[해외연구보고서] 싱가포르국립대, 하·폐수 정화하는 새로운 멀티태스킹 미생물 발견

싱가포르국립대학교(NUS ; National University of Singapore)의 연구원들은 기존의 방법보다 훨씬 간단하고, 저렴하고, 친환경적인 하·폐수를 처리하는 새로운 방법을 개발했다.

NUS 토목환경공학과 허젠중(He Jianzhong) 부교수가 이끄는 NUS팀은 하수의 질소(N)와 인(P)을 모두 제거할 수 있는 Tauera sp. 균주 'SND5'라는 새로운 박테리아 종을 발견했다.

2020년 10월 15일 워터리서치 저널(journal Water Research)에 처음 보도된 이번 발견은 기존의 하·폐수처리 방식과 관련된 높은 운영비용과 온실가스 배출량을 크게 줄인다.

이 팀의 새로운 처리 방식은 '2021년 국제수자원협회 프로젝트 혁신상(International Water Association Project Innovation Awards 2021)' 후보에도 올랐다.

2-in-1 오염물질 제거제
하수에서는 질소(N)가 암모니아(NH3)에 존재하는 반면 인산염(O4P)은 인산염에 존재한다. 너무 많은 복합 위험이 환경을 오염시키므로 처리된 물을 배출하기 전에 제거해야 한다.

기존의 대부분의 하수처리 시스템은 질소와 인을 제거하기 위해 별도의 원자로를 사용하며, 미생물마다 조건이 다르다. 그런 과정은 부피가 크기도 하고 비싸기도 하다.

기존 일부 시스템은 단일 원자로를 사용하지만 같은 원자로에 있는 서로 다른 미생물들이 자원을 놓고 경쟁하기 때문에 비효율적이다. 이로 인해 미생물들 사이의 섬세한 균형을 유지하기 어려워져 전체적으로 효율이 낮아진다.

기존의 일부 하수처리 방법의 또 다른 문제는 온실가스인 아산화질소(N2O)를 방출한다는 것이다. NUS 팀의 새로운 미생물(microbes) 암모니아를 대신 무해한 질소가스로 바꾸면서 이 문제를 해결한다. 또한, 원래 하수구에 존재하는 인산염(O4P)은 제거된 것으로 밝혀졌다.

보다 빠르고 저렴하며 친환경적인 접근 방식
싱가포르의 한 하수처리장에서 독특한 'SND5' 박테리아가 발견됐다. 싱가포르국립대학교(NUS ; National University of Singapore) 연구팀은 일상적인 모니터링을 수행할 때, 알려진 인산염 제거 박테리아가 없음에도 불구하고 예상치 못한 에어로빅 탱크 내 질소 제거와 더불어 예상보다 우수한 인산염을 제거하는 것을 관찰했다.

허젠중(He Jianzhong) 부교수는 "이것은 우리가 이전에 원하지 않았던 생물학적 현상의 발생에 대한 가설을 세우도록 이끌며, 우리는 이것을 이해하고 더 많은 응용을 위해 이용하기를 희망한다"고 말했다.

이어 NUS 연구진은 탱크에서 하·폐수 샘플을 채취해 각종 균주를 분리하고 질소와 인을 제거하는 능력을 각각 시험했다.

한 배지에서 끈적끈적하고 크림 같으며 옅은 노란 방울로 보이는 변종 중 하나는 물에서 질소와 인을 모두 제거하는 능력으로 연구자들을 놀라게 했다.

사실, 그것은 테스트를 받은 다른 미생물들보다 더 빨리 그 일을 해냈다. NUS 팀은 유전자 서열을 분석하여 글로벌 데이터베이스에서 관련 박테리아와 비교했다. 그리고 나서 그들은 그것을 새로운 변종이라고 확립했다.

질소화, 변성화 등의 기존 질소 제거 공정에 비해 NUS팀이 새로 식별한 미생물(microbes)을 사용하는 방식은 산소 수요가 낮아 약 62%의 전기를 절약할 수 있다.

이는 하수처리장의 폭기 시스템(aeration system)이 공장 전체 에너지의 절반 가까이를 소비할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.

허젠중(He Jianzhong) 부교수는 "인구 증가와 경제성장은 필연적으로 하·폐수 생산 증가로 이어졌기 때문에, 전체적으로 운영비가 적게 들고 폐기물 생산도 적게 하는 신기술 개발이 중요하다"고 설명했다.

한편, NUS 연구진은 'SND5'의 성능을 더욱 향상시키기 위해 더 큰 규모로 그들의 공정을 시험하고, 여러 미생물의 '수프(soup)'를 공식화할 것을 기대하고 있다.

[원문보기]

A New Multitasking Microbe To Purify Wastewater

Researchers from NUS have developed a new way to treat sewage that is much simpler, cheaper and greener than existing methods.

Led by Associate Professor He Jianzhong from NUS Civil and Environmental Engineering, the NUS team found a new strain of bacterium called Thauera sp. strain SND5 that can remove both nitrogen and phosphorus from sewage.

This discovery, which was first reported in the journal Water Research on 15 October 2020, significantly reduces the high operational costs and emission of greenhouse gases associated with traditional wastewater treatment methods.

The team’s new treatment method is also in the running for the International Water Association Project Innovation Awards 2021.

2-in-1 pollutant remover
In sewage, nitrogen is present in ammonia while phosphorous is present in phosphates. Too much of either compound risks polluting the environment, so they must be removed before the treated water can be released.

Most existing sewage treatment systems use separate reactors for removing nitrogen and phosphorous, with different conditions for different microbes. Such a process is both bulky and expensive.

Some existing systems use a single reactor, but they are inefficient because different microbes in the same reactor will compete with one another for resources. This makes it difficult to maintain the delicate balance among the microbes, resulting in an overall lower efficiency.

Another problem with some existing sewage treatment methods is that they release nitrous oxide, a greenhouse gas. The NUS team’s new microbe solves this problem as it converts the ammonia into harmless nitrogen gas instead. Additionally, phosphates originally present in sewage water were found to be removed.

Faster, cheaper and greener approach
The unique SND5 bacterium was discovered in a wastewater treatment plant in Singapore. When the NUS research team was carrying out routine monitoring, they observed an unexpected removal of nitrogen in the aerobic tanks, as well as better-than-expected phosphate removal despite the absence of known phosphorus-removing bacteria.

“This leads us to hypothesise the occurrence of a previously undescribed biological phenomenon, which we hope to understand and harness for further applications,” said Assoc Prof He.

The NUS researchers then took wastewater samples from a tank, isolated various strains of bacteria, and tested each of them for their ability to remove nitrogen and phosphorus.

One of the strains, which appeared as sticky, creamy, light yellow blobs on the agar medium, surprised the researchers by its ability to remove both nitrogen and phosphorous from water.

In fact, it did the job faster than the other microbes that were tested. The NUS team sequenced its genes and compared them to related bacteria in a global database. They then established it to be a new strain.

Compared to conventional nitrogen removal processes of nitrification and denitrification, the NUS team’s way of using the newly identified microbe can save about 62 per cent of electricity due to its lower oxygen demand.

This is of great significance as the aeration system in a wastewater treatment plant can consume nearly half of the plant’s total energy.

Assoc Prof He explained, “Population and economic growth have inevitably led to the production of more wastewater, so it is important to develop new technologies that cost less to operate and produce less waste overall - all while meeting treatment targets.”

Meanwhile, the NUS researchers are looking to test their process at a larger scale, and formulate a “soup” of multiple microbes to boost SND5’s performance even further.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/a-new-multitasking-microbe-to-purify-wastewater-0001) / 2020년 12월 9일]