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미생물이야기 '바이오레머디에이션(bioremediation)'이란 미생물을 이용한 환경개선을 의미한다.
2013-08-14 11:05:26
이엠생명과학연구원
바이오레머디에이션
 

오염에 의해 파괴된 토양생태계를 살리는 데에는 많은 시간과 경비가 소요된다.

  '바이오레머디에이션'이란 무엇인가

'바이오레머디에이션(bioremediation)'이란 미생물을 이용한 환경개선을 의미한다. 즉 생물학적 방법에 의해 오염된 토양 혹은 오염원인 유기합성물질<표 1>을 분해하여 무해한 물질로 전환시키는 작용이다.

 

<표 1> EPA우선 규제 주요 오염물질
휘발성 유기화합물

유기용매에
의해 추출되는 화합물

농약 PCB등
관련화합물

중금속 기타

Benzene

Toluene

Chloroform

Vinyl chloride 등

Naphthalene

Nitrobenzene

Phenol등

BHC

DDT

Chromium

Copper

Lead

Mercury등

Cyanides

석면 등

'바이오레머디에이션'이
요구되는 이유

현재 세계적으로 환경보전에 대한 관심이 높아지고 있는데 이는 역설적으로 수많은 폐기물에 의해 생태계가 크게 오염되어 가고 있음을 의미한다.

  이 오염물질의 확산은 지권(lithosphere), 수권(hydrosphere), 기권(atmosphere)등 전 범위로 나아가고 있지만, 이들 문제를 해결하기 위해서는 토양생태계라는 지권 생물상의 주요 구성원이 되고 있는 토양미생물의 고유기능을 이용하지 않고는 생각할 수 없다.

현재 사용되고 있는 '바이오레머디에이션'의 역사적 기원은 농용자재로 사용되는 유기물의 퇴비화(composting)와 같이 매우 깊지만 유기물 부숙이라는 측면을 떠나 '바이오레머디에이션'이라는 개념까지 발전하게 된 이유는, 하수, 오폐수, 농용 폐기물 그리고 유해 화학합성 폐기물등 매우 많은 종류의 물질이 다량으로 배출되고 있으나 자연적인 방법으로는 정화가 어려운 경우가 많아 과거의 개념에서 확장된 의미를 적용하지 앓으면 안되는 상황이 빈번히 일어나고 있기 때문이다.

특히 농업환경에서 주목해야 할 점은 이들 유해물질이 적절한 공정을 거치지 않고 농용자재로 유입될 수 있다는 것이다.

그 이유는 유기물 자재에 인공화학물질의 유입을 현실적으로 완전히 차단하기가 어려워 토양오염을 피할 수 없는 경우가 발생하기 때문이다.

그러므로 잘못된 사용에 의해 발생될 수 있는 여러 문제점을 막기 위해서도 이러한 종류의 자재는 무엇이며, 이들 물질을 처리하기 위해서는 어떠한 과정을 거쳐야 하는지를 정확히 알아두어야 하다.

 

 

'바이오레머디에이션' 원리

환경오염이 유발된 곳에서의 생물에 의한 유해물질 분해가 일어나기 위해서는 먼저 생물이 오염물질에 노출된 미생물이 생리 생태적으로 환경에 적응하여야 한다.

 

▲ 미생물에 의한 물질 분해

미생물이 물질을 분해하기 위해서는 ① 오염물질 분해와 관련된 미생물수 증가 ②난분해성 오염물질을 분해할 수 있는 유전정보의 변이 혹은 전이, 그리고 ③ 오염물질 분해에 관련된 효소생산이 이루어져야 하다.

'바이오레머디에이션'의 최종목적은 유해한 유기화합물을 이산화탄소, 물, 무기염류, 혹은 생물체 등의 무해한 상태로 전환하는 것이다. 오염된 종류 및 오염지역에 따라 효율을 극대화하기 위해서는 공학기술과 병용하여 사용할 수 있다.

즉 자연상태의 '바이오레머디에이션'율이 건강에 미치는 위험이나 오염물질의 확산을 방지하지 못할 때는 '바이오레머디에이션'종합 시스템을 사용하여야 한다.

  그러나 부적합한 온도 혹은 산도, 독성물질 혹은 항 미생물제의 존재, 영양원 및 전자수용체등이 부족하면 acetate와 같은 간단한 휘발성 지방산조차도 분해가 되지 않는다. 이렇게 되면 불완전 부숙유기물에서의 황화수소 발생과 같이 불필요한 부산물이 집적되어 새로운 오염을 유발하므로 생육조건 조절 및 관리에 세심한 주의를 기울여야 한다.

 

 

'바이오레머디에이션'을 위한 미생물 접종

유기폐기물의 분해를 촉진하고 분해율을 증가시키기 위해 '바이오레머디에이션'에 도입되고 있는 미생물 접종 방법은 폐수처리과정에 널리 사용되고 있는 활성오니 등과 같이 새로운 개념은 아니다.

'바이오레머디에이션'에 필요한 미생물이 오염현장에 서식하지 않거나 있다 하여도 오염물질 분해에 관련된 미생물의 군락수가 적정수준에 이르지 못한 경우에는 미생물의 접종이 필요하다. 그러나 난분해성 유기화합물질을 주요 목표로 하고 있는 '바이오레머디에이션'에는 보다 엄선된 방법이 적용되어야 한다.

즉 접종 미생물이 '바이오레머디에이션'에 효과를 발휘하기 위해서는 ①반드시 오염물질과 접촉되어져야 하며 ②영양원과 전자수용체를 충분히 확보하여 기존의 고유 미생물과 경합하여 증식할 수 있어야 한다. 또한 ③오염물질에 특이적으로 반응할 수 있는 대사 능력을 보유하여야 하며 ④독소존재, 극단적인 온도 및 산도 등과 같은 제약적인 조건에서도 생존할 수 있어야 한다.

 

 

'바이오레머디에이션' 방법의 종류

'바이오레머디에이션'의 형태 즉 방법에는 여러 가지가 있으나 현장처리(in situ bioremediation), 부숙화(composting), 경지이용(landfarming) 및 반응조(above-ground bioreactor)등으로 나누어 설명할 수 있다. 이들 방법은 사용되는 목표물질이 유기합성화합물이라는 점만 다를 뿐 일반 유기물 처리 방법과 유사하다.

이처럼 산업폐기물로 배출되는 물질도 토양에 서식하고 있는 미생물을 이용하는 점에서는 기존의 퇴비부숙방법과 큰 차이는 없다. 그러나 난분해성 유기오염물질에 의해 토양환경의 자정능력을 초과하는 과부하를 피하기 위해서도 반드시 양질의 유기물을 만들어야 하는 당위성을 설명하고자 처리방법에 대해 간단히 언급하고자 한다.

 

 

In situ '바이오레머디에이션'

In situ '바이오레머디에이션'이란 오염지 토양이나 지하수에 서식하는 고유의 미생물에 의해 오염물질이 분해되는 작용을 말한다. 이들 미생물에 의한 분해작용은 일부의 영양원과 전자수용체가 제한 농도에 이를 때까지 진행되므로 미생물의 중식을 촉진하기 위해 질산염과 인산염등 무기질 비료를 가하기도 한다. 이 방법은 원유등에 의해 넓은 지역이 오염된 경우에 적용할 수 있다.

 

 

Composting

퇴비는 미생물이 매우 풍부한 물질로 여기서 말하는 퇴비는 토양, 부분적으로 분해된 식물체 그리고 구비와 비료등이 혼합된 것을 말한다

'바이오레머디에이션'에 퇴비화를 사용하는 경우는 저항성있는 화학폐기물질의 농도가 높은 경우이다. 예를 들어 TNT(2,4,6-trinitrotolune)는 상온에서 고상을 띄고 있어 분해율이 낮지만, 약 55℃를 유지하는 퇴적더미에서는 80일 이내에 약 90%이상이 생물학적으로 다른 물질로 전이된다. 이와 같이 부숙과정에 발생되는 열도 유기화합물 종류에 따라서는 중요한 요인이 되고 있음을 알 수 있다.

 

 

Landfarming

오일슬러지를 처리하는 방법으로 먼저 토양과 섞은 후 앞에 설명한 in situ '바이오레머디에이션'을 이용하는 것이다. 이때는 토양물리성 뿐만 아니라 지리적인 측면에서도 세심한 고려가 행해져야 한다. Landfarming의 단점은 진행이 매우 늦고 완벽하지 않을 뿐만 아니라 중금속 물질이 토양에 집적된다는 점이다.

이런 방법의 '바이오레머디에이션'이 진행된 토양에서는 작물재배 뿐만 아니라 목축등이 엄격히 규제되어야 한다.

 

 

Above-ground Bioreactors

이 방법은 오염물질이 활성탄, 플라스틱 구슬, 유리구슬, 혹은 규조토등으로 충진된 표면적이 넓은 반응조로 유입되게 하여 처리하는 과정이다. 즉 인공적으로 일정한 반응조를 만들어 효율을 극대화하는 방법으로 하수처리 등 여러 면에서 이용되고 있다.

'바이오레머디에이션'이란 난 분해성인 유기화합물질에 오염된 지역을, 미생물을 이용하여 원래의 토양환경으로 환원시키는 것이다. 그렇지만 현재 우리가 직면하고 있는 문제는 토양에 시용 되고있는 자재의 순수성을 입증할 수 없는 유기자재에 미지의 화학물질이 섞여 있을 가능성이 매우 높다는 것이다. 즉 직접적이 아닌 간접적인 방법의 오염유발에 의하여 피해를 입을 수 있는 것이다.

위에서 설명한 바와 같이 난분해성 물질을 순환시키기 위해 현재 적용되고 있는 방법에는 공학적인 기술이 필요하지만 기본적인 원리는 기존의 유기물 부숙등 토양의 고유 미생물의 기능을 이용하는 것이다.

이는 토양환경에 시용되는 유기자재 제조시 약간의 주의만 기울여도 미래에 발생할 수 있는 문제를 해결 할 수 있다는 것이다. 토양 자체가 가지고 있는 자정능력은 한계가 있기 때문에 빠른 시간 내에 문제를 해결하려는 시도보다는 충분한 시간을 가지고 접근하여야 하겠다. '바이오레머디에이션'이란 단어가 국내에서 필요하지 않게 하기 위해서는 토양에 투입되는 모든 자재에 대한 충분한 검정과 보다 적극적인 관리가 필요하다. 일단 균형을 상실한 토양생태계를 살리는 데에는 많은 시간과 경비가 소요되기 때문이다.




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