BIOLOGICAL DENITRIFICATION

생물학적 시스템에서의 Nitrate의 환원은 2가지 모델로 이루어진다.(동화작용과 이화작용이나 탈질화) nitrate 환원 동화는 세포합성에 암모니아를 이용하기 위해 nitrate를 환원하는 것을 수반하다. 이는 암모니아성 질소를 이용할 수 없을 때와 oxygen tesion과는 관계없이 일어난다. 반면에, 이화되는 nitrate 환원이나 탈질은 respirating electron chain와 연결되며, nitrous oxide, nitric oxide, nitrate를 질소로 환원되는 것을 수반하다.

탈질은 산소가 없을 때 발생하는 무산소 공정이며, 유기 또는 무기성의 전자공여체가 필요하다.

1. Microbiology

탈질반응의 관심은 1800년대 비료화된 흙에서 질소가 손실되는 것을 해명하기 위해 시작되었다. 1876년, Meusel은 박테리아가 물이나 흙에서 nitrate의 파괴에 책임이 있다고 제안하였다. 1882년, Gayon과 Dupetit는 하수에서 nitrate를 사용하는 박테리아가 혐기성 활동을 하는 동안 가스가 생산되는 것을 설명하여 탈질을 소개하였다. 수많은 박테리아가 탈질을 수행하는 것으로 밝혀졌으나 이와 비슷한 미생물학적 능력이 algae나 fungi에서는 발견되지 않았다. 탈질을 수행할 수 있는 박테리아는 heterotrophs와 autotrophs 두가지 종류가 있다.

heterotrophs 중 Payne은 다음과 같은 속들을 나열하였다.

Achromobacter, Acinetobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Flavobacterium, Hypomicrobium, Moraxella, Meisseria, Paracoccus, Propionibacterium, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Spirillum, Vibrio

Gayle et al.(1989)은 Halobacterium과 Methanomonas도 발표하였다.

이 미생물의 대다수가 산소는 물론 nitrate를 사용할 수 있으며 몇몇은 산소나 nitrate가 존재하지 않을 때 발효도 수행할 수 있다. autrotropic 탈질하에서 박테리아는 탄소원으로써 유기탄소 대신 CO2, HCO3-를 사용한다. Paracoccus 탈질균과 Thiobacillus denitrificans는 탈질화를 수행하는 동안 전자공여체로 각각 수소, 환원된 황화합물을 사용한다. 유기탄소원이 존재한다면 이 두 미생물은 hetrotrophs처럼 성장한다.(Gayle et al. 1989)

①Pseudomonas species

탈질균 중 가장 일반적이며 폭넓게 분포한다. 몇몇은 nitrate를 환원시키지 못하나 nitrite로 탈질을 시작한다. 특정한 종은 N2 대신 최종생산물로서 N2O 가스를 생성시킨다. Pseudomonas는 H, CH3OH, 탄화수소, 유기산, 알콜, benzoates, 방향족 화합물등 폭넓은 유기화합물을 사용한다. (Payne, 1981)

②Hyphomicrobium

이 종은 탄소원으로써 알콜과 간단한 1,2-탄소 산을 사용하며 복잡한 유기물들은 사용하지 않는다. (주둥이가 고급)

③Bacillus

nitrate와 nitric oxide를 환원하는 종들이 있다. 그러나 nitrite나 NO는 환원하지 못한다.

B. azotoformans은 많는 탈질균들이 이용가능한 세가지 전자공여체(N2O, NO2, NO)를 사용한다. Bacillus는 폭넓은 범위의 유기기질을 사용할 수 있다.

④Flavobacterium

몇몇은 nitrate를 환원시키지 못하나 NO2-, NO를 N2로 환원시킬 수 있다.

탄소원으로써 간단한 탄수화물(carbohydrates)을 사용한다.

⑤Moraxella

탄소원으로 방향족화합물을 사용할 수 있는 유일한 종이다.

방향족 고리의 이중결합을 먼저 끊은 다음, 비방향족 고리를 파괴함으로써 사용된다.

⑥Paracoccus

탄소원으로써 메탄올과 같은 간단한 기질과 복잡한 기질을 다 이용할 수 있어, 아주 폭넓은 탄소원을 사용할 수 있다. 탄소원으로 CO2를 사용하며 에너지원으로 산화한 수소를 사용할수도 있는, 즉 autotrophs처럼 성장할 수도 있는 유일한 종의 형태이다.

⑦Rhodopseudomonas and Azospirillium

식물의 근권(根圈)에서 발견된다. 질소고정을 행하거나 탈질을 수행할수 있는 유일한 종이다. NO를 N2로 환원시킬 수 있다.

⑧Thobacillus denitrificans

최종전자수용체로 nitrate를 사용하여 티오황산염(thiosulfate), 황화물(sulfide), 황(sulfur)을 산화시킬 수 있으며 부산물로써 sulfate를 생성한다.

⑨Thiosphaera pantotropha

Robertson et al.(1988)은 이 미생물은 호기성 조건에서 탄소원으로써 acetate를 사용하여 질산화와 탈질을 동시에 수행할 수 있는 유일한 종이라고 밝혔다. 탈질율은 포화농도의 약 30%정도일 때 향상된다.

Kugelman et al.(1991)은 호기성 탈질은 연속적으로 배치된 혐기/호기 활성슬러지공법(AO Process)에서 호기성조의 질소손실을 설명하는 중요한 메카니즘이라고 주장하였다.