모래 입자(sand particle) 위에 광물 코팅(mineral coating)이 음용수를 위하여 지하수를 처리하기 위하여 사용되는 급속 여과지(rapid sand filter)에서 미생물 활성(microbial activity)을 실제로 촉진시킨다고 새로운 연구는 밝혔다. 관련 연구는 Applied and Environmental Microbiology 저널에 출판되기 전 발표됐다. 이 연구 결과는 광상(mineral deposit)이 모래 입자의 미생물 군집화를 방해한다는 전통적인 지혜를 처음으로 부인한 것이다.

연구진은 미생물 활성과 농도에 대한 광상의 압도적인 긍정적인 효과를 발견했다고 이 논문의 저자인 덴마크 공과대학(Technical University of Denmark) 소속의 Barth F. Smets는 밝혔다.

광물 코팅은 지하수가 음용수 생산에서 급속 여과지를 통하여 처리될 때, 여과지 알갱이 표면 위에 성장한다. 코팅은 여과 재료의 물리적 특성과 화학적 특성을 특별하게 변화시키지만, 활성, 군집 형성(colonization), 다양성, 미생물군의 풍부함 등에 끼치는 효과에 대하여는 알려진 바가 거의 없다. 현재까지, 급속 여과지에 대하여 거의 알려지지 않았다고 주저자인 Smets의 석사 과정 학생 중 한 사람인 Arda Gulay는 밝혔다.

급속 여과지에서, 화학적, 생물학적 및 물리학적 반응의 결합은 예를 들면, 철, 망간, 암모니아 및 메탄 등과 같은 불순물의 침전과 제거에 도움을 준다고 Arda Gulay는 밝혔다. 시간에 맞춰, 모래 여과지 알갱이가 시스템 관리자가 주기적으로 세척을 통하여 제거하는 대부분의 광물로 코팅됐다.

광물은 일종의 벌집처럼 모래 입자 주변에 풍부한 기질을 형성한다는 것이 입증됐다. 이러한 구조에서 박테리아 세포 밀도는 매우 높을 수 있으며, 여분의 암모니아가 제공될 때 추가로 높아질 수 있다고 Smets는 밝혔다. 박테리아는 일반적으로 지하수에 함유되어 있는 암모늄, 망간 및 다른 불순물을 제거하는 데 참여한다.

연구진의 방향은 뜻하지 않은 발견을 포함하고 있다. 초기에, 연구진은 박테리아의 수와 모래 입자의 광물 코팅의 정도 사이에 예기치 않은 양의 상관관계를 발견했다고 Smets는 밝혔다. 이것은 추가적인 조사를 수행할만한 가치가 있는 것으로 여겨졌지만, 연구진은 이것이 노력을 요하는 실험이 될 것으로 생각했다. 연구진은 연구진이 이룬 독특한 발견을 규명할 수 있는 증착 내부의 구조처럼 미생물 세포를 명확하게 규명하는 광물상의 실제적인 단면을 아직까지 확인하지 못했다.

이 연구는 광물 코팅이 급속 모래 여과에서 미생물 군집의 활성과 군집 형성에 긍정적인 효과를 초래할 수 있다는 사실을 규명했다. 이 효과를 이해하기 위하여, 연구진은 다양한 정도의 광물 코팅에 대한 알갱이에서 질화 원핵생물(nitrifying prokaryote)의 다양성, 군집 형성, 공간 분포 및 풍부함 등을 조사했다.

또 연구진은 광물 코팅의 물리적 특성과 화학적 특성을 조사했다. 광물 코팅의 양은 내부 다공성(internal porosity), 채워진 부피 밀도(packed bulk density) 및 여과 재료의 생물학적으로 이용 가능한 표면적 등과 양의 상관관계를 나타냈다.

부피 분석의 NH4+ 제거 속도 역시 광물 코팅 정도가 증가함에 따라 증가했다. 일관성 있게, 박테리아성 16S rRNA와 amoA 풍부함은 증가된 광물 코팅 수준에 양의 상관관계를 나타냈다. 미생물 군집 형성은 600±51 μm까지의 두께를 가지는 광물 코팅의 외부 주변(outer periphery, 60.6±35.6 μm) 내에서 주로 가시화될 수 있었다.

환경 주사 전자 현미경(E-SEM; Environmental scanning electron microscopic) 관찰은 세포외 중합체(EPS; extracellular polymeric substances)가 풍부한 기질과 1 마이크론 이하 크기의 박테리아 세포를 제안했다.

질화 세균 다양성(nitrifier diversity)은 파이로시퀀스 분석(pyrosequencing analysis)에 의해 암시되는 것처럼 광물 코팅의 정도에 관계없이 유사했다. 전체적으로, 연구진의 결과는 광물 코팅이 급속 모래 여과지에서 미생물 군집 형성과 활성에 긍정적인 영향을 끼친다는 것을 증명했다. 이것은 주로 증가된 부피 세포 풍부함이 미생물 군집 형성에 대한 접근 가능한 내부 광물 기공과 더 큰 표면적에 의해 촉진되기 때문이다.

연구가 제기한 주요 의문은 미생물이 미소기공(microporosity)의 발달에 영향을 끼치거나 단순하게 장점을 취할 수 있는지 여부라고 Gulay는 밝혔다. 어느 쪽이든, 특이한 기능을 수행하기 위하여, 궁극적으로 미생물 세포가 자리 잡도록 고안된 미세 구조를 생성하기 위하여 광화 작용(mineralization)의 촉진으로 이어질 수 있다.

[출처 =  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 16일]

 

 

 

Mineral coatings on sand particles actually encourage microbial activity in the rapid sand filters that are used to treat groundwater for drinking, according to a paper published ahead of print in Applied and Environmental Microbiology. These findings resoundingly refute, for the first time, the conventional wisdom that the mineral deposits interfere with microbial colonization of the sand particles.

 

"We find an overwhelmingly positive effect of mineral deposits on microbial activity and density," says corresponding author Barth F. Smets, of the Technical University of Denmark, Lyngby.

 

Mineral coating develops on the filter grain surface when groundwater is treated via rapid sand filtration in drinking water production. Coating certainly changes the physical and chemical properties of the filter material, but little is known about its effect on the activity, colonization, diversity and abundance of microbiota.

 

Until now, rapid sand filters have been a bit of a black box, says first author Arda Gülay,one of Smets' graduate students.

 

"In rapid sand filters, a combination of chemical, biological, and physical reactions help in the removal and precipitation of the impurities—iron, manganese, ammonia, and methane, for example," says first author Arda Gülay,one of Smets' graduate students. In time, the sand filter grains become coated with minerals, much of which the system managers remove, periodically, via backwashing.

 

It turns out that the minerals form an abundant matrix around the sand particles, sort of honeycomb-like. "Bacterial cell density in these structures can be very high, and can be boosted further when extra ammonium is provided," says Smets. The bacteria are normally engaged in removal of ammonium, manganese, and other impurities from the groundwater.

 

In fact, during the investigation, the ammonium-removal activity increased as the mineral deposits grew. "These positive mineral-microbe interactions suggest protective and supportive roles of the deposits," says Smets. The investigators also measured a high diversity of ammonium and nitrite-oxidizing species.

 

The researchers' direction involved a serendipitous twist. Early on, they discovered an unexpected positive correlation between the number of bacteria, and the degree of mineral coating of the sand particles, says Smets. "This was deemed worthy of further investigation, but we thought it would be a high risk effort. It was not until we saw actual cross sections of the mineral phases, which clearly reveal microbial cell like structures inside the deposits that we became aware of the unique discoveries we were making."

 

A major question the research raises is whether the microbes influence the development of the microporosity, or simply take advantage of it, says Gülay. Either way, it could lead ultimately to steering the mineralization to create micro-structures designed to house microbial cells to perform specific functions.

 

[원문출처 : http://phys.org/news/2014-10-mineralization-sand-particles-boosts-microbial.html]