INTRODUCTION

오염된 토양의 처리에 관한 최근의 연구 결과, 오염물질의 종류나 오염의 정도뿐만 아니라 오염된 기간 및 토양의 종류가 생물학적 및 화학적 처리의 효율성에 커다란 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 따라서 오염물질의 토양 내 잔류시간에 따른 지속성 증가와 화학적, 생물학적 이용성과의 상호 관련성에 관한 연구가 수행되어야 하며 이는 어떤 오염지역의 특성에 맞는 복원기술의 선택 및 효율적 적용을 가능하게 할 것이다.

생물회복기술(bioremediation)은 환경친화적이어서 생태계에 비교적 안정적이고 처리비용이 적게 들며 여러 가지 오염물질을 무기물(이산화탄소와 물)로 바꾸어주는 큰 장점이 있으므로 앞으로도 계속적인 사용이 예상되지만 몇 가지 제한적인 요소를 가지고 있어 그 효율성을 증진시키기 위한 지속적인 연구가 필요한 실정이다. 이를 위해서는 미생물학적 지식과 더불어 토양의 성질 및 오염물질의 물리화학적인 특성에 의해 초래되는 반응에 대한 이해가 필수적이며 이를 바탕으로 미생물, 토양, 오염물질들 간의 상호작용을 규명하는 연구가 필요하다.

▲ 미생물에 의한 이용성 증대를 통한 처리 효율 향상

어떤 토양에 오염물질을 분해하는 능력을 가진 미생물이 존재하느냐와 만약 존재한다면 그 오염물질이 미생물에게 이용될 수 있는 상태(accessibility)로 존재하느냐 하는 두 가지 요소는 생물회복기술의 성공에 큰 영향을 미친다. 비록 어떤 오염물질의 분해능력을 가진 미생물이 존재하는 토양이라 하더라도 그 오염물질이 토양 내 미생물에 의해서 쉽게 이용될 수 없는 상태에 있다면 생물회복기술의 효율은 크게 저하될 것이다. 실제 필드에서 성공적이지 못한 생물학적 처리는 분해 미생물이 존재하지 않는 경우보다는 오염물질에 대한 미생물의 접근이 제한됨으로써 야기되는 경우가 대부분이므로 토양에서 오염물질이 미생물에 의해서 쉽게 이용될 수 있는 방법에 관한 연구가 진행되어야 한다. 이를 위해서는 토양 슬러리를 이용하는 방법, 유기용매나 계면활성제를 이용하여 토양 유기물에 흡착된 오염물질들의 탈착을 촉진시키는 방법, 오염물질과 유사한 무해 화학물질을 사용하여 오염물질과 대체시키는 방법, 산화제를 이용한 화학적 전처리 방법 등이 이용될 수 있다.

▲ 복합오염물질의 효율적 처리를 위한 Hybrid 기술의 개발

미생물을 이용한 생물회복기술이 농약, 유기용매 또는 석유물질 등으로 오염된 토양의 처리에 성공적으로 이용되어 왔으나 오염물질의 종류가 한가지 이상 즉, 복합적인 오염이 발생한 경우나 초기오염농도가 너무 높은 경우에는 그 효용성이 저하되므로 이러한 상황에서도 효율적으로 사용될 수 있는 복합적인 정화기술(hybrid remediation technology)의 개발이 필요하다. 예를 들어, 미생물을 이용한 생분해 (biodegradation)와 화학적 처리를 병행함으로써 생물회복 기술의 처리효율을 높임과 동시에 비용과 시간을 줄이는 방법 등을 생각할 수 있다. 화학적 처리로는 오존(O₃), Fenton’s reagent (H₂O₂＋Fe²⁺), permanganate 등을 이용하여 오염물질을 비특이적으로 산화시키는 방법(advanced oxidation processes)이 사용될 수 있는데 이는 오염물질의 농도를 직접적으로 감소시킴과 동시에 미생물에 의해서 거의 분해가되지 않는 화학물질들을 산화시켜 그들의 용해도를 증가시킴으로써 그 물질들의 생물학적 이용도(bioavailability) 및 분해도를 높여주는 효과가 있어 생물 회복기술의 효율성 향상에 큰 영향을 미칠 것이다.

복잡하고 다양한 환경매질에 생명공학적 기술을 적용하는 것은 분명히 한계가 존재하지만 문제를 해결할 수 있는 방법론상의 장점 또한 많으므로 환경분야에서 생명공학적 기술을 응용할 수 있는 분야를 개척하고 넓혀나간다면 기존의 방법으로는 해결할 수 없는 여러 문제들을 풀어나갈 수 있는 가능성이 무한하다고 할 수 있다. 이와 관련하여 다음과 같은 연구를 수행할 수 있을 것이다.

▲ 토양 미생물군의 구성 및 기능적 다양성에 관한 연구

토양에는 많은 종류의 다양한 미생물군(microbial community)이 존재하며 그들은 오염물질의 분해에 중요한 역할을 하고 있다. 특히 복잡한 여러 종류의 오염물질을 생물회복기술을 이용해 처리할 경우 순수 분리된 각각의 미생물보다는 유전적, 기능적으로 다양성을 가진 미생물군의 역할이 더 중요하다. 이와 관련하여 오염된 토양과 그렇지 않은 토양 또는 오염된 화학물질의 종류가 다른 여러 토양에서 발견되는 다양한 대사능력을 가진 미생물군의 유전적, 기능적 특징을 미생물군의 수준에서 비교, 분석함으로써 오염물질의 종류나 오염의 정도가 미생물군의 기능적 다양성(functional diversity)에 미치는 영향에 대한 연구 등이 수행되어야 한다. 이러한 연구를 위해서는 방사선 동위원소(¹⁴C-labeled chemicals), 토양 DNA 추출 및 분석(DNA analysis of soil extract), PCR(polymerase chain reaction) 및 ¹⁶S rDNA sequencing, 세포막 인지질 성분 분석(analysis of fatty acid methyl ester), FISH(fluoresencent in situ hybridization) 또는 여러 가지 탄소원의 이용성을 조사하는 BIOLOG system 등의 방법이 사용될 수 있을 것이다. 이 연구는 어떤 미생물군의 특정 화학물질(군)에 대한 분해능력을 평가하는데 사용할 수 있는 생물학적 특성을 조사하고 증식배양이 가능한 미생물군은 물론 그렇지 않은 미생물군(unculturable microbial communities)의 분해능력을 조사, 평가할 수 있는 방법을 모색한다는 점에 큰 의의가 있으며 나아가 우리가 배양할 수 없는 미생물군의 대사능력을 토양으로부터 직접 평가하고 이용하는 것을 가능하게 함으로써 생물회복기술의 효율성 증대를 통한 기술력 향상에 크게 기여할 것이다.

▲ 분자생물학적 방법을 이용한 토양의 특정 오염물질 분해능력 결정에 관한 연구

어떤 토양의 특정 오염물질 분해능에 관한 분자생물학적 연구는 그 물질을 분해하는데 필요한 중요한 효소의 염기서열을 알아냄으로써(e.g., dioxygenase 등) 활발히 진행될 수 있다. 이러한 염기서열은 기존의 database(e.g., NCBI 등)를 통해서 얻을 수 있으며 그런 기초 정보로부터 원하는 유전자들과 유사성이 있는 primers를 제작하여 토양에서 직접 분리된 DNA를 이용하여 원하는 유전자들을 증폭시키고(PCR amplification) 그로부터 만들어진 probes를 이용하여 어떤 토양의 특정 오염물질 분해능을 빠르게 조사할 수 있다. 이 연구는 어떤 토양이 가지고 있는 분해능(biodegradation potential)에 대한 정보를 제공해 줌은 물론 같은 방법으로 그 토양의 부족한 분해능까지도 간편하게 조사할 수 있다는 장점도 있다. 이 방법을 응용하면 어떤 토양에 존재하는 오염된 물질의 대사능력(intrinsic metabolic activity)을 평가하여 부족한 대사능력을 보충함으로써 생물회복기술의 효율을 증대(bioaugmentation)시키는 방안이 모색될 것이며 오염토양의 생물학적 처리에 어떤 대사능력을 가진 미생물의 사용이 효과적인지를 결정하여 그 처리 효율의 향상에 큰 기여를 할 것이다.