생명공학의 발전과 환경에 미치는 영향

 

Introduction

생명공학이 발전하면서 우리에게 많은 이점을 주고 있습니다. 생명공학을 통해서 자연에서 일어나는 현상을 이해하고 응용하게 됨으로써, 과거 불치병이라고 알려졌던 병들의 치료법이 개발되는가 하면 생물의 대사과정을 이용하여 우리가 원하는 물질들(예를 들어 저번 글에서 작성했던 에탄올이 있습니다.)들을 선택적으로 대량 생산할 수 있게 해 주었습니다. 그리고 생명공학의 결과로 현재 오염된 자연환경이 예전의 깨끗했던 환경으로 복구되고 있습니다. 이번에는 생명공학의 발전으로 오염된 환경이 어떻게 복구되는지 알아보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.

 

 

하수처리와 생명공학의 관계

인간은 하루에 1인당 200~300L(식수, 샤워, 세탁 등을 포함하여)의 깨끗한 물을 사용하며, 심지어 1,000L 정도의 물도 사용하고 있습니다. 그리고 사용된 물은 대부분 당, 지방, 단백질, 세탁용 세제, 음식물 찌꺼기 등을 포함하여 생활폐수로 버려지고 있습니다. 그리고 농가에서는 한 마리의 암소가 하루에 사람 16명이 배출하는 폐수를 생성하고 있습니다. 이렇게 오염된 물을 그냥 배출한다면 어떤 문제가 생기게 될까요? 아래의 예시를 통해서 알아보도록 하겠습니다.

◎ 오염된 물이 인간에게 미치는 영향의 예: 1892년 독일 함부르크 주민들은 Alster강과 Elbe강을 아무런 처리 없이 그냥 마셔도 된다고 판단하여 강물을 마시다가 8,600여 명이 사망하는 사건이 있었습니다. 조사 결과 콜레라를 일으키는 병원체를 포함하여 미생물들이 강물에 살고 있었고 이것을 직접 섭취한 결과 사람들이 목숨을 잃게 된 거였습니다. 그러나 근처 Altona 지역에 살던 주민들은 강물을 간이 사 여상(모래를 여재로 사용하는 여상으로, 사층을 여과막으로 이용하여 부유물질, 세균, 콜로이드 등의 불순물을 제거하는 기능을 가지고 있습니다.)을 통과시켜 사용하고 있었기 때문에 아무런 피해를 입지 않았습니다.

위 사례를 통해서 오염된 물이 인간에게 악영향을 끼친다는 것을 알게 되었으며, 하수 처리가 매우 중요하다는 것을 알게 되었습니다. 그러면 하수를 처리하는 것과 생명공학이 어떤 관계를 가지고 있을까요? 특정 미생물은 대사과정을 이용하여 오염물질을 분해하고 깨끗한 물로 정화하는 능력을 가지고 있습니다. 우리는 이런 미생물들을 모아서 미생물들이 최대의 활성을 가질 수 있도록 특수한 환경을 제공하는 거대한 생물 공장을 만들어서 이용하고 있습니다.(참고로, 미생물에 의해 정화된 깨끗한 물을 바이오산물에 포함시키고 있습니다.) 생물 공장인 하수처리장은 어떤 과정을 거쳐서 현재의 시설을 갖추게 되었을까요? 계속해서 하수처리장의 발전 역사에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

하수처리장의 발전

하수처리장의 발전은 크게 오수 농장(sewage farm), 살수 여상(tricking filter), 활성슬러지(activated sludge)의 적용으로 크게 2번의 발전단계를 거치게 됩니다. 오수 농장부터 시작하여 활성슬러지가 적용된 현대의 하수처리장에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

• 오수 농장(sewage farm): 가장 오래된 하수 처리방법으로, 19세기 유럽 도시 주변에서 발달하였습니다. 기계적으로 전 처리된 하수를 토양에 살수하는 방식으로, 유기 오염물질을 미생물에 의해 분해되는 것을 이용한 방법입니다. 하지만 오수 농장은 넓은 부지를 필요로 하는 단점이 있습니다. 참고로, 베를린에서는 1873년 5월 하수 체제 건설에 대한 결정을 시작으로 본격적으로 운영되기 시작하였는데, 하수의 연결로 인하여 장티푸스 사망자가 시간이 지날수록 줄어드는 쾌거를 이룰 수 있었습니다.

 

• 살수 여상(tricking filter): 오수 농장이 필요로 하는 넓은 부지의 문제를 해결하기 위해 고안된 방법으로, 1894년 영국에서 개발된 방법입니다. 살수 여상의 충진재는 광재, 소결 유리, 플라스틱 또는 화산암과 같이 큰 공극을 가지고 있는 물질로 채워 그 위에 전 처리된 폐수를 흘러보네 정화하는 방법입니다. 충진 물질의 넓은 표면적으로 인하여 폐수 생물이 발달됩니다. 맨 위에는 녹조류 층이 형성되고 그 밑으로 차례대로 세균, 세균 포식 생물층, 포식 생물층으로 형성되게 됩니다. 이를 수서 군집이라고 합니다.

살수여상이 적용된 하수처리장. 오수농장의 단점인 넓은 부지의 필요를 극복한 방법

• 활성슬러지(activated sludge): 폐수 내 호기성 세균, 효모와 진균이 세균 점액질에 의해서 뭉쳐져서 영양물질이 가득한 큰 덩어리인 공생적 슬러지를 생성합니다. 이를 플록이라고 부르며, 이것은 미생물을 위한 유지 기반을 제공하는 역할을 합니다. 이러한 플록은 모여서 활성슬러지를 형성하고 이것을 이용하여 폐수를 정화하고 있습니다. 그리고 따로 산소를 원활하게 공급해주기 때문에 살수 여상보다 폐수 처리량이 많습니다. 마지막으로, 침전된 슬러지는 바이오가스조(산소가 없는 소화조)에서 메탄생성균을 통해서 잔류 유기물을 분해하여 에너지원으로 사용 가능한 메탄으로 만듭니다.

활성슬러지에 산소를 공급하여 살수여상보다 더 많은 폐수 처리능력을 가지고 있다.

생활 폐수를 미생물을 이용한 하수처리장을 통해서 정화하는 과정에 대하여 알아보았습니다. 이렇게 생물이 직접적으로 오염물질을 분해할 수 있지만, 에너지원을 제공함으로써 간접적으로 환경오염을 막아주는 역할을 하기도 합니다. 계속해서 바이오가스에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

 

바이오가스

혹시 도깨비불에 대해서 알고 계신가요? 도깨비 불은 3천 년 전 중국의 책에서 습지의 불로 이미 기록되어 있는 널리 알려진 현상입니다. 도깨비불이 발생하는 원인 중 하나가 메탄가스이며, 자연적으로 발화되는 것은 아직 밝혀지지 않았습니다. 도깨비 불과 관련된 메탄가스는 인간(장내 미생물에 의해서), 반추동물, 메탄 생성균 등에 의해서 만들어집니다. 이렇게 만들어지는 메탄가스를 바이오가스라고 하며, 바이오가스가 어떻게 환경에 영향을 미치고 있을까요?

우리 인간들은 전체 에너지중 일부분은 생물량(biomass로, 나무, 건조 배설물 등등)을 연소시켜 에너지를 얻고 있습니다. 생물량을 연소하여 에너지를 얻는 방법은 환경에 직접적인 영향을 주고 있는데(예를 들어, 나무의 연소로 인하여 나무 개체수 감소로 인한 환경파괴) 바이오가스는 생물량의 연소를 대체하거나 줄여줄 수 있습니다. 생물량의 연소에 의한 에너지 공급이 줄어드는 것은 산림파괴를 줄여주는 역할을 하게 되고 결론적으로 환경파괴를 막아주는 역할을 합니다. 그리고 실제로 농업 지역에서는 바이오가스 시설을 만들고 있으며, 이를 이용하여 에너지를 얻고 있습니다.

바이오가스는 대체 에너지로 사용되면서 간접적으로 환경파괴를 막아주는 역할을 하고 있습니다. 그리고 현재 환경파괴를 막기 위해 많은 사람들이 연구를 하고 있습니다. 플라스틱 대체로 바이오 플라스틱(세균을 이용하여 만든 플라스틱)을 개발하여 플라스틱으로 인해 오염된 환경을 더 이상 오염시키지 않으려고 한다던지, 석유를 에너지원으로 사용하는 세균을 만들어 내어 기름유출로 인해 오염된 환경을 복구시키려고 노력했다던지 등등이 있습니다. 비록 사용하지는 못했지만 석유를 에너지원으로 사용하는 세균에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

석유를 에너지원으로 사용하는 세균

시카고의 일리노이대학의 석좌교수인 Ananda Chakrabarty은 생명공학을 이용하여 석유를 에너지원으로 사용하는 세균을 만들어 내었습니다. 기름유출로 인한 석유오염을 신속하게 정화하기 위해 형질전환 세균을 만들어 내었는데 유전자 변형이 일어난 생물이 환경에 어떤 영향을 끼칠지 몰라서 사용할 수 없었습니다. 아래의 그림은 석유를 에너지원으로 사용하는 세균을 만드는 방법입니다.

 

나프탈렌, 자일렌, 장뇌, 옥탄을 분해하는 세균을 만드는 과정

 

플라스미드 재조합과 혼성화를 통해 새로운 세균을 만들어 냈습니다. 비록 유전자변형 생물이 환경에 어떤 영향을 끼칠지 몰라서 사용을 할 수 없었지만 기름유출로 인해 환경오염이 일어난 곳에 사용을 하였다면 좋은 결과를 가져와 줬을지도 모릅니다. 하지만 원래 환경에 있던 생물이 아니라 전혀 새로운 생물을 만들어내는 것이므로, 생태계에 어떤 영향을 끼칠지는 아무도 모르기 때문에 유전자 재조합으로 만든 생물을 만들더라도 함부로 사용해서는 안됩니다.

 

 

마무리

이번에는 생명공학이 발전함에 따라서 환경에 어떠한 영향들을 끼치는지 알아보았습니다. 생명공학이 적용된 하수처리시설의 발전으로 폐수 처리효율이 증가하고 있었고 대체에너지로 바이오가스를 사용하여 산림의 파괴를 줄이고 있었습니다. 그리고 세균의 대사과정을 이용하여 플라스틱 대체재로 바이오 플라스틱을 개발하거나 비록 사용하지는 못했지만, 기름유출로 인해 오염된 환경에 석유를 에너지원으로 사용하는 세균을 개발하는 등 계속해서 환경복구에 힘쓰고 있는 중입니다. 하지만 유전자 재조합으로 만든 생물은 생태계에 혼란을 야기시킬 수 있기 때문에 신중하게 생각해야 할 부분입니다. 이번에는 여기서 마무리를 짓겠습니다. 다음에 더 재미있는 내용으로 찾아오겠습니다. 이상입니다.