 실시하지 않았다. 합성폐수의 분해능은 엔도설판을 분해하는 미생물을 대상으로 합성폐수 10,000ppm이 포함된 BM배지에 접종한 후 시험하였다.

농화배양을 통해 분리된 단일균주를 사용하여 10ppm의 엔도설판을 단일 탄소원 및 에너지원으로 첨가한 BM배지에서 분해능을 HPLC를 이용하여 분석하고, 그 중 분해능이 우수한 균주를 선별하였다.

1.2. Total genomic DNA 분리와 정제

각 균주를 50 mL의 LB 배지에 접종하고 30℃에서 180 rpm으로 24시간 동안 배양한 후 원심분리 (6,300 ×g, 10 min, 4℃)하여 세포를 수확하였다. 회수된 배양세포를 5 mL TES buffer [0.1 M Tris-HCl (pH 7.0), 0.01 M EDTA, 1 M NaCl]로 재현탁하고, lysozyme (10 mg/mL)을 200㎕ 첨가하여 37℃에서 15분간 반응시켰다.

또한 10% SDS를 100㎕ 첨가하고, 물리적인 DNA 절단을 방지하기 위하여 천천히 섞어준 후 50㎕ proteinase K (20㎎/㎖)와 5㎕ RNase를 첨가하여 37℃에서 30분간 반응시켰다.

5㎖ TES buffer를 더 첨가형 10㎖의 phenol을 첨가하여 잘 섞어주었다. 원심부분리를 통하여 얻어진 상징액을 취하여 새로운 tube로 옮긴 후 동량의 phenol/choroform/isoamyl alcohol로 2회, chlorofrom으로 1회 처리하였다. 상징액을 취하여 새로운 tube로 옮긴 후 1/10 volume의 3M sodium acetate(PH.54)와 2-3 volume의 100% ethanol을 첨가하여 30분간 실온에서 방치하였다.

원심분리 후 상징액을 버리고, 70% ethanol을 처리하여 염류를 씻어낸 후, 다시한번 원심분리하였다. 상징액을 버리고 공기 중에서 ethanol을 제거한 후, 침전물 500㎕의 멸균수에 녹여 다음 실험에 사용하였다. 0.8% agarose gel에 전기영동을 실시하여 DNA band를 확인한 후 UV-spectrophotometer (여 800, Beckman Coulter, Fullerton, USA)를 이용하여 정량하였다. Total DNA의 정제를 위해 crude DNA를 10㎖ cesium chloride용액에서 녹인 후 ethidium bromide를 첨가하여 102,200um membrane filter를 이용하여 30분간 투석하여 DNA 용액을 회수하여 농축한 후 특정 유전자의 증폭 또는 클로닝을 위한 시료를 사용하였다.

1.3. 농화배양(enrichment culture)에 의한 엔도설판 분해 미생물 분리 결과

엔도설판 농화배양액에서 분리한 6균주는 5개 속 6종으로 에치니콜라 비에트남엔시스(Echinicola vietnamensis ), 로도코커스 피리디노보란스( Rhodococcus pyridinivorans), 루에게리아 모빌리스( Ruegeria mobilis ), 탈라소비우스 겔라티노보란스( Thalassobius gelatinovorus ), 탈라소피라 테피디필라( Thalassospira tepidiphila), 테나바쿨룸 아입타세( Tenacibaculum aiptasiae ) 등 이었다.

본 발명에서 분리한 균주 EDA5는 아직 보고되지 않은 신속 (new genus)일 가능성이 매우 높은 균주로, 16S RNA 염기서열 기준으로 가장 높은 유연관계를 가지는 균은 Echinicola vietnamensis KMM 6221^T로 단지 92.2%의 상동성을 나타내었다 (표 1). 또한 균주 EDA2와 EDSW1도 신종 (new species)을 가능성이 매우 높은 것으로 사료된다. 본 발명에서는 농화배양액을 구성하는 이들 각각의 미생물에 대한 앤도설판 분해능을 실시한 결과 가장 분해능이 우수한 균주 Rhodococcus sp. EDB2를 선별하여 보다 그 특성을 분석하였다.

16S rRNA 염기서열에 기초한 엔도설판 농화배양에 의해 분리한 미생물

Strain	Closese Relatives	Similarity (%)	Diff/Total nt
EDA2	Thalassobius gelatinovorus IAM 12617^T	96.9	42/1360
EDA3	Ruegeria mobilis NBRC 101030^T	98.8	16/1361
EDA5	Echinicola vietnamensis KMM 6221^T	92.2	110/1414
EDB2	Rhodococcus pyridinivorans PDB9^T	99.0	14/1428
EDSW1	Tenacibaculum aiptasiae a4^T	97.6	33/1394
EDSW2	Thalassospira tepidiphila 1-1B^T	98.4	22/1380

1.4. 16S rRNA 유전자 염기서열 및 계통관계 분석

세균의 16S rDNA 염기서열 분석은 분리 균주들을 액체 배지에서 30℃에서 2일-3일 동안 배양한 후 이로부터 추출된 chromosomal DNA를 PCR 반응의 주형으로, 프라이머는 Eub27F : 5' -AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG- 3'와 Eub1522R : 5' -AAG GAG GTG ATC CAR CCG CA- 3'로 이루어진 한 세트가 사용하였다.

PCR 반응은 GeneAmp PCR System 9700 (Applied Biosystems, CT)를 사용하여 수행하였고, 반응 조건은 95℃에서 5분간 초기 열처리를 한 후, 95℃에서 1분, 55℃에서 1분, 72℃에서 1분씩 30번 반복하여 마지막에는 72℃에서 1분간 처리한 후 4℃에서 보관하였다. 증폭된 DNA는 1.0% agarose gel에서 전기영동한 후 gel extraction kit(SolGent사)에 의해 회수되었다. 회수된 DNA는 pGEM-T easy vector(Promega, Madison, Wisconsin)에 ligation한 후 E. coli JM109에 형질전환하였다. 형질전환된 클론의 플라스미드 DNA를 분리한 후 promoter primer나 SP6 promoter primer를 이용하여 ABI 377 자동염기서열 분석기(Applied Biosystem, Foster, USA)에서 양방향으로 DNA sequencing을 수행하였다.

결정된 염기서열은 Ribosomal Database Project-Ⅱ(http://rdp.cme.msu.edu) GenBankhttp://ncbi.nlm.nih.gov)의 database를 이용하여 분석하였다. 염기서열이 결정된 미생물의 계통관계는 EZtaxon을 이용하여 type 균주들의 16S rNA 염기서열과의 관계를 나타내었다.

1.5. 엔도설판 분해균주 EDB2 의 16S rRNA 유전자 분석 결과

도 3은 분리한 로도코커스 피리디노보란스 PDB9 (Rhodococcus pyridinovorans EDB2) 균주의 16S rDNA 서열을 나타낸다. 도 4은 16S rRNA 서열에 의한 EDB2의 계통관계 분석결과를 나타낸다. 16S rDNA 염기서열에 기초한 분자계통분류학적 분석에서 균주 EDB2로 명명된 균주는 계통학적으로Rhodococcus 속에 포함되었다. Rhodococcus 속에 속하며 biphenyl 분해능이 있는 R. pyridinivorans와 99.6%, R. rhodochrous와 98.5%의 염기서열 유사도를 보여주어, 균주 EDB2를 R. pyridinivorans EDB2로 명명하였다 (도 3). 균주 EDB-2와 가장 높은 상동성을 나타내는 R. pyridinivorans R04는 독성이 매우 강한 방향족 화합물인 biphenyl을 분해하는 것으로 알려져 있으며, R. sp. WTZ-R2는 Di(2-ethylhexyl)phthalate (DEHP)를 매우 효과적으로 제거할 능력이 있는 것으로 밝혀졌다.

따라서 본 발명에서 분리한 균주 R. pyridinivorans EDB2는 갯벌을 오염시키는 난분해성인 다양한 방향족 및 지방족 화합물을 제거하는데 활용할 수 있을 것으로 기대됨에 따라 다음에서 갯벌을 오염시키는 난분해성인 다양한 방향족 및 지방족 화합물을 제거에 대한 특성을 조사하였다.

2. 연안 갯벌에서 동정한 규주의 환경조건별 생장 특성

2.1. 환경 조건별 균주 생장 시험

본 발명에서는 온도, PH, 염도 등 세 가지 환경 조건을 달리하여 균주의 생장 여부를 조사하였다. 균 생장의 적정 온도 범위를 정하기 위해 균주를 LB 배지에 접종한 후 4℃, 20℃, 30℃, 37, 42℃, 45℃에서 배양하였으며, 30℃이하는 LB 고체 배지에, 40℃부터는 LB 액체 배지에 균주를 접종한 후 수조(water bath)에서 배양하면서 생장 여부를 관찰하였다.

균 생장의 적정 염도범위는 sodium chloride를 이용하여 LB 배지의 염도를 0%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 7%로 조정하였고, 균 생장의 적정 pH 범위는 NaOH와 HCl을 이용하여 LB 배지의 pH를 pH3에서 pH11까지 pH1 단위로 조정하여 사용하였다. 균주의 생장 여부는 균주 접종 후 각 균주의 적정 생장 온도에서 5일간 배양하면서 생장여부를 확인하였다.

가. EDB2 의 배지생장 시험 결과

균주 EDB2가 어떤 배지에서 생장할 수 있는 지를 분석하기 위하여, marine agar (MA), Luria-Bertani (LB), nutrient agar (NA), R₂A, tryptic soy broth (TSA) 등 5개의 다른 배지를 사용하여 분석한 결과, 시험한 모든 배지에서 잘 생장하는 것으로 나타났다 (표 2).

다양한 배지에서 균주 EDB-2의 생장능 시험

Medium	MA	LB	NA	R₂A	TSA
EDB2	+++	+++	+++	+++	+++

나. 온도가 균주 EDB2 의 생장에 미치는 영향

균주 EDB2가 생장할 수 있는 온도 범위를 조사하기 위하여, 4℃에서 45℃ 범위에서 생장여부를 조사하였다. 균주 EDB2는 25℃에서 42℃ 범위에서 생장하는 것으로 나타났다(표 3).

균주 EDB-2의 생장에 미치는 온도의 영향

Temp (℃)	4	10	25	30	37	42	45
EDB2	-	-	+++	+++	+++	+++	-

다. pH 가 균주 EDB2 의 생장에 미치는 영향

균주 EDB2가 생장할 수 있는 pH 범위를 조사하기 위하여, pH4에서 pH11 범위에서 생장여부를 조사하였다. 균주 EDB2는 pH5에서 pH10 범위에서 생장하는 것으로 나타났다(표 4).

균주 EDB-2의 생장에 미치는 온도의 영향

pH	4	5	6	7	8	9	10	11
EDB2	-	+++	+++	+++	+++	+++	+++	-

라. 염도가 균주 EDB2 의 생장에 미치는 영향

균주 EDB2가 생장할 수 있는 염분도의 범위를 결정하기 위하여 0-12% Zobell sea salts가 포함된 배지에서 균주 EDB2의 생장 여부를 관찰하였다. 균주 EDB2는 염분이 없이도 성장하였으나, 10% 이상의 염분도에서는 생장하지 않았다 (표 5).

균주 EDB-2의 생장에 미치는 염도의 영향

Salinity (%)	0	1	2	3	4	5	6	7
EDB2	+++	+++	+++	+++	+++	+++	+++	+++

3. 갯지렁이에서 동정한 신규주의 생리, 생화학적 특성

3.1. 세균의 형태적, 생리, 생화학적 특성 분석

세균의 형태적, 생리적 특성을 보기 위해 균주들을 sea salts가 첨가된 LBSS 고체배지에 접종하여 25℃에서 배양하였다. 먼저 5-7일 동안 배양하면서 형성되는 단일 콜로니의 형태, 색깔, 크기를 관찰하였으며, 균주의 형태와 크기는 광학 현미경과 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 전자현미경 관찰 시, 배양된 세균을 4% glutaraldehyde로 2시간 동안 고정시킨 후 50mM phosphate 완충용액 (pH 7.2)을 이용하여 세적하였다.

그리고 2% osmium tetroxide 용액에 1시간 고정한 후 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100% 에탄올로 탈수시킨 후 동결건조 시켰다. 이 후 ion sputter를 이용하여 gold coating을 한 후 전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 균주의 운동성은 0.4%의 agar를 포함시킨 semisolid 배지에서 확인하였고, 산소 대사와 관계된 oxidase는 Oxidase Reagent Kit(BioMㅹrieux)를 이용하여 콜로니 색의 변화로 분석하였다. Catelase는 3% 과산수소를 균체에 떨어뜨려 거품이 발생 유, 무로 판단하였다.

기타 분리 균주의 생리, 생화학적 특성은 여러 가지 API kit(BioMㅹrieux)를 하용하였으며, API 20E, APL 20NE, API 50CHB, 그리고 API ZYM kit를 동시에 이용하여 균주의 특성을 조사하였다. 이때 균주는 LBSS 고체배지를 이용하여 25℃에서 2일-3일간 배양하였으며, 성장된 균체는 멸균된 3% sea salt 용액에 현탁하여 제조회사의 지시에 따라 수행하였다.

주요 조사 항목으로는 nitrate 환원반응, esterase(C4), esterase lipase(C8), leucine arylamidase, acid phosphatase, naphtol-AS-Bi-phosphohydrolase, glucose acidification, gelatin 액화, arginine dihydrolase, urease, β-glucosidase, β-galactosidase, alkalin phosphatase, lipase(C14) 등이 효소활성 유무, indole 생성 여부 등을 들 수 있다. 또한 탄소원 mannitol, gluconate, malate, citrate, glucose, arabinose, mammose, N-acetyl-glucosamine, maltose, caprate, adipate, phenyl-acetate 등의 동화 여부 등에 대하여 조사하였다.

도 5는 API 20 E에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타내고, 도 6는 API 20 NE에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타내며, 도 7은 API CHB/E에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타낸다. 또한 도 8은 API ZYM에 의한 EDB2의 생화학적 특성 분석결과를 나타낸다.

가. API 20 E에 의한 EDB2 생화학적 특성 분석 결과

균주 EDB2의 생화학적 특성을 API 20 E kit의 20 가지 기질을 사용하여 분석한 결과, 균주 EDB2는 urease를 갖고 있어 urea를 이용하였고, Voges-Proskauer 시험을 통해 당을 발효하여 acetoin을 생산할 수 있는 능력이 있음을 확인하였다. 여러 당 기질을 사용하여 산화-발효 실험 결과 시험한 9개 기질 (amygdalin, arabinose, glucose, inositol, mannitol, melibiose, rhamnose, sorbitol, sucrose)을 사용하였을 때 모두 산화나 발효 반응을 나타내지 않았다 (도 5).

나. API 20 NE 에 의한 EDB2 생화학적 특성 분석 결과

균주 EDB2의 생화학적 특성을 API 20 NE kit의 20 가지 기질을 사용하여 분석한 결과, 균주 EDB2는 nitrate reduction 능력을 갖고 있으며, PNPG를 기질로 하였을 때 β-galactosidae 양성 반응을 나타내었다. Mannitol과 malate 이용능이 있었다(도 6).

다. API CHB /E에 의한 EDB2 생화학적 특성 분석 결과

균주 EDB2의 생화학적 특성을 API CHB/E kit의 48 가지 기질을 사용하여 분석한 결과, 균주 EDB2는 sorbitol과 esculin 양성 반응을 나타내었고, 나머지 기질에 대해서는 음성반응을 보였다(도 7).

라. API ZYM 에 의한 EDB2 생화학적 특성 분석 결과

균주 EDB2의 생화학적 특성을 API ZYM kit의 20 종류의 효소능을 측정한 결과, 균주 EDB2는 alkaline phosphatase, esterase lipase, leucine arylamidase, trypsin, acid phosphatase, α-glucosidase, 그리고 β-glucosidase 효소를 갖고 있음이 밝혀졌다(도 8).

4. 연안갯벌에서 동정한 균주의 엔도설판 정화용 제제로의 응용

도 9은 고체 및 액체 배지에서 앤도설판을 이용할 수 있는 균주 EDB2의 순수배양결과를 나타내고 도 10 HPLC에 의한 균주 EDB2의 엔도설판 분해능 시험결과를 나타낸다.

4.1. 고분자 물질 분해 효소 활성 시험

고분자 유기물질 분해능을 시험하기 위해 셀룰로오스, 녹말, 카세인, 그리고 Tween80이 포함된 LB 고체 배지에 본 발명에서 분리하여 선별한 균주들을 접종한 후, 이들 고분자 물질 분해에 관련된 효소, cellulase, amylase, protease, 그리고 lipase 활성이 있는지에 대해 조사하였다. 균주의 셀룰로오스 분해능은 접종 후 30℃에서 3일 배양 후 congo red로 30분간 염색 후 1M NaCl을 이용하여 5분간 탈색하여 형성된 투명환으로, 녹말 분해는 iodine으로 30분 염색 후 1M NaCl로 5분간 탈색하여 형성된 투명환으로 판단하였다.

카세인과 Tween80은 각각 2일, 3일 배양하여 별다른 염색과정을 거치지 않고 육안으로 관찰된 투명환으로 분해능을 확인하였다. Alkaline protease 활성은 0.5% 농도의 Hammerstan casein (Merck)을 이용하여 100mM Tris- -HCl buffer (pH 10.0)에서 결정하였다 (Joo et al., 2002). 효소활성의 1 Unit는 표준 분석 조건하에서 50℃에서 분당 1g의 티로신을 방출하는 효소의 양으로 정의 된다.

가. EDB2 의 고분자 유기물 분해능 시험

균주 EDB2에 의한 유기물 분해능 시험을 실시한 결과, 균주 EDB2는 지질과 탄수화물 분해능이 우수한 것으로 조사되었으며, 핵산분해 효소에 대한 활성도 높은 것으로 나타났다 (표 6).

균주 EDB-2에 의한 고분자 유기물 분해능 시험

Salinity (%)	Starch (1%)	DNase	CM / Cellulose	Casein (1%)	Tween
					20	40	60	80
EDB2	+++	+++	-	-	+	+++	+++	++

나. 순수 배양된 단일 미생물에 대한 유기물 분해능 평가 및 우수 미생물 선별

농화배양을 통해 분리된 단일균주를 사용하여 10ppm의 엔도설판을 단일 탄소원 및 에너지원으로 첨가한 BM배지에서 분해능을 조사하고, 그 중 분해능이 매우 우수한 균주를 선별하였다. 엔도설판 농화배양액으로부터 순수분리한 각 균주를 단일탄소원 및 에너지원으로 엔도설판이 포함된 고체배지와 액체배지에서 엔도설판 분해능을 측정한 결과, EDB2는 매우 잘 성장하였으며, HPLC 분석을 통해 엔도설판 분해능이 매우 뛰어난 균주로 확인되었다 (도 9, 도 10).

HPLC 분석을 위해 5ppm 농도로 엔도설판을 처리하여 EDB2에 의한 엔도설판 분해능을 측정한 결과, 배양 후 7일 만에 약 85%의 엔도설판 분해능을 나타내었다. 엔도설판 분해능이 가장 우수한 것으로 평가되는 균주 EDB2를 첫 번째 시험균주로 선정하여 동정을 실시하고 생리, 생화학, 유전학적 특성을 조사하는데 사용하였다.

다. 신규 균주의 갯벌 정화용 제제로의 응용

16S rRNA 염기서열 분석결과, EDB2는 Rhodococcus속에 포함되는 종으로 밝혀졌다. 앞에서 설명한 바와 같이, Rhodococcus 속은 다른 생물에 의하여 쉽게 분해될 수 없는 난분해성 물질을 제거하는데 탁월한 능력이 있으며, 오염물질로 오염된 환경을 생물학적으로 처리하는데 가장 유망한 그룹 중의 하나로 여겨지고 있다. Rhodococcus 속에 의하여 분해되는 난분해성 물질에는 지방족과 방향족 탄화수소, 산화물, 할로겐 화합물 등 다양한 범위의 화합물이 있다.

이들 화합물의 대부분은 난분해성으로 독성을 가진 복잡한 합성 분자들로 미국 환경보호청(EPA) 제1 오염물질 목록(USEPA, 1996)과 독성물질 및 질병 등록청의 위험물질의 제 1목록(ATSDR, 1997)에 포함되어 있다. 환경 생명공학에서 Rhodococcus의 중요성은 매우 강조되어 왔으며 오염물질을 분해하는데 있어 주로 생물 촉매로서 이들 속의 역할에 대해 많은 논의가 이루어져왔다. 따라서 Rhodococcus는 환경복원에 적합한 기구로서 균주 혹은 그들이 생산하는 효소가 활용될 수 있을 것으로 여겨지고 있다.

본 발명의 갯벌로부터 동정된 새로운 균주 로도코커스 피리디니보란스(Rhodococcus pyridinivorans) EDB2, 기탁번호: KACC91762P)를 액체 배양액에 접종하여 온도 25℃ 내지 42℃, pH5 내지 pH10에서 1-2일간 배양하였으며, 배양단계에서 얻은 결과물 일부를 액상 미생물제제로, 남은 일부를 무균적으로 건조시키고, 건조단계 후 얻어진 결과물을 무균적으로 분쇄하는 단계를 거쳐 분말형태의 미생물제제로 제조하였다. 도 11은 갯벌 유래 EDB2 균주를 이용하여 미생물제제를 제조하는 공정을 나타낸다.

액상제조물의 경우는 색상조절을 위한 부형제로서 식용색소 등이 첨가될 수 있고, 저장성 개선을 위한 부형제로서 비타민 C등이 첨가될 수 있으며, 효소능력 활성화를 위한 부형제로서 Tween80등이 첨가될 수 있다. 고체분말용의 경우는 발효용 부형제로서 미강, 탈지강, 당밀 등이 부가적으로 첨가되고, 저장성 개선용 부형제로서 규산염 등이 첨가 가능하다.

이와 같이 갯벌에서 분리한 새로운 균주 로도코커스 피리디니보란스(Rhodococcus pyridinivorans) EDB2, 기탁번호: KACC91762P)에 의한 엔도설판 분해능이 확인됨에 따라 엔도설판 등 독성이 강한 물질로 오염된 연안 갯벌을 복원하는데 매우 유용하게 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

[실시 예]

도 12는 동정된 새로운 균주 로도코커스 피리디니보란스(Rhodococcus pyridinivorans) EDB2를 이용하여 제조된 미생물 제제가 사용되는 양식장의 예를 나타낸다. 일반 가두리 양식장의 시설은 사용된 사육수를 그대로 하천 또는 바다로 방류하나 바이오플락양식 시스템의 경우는 배출되는 사육수 없이 미생물 제재를 이용하여 사육수 내의 유기물을 분해 처리함으로서 재사용이 가능하다.

염분을 함유하는 수산 유기폐수 처리용 미생물 제재는 로도코커스 피리디니보란스(Rhodococcus pyridinivorans) EDB2를 액체 배양액에 접종하여 온도 25℃ 내지 42℃, pH5 내지 pH10에서 1-2일간 배양하였으며, 배양단계에서 얻은 결과물 일부를 액상 미생물제제로, 남은 일부를 무균적으로 건조시키고, 건조단계 후 얻어진 결과물을 무균적으로 분쇄하는 단계를 거쳐 분말형태로 제조된 미생물제제를 이용하였다.

상기 동정된 EDB2의 배양물을 유효성분으로 함유하는 바이오플락 양식시스템의 사육수 정화용 미생물 제제를 양식장 사육수조에 살포하여 1 내지 3일간 배양 처리한 다음 양식생물을 사육한 결과 사육수 내에 포함되는 단백질, 탄수화물, 지질 및 계면활성제등의 유기물이 일정 수준으로 유지되고 있는 것으로 나타났다.

바이오 플락 양식시스템에서 사육수는 양식생물이 배설한 단백질, 탄수화물, 지질 및 계면활성제 등의 유기물을 포함하고 있으므로, 상기에서 제조된 미생물제재를 사육수 저장조에 접종하여 폭기시켜 1-3일간 배양시킴으로서 사육수 저장조에서 배양된 미생물의 활성에 의해 양식수 내에 포함되는 유기물 물질이 분해되어 정화된 사육수에서 양식대상생물을 지속적으로 사육할 수 있어 일반 양식과 같이 사육폐수에 의한 오염방지가 가능하다.

본 발명의 갯벌 유래 로도코커스 속 신규 균주는 염분내성을 갖고 있어 염분을 함유하는 수산가공폐수, 양식장의 사육수 등에 함유되는 단백질, 탄수화물, 지질 및 복합유기물 분해능이 우수하여 엔도설판 등의 화합물들을 광범위하게 생분해할 수 있어, 2차 환경오염을 일으키지 않고 효율적으로 환경을 정화하는데 유용하게 활용할 수 있을 것이다.

농업생명공학연구원

KACC91762

20121122

<110> Chonnam National University <120> A novel microorganism Rhodococcus pyridinovorans EDB2 degrading aromatic compounds <130> P1320130127004 <160> 1 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 1429 <212> RNA <213> Rhodococcus pyridinivorans EDB2 <400> 1 cggggggtgg cgcgtgctac catgcagtcg aacgatgaag cccagcttgc tgggtggatt 60 agtggcgaac gggtgagtaa cacgtgggtg atctgccctg cactctggga taagcctggg 120 aaactgggtc taataccgga tatgacctcg ggatgcatgt tctggggtgg aaagtttttc 180 ggtgcaggat gagcccgcgg cctatcagct tgttggtggg gtaatggcct accaaggcga 240 cgacgggtag ccggcctgag agggcgaccg gccacactgg gactgagaca cggcccagac 300 tcctacggga ggcagcagtg gggaatattg cacaatgggc gcaagcctga tgcagcgacg 360 ccgcgtgagg gatgacggcc ttcgggttgt aaacctcttt cacccatgac gaagcgcaag 420 tgacggtagt gggagaagaa gcaccggcca actacgtgcc agcagccgcg gtaatacgta 480 gggtgcgagc gttgtccgga attactgggc gtaaagagct cgtaggcggt ttgtcgcgtc 540 gtctgtgaaa tcccgcagct caactgcggg cttgcaggcg atacgggcag actcgagtac 600 tgcaggggag actggaattc ctggtgtagc ggtgaaatgc gcagatatca ggaggaacac 660 cggtggcgaa ggcgggtctc tgggcagtaa ctgacgctga ggagcgaaag cgtgggtagc 720 gaacaggatt agataccctg gtagtccacg ccgtaaacgg tgggcgctag gtgtgggttt 780 ccttccacgg gatccgtgcc gtagccaacg cattaagcgc cacgcctggg gagtacggcc 840 gcaaggctaa aactcaaagg aattgacggg ggcccgcaca agcggcggag catgtggatt 900 aattcgatgc aacgcgaaga accttacctg ggtttgacat gtaccggacg actgcagaga 960 tgtggtttcc cttgtgggcc ggtagacagg tggtgcatgg ctgtcgtcag ctcgtgtcgt 1020 gagatgttgg gttaagtccc gcaacgagcg caacccttgt cctgtgttgc cagcacgtga 1080 tggtggggac tcgcaggaga ctgccggggt caactcggag gaaggtgggg acgacgtcaa 1140 gtcatcatgc cccttatgtc cagggcttca cacatgctac aatggtcggt acagagggct 1200 gcgataccgt gaggtggagc gaatccctta aagccggtct cagttcggat cggggtctgc 1260 aactcgaccc cgtgaagtcg gagtcgctag taatcgcaga tcagcaacgc tgcggtgaat 1320 acgttcccgg gccttgtaca caccgcccgt cacgtcatga aagtcggtaa cacccgaagc 1380 cggtggccta accccttgtg ggagggagcc gtcgaatgtg atcgtaccc 1429

Claims

염분 내성이 있고 유기물 분해능이 있는 연안 갯벌에서 동정된 수탁번호 KACC91762P인 로도코커스 피리디니보란스(Rhodococcus pyridinivorans) EDB2의 배양물을 유효성분으로 함유하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화용 미생물 제재.
염분 내성이 있고 유기물 분해능이 있는 연안 갯벌에서 동정된 수탁번호 KACC91762P인 로도코커스 피리디니보란스(Rhodococcus pyridinivorans) EDB2의 배양물을 유효성분으로 함유하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화용 미생물 제제를 바이오 플락 양식수조의 사육수에 살포하여 배양함으로서 사육수에 포함되는 유기물을 분해시키는 것을 특징으로 하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화방법.
염분 내성이 있고 유기물 분해능이 있는 연안 갯벌에서 동정된 수탁번호 KACC91762P인 로도코커스 피리디니보란스(Rhodococcus pyridinivorans) EDB2를 배양액에 접종하여 온도 25℃ 내지 42℃, pH5 내지 pH10에서 배양하는 것을 특징으로 하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화용 미생물 제제의 제조방법.
제3항의 제조방법으로 배양하여 얻은 액상제조물에 색상조절을 위한 부형제 또는 저장성 개선을 위한 부형제 또는 효소능력 활성화를 위한 부형제 중에서 선택되는 어느 하나의 물질이 부가적으로 첨가된 것을 특징으로 하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화용 미생물 제제의 제조방법.
제4항의 제조방법으로 얻은 결과물을 무균적으로 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화용 미생물 제제의 제조방법.
제5항에 있어서 상기 건조단계 후 얻어진 결과물을 무균적으로 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화용 미생물 제제의 제조방법.
제6항에 있어서 분쇄된 미생물제제에 발효용 부형제 또는 저장성 개선용 부형제 중에서 선택되는 어느 하나의 물질이 부가적으로 첨가된 것을 특징으로 하는 바이오 플락 양식시스템의 수질 정화용 미생물 제제의 제조방법.