멀티채널 연속 독성 탐지를 이용한 상수원 모니터링

김병찬, 구만복*

광주과학기술원 환경공학과

*e-mail : mbgu@kjist.ac.kr

Field water monitoring with multi-channel continuous toxicity monitoring system

Byoungchan Kim and Man Bock Gu*

Department of Environmental Science and Engineering, K-JIST

*e-mail : mbgu@kjist.ac.kr

서론

생활용수 특히 가정으로 공급되어지는 수도의 공급원인 강이나 호수의 상수원 오염정도가 심각해지고 있다. 상수원 주변의 공업지대화 및 인구 밀집은 상수원의 오염을 가속화시키는 원인이 된다. 상수원의 오염은 주변 생태계의 변화에 영향을 주며 인간에게도 직, 간접적인 영향을 주게 된다. 오염된 상수원이 정수처리장을 거친다 해도 미량남아 있는 독성물질의 완벽한 처리는 불가능할 수 있으며, 특히 갑작스러운 오염물질의 대량 유출은 생태계의 불균형을 초래하며 그 장기적 파급 효과는 심각하다.

따라서 오염여부를 진단하며 방지하는 환경모니터링 기술이 선행되어야한다. 본 연구에서는 발광박테리아가 오염물질의 독성정도에 따라 빛을 발하는 원리를 이용하여 연속적으로 수질의 독성정도와 형태를 모니터링 할 수 있는 한 채널이 단일 미생물로 구성된 2단계 소형 생물 반응기를 다채널 방식의 시스템으로 구성하여 실제 샘플링 한 필드에서의 수질의 독성 정도를 실험해보고 원거리 독성 조기경보 체제 (Toxicity Early Warning System) 개념을 제시하였다.

이론

유전자 재조합된 발광성 박테리아는 독성의 종류에 따라 특이적으로 생물학적 빛 (Bioluminescence)을 발현하게 된다.

본 시스템은 2단계 소형 생물반응기로 이루어져 있으며 첫 번째 단계의 생물 반응기로는 배지가 항상 주입되어 연속적인 박테리아의 배양이 가능하며 이 반응기로부터 두 번째 반응기로 배양된 박테리아가 주입된다. 두 번째 반응기에 모니터링을 위한 수질 샘플을 주입하고 나타나는 발광의 패턴을 이용하여 독성의 정도를 판단 할 수 있다.

실험

1. 균주

실험에 사용된 균주는 유전자 재조합 대장균으로 독성의 종류에 따라 특이적으로 생물학적 빛을 발하는 성질을 가지고 있다. DPD2511, DPD2540, DPD2511, TV1061은 각각 산화적 손상, 생물막 손상, DNA 손상, 단백질 손상에 의해서 빛이 증가하는 균주이며 GC2는 세포 대사 저해를 일으키는 독성에 의해서 빛이 감소하는 균주이다.

2. 실험재료

수질샘플은 두 장소에서 샘플링 하였다. 샘플링은 N 정수처리장에서 3회(3월, 4월, 5월 2000년) 과 T댐 근처의 강에서 2회(6월, 7월 2000년) 한 달에 한번 하여 독성정도를 모니터링하였다. 수질샘플은 테스트하기까지 4℃에서 보관하였다. 또한 독성 모니터링 후 독성이 탐지 되지 않은 샘플에 인위적으로 페놀(50ppm, 100ppm, 300ppm, 500ppm), 노닐페놀(2ppm, 10ppm, 50ppm, 100ppm, 300ppm, 500ppm, 10000ppm), 비스페놀A(2ppm, 10ppm, 50ppm, 100ppm, 300ppm, 500ppm, 10000ppm)를 첨가하여 독성정도를 탐지 하였다. 영양배지는 DPD와 TV균주에 대해서는 kanamycin을 넣은 LB(25g/L) medium을 사용하였으며 30℃에서 운전하였고 GC균주의 경우 ampicillin을 넣은 LB medium을 사용하였으며 37℃에서 운전하였다.

3. 실험장치

2단계로 구성되어 있는 소형 반응기를 병렬형태로 여러 채널을 연결하였으며 수질샘플은 두 번째 반응기로 연속적으로 흘려주었다. 수질샘플 주입부 앞에는 0.2□ 필터를 달아 수질 샘플 내에 함유될 수 있는 외부 미생물을 차단하였고 두 번째 반응기의 dilution rate이 3.0이 되도록 하였다. 각 채널의 발광량 변화는 광섬유를 루미노미터와 연결하여 측정하였고 DAQ(Data Acquisition) 시스템을 이용하여 반응에 의한 발광정도를 분석하였다.

그림1. 멀티채널 연속 독성 탐지 시스템을 이용한 독성 조기경보체계 모식도

결과 및 토론

샘플링한 수질의 독성 정도를 모니터링한 결과 대부분의 샘플에 대해서 모든 균주는 반응 패턴을 보이지 않았다. 하지만 N 정수처리장의 5월 샘플의 경우 DPD2511, DPD2540(그림2), GC2의 채널에서 반응하는 것을 볼 수 있었다. 이는 5월 샘플의 경우 수질 내에는 산화적손상을 주는 물질과 단백질 손상을 주는 물질 및 세포에 독성을 주는 물질이 포함되어있는 것으로 판단이 된다. 페놀을 주입한 수질 샘플의 경우 모든 농도에 대해서 DPD2540(그림 3)과 TV1061이 있는 채널에서 반응을 보였으며 이는 수질 내에 페놀이 함유되어있다면 위의 균주가 있는 채널로 독성을 감지 할 수있음을 의미한다. 노닐페놀과 비스페놀의 경우 모든 농도에 대해 다른 균주에 대해서는 반응을 하지 않았지만 2ppm의 비스페놀을 포함한 수질샘플의 경우 DPD2794에서 반응하는 것으로 보아 비스페놀의 경우 박테리아의 DNA 손상에 관여하는 것으로 보인다.

그림 2. TV1061 채널에서의 N 정수 처리장 샘플 독성 모니터링 결과

그림 3. DPD2540 채널에서의 T댐 샘플에 페놀을 주입하여 독성 모니터링 결과

본 실험을 통하여 수질샘플의 독성정도를 판단하였다. 본 시스템을 이용하여 수질 내의 독성 정도를 정성적으로 판단할 수 있었으며 실시간으로 모니터링이 가능함을 알 수 있었다. 강이나 호수 같은 상수원에는 주변의 공장이나 논 그리고 가정에서부터 유입되는 오염물질에 항상 노출되어있으며 이들 물질이 유입되는 여부를 실시간으로 판단하기는 어렵다. 또한 오염물질이 심각한 독성을 띄는 경우 이의 유입은 생태계 파괴와 인체 건강에 치명적인 해를 끼칠 수 있다. 따라서 독성을 함유한 오염물질의 유입여부를 최대한 빠른 시간 안에 판단해야 하는 필요성이 대두된다. 기존의 경우 공장지대, 논 근처의 상수원으로 독성 물질을 함유한 오염물이 유입되는 지의 여부를 판단하기 거의 어려웠다. 따라서 공장의 불법 폐수 방류라든지 인체에 유해한 농약 등이 무방비 상태로 상수원에 흘러들어 갈 경우 이를 방지할 방법이 부족하였다. 본 시스템을 상습적으로 오염물질 유입이 의심되는 지역과 상수원에 설치함으로써 조기에 오염물질의 유입을 판단하고 경보를 내릴 수 있을 것으로 판단이 된다.

본 시스템은 생물학적 발광을 이용하여 독성의 유무를 판단하게 된다. 독성 정보의 표식으로 생물학적 발광을 이용하는 것은 실시간 원격 모니터링의 기술을 가능하게 한다. 생물학적 발광 신호는 실시간으로 광섬유를 통하여 루미노미터로 전송이 되며 루미노미터의 아날로그 신호는 다시 DAQ시스템을 통해 디지털 타입으로 전송이 된다. 이는 장거리 통신 케이블을 이용하여 원거리에서 생물학적 발광 정도의 변화를 파악할 수 있게 하며 자동적으로 발광 정도가 어느 이상 수준 증가하거나 감소하게 되는 경우 경보를 내릴 수 있는 시스템을 가능하게 한다. 따라서 본 시스템을 사용하여 상수원으로 유입되는 독성을 조기경보 할 수 있는 시스템(Toxicity early warning system) 구현이 가능하며 상수원의 수질관리에도 응용이 될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌

1. Man Bock Gu, Geun-Cheol Gil, and Joong Hyun Kim. (1999) A two-stage minibioreactor system for continuous toxicity monitoring. Biosensors & Bioelectronics 14, 355-361.

2. Man Bock Gu, Robert Mitchell, and Joong Hyun Kim. (2000) Continuous Monitoring of Protein Damaging Toxicity Using a Recombinant Bioluminescent Escherichia coli. ACS Symposium Series 762: 185-196

감사의 글

본 연구는 환경모니터링 신기술 연구센터(ADEMRC)를 통한 한국과학재단 우수연구센터 지원금에 의한 것임.