(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C12N 1/20 (2006.01) C02F 3/34 (2006.01) C12R 1/01 (2006.01) (21) 출원번호 10-2010-0108230 (22) 출원일자 2010 년 11 월 02 일 심사청구일자 2010 년 11 월 02 일 (65) 공개번호 10-2012-0046531 (43) 공개일자 2012 년 05 월 10 일 (56) 선행기술조사문헌 KR1020100088367 A* The Korean Journal of Microbiology, Vol.41, pp.281-286 (2005.12.)* Appl. Environ. Microbiol., Vol.69, pp.2964-2974 (2003.) Appl. Environ. Microbiol., Vol.62, pp.3800-3808 (1996.) * 는심사관에의하여인용된문헌 (45) 공고일자 2013년01월31일 (11) 등록번호 10-1228481 (24) 등록일자 2013년01월25일 (73) 특허권자 연세대학교산학협력단 서울특별시서대문구연세로 50, 연세대학교 ( 신촌동 ) (72) 발명자 박준홍 서울특별시종로구내수동경희궁의아침 2 단지아파트 1401 호 이재진 인천광역시서구연희동 188-59 양지훈 경기도광명시오리로 921 번길 10, 청원빌리지 20 1 호 ( 광명동 ) (74) 대리인 이덕록 전체청구항수 : 총 1 항심사관 : 김지연 (54) 발명의명칭 PCE 및 TCE 완전탈염소화능을가지는미생물군집 JL-1 (57) 요약 본발명은 PCE 및 TCE 완전탈염소화능이우수한미생물군집에관한것으로, 디할로코코이데스속 (Dehalococcoides spp.), 지오박터속 (Geobacter sp.) 및디설프로모나스속 (Desulfuromonas sp.) 을포함하는혐기성미생물군집 JL-1 [KCTC 11782BP] 을제공한다. 대표도 - 도 1-1 -
이발명을지원한국가연구개발사업 과제고유번호 173-091-006 부처명 환경부 연구사업명 토양지하수오염방지기술개발사업 연구과제명 염소화유기물질오염지하수정화용바이오촉매제제작및응용 주관기관 연세대학교산학협력단 연구기간 2009.03.01 ~ 2012.02.28-2 -
특허청구의범위청구항 1 테트라클로로에텐 (tetrachloroethene: PCE) 및트리클로로에텐 (trichloroethene: TCE) 의완전탈염소화능을가지는, 디할로코코이데스속 (Dehalococcoides spp.), 지오박터속 (Geobacter sp.) 및디설프로모나스속 (Desulfuromonas sp.) 3종의균주만을포함하는혐기성미생물군집 JL-1(KCTC 11782BP). 명세서 [0001] 기술분야본발명은테트라클로로에텐 (tetrachloroethene: PCE) 및트리클로로에텐 (trichloroethene: TCE) 의완전탈염소화능이우수한미생물군집에관한것으로, 더욱상세하게는디할로코코이데스속 (Dehalococcoides spp.), 지오박터속 (Geobacter sp.) 및디설프로모나스속 (Desulfuromonas sp.) 을포함하는혐기성미생물군집 JL-1 [KCTC 11782BP] 에관한것이다. [0002] [0003] [0004] 배경기술염화에텐 ( 염화에틸렌 ) 화합물은섬유산업의드라이클리닝용매, 기기 금속생산업의세정용매, 컴퓨터용 IC기반세정용매, PVC생산을위한원료나화학합성산업의반응매개물등으로널리사용되어왔다. 특히, 테트라클로로에텐 (tetrachloroethene: PCE) 은금속부품의탈지세정제나드라이클리닝의용제로서대량사용되며, 사용후부적절한처리로인해토양, 지하수, 하천등의오염을일으키고있다. 이러한염화에텐화합물은최근들어토양, 지하수및하천등에서더욱빈번히검출되고있으며, 독성이있고발암의가능성이있는물질로알려져있어, 세계적으로이들물질에의해오염된지하수는심각한환경문제로대두되고있다. 국내에서도 2006년의환경부자료에의하면전국의지하수를조사한결과, 여러지점에서기준치를초과한 PCE 가검출되었다. 특히서울금천구, 경기도안산, 인천부평지역에서는기준치의 50배내지 70배의 PCE가검출되었으며, 서울구로구와충청도청주지역에서는기준치의 100 내지 300배의 TCE가검출되어, 염화에텐화합물에의한지하수오염이심각한것으로나타났다. 염화에텐에의해오염된하폐수또는지하수의정화기술로서많은물리화학적방법들이개발되어왔으나, 현재로는미생물에의한환원적탈염소화반응을이용하는것이가장경제적인정화방법의하나로고려되고있다. 미생물에의한염화에텐의분해에는혐기성및호기성미생물들이다양한분해반응을통해관여하고있다. 혐기성조건에서탈염소화미생물은염화에텐의염소치환기를수소로대체하는환원반응에의해하기와같이환원적으로탈염소화되어테트라클로로에텐 (tetrachloroethene: PCE), 트리클로로에텐 (trichloroethene: TCE), 디클로로에텐 (cis-dichloroethene; cis-dce), 비닐클로라이드 (vinyl chloride; VC) 를거쳐에텐으로탈염소화하는것으로알려져있다. [0005] [0006] [0007] 자연환경내에서미생물들은독자적으로존재하는경우는극히드물며, 미생물, 다른생물, 또는주변환경과상호관계를이루는미생물군집을형성한다. 미생물이커뮤니티를이룰때의발현적특성은개별적으로존재하는경우와는완전히다르기때문에개별적으로존재하는미생물보다는미생물군집을하나의기능발현단위로생각하고자원을확보하며, 다양성및기능연구등의복합적정보분석이필요하였다. 테트라클로로에텐 (tetrachloroethene: PCE), 트리클로로에텐 (trichloroethene: TCE), 디클로로에텐 (cisdichloroethene; cis-dce), 비닐클로라이드 (vinyl chloride; VC) 를거쳐에텐으로탈염소화하는과정에에관여하는다양한혐기성미생물들은이러한탈염소화과정중에각각관여하는단계가상이하다. 예를들어, Desulfitobacterum sp. 균주는 PCE에서 TCE로탈염소화되는단계까지면관여하며, Dehalococcoides sp. 균주일부는 TCE로부터에텐으로탈염소화되는단계에만관여한다. 이와같이혐기성미생물에의한염화에텐분해 - 3 -
과정에다양한미생물들이단계별로개별적으로관여하므로, 미생물을단독으로분리하여응용하기보다는미생 물군집자체를확보하여탈염소화능을갖는미생물군집을연구하는것이필요하다. [0008] 탈염소화능을갖는미생물군집에관한특허로는, 대한민국등록특허제10-0957166호에서 PCE 탈염소화능을갖는데할로코코이데스속 (Dehalococcoides sp.), 지오박터속 (Geobacter sp.), 슈도모나스속 (Pseudomonas sp.) 데설피토박테리움속 (Desulfitobacterium sp.), 데설포비브리오속 (Desulfovibrio sp.), 스피로캐타속 (Spirochaeta sp.) 및스테노트로포모나스말토필리아 (Stenotrophomonas maltophilia) 을포함하는혐기성미생물커뮤니티 FMC-4P[KCTC 11277BP] 에대하여기재하고있으며, 대한민국공개특허제10-2009-0088367호에서지오박터속 (Geobacter sp.), 디할로코코이드속 (Dehalococcoides sp.), 디설포비브리오속 (Desulfovibrio sp.), 언에어로무사속 (Anaeromusa sp.), 펠로박터속 (Pelobacter sp.) 및언에어로비브리오속 (Anaer ovibrio sp.) 을포함하는테트라클로로에텐탈염소화능을갖는미생물커뮤니티 FMC-KBKC14[KCTC11436BP] 에대해나타내고있다. 발명의내용 [0009] 해결하려는과제이에, 본발명은하천에서확보한시료로부터탈염소화능을갖는혐기성기능성미생물군집을선별하고이를구성하는미생물의다양성을확인하여혐기성기능성미생물군집의유용성을밝혀, PCE 및 TCE 완전탈염소화능이우수한미생물군집을제공하는것을목적으로한다. [0010] 과제의해결수단 본발명의상기목적은하천에서시료를채취하고이의 PCE 탈염소화능을분석하여미생물군집을선별하고 PCR, 파이로시퀀싱등의분석방법을통해이의유용성을확인하고계통학적으로분석함으로써달성하였다. [0011] 발명의효과 본발명은 PCE 및 TCE 완전탈염소화능이우수한미생물군집을제공함으로써지하수, 하천등을오염시키는염 화에텐화합물을친환경적이고경제적으로제거할수있는뛰어난효과가있다. [0012] 도면의간단한설명 도 1 은 GC 분석을통해염화에텐화합물의탈염소화능측정한결과를나타낸그래프이다. 도 2는총박테리아및디할로코코이데스속 16S rrna 유전자의 qpcr 결과를도시한것이다. 도 3은배양기간동안의디할로코코이데스속의 X-fold 증가를도시한것이다. 도 4는배양기간동안의미생물군집구조변화를도시한것이다. 도 5는디할로게나아제유전자검출결과를나타낸것이다. 도 6은디할로코코이데스속의계통수를나타낸것이다. [0013] 발명을실시하기위한구체적인내용본발명은하천에서시료를채취하고이의 PCE 탈염소화능을분석하여미생물군집을선별하였으며, 이미생물군집을미생물군집 JL-1로명명하고한국생명공학연구원생물자원센터에 2010년 10월 11일자로기탁하여기탁번호 KCTC 11782BP를부여받았다. [0014] 이하, 실시예를통하여본발명을더욱상세히설명하고자한다. 이들실시예는오로지본발명을보다구체적 으로설명하기위한것으로써, 본발명의요지에따라본발명의범위가이들실시예에의해제한되지않는다는 것은본발명이속하는기술분야에서통상의지식을가진자에게있어서자명할것이다. - 4 -
[0015] [0016] 실시예 1. 시료채취및마이크로코즘 (microcosm) 설정강원도원주의원주천에서강침전물시료를채취하였다. 50ml 팔콘튜브 (Falcon tubes) 에침전물시료를넣은뒤공기접촉을막기위해밀봉하였다. 시료를 4 에서보관하는데 30일이상은보관하지않았다. 침전물시료를균질화한후혐기챔버 (anoxic chamber) (Coy Laboratory Products Inc., Glass Lake, MI) 내에서마이크로코즘을설정하는데사용하였다. 마이크로코즘의설정은표 1과같다. 약 10 g의침전물을 90 ml의살균혐기성배지 (5 mm 중탄산나트륨버퍼, ph 7.2) 와함께 160 ml 바이알로옮겼다. 9개마이크로코즘에약 0.2 mm의전자수용체로서 PCE(tetrachloroethene) 를주입하고전자공여체로서 5 mm 아세트산염을주입하였다. 열-처리한마이크로코즘 (121 에서 15분 ) 을음성대조로서사용하였다. 표 1 [0017] [0018] 탈염소화를통해 cis-dce, VC와같은부산물이발견되었고최종적으로에텐으로완전환원되었다. 이중두마이크로코즘을 16S rrna 유전자및디할로게나아제유전자의수를정량하는데사용하였다. 세개의마이크로코즘을진탕하지않으면서 25 에서 80일동안배양한후초기강침전물의미생물군집 (microbial community) 프로필을파이로시퀀싱 (pyrosequencing) 하고디할로게나아제유전자를검출하는데사용하였다. [0019] [0020] 실시예 2. GC 분석가스-방지테플론밸브 (gas-tight Teflon valves) 및 Luer Lock 어뎁터를구비한 250 μl가스-방지유리주사기 (Hamilton, NV, USA) 를사용하여마이크로코즘의상부공간 (headspace) 에서 0.1 ml의기체채취하고, 이를 FID(flame ionization detector) 및 HP-624 컬럼 (60 m by 0.32 mm; film thickness, 1.8 μm) 이설치된 Hewlett-Packard 6890 GC를사용하여휘발성염화에텐류를측정하였다. 헬륨은 10 ml/min의유속을갖는케리어가스이다. 4분동안 50 로온도를유지시켰다가 25 min -1 to 250 까지 25 min -1 의속도로온도를증가시킨후온도를 250 에서 4분동안유지시켰다. 표준곡선알려진질량의염화에텐을포함하는상부공간기체시료관을측정하여표준곡선을작성하였다 (Amos BK, Christ JA, Abriola LM, Pennell KD, Loffler FE (2007) Experimental evaluation and mathematical modeling of microbially enhanced tetrachloroethene (PCE) dissolution. Environ Sci Technol 41:963-970). 결과는도 1에나타냈다. [0021] [0022] 실시예 3. 실시간정량 PCR (qpcr ) 분석박테리아및디할로코코이데스속 (Dehalococcoides spp.) 의 16S rrna 유전자총수를박테리아 16S rrna 유전자 (Harms G, Layton AC, Dionisi HM, Gregory R, Garrett M, Hawkins SA, Robinson KG, Sayler GS (2003) Real-time PCR quantification of nitrifying bacteria in a municipal wastewater treatment plant. Environ Sci Technol 37:3430351) 및 Dehalococcoides spp.(he J, Ritalahti KM, Aiello MR, Loffler FE (2003) Complete detoxification of vinyl chloride by an anaerobic enrichment culture and identification of the reductively dechlorinating population as a Dehalococcoides species. Appl Environ Microbiol 69:996-1003) 를표적으로하는프라이머세트를사용하여정량하였다. 박테리아에대한프라이머세트로 Bac1055YF - 5 -
[ATGGYTGTCGTCAGCT]( 서열번호 1) 및 Bac1392R [ACGGGCGGTGTGTAC]( 서열번호 2) 을사용하고, 디할로코코이데스에대한프라이머스트로 Dhc1200F [CTGGAGCTAATCCCCAAAGCT]( 서열번호 3) 및 Dhc1271R [CAACTTCATGCAGGCGGG] ( 서열번호 4) 를사용하였다 (Macrogen, Seoul, Korea) 1X SYBR Master Mix (BIO-RAD, USA), 상기두프라이머세트 ( 각각 300 nm) 및 10배희석된주형 DNA를포함하는각 20 μl의반응혼합물을준비하였다. iq5 Real-Time PCR Detection System (BIO-RAD, CA, USA) 을사용하여 qpcr을실행하였다. 클로닝된디할로코코이데스속균주 BAV1 16S rrna 유전자단편를포함하는플라스미드 DNA( 클로닝을통해직접제작 ) 를 10배계열희석하여보정곡선을확립하였다. 유전자복제수 (Gene copy numbers) ( 침전물의 g 당 ) 를계산하였다 (Kirsti M. Ritalahti, Benjamin K. Amos, Youlboong Sung, Qingzhong Wu, Stephen S. Koenigsberg, and Frank E. Loffler (2006) Quantitative PCR targeting 16S rrna and reductive dehalogenase genes simultaneously monitors multiple Dehalococcoides strain. Appl Environ Microbiol 72:2765-2774). 계산식은다음과같다. [0023] [0024] 결과는도 2 에나타냈다. [0025] [0026] 실시예 4. 파이로시퀀싱실시예 1의 25 에서 80일동안배양한세마이크로코즘을사용하였다. 적절한길이의 PCR 산물을생성하기위해, 16S rrna 유전자의 V3 영역을표적으로하는 PCR 프라이머세트인, BACT-F (GAGTTTGATCMTGGCTCAG)( 서열번호 5) 및 BACT-R (WTTACCGCGGCTGCTGG)( 서열번호 6) 를사용하였다. 반응혼합물 (50 μl ) 은 15-25 ng 의주형 DNA, 각 0.4 μm의프라이머 (BIONEER, Seoul, Korea), 1.25U의 Taq DNA 폴리머라아제, dntpack (Roche, USA) 및 1X의 PCR 버퍼를포함한다. Peltier Thermal Cyclerm, PharmaTech & GeneAmp PCR system 9700 (Applied Biosystems, USA) 에서다음조건에따라증폭시켰다 : (i) 94 에서 5분간초기변성단계, (ii) 변성, 어닐링및연장 10 사이클 (94 에서 30초, 그후 60 에서 55 까지사이클당 0.5 내려가며 45초, 72 에서 1.5분간연장단계 ), (iii) 변성, 어닐링및연장 20 사이클 (94 에서 30초후 55 에서 45초, 72 에서 1.5분간연장단계 ). PCR 산물을 QIAquick PCR 정제키트 (Qiagen, CA, USA) 를사용하여정제하였다. 앰플리콘 (Amplicon) 파이로시퀀싱을 454/Roche GS-FLX Titanium Instrument (Roche, NJ, USA) 을사용하여실행하였다. ChunLab (Seoul, Korea) 에서시퀀싱하기전에각시료를구별하기위해바코드를적용시켰다. 300 누클레오티드이하의서열또는 20 이하의평균정성스코어 (Average Quality Score) 를갖는서열은정성필터 (quality filters) 로제거하였다. 파이로시퀀싱으로분석된시료와획득된염기서열의수및필터링후분석에사용된염기서열의수를하기표 2에나타내었다. 표 2 [0027] Target ID Description Obtained # of Bacterial 16S rrna # of seq. sequence after screen WJI1 배양전시료 1 64618 28772 WJI2 배양전시료 2 29001 8822 WJT1 TCE -> ethene 시료1 20614 4642 WJT2 TCE -> ethene 시료 2 8831 5875 WJP1 PCE -> ethene 시료 1 26525 15732 WJP2 PCE -> ethene 시료 2 30127 10866 [0028] [0029] 실시예 5. 군집분석 서열정렬및 0% 내지 10% 부동성의완전결합클러스터링을 Ribosomal Database Project II (RDP) 파이로시퀀 싱파이프라인 (http://rdp.cme.msu.edu/) 을사용하여실행하였다 (Cardenas E, Cole JR, Tiedje JM, Park J - 6 -
(2009) Microbial community analysis using RDP II (Ribosomal Database Project II): methods, tools and new advances. Environ Eng Res 14:3-9). 클러스터수를 OTUs(Operational Taxonomic Units) 로서간주하여 rarefaction curves 분석을실시하고다양성지수를계산하였다. [0030] 97% 의서열동일성에기초한클러스터링결과를군집시프트분석에사용하였다. 결과는표 3 과도 4 에나타내 었다. 표 3 [0031] [0032] 각 OUT에대한대표서열은 RDP 웹사이트를통해제공된 Classifier 및 SeqMatch을통해확인할수있다. 배양동안에증가된서열을공지된탈염소화박테리아로부터의 16S rrna 서열에맞추어조정하고 MUSCLE (Edgar RC (2004) MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res 32(5):1792-97) 을사용하여클론라이브러리에서포착된서열에맞추어조정하였다. 정렬되고정돈된서열의평균크기는 350 bp이다. 다중-정렬서열을사용하여, MEGA4(Molecular Evolutionary Genetics Analysis software version 4.0.) (Tamura K, Dudley J, Nei M, Kumar S (2007) MEGA4: molecular evolutionary genetics analysis (MEGA) software version 4.0. Mol Biol Evol 24:1596-1599) 로 WJI 및 WJP 군집에대해계통수 (phylogenetic trees) 를구성하였다 ( 도 6 참조 ). 계통수추론에서, neighbor-joining algorithm을사용하고, 부트스트랩핑테스트 (bootstrapping test) (1,000개리플리케이트및 64238개랜덤시드 ) 를실행하였다. 참조서열로서, 이미특성화된탈염화분리체의부분 16S 서열 (Dehalococcoides sp. BAV1 (AY165308), Dehalococcoides sp. FL2 (AF357918), Dehalococcoides sp. GT (AY914178), Dehalococcoides ethenogenes strain 195 (AF004928), Dehalococcoides sp. VS (NC_013552), Dehalospirillum multivorans (X82931), Sulfurospirillum halospirans strain PCE-M2 (AF218076), Clostridium bifermentans strain DPH-1 (EU526032), Dehalobacter restictus strain PER-K23 (U84497), Desulfitobacterium sp. Viet-1 (AF357919), Desulfitobacterium sp. PCE-S (AJ512772), Desulfuromonas chloroethenica strain TT4B (U49748), Desulfuromonas michiganensis strain BB1 (AF357915), Desulfuromonas michiganensis strain BRS1 (AF357914), Geobacter lovleyi SZ (AY914177)) 을사용하였다. - 7 -
[0033] [0034] [0035] 실시예 6. 디할로게나아제유전자검출실시예 1의 25 에서 80일동안배양한마이크로코즘으로부터알려져있는디할로게나아제유전자중 VC를에텐으로전환하는 vcra를검출하였다 ( 도 6 참조 ). 적절한길이의 PCR 산물을생성하기위해, vcra 유전자를표적으로하는 PCR 프라이머세트인, SRD-1F (TGCTGGTGGCGTTGGTGCTCT)( 서열번호 7) 와 SRD-2R (TGCCCGTCAAAAGTGGTAAAG)( 서열번호 8) 을사용하였다. 반응혼합물 (50 μl ) 은 15-25 ng 의주형 DNA, 각 0.4 μm 의프라이머 (BIONEER, Seoul, Korea), 1.25U의 Taq DNA 폴리머라아제및 1X의 PCR 버퍼를포함한다 (Invitrogen, USA). C1000TM Thermal Cycler (BIO-RAD, CA, USA) 에서다음조건에따라증폭시켰다 : (i) 94 에서 3분간초기변성단계, (ii) 변성, 어닐링및연장 10 사이클 (94 에서 45초, 그후 64 에서 55 까지사이클당 0.5 씩내려가며 30초, 72 에서 1분간연장단계 ), (iii) 변성, 어닐링및연장 24 사이클 (94 에서 45초후 55 에서 30초, 72 에서 7분간연장단계 ). PCR 산물을 QIAquick PCR 정제키트 (Qiagen, CA, USA) 를사용하여정제하였고, PCR 산물을 1% agarose gel을이용하여전기영동하였다. 디할로게나아제유전자의검출결과는표 4 및도 5에나타냈다. 표 4 [0036] Target PCE Amended TCE Amended Gene Microcosm Microcosm tcea ND ND bvca ND ND vcra +++ +++ [0037] [0038] 파이로시퀀싱결과를통해 PCE를에텐까지완전탈염소화하는데디설프로모나스, 지오박터, 디할로코코이데스등의속이관여하였음을알수있다. 특히 qpcr과디할로게나아제검출을통해서는디할로코코이데스속이 cis- DCE 이후의분해과정에크게관여하였음을확인할수있다. 파이로시퀀싱분석결과는강침전물로부터의한국디할로코코이데스속집단이이미공지된디할로코코이데스분리체와 98 내지 99% 서열상동성을나타내며특히, 디할로코코이데스균주 BAV1, GT 및 FL2와상대적으로근접해있음을알수있었다. 본발명의디할로코코이데스집단은균주 BAV1과상당히유사한 16S rrna 유전자를포함하고있으나, 기존의균주 BAV1이가지고있는 bvca 유전자는없고균주 VS가가지고있는 vcra 유전자는포함하고있어이디할로코코이데스집단이탈염화능을갖는신규한미생물집단임을알수있다. 수탁번호 [0039] 기탁기관명 : 한국생명공학연구원생물자원센터 수탁번호 : KCTC11782BP 수탁일자 : 20101011-8 -
도면 도면 1-9 -
도면 2 도면 3-10 -
도면 4 도면 5-11 -
도면 6 서열목록 <110> Industry-Academic Cooperation Foundation, Yonsei University <120> Microbial community capable of complete dechlorination of PCE and TCE to ethene <160> 8 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 16-12 -
<400> 1 atggytgtcg tcagct 16 <210> 2 <211> 15 <400> 2 acgggcggtg tgtac 15 <210> 3 <211> 21 <400> 3 ctggagctaa tccccaaagc t 21 <210> 4 <211> 18 <400> 4 caacttcatg caggcggg 18 <210> 5 <211> 19 <400> 5 gagtttgatc mtggctcag 19-13 -
<210> 6 <211> 17 <400> 6 wttaccgcgg ctgctgg 17 <210> 7 <211> 21 <400> 7 tgctggtggc gttggtgctc t 21 <210> 8 <211> 21 <400> 8 tgcccgtcaa aagtggtaaa g 21-14 -