[중국] 수생식물인 좀개구리밥을 이용한 폐수 처리 연구
질소와 인이 함유된 대량의 폐수 배출은 중국에서 물 오염을 초래하는 주요 요인 중 하나로 꼽히고 있다. 현재 미생물을 이용해 질소와 인을 제거하는 기술이 많이 활용되고 있다. 즉, 유기 질소를 기체 질소로 전환하는 기술과 인을 찌꺼기(Sludge)로 전환시키는 기술이 채용된다. 이러한 기술은 대량의 전기 에너지를 대가로 실현되기 때문에 경영 비용이 많이 들고 자원 재활용이 어려운 단점을 안고 있다.
또한 질소와 인은 농작물 생장에서 필수적인 영양원소이다. 그러나 폐수량의 많고 질소와 인의 농도는 상대적으로 육상 식물에 많이 적용되며 또 폐수 자원과 농업 생산이 시간과 공간 분포에서 잘 어울리지 않기 때문에 농작물을 통한 질소와 인이 함유된 폐수의 효과적인 이용이 힘든 상황이다.
수생식물이 좀개구리밥(Duckweed)은 세계에서 가장 작은 꽃이 피는 식물이며 그 생장이 빨라 연간 헥타르당 50톤씩 자랄 수 있다. 뿐만 아니라 바이오매스 품질(리그닌 함량이 낮고 녹말 함량이 높음)이 좋아 이미 에너지 식물 연구의 포인트로 주목을 받고 있다.
중국 과학원 청두(成都)바이오연구소 자우하이(成都) 연구진은 세계적 범위에서 수집한 좀개구리밥 중에서 효과가 좋은 좀개구리밥 종자를 선택해 질소와 인이 함유된 폐수 중에서 재배하는 기술을 개발하였다. 이 기술은 폐수 중의 질소와 인을 고품질의 바이오매스로 전환할 수 있어 향후 바이오 에너지 생산과 폐수처리를 병행할 수 있는 새로운 방법이 될 수 있다.
연구팀은 중국 윈난성(云南) 쿤밍(昆明)시에 자리 잡은 중간시험이 가능한 실험기지에서 좀개구리밥과 부레옥잠(Water hyacinth)이 폐수 중에서 질소와 인의 흡수 능력 및 자원화 이용 잠재력에 관하여 2년 동안 체계적인 연구를 추진했다. 이를 통해 연구팀은 최초로 좀개구리밥은 부레옥잠과 같은 질소와 인에 대한 흡수 능력과 더 높은 자원화 이용 우위가 있다는 것을 발견했다.
연구 결과에 따르면, 좀개구리밥과 부레옥잠은 연간 질소 흡수량이 각각 0.39 g/m2/d, 0.40 g/m2/d이고 인 흡수량이 각각 0.09 g/m2/d, 0.10 g/m2/d에 달해 질소와 인에 대한 흡수에서 근접하게 나타났지만, 좀개구리밥의 조단백질(Crude protein), 아미노산, 녹말, 인 함량이 각각 33.34%, 25.80%, 40.19%, 1.24% 등으로 나타나 부레옥잠보다 품질이 훨씬 좋다는 결과를 도출했다. 이 연구 논문은 영국 생물자원공학 분야 국제학술지 `바이오소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’에 발표되었다( Potential of duckweed in the conversion of wastewater nutrients to valuable biomass: A pilot-scale comparison with water hyacinth, 163. 82–91).
또한 연구팀은 바이오정보학 기술을 채용하여 좀개구리밥과 부레옥잠 근권(Rhizosphere) 미생물 군락을 연구했다. 연구 결과에 따르면, 부레옥잠이 질소를 제거할 수 있는 능력은 주요하게 근계 미생물의 기여에 비롯된다는 것과 좀개구리밥을 이용한 폐수에 탄성 첨가제를 넣을 경우 질소 제거 능력(질소 제거 효율 19.97%, 암모니아질소 제거 효율 15.02% 제고함)이 크게 높아진다는 것을 발견했다. 질소 제거 효율은 56.23%에 달한다.
이와 함께 심층적인 연구를 통해 첨가제 바이오막에 있는 풍부한 질화 작용 균과 탈(脫)질소 작용 균이 질소를 높이는 요인이라는 것도 규명했다. 이 연구 성과도 영국 생물자원공학 분야 국제학술지 `바이오소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’에 발표(Microbial community and removal of nitrogen via the addition of a carrier in a pilot-scale duckweed-based wastewater treatment system. Bioresource Technology, doi:10.1016/ j.biortech.2014.12.037)와 함께 ‘좀개구리밥 재배 방법’이란 국가 발명특허도 출원했다(201410505275.0).
뿐만 아니라 연구팀은 폐수에서 좀개구리밥 재배 과정에서 물 깊이, 보급률, 수확 주기, 수력 정착 시간 등에 대한 계통적인 연구를 통해 재배 조건 및 높은 생산량과 처리 효과 등이 좋은 데이터를 획득했다. 정착 시간이 6일 경우 전형적인 생활 오수(암모니아질소 농도15mg/L 안팎, TN 농도15-20mg/L, TP농도 2-3mg/L)가 정상적인 배출 표준에 도달할 수 있다. 이와 관련된 2편의 논문도 국제학술지 ‘Plant Biology’에 게재되었다(Pilot-scale comparison of four duckweed strains from different genera for potential application in nutrient recovery from 9 wastewater and valuable biomass production. 2014 Jun 18. doi: 10.1111/plb.12204); Water Science and Technology（Effects of operation parameters on nutrient removal from wastewater and high-protein biomass production in a duckweed-based (Lemma japonica) pilot-scale system, 2014.70(7):1195-1024).
그림1: 부레옥잠과 좀개구리밥 생장 상황의 비교.
그림2: 좀개구리밥과 부레옥잠 근권 우위 종류군 분석.
그림3: 좀개구리 규모화 재배 중간 시범 현장.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 6월 29일]
[원문보기]
成都生物所利用水生植物浮萍开展废水处理研究获系列进展
氮磷污水的大量排放是造成我国水污染的主要原因之一。目前主要技术是采用微生物将有机氮转化为氮气，将磷转化为污泥来除去氮磷，需要通过暴气等消耗大量的电能技术来实现，运行费用高，而且难以实现资源的再利用。同时，氮磷又是农作物生长所必需的营养元素，但是因为废水量大，氮磷的浓度相对于陆生为主的农作物需要较低而且废水资源与农业生产在时间和空间分布上不匹配，因此难以通过作物实现废水氮磷的有效利用。
水生植物浮萍是世界上最小的开花植物，其生长快，生物量大可达50吨/公顷.年，而且生物质质量高（木质素含量低，淀粉含量高），已经成为能源植物研究的热点。中国科学院成都生物研究所赵海团队与相关单位合作，从全球收集的浮萍资源中筛选出高效的浮萍株系，针对废水中氮磷开发出的浮萍培养技术，可将废水中的氮磷高效富集并转化成高品质的生物质原料，为将生物能源原料生产与废水处理结合提供了新的模式。
在云南昆明中试规模条件下通过2年长时间系统研究浮萍与水葫芦对污水氮、磷吸收能力和资源化利用潜力，首次报道了浮萍（绿萍）具有与水葫芦相当的氮、磷吸收能力和更高的资源化利用优势（高生物量，低木质素含量）。其结果表明浮萍具有与目前公认的废水处理能力最强的水葫芦相当的氮磷吸收能力，全年平均浮萍水葫芦氮分别为0.39和0.40 g/m2/d，磷分别为0.09和0.10 g/m2/d）；而浮萍的粗蛋白为33.34%、氨基酸25.80%、淀粉40.19%、磷1.24%。其品质远优于水葫芦。这项工作系统证明了浮萍在污水氮磷处理和资源化回收利用中的巨大应用潜力，为浮萍系统在污水处理与资源化利用提供了理论支撑。该研究成果已在国际刊物Bioresource Technology上发表研究论文（Potential of duckweed in the conversion of wastewater nutrients to valuable biomass: A pilot-scale comparison with water hyacinth, 163. 82–91）。
采用生物信息学技术研究了浮萍和水葫芦根际微生物群落，发现水葫芦高的氮去除能力主要来自其根际微生物的贡献。通过向浮萍废水处理系统中添加弹性填料，显著提高了浮萍系统的氮去除能力（总氮去除率提高19.97%，氨氮去除率提高15.02%），其总氮去除效率为56.23%。进一步研究表明填料生物膜上高丰度的硝化菌（相对丰度约3%）和反硝化菌（相对丰度约24%）是其氮去除能力提高的根本原因。这项工作不仅深入揭示了微生物在浮萍和水葫芦处理系统中的差异，而且通过人工模拟证明了硝化反硝化微生物的作用，更为重要的是通过微生物强化，已经显著提升浮萍系统的污水处理能力并提示这一系统的处理能力还有极大的提升空间。以上研究成果已发表在国际刊物Bioresource Technology上（Microbial community and removal of nitrogen via the addition of a carrier in a pilot-scale duckweed-based wastewater treatment system. Bioresource Technology, doi:10.1016/ j.biortech.2014.12.037），并申请了一项国家发明专利——一种浮萍栽培方法（201410505275.0）。
对浮萍废水中试处理系统的水深、浮萍覆盖率、收割周期、水力停留时间等运行条件进行了系统优化，获得了较优的运行条件及较高的浮萍产量和处理效果：停留时间6天可使典型的生活污水（氨氮浓度15mg/L左右、TN浓度15-20mg/L和TP浓度2-3mg/L）达标排放，该研究成果为浮萍在污水处理及氮磷回收利用方面的规模化应用提供了重要的参考信息和依据，具有重要的现实指导意义。以上研究结果已发表2篇研究论文，分别在国际刊物Plant Biology上（Pilot-scale comparison of four duckweed strains from different genera for potential application in nutrient recovery from 9 wastewater and valuable biomass production. 2014 Jun 18. doi: 10.1111/plb.12204）和Water Science and Technology（Effects of operation parameters on nutrient removal from wastewater and high-protein biomass production in a duckweed-based (Lemma japonica) pilot-scale system, 2014.70(7):1195-1024），并申请了一项国家发明专利——同时提高浮萍淀粉和粗蛋白产量及污水氮磷去除率的方法（201410198497.2）。
此外，研究人员还开展了利用浮萍治理重金属尤其是稻田镉污染的系统研究。通过对收集自全球各地的500余份浮萍资源的系统筛选与评价，综合生物量增长、植株镉积累与水体镉去除等多个因素，筛选出对重金属镉具有最优富集效果的浮萍品系，实现了在中浓度和高浓度镉污染条件下（1mg/L和10mg/L Cd2+）生长7天，浮萍植株积累镉含量达到300-6150 mg/kg，达到我国规定大米中镉含量标准的1500-30000倍；在低浓度条件下（0.1mg/L和0.2mg/L Cd2+）生长10天，浮萍对水体中镉的吸收率达到64.95-83.23%，同时干基增长率还超过对照。由于浮萍可以与水稻同生态系统生长，因此利用浮萍吸收镉对治理我国稻田镉污染和解决国家粮食安全问题具有十分重要的研究价值。目前，大田试验正在开展中，已经在野外条件下实现了浮萍大量富集土壤中的镉，浮萍植株中的镉含量已达到15mg/kg。同时，通过组学研究发现浮萍具有数量巨大的与重金属代谢相关的基因，转录组中发现的浮萍特有重金属积累相关基因涉及了重金属的吸收、转运、区隔化、钝化等全过程，从遗传表达上也有力证明了浮萍具有超强的重金属吸附能力。在稻田镉污染成为威胁我国环境和粮食安全最严峻挑战的今天，该研究不仅展示了浮萍具有超富集重金属尤其是镉的能力，同时展现了其在稻田镉污染治理领域的巨大应用潜力。
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