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다인 진
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1 생물촉매에의한오염퇴적물정화기술 신우석 * ㆍ김영기 * 한경대학교해양과학기술연구센터, 한경대학교화학공학과 Bioremediation of Contaminated Sediments Using Microorganism Woo-Seok SHIN* and Young-Kee KIM *Institute of Marine Science and Technology Research, Hankyong National University, Anseong , Korea Department of Chemical Engineering, Hankyong National University, Anseong , Korea Abstract: 오염퇴적물에존재하고있는오염물질을제거하는방법으로다양한물리 화학적인방법들이소개되어적용되어져왔다. 하지만물리 화학적인정화방법의대안으로미생물과같은생물촉매를이용한정화방법이최근주목박고있다. 과거에는미생물에의한오염물질의제거가매우느리고효율이낮아실용적이지못한방법으로여겨졌으나최근오염물질제거에높은효율을보이는다양한미생물종에대한연구가활발히이루어지고있어향후오염퇴적물정화에있어서미생물을이용한생물학적처리의역할은확대될것으로전망된다. 본자료에서는기존연구사례를중심으로중금속류및유기오염물질제거에우수한효율을보이는미생물들을소개하고분해및제거메커니즘에대하여기술하였다. Keywords: biocatalyst, bioremediation, contaminated sediments, heavy metal, persistent organic pollutant 1. 서론 1) 산업화도시화과정을거치면서다양한장소에서하천으로유입된유기물, 영양염류, 유해화학물질, 오염지하수의유입등에의한점오염염원및비점오염원은하류로운반되어비교적유속이약한하천, 호소, 하구, 해양의바닥에침전하게된다 [1-3]. 게다가자연현상으로인한풍화된암석입자들, 수중에용해되어있던광물질 염이침전된입자들, 미세조류들이분해된입자들, 대기로부터유입된강하물등이물, 대기등에의해운반되거나수중에서다양한생화학적인반응에의해침전하는데퇴적물은이와같이침전된모래, 점토, 유기물질, 광물질을말한다 [4]. 수계내에서일반적인부유물질과퇴적물, 오염물질의순환을개념적으로 Figure 1에나타냈다 [5]. 생태학에서퇴적물은저서생물들이생활할수 저자 ( kim@hknu.ac.kr) 있는공간을제공하는매개체로서수생태계의중요한생활요소이므로퇴적물은저서생태계뿐아니라수체에많은영향을미친다. 퇴적된유기물의혐기성분해는오염원이며 [4], 퇴적물에부착되어있는유해물질은물리화학적환경변화와더불어생물학적인반응과정을통해수중으로재용출된다. 게다가이렇게용출된오염물질들은수생생물간먹이사슬을통한농축으로인하여잠재적이공공위생에영향을미칠수있다 [6]. 지하수와지표수는물의순환으로인하여혼합되는데, 따라서오염된퇴적물은광역지하수의오염까지도초래할수있다 [7]. 오염된퇴적물은강우, 바람, 배의움직임, 저서생물들의움직임에의하여재부유되거나물의흐름에따라이동한다 [8]. 생물정화 (Bioremediation) 란주로유해화학물질에의해오염된토양, 지하수등의환경을생물기능을이용해서원상태에가깝게수복하는기술로정의하는것이가능하고 ( 환경수복 ), 배수와폐기 KIC News, Volume 17, No. 3,

안정화와굴착제거, 소각, 토양세정등의물리 화학적수복기술 (Physico-chemical remediation) 의적용을고려하게된다. 본고에서는오염퇴적물정화에있어서기존에널리사용되고있는미생물을이용한생채촉매정화방법중중금속및유기오염물질을제거할수있는방법을중심으로정화기술을살펴보고자한다. 2. 중금속류정화방법 Figure. 1.

현재다양한오염물질의분해미생물이검색되고있는결과, 예전에는결코생분해를할수없다고생각되었던펜타클로로페놀 (PCP), 폴리염화비페닐 (PCB), 다이옥신의분해를담당하는미생물들이점차분리되고있다.

2 Table 1. 직접 간접메커니즘에의한금속의 Bioleaching. (Me는 2가금속을나타냄 ) 직접 간접 MeS + 2O 2 + H+ Me 2+ + H 2SO 4 ( 황화물염의직접산화에의한용출 ) MeS + 2Fe 3+ Me Fe 2+ + S 0 ( 산화환원전위를통한추출 ) MeS + H 2SO 4 Me SO 4 + H 2S ( 생성한황산에의한추출 ) 물정화가능성과효율이매우낮은오염물질에는고화 안정화와굴착제거, 소각, 토양세정등의물리 화학적수복기술 (Physico-chemical remediation) 의적용을고려하게된다. 본고에서는오염퇴적물정화에있어서기존에널리사용되고있는미생물을이용한생채촉매정화방법중중금속및유기오염물질을제거할수있는방법을중심으로정화기술을살펴보고자한다. 2. 중금속류정화방법 Figure. 1. 수계내부유물질, 퇴저물및오염물질의순환개념도 [5]. 물처리등의오염방지기술과쌍을이루는것이다. 특히, 미생물의대사에의해서무해화, 분해, 제거되는환경오염물질은생물정화에의한정화대상이되고있다. 자연계에존재하고있는미생물은매우다양한물질대사를담당하고있는것이많은연구들에의해명확하게알려지고있고, 정화가능한오염물질은일반적으로생각하고있는것보다그수가많다 [9]. 현재다양한오염물질의분해미생물이검색되고있는결과, 예전에는결코생분해를할수없다고생각되었던펜타클로로페놀 (PCP), 폴리염화비페닐 (PCB), 다이옥신의분해를담당하는미생물들이점차분리되고있다. 한편, 금속류를포함한무기물은대개그리스크가원소로서총량에의존하고있어, 생물작용에서는분해되지않기때문에생물정화는적용할수없다고생각할수있지만, 산화 환원작용과특이적섭취등무해화와제거에이용가능한생물반응도있는것이알려지고있어, 뒤에서술한것처럼금속류정화프로세스도제안되고있다 [9]. 미생물대사에의한정화가확인되지않거나또는생 중금속류는유기화학물질과달리미생물에의한분해를할수없기때문에생물학적정화의대상에는명확하게밝혀진게별로없다. 그러나최근생물 지화학적인연구결과로부터일부의미생물이금속류의변환 ( 산화 환원 ), 무독화, 흡수 축적과환경중에서의가동화등다양한작용에기여하고있는것이밝혀지고있어그환경정화 수복에의적용이가능하다고생각되는주요한미생물작용을정리하였다. 2.1 산화에의한추출 (Bioleaching) 생물용출에의한고상으로부터금속류추출은주로유황산화세균 (Sulfur-Oxidizing Bacteria) 또는철산화세균 (Iron-Oxidizing Bacteria) ( 또는 Thiobacillus 속세균 ) 을이용한직접 간접의산화반응을통해서행해진다 [10]. 양메커니즘에서 2 가금속 (M(II)) 이황화광물로부터추출되는반응의예를 Table 1에나타냈다. 직접메커니즘은, 황화광물의표면에부착한미생물이직접황화물S(-II) 을산화해황산염으로전환하는것으로금속을용출하는것이고, 비결정품구조의황화광물에유효하다고알려지고있다. 이메커니즘에서는 Cu, Co, Ni, Sb, Zn, Pb, Mo의황화광물로부터추출에실적이있다. 한편, 간접적메커니즘으로서는 IOB 에의해생산되는 3가철 (Fe (III)) 이산화제로서금속을산화하는작용, 또는유황산화에의해생기는산 ( 황산 ) 의작용에의한금속을용출시킨다. 생물용출은금속류정화방법으로서실용화예는없 2 공업화학전망, 제 17 권제 3 호, 2014

3 생물촉매에의한오염퇴적물정화기술 Table 2. 생물흡착에의한금속류제거의예 세균 미생물종류 Escherichia coli ( 사멸균 ) Bacillus subtilis ( 사멸균 ) Thiothrix sp. ( 생균 ) Ag +, Cd 2+, Cu 2+, La 3+ Ag +, Cd 2+, Cu 2+, La 3+, Pb 2+, Zn 2+ Cu 2+, Ni 2+, Zn 2+ 흡착된금속 효모 Saccharomyces cerevisiae ( 사멸균 ) Ag +, Au 3+, Ca 2+, Cd 2+, Cr 4+, Cu 2+, K +, Na +, Mg 2+, Ni 2+, Pb 2+, UO 2 2+, Zn 2+ 곰팡이 조류 Absidia orchidis ( 생균 ) Rhizopus arrhizus ( 사멸균 ) Chlorella vulgaris ( 생세포 ) Tolypothrix tenuis ( 알칼리처리 ) Phaeodactylum tricornutum ( 생세포 ) Ca 2+, Cd 2+, Pb 2+ Ag +, Ba 2+, Cd 2+, Cr 3+, Cu 2+, Hg 2+, La 3+, Mn 2+, Pb 2+, UO 2 2+, Zn 2+ Cd 2+, Zn 2+ Ca 2+, Cd 2+, Cu 2+, Mg 2+, Pb 2+, Zn 2+ Al 3+, Cd 2+, Cu 2+, Hg 2+, Pb 2+, Zn 2+ Figure 2. 세균에의한수은의휘발화반응. 지만, 저품질광물로부터금속을채취하는기술로서확립되어있어실용기술로서는곤란한것은아니다. IOB와 SOB을혼합으로사용하면, 각각을이용하는것에비해생성하는원소유황의재산화촉진과 ph 저하효과에의해서용출의효율이높아진다고알려져있다. IOB와 SOB는모두독립영양세균이기때문에증식기질의탄소원을첨가할필요는없지만, 에너지생산을위한전자공여체로서 2가철 (Fe(II)) 과유황, 전자수용체로서산소를공급하지않으면안된다. IOB, SOB처럼독립영양미생물이아닌곰팡이 Aspergillus niger가당류로부터생산하는시트로산 (Citrate) 을이용해서금속의생물용출이제안되고있다. 2.2 흡착 축적 (Biosorption/accumulation) 생물흡착은미생물의생세포또는죽은세포표면에금속류를흡착, 착염화하는과정이고, 액상으로부터금속류제거에이용가능하다. 미생물의 세표표면 ( 세포벽 ) 은음의전하를가지고있고, 이것에금속류의양이온이흡착하는작용에기초하고있어세균, 조류, 곰팡이, 효모등다양한미생물세포를이용한금속류의흡착제거가검토되고있다 (Table 2)[9]. 미생물세포에흡착한금속류는 ph와염농도를조정하는것으로탈착시키는것이가능하기때문에세포는재이용도가능하다. 또, 일부세포에서는특정금속을특이적으로흡탈착이가능하기때문에오염정화를행하면서특정의금속류를자원으로서회수가능성도시사하고있다. 세포표면에흡착이아닌금속류의능동수송에의해세포내부에이송해축적시키는것으로수중으로부터제거하는생물축적도흡착의한방법으로이용이희망된다. 2.3 기화 / 휘발화 (Bio-volatilization) As, Se 및 Hg 등은메틸화하면기화하기쉽기때문에이반응을고상, 액상으로부터금속류제거에이용하는것이가능하다. 가장유명한예는 Hg 의휘발화로반응이효소, 유전자단계에서해명되어폐수처리와퇴적물로부터 Hg 제거에의응용연구도되고있다. 세균의 Hg 휘발화유전자군 mer 오페론은유기수은의분해, 2가Hg (Hg(II)) 이온의세포내에로전달, Hg(II) 의금속 Hg(Hg(0)) 에의환원을촉매하는일련의효소를코드로해서이것들의작용으로 Hg 휘발화가달성된다. Hg(II) 는운송단백질에의해서세포질내로운반되고, 산화 환원에의해서 KIC News, Volume 17, No. 3,

4 Table 3. 금속류옥소음이온의미생물에의한환원작용 환경기준규제항목및감시항목 방사성원소 그외 Cr6+ : Cr(VI) Cr(III) As : As(V) As(III) Se : Se(VI) Se(IV) Se(0) Mo : Mo(VI) Mo(V) U : U(VI) U(IV) Pu : Pu(IV) Pu(III) Np : Np(V) Np(IV) Te : Te(VI) Te(IV) Te(0) V : V(V) V(IV) V(III) Pd : Pd(II) Pd(0) Hg(0) 증기로환원되어수중, 토양중으로부터제거된다. 또, 페닐Hg과메칠Hg 등의유기수은화합물은리아제 (lyase) 에의해서최초로탄소와 Hg의결합이절단되어 Hg(II) 로전환되는중, 같은경로에서휘발되는것도있다 (Figure 2)[9]. 게다가어느미생물종의조건하에서는생물환원에의해서생성하는 Hg(0) 는증기가아닌불용성의과립으로침전시켜제거하는것도가능하다. 2.4 산화물이온의환원일부금속류, 특히실제금속대부분은다양한산화 / 환원상태로환경중에존재하고있어그상태의변화에의해용해도와이동성, 독성등이변하지만최근의연구로부터특이한미생물이실제금속의상태변화에기여하고있다고알려지고있다. 특히산화물이온의형태에서존재하는실제금속을환원하는미생물반응 (Table 3) 은금속류의무독화와고형으로부터용출, 수계로부터제거등이밝혀지고있어이러한환원작용을생물정화에이용하는가능성을시사하고있다 [9]. 상당히다양한옥소음이온 (oxyanion) 이미생물에의해서환원될수있고그메커니즘은주로아래와같이밝혀지고있다. 1) 금속옥소음이온에의해독성의낮은형태로, 또는세포외에배출하기쉬운형태로환원 변환하는것으로인해독성을완화하는내성메커니즘 2) 탈질과황산염환원과유사한양식으로금속옥소음이온을혐기호흡의최종전자수용체 로서이용하고에너지를취득하는이화형 ( 異化型 ) 환원 3) 질산염환원효소, 황산염환원효소등의다른환원효소의하나, 기질특이성이낮은것이금속옥소음이온을환원하는비특이적환원. 그중에서도이화 ( 異化 ) 형태의환원은환원미생물의증식과연결되기때문에일반적으로는효율이높은프로세스라고일컬어지고있고, 환경정화에활용하는상에서는가장유효한방법일것이다. 3. 유기화학물질의생물정화미생물을이용한생물정화의초점의중심은석유계탄화수소와염소계용매, 일부의농약과 PCB, 다이옥신류등난분해성의유기화학물질로정화의주체는유기화학물을분해 대사하는것으로에너지를취득해증식하는화학합성종속영양미생물이다. 그중에서도다른미생물과비교해도세포사이즈가작고표면적이큰것으로부터물질의취득에우수한종속영양세균은가장효율이좋은정화촉매로 Pseudomonas 속, Alcaligenes 속, Acinetobacer 속등의그람음성호기성세균군 ( 이른바 Pseudomonads) 은다종다양한화학물질의분해능력을가지고있는것이알려지고있다. 또, Nocardia 속, Mycobacterium 속등의그람양성의방선균류도알칸과방향족탄화수소등의석유성분을광범위하게분해해자주생물정화의주체를담당하고있다. 백색부패균을비롯한세균은보통세균에비하면증식속도는느리지만리그닌등강고한구조를가지는고분자를분해하는강력한산화효소 (p-디페놀산화효소, 옥시다아제등 ) 를생산하는것이가능하기때문에다이옥신류등난분해성화학물질의정화에적용하는시험이행해지고있다. 3.1 석유성분의미생물분해석유류에포함된화학성분중에는휘발성이높고빠르게증발해버리는화합물 ( 분자량이적은헥 4 공업화학전망, 제 17 권제 3 호, 2014

5 생물촉매에의한오염퇴적물정화기술 Figure 5. 공대사에의한 TCE 호기적분해경로. Figure 4. 전형적인석유계탄화수소와그호기적분해경로. (a) 지방족, (b) 지환족, (c) 방향족. 산등 ), 휘발하지않지만비교적빠르게분해되는화합물 ( 헥산데칸과토르엔, 나프탈렌등 ) 타르장에서분해성이낮고 ( 난분해성 ), 잔류하기쉬운화합물 ( 다환방향족화합물, polyaromatic hydrocarbons: PAHs) 등이있다. 이것들은주로알칸등의지방족탄화수소, BTEX ( 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠및자일렌의줄임말 ) 에대표되는방향족화합물, 나프탈렌, 페난토렌등의 PAH이지만각각의유의한경로에의해분해되는것이알려지고있고, 분해균은자연계에넓게존재하고있기때문에통상은생물정화에의해정화가이루어진다 (Figure 4 )[9,11]. 3.2 염화에틸렌류의생분해 Trichloroethylene (TCE) 및 perchloroethylene (PCE) 로대표되는염화에틸렌류는토양 지하수의오염물질로가장빈번하게검출되는화학물질 의한가지로변이원성등이의문시되는것으로부터그정화는화급을다툰다. TCE와 PCE의생분해특성은각각전혀다르고또한특징적이다. TCE는통상환경중에서는분해되기어렵고장기간잔류하지만특정미생물의산화효소에의해공대사로효율적으로호기분해되는것이알려지고있다. TCE 분해균으로서는메탄자화균, 프로판자화균, 암모니아산화세균, 토르엔, 페놀등방향족화합물분해균등이보고되고있다. 이것들의분해균은 Figure 5에나타낸공통의경로로 TCE을공대사분해해, 최종적으로는완전히무기화하는것이가능하다 [9,12-14]. Hopkins 등은현장시험에서생물자극 (biostimulation) 에의한 TCE 분해를시험해유도기질 ( 일차기질 ) 로서토르엔 > 페놀 > 메탄 > 암모니아순으로높은 TCE 분해효율을얻은결과로부터다루기쉬운페놀의이용을제안하고있다. 또, 메탄자화균도비교적높은 TCE 분해활성을가지고있어방향족화합물처럼독성이없는메탄을유도기질로가능하기때문에이용가치는높다고생각되고있다. TCE 분해균으로서관심을받고있는페놀분해균 8종의토양중에서의분포를조사한예로서는, 전종속영양세균의 6 20% 를점하는등보편적다수가존재한다. 또한, 다양한환경으로부터분리해온 13종의다른페놀분해균의 TCE 분해능을조 KIC News, Volume 17, No. 3,

6 함한강력한탈염소화균은 PCE 등의할로겐화물을전자수용체 ( 수소를전자공여체로함 ) 로서이용해에너지를얻는할로겐호흡에의해탈염소화를행한다. 전자공여체를첨가할필요가있지만산소공급필요가없기때문에호기의생물정화에비하면경제성이높고, 최근주목을받고있다. 4. 맺음말 Figure 6. PCE 혐기적탈염소화. 사한결과 1개체를제외한전부가공대사에의해 TCE를분해하는것이가능하다. 한편, PCE는 TCE와구조가유의하고있지만극히일부를제외하면공대사에의해서도호기분해되지않고혐기조건하에서만생분해를받아환원적으로탈염소화되는것이알려지고있다 (Figure 6)[9,14-15]. 탈염소화는 PCE TCE dichloroethene (DCE) 까지는비교적빠르게진행되지만 vinyl chloride (VC) 를지나고에틸렌까지의완전한탈염소화가진행된사례는많지않다. 이때생성 축적하는 DCE의형태로서는 cis-1, 2-dichloroethene (cis-dce) 가많고, 공업적으로생산되지않는 cis-dce가염화에틸렌류로오염된토양과지하수중으로부터검출되는것은이탈염소화작용에의한것이다. PCE로부터 cis-dce까지의탈염소화에는메탄생성균, 작산생성균과환산염환원균을포함한다양한혐기성미생물이관여하는것이알려지고있지만, 게다가에틸렌과메탄까지의완전한탈염소화를촉매가능한것이보고되고있는것은 Dehalococcoides 속세균뿐이다. 메탄생성균등에의한탈염소화반응은혐기의공대사에서행해지지만, Dehalococcoides 속을포 오염퇴적물에있어서생물정화방법특히, 미생물과같은생물촉매를이용한생물정화방법은하천, 호수및하구, 연안오염퇴적물에적용될것이다. 이러한생물정화방법은물리 화학적정화방법보다친환경적이고비용면에서도매우저렴한방법으로알려져있다. 따라서보다적은환경적 사회적다양한부담으로부터벗어나오염퇴적물을정화할수있다는것이관련연구의가장큰장점이될것이다. 본고에서는 ( 중 ) 금속류및유기오염물질을제거하는방법들을기존연구들을종합하여그중심내용들을살펴보았다. 기술된내용중일부는학술적인의미를갖는방법들도있고아직은실용화단계까지가기에는다소경제적및기술적인문제가제기되고있는것도현실이라고하겠다. 그러나오염퇴적물중오염물질들을제거와관련하여장기간안정적인오염물질제거라는관점과이를응용을통한보다효율적인오염물질의제거가능성을고려할때미생물을이용한생물정화방법은다른물리 화학적인방법보다유리할수있다. 지금까지알려진생물정화방법등은대부분이선진국기업들이독점하고있는실정이다. 이에우리나라도생물정화방법의선진국이되기위해서는독자적인기술확보가필요하며이를위해서는정부, 연구자, 그리고관련기업에서새로운기술개발및실용에의한관련산업의발전은현정부가추구하고있는창조경제에도부합한다고판단된다. 6 공업화학전망, 제 17 권제 3 호, 2014

USEPA, Contaminated sediment remediation guidance for hazardous waste sites (2005). 6. M. M. Abrams and W. M. Jarrell, J. Environ. Qual., 24, 132 (1995). 7. U. Lensyl, W. Brian, L. Dan, and S.

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통권 제101호(2007년 10월호) 특허가족 건강길라잡이(비만 시리즈4) 특허가족 건강길라잡이 (비만 시리즈 4) 변리사 김 일 성 킴스국제특허법률사무소 2. 비만과 영양소 4. 무기질(Minerals) 무기질은 단백질, 당질, 지질들과 달리 에너지를 낼 수 없고, 비타민류와 달리 조리과정에서 파괴되지 않는다. 그러나 물에 용해되므로 조리 중의 용액을 버리