Microbial Nutrition & Growth

1. Microbial Nutrition & Growth

2. Microbial nutrition meet the organism’s needs nutrients C, N, O, P, S, H - macronutrients K+, Ca+2, Mg+2, Fe+2, Fe+3 classification on nutritional needs C sources: CO2 – autotrophs organic – heterotrophs energy sources: light – phototrophs chemicals – chemotrophs e- sources: inorganics – lithotrophs organics – organotrophs photolithotrophic autotroph chemoorganotrophic heterotroph

3. 미생물 분류 (전자수용체 기준) 생물 폐수처리 공정의 주요 미생물은 박테리아(bacteria, 세균)

4. Microbial nutrition growth factors – organic compounds the cell can’t make vitamins, amino acids, purines, pyrimidines, etc.Auxotroph Culture medium (media) meet the organism’s needs adequate C, N, P, vitamins, etc. (also temperature, oxygen, pH, etc.) medium composition synthetic or defined medium – known composition e.g., glucose salts complex medium – composition unknown beef extract, yeast extract, blood

5. Microbial nutrition culture medium (media) liquid medium – broth solid medium – agar other factors enrichment medium selective medium differential medium

6. Microbial growth bacteria – binary fission eukaryotes – mitosis, budding growth increase in protoplasm hard to measure in individual; measure population measurement viable cell count ATP turbidity absorbance vs. cell number: linear to a point growth in batch culture sigmoidal pattern – bacterial growth curve

7. Bacterial growth curve Batch, pure culture lag phase log phase – logarithmic phase stationary phase death phase Mathematics of growth Nt = 2n∙N0 n = t/g g = 0.301t log Nt –log N0 g = generation time, 세대시간 (1->2->4->8->16---)

8. 미생물의 대사(Metabolism)

9. 기질(substrate) 사용 및 미생물 증식의 화학양론 (stoichiometry)과 반응속도를 규명하는 동력학 (kinetics)에 대한 이해가 필요. • 기질 : 탄소원: 유기물, 이산화탄소 영양염: 질소,인 에너지원: 전자공여체 (electron donor): 유기물, 태양 호흡원: 전자수용체 (electron acceptor): 산소, 질산염 생육인자(growth factor) 등. • 미생물 성장 영향 환경인자 : 수분, 온도, pH, 삼투압, 이온강도 등.

10. 대사 화학양론 (Metabolic Stoichiometry)

11. 미생물 대사: 기질 분해 및 미생물 증식

12. 화학양론 개념적 이론식 세포 전자공여체 + 전자수용체 {+ 탄소원 + 영양염} --> 세포+부산물 (산화) (환원) (환원) R : 총괄 화학양론식 Rd : 전자공여체(e-donnor) 반쪽 반응식 Ra : 전자수용체(e- acceptor) 반쪽 반응식 Rc : 세포(cell)합성 반쪽 반응식 fe : 전자 공여체 중 에너지를 위한 사용비율 fs : 전자 공여체 중 세포합성을 위한 사용비율

13. 산화 반쪽 반응식 • 세포합성 반쪽 반응식 (Rc) - 질소원 : 암모니아, 질산염 • 전자수용체 반쪽 반응식 (Ra) - 산소, 질산염, 황산염, 이산화탄소 • 전자 공여체 반쪽 반응식 (Rd) - 유기물 공여체 (종속성 반응) : 생활하수, 단백질, 탄수화물, 지방, 아세트산, 프로피온산,벤조익산 등 -무기물 공여체 (독립성 반응) : 이산화철, 암모니아, 황, 황화수소,산화황, 수소, 황산이온

18. fs + fe = 1 • 기질(유기물=전자공여체+탄소원) = [COD] • 세포 = [VSS]

19. fs = aY

20. 세포 = [VSS] 기질: 유기물: 전자공여체 (탄소원 포함) : [COD] 세포 : C5H7O2N 하수 : C10H19O3N carbohydrate : CH2O Protein : C16H24O5N4 Lipid : C8H16O

21. 총괄 화학양론식 (R) : 세 개의 half reaction (반쪽 반응식 : 전자공여체, 전자수용체,세포)의 합 : 반쪽 반응식은 기존 자료 활용 • 세포(Rc) 및 전자수용체(Ra) 에 관한 half reaction은 합하기 전에 식의 좌우 바꿈→ “-” 를 붙임. • 전자공여체 중 에너지 생성 및 세포합성을 위한 각각의 사용비율로 half reaction을 → “-feRa” , “-fsRc” 로 보정.

22. 예제)기질은 탄수화물(carbohydrate)로 하고, 질소원으로 암모니아를 사용하는 호기성 박테리아 성장에 대한 화학양론식을 쓰시오. 단 Yobs = 0.59 g 세포/ g COD제거

23. 상기 (1)식을 적용하여,

25. 양변을 0.25로 나누면 최종 화학양론식이 됨.

26. 화학양론식의 활용 • 화학 양론식으로 부터, 수질오염물질 (유기물, COD기준) 을 제거하기 위하여 요구되는 산소 및질소량과 그 결과로 생성되는 미생물량을 계산할 수 있음. • 산소요구량은 호기성 미생물 공정의 운전관리 비용 측면에서 큰 비중을 차지함. • 질소요구량은 세포성장의 중요 요소임. • 미생물량을 현장에서는 슬러지(sludge)발생량으로 나타내며, 2차오염물질로서 후속처리가 요구되는 고형폐기물임.

27. COD 기준 수질오염물질(탄수화물)

28. 수율, 산소및 질소요구량 계산

29. Assignment #2 (due 27 Sept) • 기질은 생활하수, 질소원은 암모니아성 질소를 사용하며, 호기성 조건에서 호흡하는 미생물의 성장을 나타낼 수 있는 화학양론식을 유도하시오. (Y=0.5 gVSS/gCOD) • 상기 화학양론식을 이용하여 장림하수처리장 (유입하수유량=1,000,000 m3/d, 유입 COD = 200 mg/l, 처리수 COD = 50 mg/l)에서 요구되는 산소량 및 슬러지 발생량을 계산하시오.

30. 미생물 성장 동역학(Microbial Growth Kinetic)

31. 미생물 성장 동력학의 효용성 • 대사 화학양론 : 수질오염물질(유기물, 질소, 인)이 분해되는 반응의 양적 계산 근거를 제공. • 미생물 성장동역학 : 분해 반응 속도를제공하며 이를 근거로 반응기의 부피를 계산함 (설계, Design). 200 mg/l BOD x 500 m3/day = 100 kg BOD/day 100 kg BOD/day / 0.4 kg BOD/m3-day = 250 m3 250 m3 = 3 m H x 5 m W x 20.7 m L (미생물 공간)

32. 혼합배양 미생물 성장률 • 혼합배양 (mixed culture) - 박테리아 종에 따라 성장모형이 다름, 기질 및 생성물이 복합적으로 연관 - 전제 : 미생물을 회분식 혹은 연속식 반응기내 유지 일정한 환경조건 유지 반응기내 적정한 체류시간 유지 > 세대시간

33. 질량 기준 미생물 성장율 (2-1) rg = 미생물 성장율, [M/L3 T] = (g VSS/L d) μ = 비성장율(specific growth rate), [T-1], (g VSS/g VSS d) X = 미생물 농도, VSS [M/L3], (g VSS/L)

34. 미생물 성장율 : 주어진 환경조건하에서는 미생물 농도에 비례. 그 계수 : 비성장율 • 비성장율 : 단위시간동안에 미생물이 몇배로 증식하는가를 나타냄. • 최대 비성장율(μm) = f(온도, 염분도, 기질) • 생활하수를 처리하는 폭기조 활성슬러지의 μm값 : 일반적으로  3g VSS/g VSS ·d

35. 기질제한시 미생물 성장률 Monod 식: 성장제한기질 (growth limiting substrate)의 농도와 비성장율의 상관관계를 Monod가 실험적으로 도출하여 나타낸 식. 실험방법 : 1) 기질의 농도를 달리한 5개의 플라스크에 세균 배양. 2) 일정시간 후 미생물량(VSS) 측정하여 비성장율 계산. 3) 기질의 농도 vs 비성장율 관계식을 그림.

36. 미생물 성장 곡선 : Monod 곡선

37. Monod 식 (2-2) 만일,    S >> Ks                   0차 반응 S << Ks               1차 반응 • 따라서 기질제한시 미생물 성장률은, (2-3)

38. S = 성장제한기질 농도, [M/L3], [g BOD/L]     μm = 최대 비성장율 (maximum specific growth rate), [T-1], [g VSS/g VSS․d] : 미생물종 및 기질의 종류에 따라 달라짐 Ks = 반포화 속도상수 (half-saturation velocity constant), [M/L3], [g BOD/L] : 성장율이 최대성장율의 1/2 일때의 기질의 농도

39. 반포화 속도상수와 기질의 관계 • 기질 제한시 미생물 성장률, (2-3)

40. 반포화속도상수 : 기질의 생분해도 및 미생물에 의한 가용성 정도를 나타냄. ⇒ 반포화속도상수가 크다 = 동일한 비성장율을 유지하는데 더 높은 기질농도가 필요하다 → 그 기질은 생분해도가 낮거나 미생물이 이용하기 어려운 물질이라고 해석할 수 있음. 활성슬러지 공정 포기조에서 생활하수의 Ks값; 60mg BOD5/L.

41. (연습문제) μm=3day-1, Ks=60mgBOD5/L, X=3000 mgVSS/L 인 조건에서 유입 BOD5가 5mg/L, 60mg/L, 500mg/L 인 각각의 경우에 대해 성장률(r g)을 계산하시오. ⓐ 5mg/L: rg = 3 3000 = 690mVSS/L․day : 기준  ⓑ 60mg/L: rg = 3 3000 = 4500mgVSS/L․day BOD5농도12배,성장률 6.5배 증가  ⓒ 500mg/L: rg = 3 3000 = 6900 mgVSS/L․day BOD5농도100배,성장률 10배 증가

42. 미생물 성장과 기질 소비의 관계 • 미생물에 의해 소비된 기질의 이용 ① 새로운 세포의 합성에 사용 ② 에너지 생성을 위해 분해 따라서 (미생물 성장율) ∝ (기질 소비율)  rc = 기질 소비율, [M/L3-T]  Y = 수율 계수 (yield coefficient), [M/M] (2-4)

43. 미생물 성장과 기질 소비의 관계식 (2-3)식의 rg를 (2-4)식에 대입, (2-5) (2-6) 여기서, :  최대 비기질 소비율, [M/M․T] 생활하수 처리용 활성슬러지 공정; k = 5 day-1

44. 기질소비율 기질소비율에 대한 다른 제안들,

45. 내생호흡대사의 영향 • 실제 폐수처리공정의 미생물 성장상태가 항상 대수기인 것은 아님. • 내생호흡(endogeneous respiration), 사멸(death), 포식 (predation), 용균(lysis)에 의한 세포질량 감소를 모두 합하여 내생감소 (edogeneous decay)라고 함. 이는 미생물 농도에 대한 1차 반응으로 알려져 있음.

46. 효소반응에 의한 기질소비 해석 • 위의 동역학식들은 Monod가 실험적으로 관찰한 결과에 기초하고 있음. • 미생물에 의한 기질의 소비, 즉 분해는 본질적으로 세포내에서 일어나는 생화학반응이며 대부분은 효소반응임. • Michaelius-Menton은 기질분해를 다음과 같은 효소반응 동력학 으로 해석하였으며 결과적으로는 Monod관계식과 유사함.

47. S : 기질E : 효소ES : 기질․효소 복합물P : 생성물 효소반응식에서 (2-13)식이 평형(equilibrium)이라고 가정 (2-15) : = i 물질의 농도

48. (2-16) (2-17)

49. • 한편, 효소에 대한 물질수지식은 다음과 같다. (2-18) 여기에서,  CE  : 자유 효소농도 CES : 효소-기질복합물질농도 CEo : 초기 효소농도 • 최종적인 효소반응율(V)은 다음과 같이 정의할 수 있음. (2-19) (2-19)식의 CES를 쉽게 측정 가능한 CS, CEo로 변환함.

50. 우선, 측정이 어려운 CE도 배제하기 위하여, (2-18)식에서 CE = CEo - CES로 하여 (2-17)식에 대입 CES로 정리하면, (2-20)