활성 슬러지 기반의 다양한 공정으로 하수에서 질소 화합물을 제거하는 연구가 성공적으로 개발되어 왔다. 담체 내에 고정화된 미생물은 바이오매스 농도를 증가시켜 생물학적 효율을 향상시킬 수 있으나, 담체 내 미생물 군집 조성은 아직 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 하수처리 공정의 운전 후 고정화 담체에 부착된 미생물 군집을 분석하였으며, 호기 및 무산소(혐기 아님) 반응기를 비교하였다. 고정화 담체는 polyvinyl alcohol과 polyethylene glycol을 이용하여 modified Ludzack–Ettinger (MLE) 공정에서 운전하였다. 담체에 의해 호기 반응기에서는 mixed liquor suspended solid (MLSS) 농도를 50,000 mg/L로 유지하였고, 무산소 반응기에서는 40,000 mg/L로 유지하였다. 유입수로부터의 암모늄 질소는 최대 99%까지 산화될 수 있는 것으로 계산되었으나, 미생물 성장으로부터 생성된 유기질소가 전반적인 산화율을 감소시켰다. 탄소-질소(C/N) 비를 조정하기 위해 포도당을 첨가하였을 때 탈질화(denitrification) 속도는 증가하였다. 총 질소 농도를 기준으로, C/N 비 조정 후 질소 제거 효율은 48.2%로 계산되었다. next-generation sequencing (NGS)를 이용한 고정화 담체의 미생물 군집에 대한 계통발생(phylogenetic) 분석은, 각각 호기 및 무산소 반응기에서 질산화(nitrifying) 및 탈질화(denitrifying) 미생물이 우점함을 보여주었다. 16S rRNA 유전자의 V3–V4 region 프라이머로 증폭된 서열은 호기 반응기에서 531,188 base pairs (bp)와, 무산소 반응기에서 396,844 bp의 read를 산출하였다. Operational taxonomic units (OTUs)는 문(門) 및 속(genus) 수준에서 모두 동정되었으며, 호기 반응기에서 총 594개, 무산소 반응기에서 375개가 확인되었다. Proteobacteria는 호기 및 무산소 반응기 모두에서 우점 문으로서, 호기 반응기에서 39.7%, 무산소 반응기에서 65.9%를 차지하였다. 호기 반응기에서 우점 속은 Nitrospira와 Povalibacter였다. 총 OTU의 45%는 호기 반응기에서 알려진 질산화 관련 속으로 구성되었다. 반대로 무산소 반응기에서 우점 속은 Desulfomicrobium, Desulfobulbus, Methyloversatilis였다. Dechloromonas와 Flavobacterium을 포함한 탈질화 관련 속 중 63%가 무산소 반응기에서 발견되었다. 각 반응기에서 미생물 개체군의 다양성은 QIIME 2 알고리즘을 통해 비교하였다. α-다양성의 Chao1 지수 값은 호기 반응기에서 606.05, 무산소 반응기에서 415.53으로, 무산소 반응기보다 호기 반응기에서 더 큰 개체군 다양성을 나타냈다. 다양한 집단에 걸친 질산화 활성의 광범위한 분포는 호기 환경에서, 특히 부착 군집 내에서 다양한 개체군 특성을 초래하였다. 고정화된 호기 및 무산소 담체에 존재하는 미생물 군집은 하수처리 공정에 대한 향후 미생물학적 연구에 기여할 것이다.

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