Browse

Chlortetracycline이 우분의 혐기성 소화에 미치는 영향에 관한 연구 :Chlortetracycline의 존재형태를 중심으로
Effect of Chlortetracycline on Anaerobic Digestion of Cattle Manure: Focused on Chemical Forms of Chlortetracycline

Cited 0 time in Web of Science Cited 0 time in Scopus
Authors
이창민
Advisor
김재영
Major
공과대학 건설환경공학부
Issue Date
2017-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
혐기성 소화우분항생제chlortetracycline메탄
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 건설환경공학부, 2017. 8. 김재영.
Abstract
가축 사육의 산업화로 인해 유기성 폐기물인 가축분뇨가 대량으로 집약되어 발생하고, 그 양이 증가하고 있다. 이에 따라 가축분뇨의 효율적인 처리가 필요하다. 가축 분뇨 처리 방법 중 혐기성 소화 (anaerobic digestion)는 경제적이고 친환경적인 방법으로 사용되어 왔다. 혐기성 소화는 혐기성 조건에서 혐기성 미생물이 유기물을 기질로 하여 대사함으로써 감량시키고, 최종산물로서 메탄과 이산화탄소가 발생되는 일련의 과정이다.
배출된 분뇨에는 가축의 질병 치료 및 성장 촉진 목적으로 사용된 항생제가 포함되어 있다. 항생제는 미생물의 단백질 합성저해, 세포벽 약화 등의 기작을 통해 미생물 성장을 저해하는 물질이다. 그 중에서 chlortetracycline (CTC)은 전 세계에서 사용되는 주요 항생제 중 가장 많이 소비되는 항생제이다. 분뇨를 통해 70% 이상 배출되며 반감기와 독성이 다른 주요 항생제에 비해 수십배 높다. 이에 CTC은 가축분뇨 내 잔류하여 분뇨의 혐기성 소화 시 부작용을 일으킬 가능성이 가장 높은 항생제로 예상된다. 또한 CTC은 3 개의 작용기를 가지며 2가 양이온과 chelate 결합하는 이온성 물질이다. 환경 조건에 따라 존재형태가 달라지고 항생작용의 정도 (내성 유전자의 발현, 세포 내 축적, 독성 등)를 달리한다. 그러므로 가축 분뇨 내 존재하는 CTC의 존재형태를 고려하여 혐기성 소화 과정에 미치는 영향 및 가능성에 대한 연구가 필요하다. 가축분뇨의 혐기성 소화 중 CTC의 영향과 혐기성 소화 조건에 따른 존재형태의 영향 가능성에 대한 연구는 추후 혐기성 소화 과정에서 분뇨 내 항생제의 환경영향 평가에 기준 자료로서 활용될 수 있다.
본 연구에서는 가축분뇨 중 단독 소화 비율이 가장 높은 우분을 대상으로 하여 CTC의 존재형태를 중심으로 혐기성 소화에 미치는 영향 연구를 수행하였다. 우선 혐기성 소화 중 기질의 변화 및 소화 결과를 단편적으로 관찰하기 위해 회분식 실험을 통해 CTC 농도에 따른 유기물 감량 및 바이오 가스 (메탄, 이산화탄소) 발생량 변화를 조사하였다. 기질로서 무항생제로 사육된 한우의 분뇨를 채취하여 사용하였다. 샘플링 날짜 별 동일한 조건의 실험을 셋팅하여 샘플을 채취하고 실험 진행에 따라 유기물 감량의 변화와 소화 환경 조건 변화를 관찰하고자 하였다. 또한 CTC의 존재형태에 따른 메탄 발생 저해를 관찰하기 위해 Mg2+의 농도, pH를 달리하여 specific methanogenic activity (SMA) test를 진행하였다. 각 조건의 존재형태는 Visual MINTEQ software를 통해 확인되었다. 조건 별 CTC의 존재형태를 변수군으로 적용하고, 메탄 발생량 차이를 종속 변수로 하여 다중회귀분석을 수행하였다. 이를 통해 CTC의 존재형태 중 메탄 발생 저해에 미치는 기여도를 구분하고자 하였다. 마지막으로 혐기성 소화조 수용액 상 환경 조건에서 CTC의 존재형태를 예측하고 CTC의 저해영향 발생 가능성을 평가하였다.
회분식 실험을 통해 25, 50, 100 mg-CTC/L의 조건에서 대조군 대비 각각 90, 80, 80% 의 메탄이 발생하고, 분뇨 내 잔존할 것으로 예상되는 농도 (10 mg-CTC/L)에서는 메탄 발생에 저해가 일어나지 않는 것을 확인하였다. 고상 유기 탄소의 측정오차가 유기 탄소 감량률 차이보다 커 CTC 농도에 따른 유기 탄소 감량률은 비교하지 못하였다. 하지만, 용존 유기 탄소 및 SCOD 변화를 통해 가수분해가 속도 결정 단계로 진행되었음을 확인하였다. 이를 근거로 메탄 발생량을 이용해 가수 분해 속도상수를 결정하고 비교한 결과, CTC 농도 증가에 따라 가수분해가 저해 받는 것으로 나타났다. 또한 CTC 농도 증가에 따른 메탄과 이산화탄소의 발생 몰비율을 비교함으로써 메탄 생성 과정 중 acetogenotrophic methenogenesis가 hydrogenotrophic genesis 보다 CTC의 저해를 받은 메탄 생성 과정임을 파악하였다. SMA test를 통해 금속결합 1가 양이온 CTC와 양쪽성이온 형태의 CTC가 메탄 발생 저해에 가장 영향을 끼치는 존재형태임을 확인하였다. 이는 세포막 투과 및 항생 작용에 유리한 것으로 알려진 존재형태와 같다. 양이온 종류 중 Cu2+가 CTC 존재형태에 가장 큰 민감도를 나타내었다. 민감도 분석 결과 대부분의 CTC는 Cu2+에 의해 금속 결합 중성 CTC로 존재할 것으로 예상된다. 음이온은 영향을 거의 미치지 않았다. 본 연구의 결과를 종합하면, 우분 내 존재할 것으로 예상되는 CTC의 농도에서 유기물 감량 및 메탄 발생의 저해는 발생하지 않을 것으로 판단된다. 또한 우분의 액상 내 존재하는 Cu2+ 농도와 중성 이상의 pH를 고려하면, CTC는 대부분 금속 결합 중성 CTC로 존재할 것이므로 우분의 혐기소화에 미치는 CTC의 영향은 미미할 것이다. 하지만 CTC의 장기노출 시 메탄 발생의 저해 농도가 낮아질 수 있다. 그리고 혐기성 소화 중 CTC의 흡수 및 작용에 미치는 고상의 영향을 확인하지 않은 한계가 있다. 따라서 연속식 반응조를 이용해 장기노출의 효과와 혐기성 소화 환경 인자를 모두 고려한다면 우분의 혐기성 소화에 미치는 CTC의 영향 효과 및 가능성을 더욱 정확하게 판단할 수 있을 것이다.
Language
Korean
URI
http://hdl.handle.net/10371/137304
Files in This Item:
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Civil & Environmental Engineering (건설환경공학부)Theses (Master's Degree_건설환경공학부)
  • mendeley

Items in S-Space are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Browse