Isolation and screening of amylase producing bacteria from sewage water and soil receiving kitchen waste

기술 요약: 하수 및 주방 폐기물이 유입되는 토양으로부터 아밀라아제 생성 박테리아의 분리 및 선별

문제 제기 및 배경
산업용 효소, 특히 가수분해 효소는 전 세계 산업용 효소 생산량의 약 75%를 차지하며, 그중 아밀라아제가 전체 물량의 약 30%를 차지한다. 아밀라아제는 동물, 식물, 박테리아 및 곰팡이에서 흔히 발견되지만, 생산 시간이 짧고 비용 효율적이며 일관성과 열 안정성이 높기 때문에 산업적 응용에는 박테리아 및 곰팡이 유래 소스가 선호된다. 특히 박테리아 유래 아밀라아제는 다른 생물체에 비해 공정 최적화가 용이하고 생산율이 높아 선호된다.

2020년 기준 글로벌 산업용 효소 시장 가치가 680억 달러이며 연평균 3.3%의 성장률이 예상됨에도 불구하고, 에티오피아는 매년 상당한 양의 맥아를 소비하는 양조업과 같은 산업적 필요를 충족하기 위해 수입에 크게 의존하고 있다. 본 연구는 아밀라아제를 생성하는 박테리아의 국산 자원을 식별함으로써 수입 의존도를 최소화해야 할 필요성을 다룬다. 본 연구는 이러한 미생물의 잠재적 저장소로서 폐기물이 풍부한 환경, 즉 주방 폐기물이 유입되는 토양과 하수를 활용하는 데 초점을 맞춘다.

연구 방법
본 실험 연구는 2017년 3월부터 6월 사이 에티오 Ethiopia의 데브레 베르한 대학교(Debre Berhan University)에서 수행되었다. 연구는 다음 두 가지 특정 샘플 유형으로부터 박테리아를 분리하고 선별하기 위해 연속 희석 한천 플레이트법(serial dilution agar plate method)을 사용하였다:

1. 토양 샘플: 주방 폐기물이 유입되는 토양의 깊이 5cm 지점에서 목적적 추출(purposely collected)하였다.
2. 하수 샘લો: 대학교 내 폐수 처리장 인근의 하수에서 채취하였다.

분리 및 순수 배양:

• 토양: 10g의 토양을 90ml의 멸균 증류수에 녹인 후 $10^{-1}$에서 $10^{-6}$까지 연속 희석하였다. pour plate법을 사용하여 0.1ml의 희석액을 영양 한천 플레이트에 도말하고 37°C에서 24시간 동안 배양하였다. 잘 자란 5개의 콜로니를 계대 배양(sub-culturing)을 통해 순수 배양하였다.
• 하수: 1ml의 물을 $10^{-1}$에서 $10^{-7}$까지 연속 희석하였다. $10^{-5}$에서 $10^{-7}$ 사이의 샘플을 영양 한천 플레이트에 도말하고 37°C에서 24시간 동안 배양하였다. $10^{-6}$ 희석액에서 얻은 5개의 콜로니를 순수 배양하였다.

아밀라아제 활성 선별:
모든 순수 배양된 분리 균주들은 전분 가수분해 테스트를 통해 선별되었다. 분리 균주들을 1% 전분이 포함된 영양 한천 플레이트에 스트리킹(streaking)하고 37°C에서 24시간 동안 배양하였다. 배양 후, 플레이트에 아이오딘 용액을 침윤시켰다. 박테리아 성장 주변에 투명한 구역(전분-아이오딘 복합체의 부재를 나타냄)이 형성되면 아밀라아제 생성을 확인하였으며, 투명한 구역이 없으면 비생성자로 간주하였다.

주요 결과
총 10개의 박테리아 분리 균주(토양 5개, 하수 5개) 중 50%(5개 균주)가 아밀라아제 생성 균주로 확인되었다. 생성 균주의 분포는 다음과 같다:

• 주방 폐기물이 유입되는 토양: 5개 균주 중 3개(60%)가 아밀라아제 생성 균주였다.
• 하수: 5개 균주 중 2개(40%)가 아밀라아제 생성 균주였다.

식별된 특정 생성 균주는 토양 샘플의 s3, s4, s5와 하수 샘플의 w3, w5였다. 이러한 결과는 일부 이전 연구(예: Parmar & Pandya, 2012)와 일치하지만, 다른 연구(예: Tole et al., 2016)와는 수율 면에서 차이를 보였는데, 이는 출처와 방법론에 따른 분리 성공률의 가변성을 시사한다.

의의 및 주장
본 연구는 하수와 주방 폐기물이 유입되는 토양이 아밀라아제 생성 박테리아를 분리하기 위한 유효한 자원임을 결론짓는다. 저자들은 이러한 폐기물 유래 환경이 아밀라아제 효소 생산을 위한 효과적인 저장소 역할을 할 수 있으며, 이는 국산 효소 생산에 기여하고 수입 의존도를 낮추는 데 도움이 될 수 있다고 주장한다.

본 논문은 연구 결과의 범위를 적절히 제한하여 유지하고 있다. 저자들은 특정 박테리아 종을 완전히 규명하거나 생산 조건을 최적화했다고 주장하지 않는다. 대신, 산업적 적용을 위한 이 분리 균주들의 잠면을 완전히 확인하고 검증하기 위해 형태학적, 생화학적 및 생리적 테스트를 포함한 추가적인 특성 분석 연구를 명시적으로 권고하고 있다.