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Dec 07, 2023

생물막 추정

npj 생물막 및 미생물군집

npj 생물막 및 미생물군집 1권, 기사 번호: 15014(2015) 이 기사 인용

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생물막, 특히 요소 가수분해 생물막은 의료계(예: 요로 감염), 과학자 및 엔지니어(예: 미생물에 의한 탄산염 침전)의 관심을 끌고 있습니다. 이러한 시스템을 적절하게 모델링하려면 생물막별 반응 속도가 필요합니다. 생물막 특이적 반응 속도를 결정하는 간단한 방법이 설명되고 요소 가수분해 생물막에 적용됩니다.

생물막은 작은 실리콘 튜브에서 성장되었으며 유입수 및 유출수 요소 농도가 결정되었습니다. 샘플링 직후, 튜브 길이에 따른 생물막 두께 프로파일을 추정하기 위해 튜브를 얇게 절단했습니다. 요소 가수분해율 추정을 위한 역모델을 구축하기 위해 요소 농도와 생물막 두께 데이터를 사용했습니다.

Escherichia coli MJK2 생물막의 요소 가수분해는 요소 농도 0.003~0.221mol/l(0.186~13.3g/l) 사이의 1차 동역학에 의해 잘 근사화되는 것으로 나타났습니다. 1차 속도계수(k1)는 23.2±6.2h−1로 추정되었다. 또한 확산보다는 이류가 실험 시스템을 지배했으며 생물막 내 요소 가수분해가 확산 수송에 의해 제한되지 않는다는 것도 확인되었습니다. 이 연구에서 논의된 특정 요소 가수분해 생물막 외에도 이 방법은 생물막별 비율을 결정해야 하는 경우 폭넓게 적용할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

미생물에 의한 요소의 가수분해는 현장에서 알칼리도를 생성하고 그에 따른 탄산염 광물의 침전을 위한 효과적인 방법으로 널리 알려져 있습니다. 중성 pH에서 요소(CO(NH2)2) 가수분해는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

여기서 가수분해되는 각 요소 분자에 대해 2개의 암모늄 이온과 1개의 중탄산염 이온이 형성됩니다. 또한, 하나의 양성자가 소비되어 pH가 상승합니다. 칼슘이나 기타 2가 양이온이 존재하는 경우 탄산염(CO32-) 농도의 증가로 인해 탄산염 광물 침전이 발생할 수 있습니다.

요분해 미생물이 신장 및 요로 결석은 물론 카테터 껍질 형성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 미생물 요분해를 통한 탄산염 미네랄 형성은 의학에서 중요합니다. 건축 자재3 및 침투성 감소, 토양 안정화 및 오염 물질 복원을 위한 지표면에 사용됩니다.4 미생물 요소 가수분해는 총 질소의 상당 부분이 요소에 기인하는 산업 및 농업 폐수 처리 환경에서도 중요합니다.5 언급된 모든 시스템에서 특히 표면적 대 부피 비율이 높은 경우 요분해 활성의 상당 부분이 생물막에 기인할 가능성이 높습니다.

생물막 함유 시스템에서 시스템 동작을 예측하는 데 중요한 장애물은 정량적, 시스템별 반응성 수송 특성이 부족하다는 것입니다. 이 연구는 요분해 활성이 있거나 자극을 받은 시스템에 존재할 가능성이 있는 반응성 수송 환경을 밝히기 위해 모델 생물막 시스템의 요분해를 구체적으로 조사합니다. 플랑크톤 배양에서의 요산분해는 철저하게 조사되었으며 미생물6-9 및 고정화 효소가 포함된 다공성 배지의 부피 평균 요산분해 속도를 정량화하기 위한 많은 연구가 있었습니다.10,11 가장 적용 가능한 연구는 이러한 시스템의 침전 속도에 집중합니다. 생물막에서 요분해의 미세한 규모의 반응성 수송 특성은 거의 논의되지 않았습니다.

부피 평균 접근법을 취하는 대신, 토양 기공이나 요로에서 접하게 되는 층류 환경을 모방하는 실리콘 튜브에서 요분해성 생물막을 성장시켰습니다. 광물 침전을 일으킬 수 있는 칼슘이나 기타 양이온은 시스템에 공급되지 않았으므로 침전이 발생할 때 발생하는 합병증 없이 요소 가수분해를 자세히 연구할 수 있었습니다. 침전은 요소 가수분해 동역학에 영향을 미칠 가능성이 있지만 이 연구에서는 조사되지 않았습니다. 실리콘 튜브는 튜브 길이에 걸쳐 정확한 생물막 두께 프로파일을 얻기 위해 파괴적으로 샘플링되고 얇게 절단되었습니다. 생물막 두께 프로파일을 유입수 및 배출수 요소 측정과 결합하여 생물막 부피당 요분해 속도(여기서는 생물막 특정 속도라고 함)를 얻었습니다. 이 논문은 생물막의 효과적인 반응 속도를 측정하는 방법과 무차원화 기술의 적용을 통해 생물막 촉매 요소 가수분해의 반응성 수송 환경에 대한 더 큰 통찰력을 제공합니다.