Starch-stimulated aerobic degradation of explosives : microbial consortia development and soil applicability

국문 초록 (Abstract)

Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine (RDX)와 2,4,6-trinitrotoluene(TNT)는 전 세계적으로 사용되는 주요 화약물질로서, 이들에 의한 환경 오염은 생물학적 독성과 환경 내 잔류성 때문에 심각한 환경 문제로 인식되고 있다. 화약물질을 분해하기 위한 미생물 자원으로 호기성 질소 고정 미생물 군집제재가 고려되기도 하였으나, 화약물질 자체보다 독성이 높은 분해산물의 완전한 무기화는 성공하지 못하였다. 본 연구의 목적은 (i) 질소 고정 조건에서 대상 화약물질과 전분을 동시에 주입하여 새로운 RDX, TNT 분해 미생물 군집제재 개발, (ii) 생분해 시 발생하는 분해 산물과 미생물 군집 구조의 특성 분석, (iii) 전분을 이용해서 선택적 배양된 호기성 화약물질 분해 미생물 군집제재의 토양 적용성 평가 등이다. 질소 고정 조건에서 전분과 대상 화약물질이 함께 존재하는 경우, 화약물질의 호기성 생분해가 효과적으로 촉진되었다. 전분을 기질로 이용한 계대배양을 통해서 RDX를 완전 분해하는 호기성 미생물군집제재 (MI), TNT완전 분해하는 호기성 미생물군집제재(MIK), 그리고 혐기성에서 RDX 분해하는 군집제재 (IK)를 성공적으로 획득하였다. 호기성 미생물군집제재들은 RDX와 TNT를 완전 분해해서 무해한 최종산물들을 생산하는 무독성화의 정도가 전분을 첨가 하였을 때 더 향상됨을 알 수 있었다. 반면 혐기성 미생물 군집제재의 경우 독성 니트로소 산물의 누적이 관찰되었다. 16S rRNA 유전자를 대상으로 한 파이로시퀀싱 분석 결과, 전분과 화약물질의 공동투여로 활성화한 호기성 분해 미생물들이(MI의 경우Rhizobium, MIK의 경우 Methylophilus) 질소 고정과 연계되어 있고, 이러한 연계가 화약물질 무독화의 향상에 기여했을 가능성을 제시하였다. 실제 토양에 미생물군집제재를 적용한 마이크로코즘 실험에서는 개발된 호기성 미생물 군집제제가 토양 조건에서 RDX를 완전 무해화함을 확인하였다. 본 연구결과, 전분과 화약물질의 동시 주입이 호기성 화약물질 분해와 분해부산물의 무독화를 증진하는 효과가 있음이 밝혀졌다. 또한 획득한 신규 미생물 군집제재들은 화약물질 오염에 의한 지중환경의 유해성 감소를 위한 유용한 자원으로 활용될 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Contamination by explosive compounds such as hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine (RDX) and 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and their degradation products is a serious environmental concern because of their toxicity to biological systems and their persistence in the environment. Although use of aerobic nitrogen-fixing microbial consortia has been considered a promising microbial resource for explosive degradation, its complete explosive mineralization has yet to be achieved. In this dissertation work, the research objectives were to; (i) develop novel RDX- and TNT-degrading microbial consortia by co-addition of starch with target explosives under nitrogen-fixing conditions, (ii) explore their biodegradation intermediates and microbial community characteristics, and (iii) examine the applicability of the developed starch-stimulated aerobic microbial consortia in soil under laboratory conditions. Under nitrogen-fixing condition, aerobic explosive biodegradation was found to be effectively stimulated by the co-addition of starch with each target explosive. Two aerobic microbial consortia (MI and MIK with RDX and TNT biodegradation abilities, respectively) and an anaerobic RDX-degrading consortium (IK) were successfully enriched through sub-culturing in series with starch addition. Complete explosive detoxification via ring cleavage and mineralization was achieved by the starch-stimulated aerobic consortia while formation of toxic nitroso-derivatives was observed by the anaerobic consortium. Pyrosequencing targeting bacterial 16S rRNA genes suggested that, in the aerobic consortia, the potentially novel aerobic explosive degraders stimulated by starch and explosives (Rhizobium for MI and Methylophilus for MIK) may have been involved in the improved explosive detoxification in association with nitrogen fixation. In the following laboratory soil microcosm experiments, the applicability of the developed aerobic consortium (MI) in soil RDX bioremediation was supported. In conclusion, the findings from this work suggest that the co-addition of starch with target explosive is an effective way to stimulate aerobic explosive degradation and to enhance explosive detoxification under nitrogen-fixing conditions, and that the newly developed aerobic consortia are valuable microbial resources for rhizoremediation and bioremediation of explosive-contaminated subsurface environment.