혐기성 소화 전 음식물 쓰레기의 미생물 군집 구성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12703(2023) 이 기사 인용

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혐기성 소화는 음식물 쓰레기를 처리하고 가치를 회복하는 데 널리 사용됩니다. 상업용 음식물 쓰레기 혐기성 소화 시설은 더 높은 처리량을 가능하게 하기 위해 공정 효율성 개선을 추구합니다. 소화 전 음식물 쓰레기의 미생물 군집 구성에 대한 정보가 제한되어 있어 전처리 공정에서 미생물의 촉매 잠재력을 합리적으로 활용하는 것이 제한됩니다. 이러한 지식 격차를 해결하기 위해 상업용 혐기성 소화 시설에서 나온 음식물 쓰레기 샘플의 박테리아 및 곰팡이 군집을 3개월에 걸쳐 특성화했습니다. 16S rRNA 박테리아 유전자의 풍부함은 곰팡이 간 스페이서(ITS) 서열의 풍부함보다 약 5배 더 높았으며, 이는 혐기성 소화 전 음식물 쓰레기에서 곰팡이에 대한 박테리아의 수치적 우세를 암시합니다. 혐기성 소화 전 저장 중 음식물 쓰레기에서 박테리아가 대량으로 증식한다는 증거가 제시되었습니다. 박테리아 군집의 구성은 시간이 지남에 따라 변화를 보이지만 락토바실러스과(Lactobacillaceae) 계열 내의 계통은 지속적으로 우세합니다. 질소 함량과 pH는 지역사회 변화와 상관관계가 있습니다. 이러한 발견은 음식물 쓰레기의 미생물 생태를 이해하기 위한 기초를 형성하고 혐기성 소화 처리량을 더욱 향상시킬 수 있는 기회를 제공합니다.

2017년에는 전 세계적으로 20억 톤의 도시 고형 폐기물이 발생했습니다. 그 중 84%가 수집되었으며 15%만이 재활용되었습니다1. 이 폐기물 흐름의 약 60%는 유기물이며2 에너지 회수를 위해 혐기성 소화가 가능합니다. 2018년 호주 정부 폐기물 발생 보고서에 따르면 음식물 쓰레기의 87%가 매립되어 매립 가스 및 침출수 문제가 발생했습니다. 음식물 쓰레기의 1%만이 에너지 회수 시설로 보내졌습니다3. 생활 폐기물의 유기물 부분을 잘못 관리하면 유기 폐기물의 통제되지 않은 분해로 인해 온실 가스, 매립 침출수 및 기타 유해 제품이 생성될 수 있습니다4, 5. 매립 가스와 침출수는 환경에 유해하고 안전 문제를 제기합니다6, 7. 유기 폐기물의 혐기성 소화(AD)는 유기 폐기물에서 바이오가스 및 영양분을 수집하여 매립지의 압력을 완화할 수 있습니다. 이 연구는 유기 폐기물 흐름 중 음식물 쓰레기 부분에 초점을 맞추고 있습니다.

혐기성 소화는 산소가 없는 상태에서 유기 물질을 분해하는 미생물에 의존합니다8. 소화 과정은 각기 다른 미생물 그룹에 의해 수행되는 4단계(가수분해, 산 생성, 아세트산 생성 및 메탄 생성)로 이루어집니다. 복잡한 식품 매트릭스는 세포 외에서 더 간단한 화합물로 가수분해된 다음 산성화 및 아세트산화되고, 궁극적으로 박테리아에 의해 아세트산염, 이산화탄소 및 이수소로 발효됩니다9. 이들 생성물은 메탄생성 고세균10에 의한 메탄 생산을 위한 기질 역할을 합니다. 상업용 혐기성 소화 시스템은 수십 년에 걸쳐 최적화되어 왔으며 바이오가스 생산량 증가, 메탄:이산화탄소 비율 증가, 잔류 고형물 생산량 감소에 중점을 두고 있습니다11. 증가된 적재 용량이 제공할 수 있는 경제적 균형에도 불구하고 소화조 처리량 증가에 거의 관심을 기울이지 않았습니다12. AD시설 매출의 대부분이 음식물 쓰레기 처리비에서 나온다는 점을 감안하면 놀라운 일이다. 따라서 소화조의 적재율을 높이면 해당 시설의 재정적 생존 가능성이 향상되고 매립지에서 더 많은 유기 폐기물을 전환할 수 있습니다.

식품에는 관련 미생물 군집이 있으며 비생물적 분해 및 생분해에 매우 취약합니다. 부패는 식품이 수확, 가공, 생산되는 순간부터 시작됩니다. 혐기성 소화 시설은 점점 더 활발해지는 토착 미생물 군집으로부터 부패 초기 단계의 음식물 쓰레기를 받습니다13. 음식물 쓰레기에 고유한 미생물 군집이 하류 혐기성 소화에서 역할을 할 가능성이 있음에도 불구하고 AD 시설의 음식물 쓰레기 공급원료(혐기성 소화 전 음식물 쓰레기)의 미생물 군집에 대해 이용할 수 있는 데이터는 제한적입니다. 예를 들어, 음식물 쓰레기에 포함된 박테리아 및 곰팡이 군집의 다양성과 균일성, 미생물 군집의 구성이 pH, 수분 함량, 원소 함량과 같은 환경 매개변수에 의해 어떻게 영향을 받는지는 알려져 있지 않습니다. 음식물 쓰레기의 구성이 다양할 수 있다는 점을 고려하면, 아직 조사된 바는 없지만 미생물 군집의 구성도 다양할 것으로 예상하는 것이 합리적입니다.

40% of community) were kept for further correlation calculations. Similarly, the analysis of the community of fungi included the four most abundant species. GraphPad Prism 9 was used to analyse the correlation between environmental parameters and variances in community structure. Correlations are examined using nonparametric Spearman correlations to cover more than linear relations and to generate heat maps. The P values were calculated with the student t-test in Prism 9./p> 70% relative abundance of bacteria community, Fig. 3a,b) under comparable conditions and estimates of available growth substrates (Supplement information 1). The model was used to determine whether the residence time between the hydropulper and the digestor feed tank (~ 16 h) was sufficient to account for the observed 26-fold increase in bacterial abundance. From a starting point of 6.2 × 108 copies/g, the model reached a 16S rRNA gene copy density of 1 × 1010 copies/g after 16 h and plateaued at 1.3 × 1010 copies/g after 18 h. Growth model data and qPCR data are consistent with the proliferation of bacteria in food waste between the hydropulper and the anaerobic digestor feeding tank./p> 1% relative abundance (Lin1-7). Minor Lactobacillaceae include all Lactobacillaceae lineages with less than 1% relative abundance. Lin 1–3 on the graphs correspond to Lactobacillus/Lactiplantibacillus Lin1-3 in the legend. (c) Maximum likelihood phylogenetic tree of Family Lactobacillaceae extracted from the Illumina 16S rRNA Illumina sequence entries (Lin1-7 indicated by solid circle). Number and scale in figure showing the phylogenetic relationship between bacterial lineages observed in food waste and their closest cultured relatives. Numbers represent bootstrap (branch point confidence) values from 500 replicates./p>