비소 산화 박테리아의 유전타입과 비소 독성 저감 연구

국문 초록 (Abstract)

목적: 비소내성시스템 (arsenic resistance system: ars) 기능을 갖고 있는 비소 산화 박테리아 (Arsenite Oxidizing Bacteria: AOB)를 고농도의 비소로 오염된 폐광산에서 순수 분리하여 활용함으로써 비소 독성을 저감하고 생물학적 복원 가능성을 제시하는 것이 본 연구의 목적이다.
방법: 삼광광산에서 비소 내성 박테리아 균주들을 순수 분리하였고, 비소산화 효율이 높은 박테리아를 선별하였다. 순수 분리된 미생물의 비소내성시스템 유전자 탐지로 기능을 확인하였다. 각 균주의 비소 내성을 측정하였고 비소산화능력의 batch test를 5시간 간격으로 샘플링 하면서 총 50시간으로 실시하여 종 변환 및 독성 저감을 평가 하였으며, 비소 농도의 측정은 ICP-MS를 이용하였다.
결과 및 토의: 삼광광산의 총비소농도는 지점1에서 1,322 mg/kg으로 토양오염우려기준(50 mg/kg)을 26.4배 초과하였고 대책기준 (150 mg/kg)을 8.8배 초과하였으며, 다른 샘플링지점에서도 규제기준을 초과하여 적절한 처리가 시급하다. 비소의 생물학적 산화에 탁월한 3개의 박테리아 균주는 Alphaproteobacteria 강 (class)에 속하는 Agrobacterium tumefaciens EBC-SK1 (MF928870), Ochrobactrum anthrophi EBC-SK4 (MF928873), Ochrobactrum anthrophi EBC-SK12 (MF928881) 이다. 비소내성시스템 유전자는 리더 유전자인 arsR과 arsD가 탐지되었고, 멤브레인 유전자인 arsB 유전자도 탐지되었다. arsB는 efflux/influx pumping system의 encoding에 관여하여 3가 아비산염 (arsenite)을 박테리아 세포 안으로 이동시킨다. 비소산화유전자 (aox)가 작동하여 3가 아비산염 (arsenite)을 5가 비산엔 (arsenate)으로 산화한다. 이러한 비소내성시스템 유전자 (ars genotype)의 조절작용을 통하여 비소 산화 박테리아는 독성이 강한 3가 아비산염 (arsenite)을 독성이 약한 5가 비산엔 (arsenate)으로 생변환 (biotransformation)한다.
결론: 삼광광산에서 효율이 우수한 비소 산화 박테리아를 확보하였다. 비소 산화 박테리아는 비소의 독성이 높은 환경에 내성을 가지며, 독성이 강한 As(III)을 독성이 약한 As(V)으로 생변환 (biotransformation)하여 폐광의 생물학적 복원에 핵심 역할을 수행한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Objectives : The objectives of this study is bioremediation and detoxification of arsenite using arsenic resistance system (ars) genotypes of Arsenic Oxidizing Bacteria (AOB) isolated from highly As-contaminated mine.
Methods : Bacterial strains that are resistant to arsenic were isolated from the Samkwang mine. The identification of AOB was conducted by analyzing the 16S rRNA gene using universal primers. To determine the genotypes of the arsenic resistance system (ars), specific primers were used for each gene. The extent of arsenic resistance was measured, and the efficiency of arsenite oxidation was assessed through a batch test. Arsenic concentration was measured using ICP-MS.
Results and Discussion : The arsenic concentrations at site 1 of the Samkwang mine were found to be 1,322 mg/kg. This concentration is 26.4 times higher than the standard for soil pollution concerns (50 mg/kg) and 8.8 times higher than the standard for soil pollution measures (150 mg/kg). The appropriate remediation is studied such as bacterial remediation. The three efficient AOBs were identified as Agrobacterium tumefaciens EBC-SK1 (MF928870), Ochrobactrum anthrophi EBC-SK4 (MF928873), Ochrobactrum anthrophi EBC-SK12 (MF928881), respectively. The arsenic resistance system (ars) genotype were detected, which is the leader genes of the arsenic oxidation system (arsR and arsD), and the membrane gene (arsB). The arsB is involved in the encoding of the efflux/influx pumping system and moves arsenite into the bacterial cells. Arsenite-oxidizing (aox) genes are activated to oxidize arsenite into arsenate. The AOBs biotransform arsenite to arsenate with the regulation of ars genes, which detoxify highly As-contaminated mine.
Conclusion : The AOBs from Samkwang mine are known for their resistance to highly toxic arsenic environments. They play a crucial role in the bioremediation of abandoned mines by transforming As(III) into As(V) through biotransformation.