본 연구는 퍼클로레이트의 생물학적 환원 과정에 있어서 고농도의 염이 미생물에게 어떤 영향을 미치는지를 다양한 방법을 통해서 알아보고 적절한 모델링 접근을 통하여 최적 환원속도를 위한 반응조 조건 및 설계에 필요한 요소들을 도출하기 위해 수행되었다. 100mL 합성폐수를 포함하는 플라스크를 이용한 실험이 수행되었고, 일정 농도의 퍼클로레이트와 유일 탄소원으로 아세트산나트륨이 사용되었다. 염화나트륨 농도가 $7490{\mu}s/cm$에서 $23700{\mu}s/cm$까지 증가하는 동안 퍼클로레이트의 생물학적 환원 속도는 현저하게 감소하였으며, $32100{\mu}s/cm$ 이상의 염화나트륨 농도에서는 퍼클로레이트가 환원되지 않았다. 동일한 농도의 염화나트륨, 염화암모늄, 염산 및 황산이 포함된 하수에서는 퍼클로레이트의 환원속도가 모두 비슷하였다.
생물은 자기 복제를 통한 생장이나 생명유지를 위해 에너지를 필요로 한다. 화학영양생물은 화학에너지를 발효 혹은 호흡을 통해 생물학적 에너지로 전환시키며, 광영양생물은 광합성 작용을 통해 광에너지를 이용한다. 발효, 호흡, 광합성은 모두 산화-환원 반응을 통해 이루어진다. 생물의 모든 에너지 전환반응은 산화-환원 반응, 즉 전자의 흐름으로 이루어지며 생명현상이 에너지를 필요로 하기 때문에 생명현상은 전자의 흐름으로 이루어진다고 할 수 있다. 모든 생물이 에너지 전환 반응에 산화-환원 반응을 이용한다는 말은 생물이 많은 종류의 산화-환원 효소를 보유하고 있다는 뜻이며, 실제 많은 종류의 산화-환원 효소가 발견되고 연구되었다.
활성 빵효모를 이용한 생물학적 환원은 n-hexane, pentane과 석유에테르와 같은 유기용매에서 순조롭게 진행되어, ethyl(1)과 octyl 3-oxohexanoate(2)는 높은 %ee로 환원되었다. 활성 빵효모에 의한 생물학적 환원은 물보다 유기용매에서 생성물의 정제가 간편하고 경제적 효과가 크다는 이점이 있었다. 이러한 생물학적 환원방법은 광학활성 천연물의 합성에 이용할 수 있으리라 생각되어 진다.
본 연구에서는 질산염(${NO_3}^-$)과 용존산소(DO)에 의한 생물학적 퍼클로레이트 환원의 저해 그리고 전자공여체를 차지하기 위한 이러한 전자수용체들의 경쟁적 관계를 조사하고자 염소이온프로브(chloride ion probe)를 직접적인 측정방법으로 사용하였다. 퍼클로레이트 환원미생물을 포함하는 플라스크에서 염소이온프로브를 이용하여 염소생성 (=퍼클로레이트 환원)을 모니터링하였다. 2 mM 퍼클로레이트의 생물학적 환원은 2 mM의 질산염에 의해 저해를 받았으며, 염소이온 생성율이 퍼클로레이트가 단독으로 존재하는 경우에 비해 30% 정도 감소하였고, 아세테이트가 제한된 상태이며 질산염과 퍼클로레이트가 공존하는 경우는 염소이온의 생성율이 약 70% 정도 감소하였다. 7-8 mg/L의 용존산소와 2 mM의 퍼클로레이트가 공존하는 조건에서 아세테이트의 공급정도와 상관없이 퍼클로레이트의 생물학적 환원작용이 완벽하게 저해를 받았다.
본 연구는 퍼클로레이트의 생물학적 환원 과정에 있어서 나이트레이트의 존재가 미생물에게 어떤 영향을 미치는지를 실험을 통해서 알아보고 적절한 모델링 접근을 통하여 나이트레이트의 퍼클로레이트 환원에 대한 저해의 정량적 분석을 위한 요소들을 도출하기 위해 수행되었다. 100mL 합성폐수를 포함하는 플라스크를 이용한 실험이 수행되었고, 유일 탄소원으로 아세트산나트륨이 사용되었고, 전자수용체로는 퍼클로레이트와 나이트레이트가 사용되었다. 먼저 퍼클로레이트와 나이트레이트 각각을 단일전자수용체로서 넣은 실험을 진행하였다. 퍼클로레이트의 동역학계수 qmax, Ks, Y, b값은 각각 0.9(mgClO4-/mgMLSSday), 42.28(mgClO4-/L), 0.382(mgClO4-/mgMLSS), 0.05(day-1)로 계산되었다. 그리고 나이트레이트의 동역학 계수 qmax, Ks, Y, b값은 각각 13.81(mgNO3-/mgMLSSday), 239.78(mgNO3-/L), 0.275(mgNO3-/mgMLSS), 0.05(day-1)로 계산되었다. 나이트레이트와 퍼클로레이트를 동시에 넣었을 경우에는 나이트레이트의 동역학 계수는 qmax, Ks, Y, b 값은 각각 13.72(mgClO4-/mgMLSSday), 235.64(mgClO4-/L), 0.263(mgClO4-/mgMLSS), 0.05(day-1)로 큰차이 없었으나, 퍼클로레이트의 경우에는 qmax, Ks, Y, b값은 각각 0.6(mgClO4-/ mgMLSSday), 42.24(mgClO4-/L), 0.393(mgClO4-/mgMLSS), 0.05(day-1)로 qmax값은 감소하였고, Y값은 증가하는 모습을 보임으로써, 나이트레이트의 존재가 퍼클로레이트의 환원을 저해시키는 것을 확인할 수 있었다.
생물학적 질소고정과정의 연구는 학문적으로나 산업적으로 매우 중요한 과정이다. 본 총설에서는 공업적 질소고정과 비교되는 생물학적 질소고정의 특징을 간단히 살펴보고, Azotobacter vinelandii에서 연구되고 있는 생물학적 질소고정효소의 특징을 다룬다. 생물학적 질소고정과정은 다양한 생명체에서 일어나며, 최근에는 미생물인 A. vinelandii에 그 작용 메커니즘에 관한 연구가 집중되어 있다. 공기중의 질소를 암모니아로 변환시키는 질소고정은 화학적으로 환원 반응에 해당하므로 전자의 공급이 필요하다. 생물학적 질소고정을 담당하는 질소고정효소는 촉매반응을 위해 생물학적인 환원력을 사용하여 전자를 공급받아, Fe 단백질의 $Fe_4S_4$ cluster와 MoFe 단백질의 P-cluster를 거쳐 질소 환원 반응이 일어나는 FeMo-cofactor로 전달한다. 이러한 전자전달의 과정과 수소이온의 전달 과정은 질소고정효소의 반응 메커니즘 이해에 매우 중요한 과정이며, FeMo-cofactor와 질소분자의 상호작용은 생물학적 질소고정 메커니즘의 중심에 있다. 질소고정 작용 메커니즘의 연구에는 X-선 단백질 결정학, EPR과 $M{\ddot{u}}ssbauer$ 등의 다양한 분광학적 방법과, 효소의 기질과 저해제의 상호작용을 연구하고 mutant와 비교하는 생화학적 접근방법, 그리고 FeMo-cofactor의 모델 화합물을 합성하여 연구하는 화학적 방법 등이 적용되었다. 이들 분야의 최근 연구결과를 소개하며, 마지막으로, 다양한 연구 결과에 바탕하여 새로운 질소고정효소의 작용 기작이 제안하였다.
영국 빅토리아 시대에 활성화된 문학과 과학 연구에서 뜨거운 논쟁 중 하나는 생리학과 심리학의 연관관계를 규명하는 것이다. 당시 많은 사상가들이 심리적 현상이 그것의 생리학적 원인으로 환원될 수 있는가의 여부에 대해 대단한 관심을 보였다. 예컨대 윌리엄 벤자민 카펜터(Willaim Benjamin Carpenter)는 심리라는 정신 현상은 생리라는 육체 현상과 근본적으로 다르다고 주장하고, 그랜트 알렌(Grant Allen)은 심리적 현상은 그것의 생리적 원인으로 환원될 수 있다고 여겼다. 본 논문에서는 알렌의 "생리학적 미학"(1877)에 나타난 생리학적 환원주의를 비판하고자 한다. 그의 미학은 대단한 역설을 품고 있다. 미적 인식의 점진적 발전을 주장하는 진화론적 미학을 주장하지만 궁극적으로는 이런 미적 발전 단계 구분을 부차적인 것으로 여기고 생리학적 보편주의를 제시하기 때문이다. 색깔에 대한 미적 판단의 진화를 예로 들면, 알렌은 인류 진화의 초기에는 화려한 색깔을 선호하다가 점진적으로 차분한 색깔로 '자연선택' 된다고 말한다. 색깔 선호의 이런 점진적 발전은 감각신경의 정교한 발전과 비례한다고 주장한다. 그러나 알렌은 궁극적으로 미적 인식의 이런 진화론적 발전 보다 미적 쾌락을 가능하게 하는 보편적으로 존재하는 감각신경 구조가 있다는데 더 큰 가치를 부여한다. 더 나아가 미적인 대상을 인식하는 방식에 있어서는 식물, 동물, 인간은 본질적으로 차이가 없다고까지 말한다. 미적 인식의 발전 단계를 설정하여 서열화하는 대신 누구에게나 존재하는 보편적 미적 감상 능력이 더 의미있다고 생각하는 미적 평등주의를 드러낸다. 이런 미적 보편주의는 인간에게 내재된 신경생리학적 구조의 보편성에 기인한다고 강조한다. 지적 판단이 개입되는 고차원적 미적 인식과 저급한 감각적 미적 인식의 차이는 질적 차이가 아니라 양적 차이일 뿐이다. 알렌이 정의하는 미적 사심 없음이라는 개념은 그의 이런 역설의 미학을 더욱 극명하게 보여준다. 그는 생리적-실용적 욕구에서 벗어나 그 자체의 쾌락을 추구하는 사심 없는 미적 판단을 최고 수준의 미적 인식이라고 말한다. 육체적-생리적-물질적-실용적 욕구에서 멀어지면 멀어질수록 미적 인식이 높다고 주장한다. 문제는 사심 없는 미적 관심이란 고차원의 미적 판단 능력도 결국은 신경 구조의 복잡한 발전에 기인한다고 보고 있어 다시 생물학적-생리학적 절대주의로 귀결한다. 필자는 알렌의 이런 모순된 주장을 생리학적 미학의 역설이라 부른다. 알렌의 미학은 사회적, 정신적 영역의 존재를 제대로 인정하지 않고 오직 신경-생리적 요인만을 절대화한다는 면에서 생물학적 순수주의를 표방한다. 현실은 물리적-생물학적 현실과 더불어 사회적, 개인적 요인들이 중층 결정된 구조인데 알렌은 이를 지나치게 단순화하여 생리학적 환원주의에 빠진다. 정치, 문화적 상황이나 개인적 취향의 다양성을 부차적인 요소로 과소평가하고 오직 육체적-생리적-감각적 요인만을 최우선시 하기 때문이다.
악취의 주원인은 염기성 취기의 대표인 암모니아, 산성 취기의 대표인 황화수소, 그리고 트리메틸아민이며, 이들은 법정 악취물질로써 지정되어 있다$^1$. 이와 같은 악취를 없애는 소취기구는 활성탄 및 제오라이트 등과 같은 물질에 대한 물리적 흡착에 의한 것, 산화제 및 환원제에 의한 화학반응에 의한 것, 미생물 및 효소에 의한 생물학적 반응에 의한 것으로 대별되지만, 물리 흡착은 재방출의 문제가 있고 화학 및 생물학적 반응에는 소취성분 자체의 유해성 및 반응후 물질의 유해성이 문제가 되는 경우가 있다.(중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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