인간은 자연의 일부로 자연 속에서 살아가고 있으며 하천, 저수지 등 수생태계의 건강성은 우리 인간의 건강한 삶과도 매우 밀접한 관련을 갖고 있다. 이러한 수생태계가 아무리 건강하게 관리되고 있다 할지라도 예상치 못하는 독성 물질이 유입되는 경우 수생태계는 순식간에 파괴될 수 있으며 이를 다시 회복시키기 위해서는 오랜 시간과 관리가 필요하게 된다.

[표 1] 생물경보장치 제품군과의 비교.

오염사고에 대처하기 위해 독성물질 유입 시 이를 신속하게 감지하고 후속조치를 취할 수 있도록 하는 독성물질 감시 장치들이 개발되고 있다. 현재 사용되고 있는 독성물질 감시 기술로는 물고기, 물벼룩, 조류, 식물체 조직, 동물세포 외에 발광미생물, 질산화 미생물 등의 미생물을 이용하는 방법이 있으며 각각의 방법들은 나름의 장단점을 가지고 있다.

미생물의 경우 물고기, 물벼룩 등 고등 동물에 비해 독성물질에 더 민감하며 빠른 시간 내에 반응하므로 독성을 탐지할 수 있는 이상적인 생물체이다. 미생물을 이용한 생태독성 감시 시스템은 미생물의 성장속도, 호흡률, 발광도, 전기전도도 변화로부터 탐지가 가능하며, 생태독성에 이용되고 있는 미생물로서는 호기성미생물, 발광미생물, 질산화미생물, 미생물연료전지 내 미생물, 철산화미생물 등이 있다.

 

강원대학교 바이오자원환경학과 오상은 교수 연구팀은 기존 독성탐지에 사용되던 미생물보다 사용이 편리하고 독성 탐지가 정확한 황산화 미생물을 이용해 수체 내 독성물질 유입을 탐지할 수 있는 장치를 개발했다. 환경부 ‘Eco-STAR Project’인 수생태복원연구사업을 통해 개발 되었으며 주관기관은 강원대(연구책임자 오상은 교수)이며 참여기업은 주식회사 엠큐빅(대표이사 이은형)이다.

황산화미생물을 이용한 독성탐지장치 개발 연구는 2012년 현재 수생태복원연구사업 4단계 중 1년차 연구 단계에 있으며, 현재 북한강에 시제품을 설치하여 운영 중에 있다. 운영 결과를 토대로 발전된 형태의 2차 시제품을 제작 중이다.

황산화 미생물을 이용한 독성탐지 기술 및 장치는 국내특허 3건 등록, 1건이 출원된 상태이며 국외특허 1건(영국) 등록, 4건(미국, 일본, 유럽, 중국)이 출원됐다. 또한 본 기술은 현재 환경신기술(NeT)인증을 신청한 상태이다.

장치의 원리는 다음과 같다. 황산화미생물이 호기조건하에서 황입자 표면에 부착되어 성장하며, 황산화미생물이 산소를 최종전자수용체로 이용하여 황입자를 산화시켜 황산염으로 변환시킨다. 황산화미생물에 의한 황산화 반응식은 다음과 같다.

황입자와 공기(산소) 존재 하에서 감시하고자하는 수체를 유입시켰을 때 황산염 농도가 증가한다는 것은 황입자에 부착되어 있는 황산화미생물의 활성도가 유지되고 있으며 이는 수중에 독성물질이 적음을 의미한다.

수중에 독성물질이 존재하는 경우, 황산화미생물의 활성도가 저하되면서 생성되는 황산염 농도 또한 감소하게 된다. 본 장치에서는 이 황산염 이온의 농도를 pH 또는 전기전도도(EC)를 이용해 간편하게 측정한다.

 

[그림 1] 황산화 미생물을 이용한 독성탐지장치에 사용되는 반응조.

본 장치는 유입부·반응부·측정부·제어부로 구성되어 있으며 황산화미생물을 이용해 강, 하천, 저수지 등 수체 내 독성물질 유입을 감시하도록 개발됐다. 황산화미생물을 이용한 독성탐지장치에 사용된 반응조는 황입자를 넣은 반응부와 이와 연결된 전기전도도 전극을 설치한 측정부로 구성되어 있다.

 

본 장치의 반응조는 연속식운전 1기, 반연속식 운전 2기로 구성되어 있고 각각의 반응시간은 30분으로 설정되어 있다. 반연속식 2기는 15분 간격으로 번갈아 가며 운영된다. 즉 반연속식 반응조가 15분 반응시간이 될 때 또 다른 반응조가 반응을 시작한다.

 

황산화 미생물을 이용한 독성탐지장치는 실험적 오류 등에 의해 발생될 수 있는 오차를 최소화하기 위해 3개의 반응조를 이용한다. 그리고 반연속식 운전과 연속식 운전을 모두 사용하여 경보를 울리게 되므로 좀 더 정확한 경보를 울릴 수 있고 경보 발생 시 독성 원인 규명을 위해 시료를 자동으로 채수할 수 있는 시스템을 갖고 있다.

▲ [그림 2] 황입자(A)와 황산화미생물(B).

[그림 3] 1mg/L Cr6+ 주입 후 EC변화 및 EC의 회복.

일반적으로 미생물 생물경보 장치는 주기적(7∼14일)으로 미생물 먹이를 공급해주어야 미생물의 계속적인 성장이 가능하다. 그러나 본 기술에서는 채워준 황입자가 미생물이 먹고 자라는 먹이이며 인위적·주기적으로 먹이를 주입할 필요가 없이 2∼5달 주기로 황입자를 교체해주면 된다.

기존 생물경보장치들의 경우 일반적으로 유입수의 탁도를 제거하기 위한 전처리로 필터장치가 필요하나 본 기술에서는 수체 중 전기전도도를 측정하므로 유입 탁도(∼250NTU)에 민감하지 않아 전처리 필터장치가 불필요하다.

 

▲ [그림 4] 독성물질 유입시 반응조 3개에서의 전기전도도 변화 결과.

또한 pH, EC를 주기적으로 자주 보정할 필요가 없으며 pH가 낮은 조건에서 물의 독성을 판정하므로 낮은 농도의 독성물질에 민감하게 반응한다. 공장 폐수의 경우 유입수를 희석할 수 있는 장치가 옵션으로 설치되어 있어 공장폐수 유출수 등에도 적용이 가능하다.

 

강, 하천 및 저수지 등의 수체로 유입되는 독성물질을 조기에 탐지해 상수원을 보호하고 수생태를 건강하게 유지하는 것은 너무도 중요하다. 이를 위해 다양한 형태의 생태독성모니터링 장치들이 개발되어 왔고 현재 상용화가 되고 있다.

 

[그림 5] 장치의 구성 및 명칭. ①모니터 ②전기전도도 측정기 ③pH 측정기 ④연속식운전 반응조 ⑤반연속식운전 반응조 I ⑥반연속식운전 반응조 II ⑦유입수 온도계 ⑧항온조 온도계 ⑨연속식운전 펌프 ⑩반연속식운전 펌프 ⑪유입수히터 ⑫공기폭기기 ⑬LAN장치 ⑭PLC(전원부) ⑮PLC(작동부) ⑯항온조 팬 ⑰공기유량계 ⑱예비조 ⑲전기공급기

기존의 기술들은 유입수의 탁도에 민감하고 주기적으로 미생물의 먹이를 공급해야 하며, 1개의 생물반응조 안에서의 생물 반응(컨트롤과 비교)만을 통해 경보를 결정해야 하고 독성물질에 대한 민감도가 낮은 단점을 갖고 있다.

▲ 황산화 미생물을 이용한 독성탐지장치.

본 기술 개발 연구를 통해 기존 제품들의 단점들을 일부 보완하고 쉽고 정확하게 수체 내 독성을 탐지하는 새로운 형태의 독성 감시 장치가 개발되었으며 기존 기술과의 차별화를 전망하고 있다. 본 개발 기술은 공장폐수 유출수, 하수종말처리장 유출수, 먹는 물, 토양독성, 대기독성 등 다양한 분야로의 적용이 가능할 것으로 판단되며, 이를 위한 연구를 계속 수행되고 있다.