네이처의 기술동향(Technology Feature)에 소개된 이정학 교수팀이 개발한 신기술 개요도

[충청포스트] 육심무 기자 = 한국환경산업기술원(원장 김용주)은 국가환경기술개발사업의 일환으로 연구를 진행한 서울대 이정학 교수팀이 세계 최초로 폐수처리 공정에 분자생물학을 접목해 고질적인 분리막오염(membrane fouling) 문제를 획기적으로 예방하는 기술을 개발했다고 밝혔다.
  
폐수 처리공정인 ‘분리막 생물-반응기(MBR:Membrane Bio Reactor)’는 폐수의 고도처리와 처리수를 재이용하는 장점이 있어 세계적으로 널리 쓰이고 있다.
    
세계적인 물부족 문제와 맞물려 MBR 공정은 연평균 20%씩 성장을 거듭하여 2018년 세계시장 규모는 3조 4,000억원(34억달러) 규모에 이를 것으로 예상된다.

MBR 공정은 폐수 중의 미생물이 분리막 표면에 미생물층 (생물막)을 형성하여 분리막의 세공이 막히는 고질적인 약점이 있다.

현재는 오염된 분리막을 물리적으로 세척하거나 염소(chlorine) 같은 화학약품을 이용해 오염을 제거하며 여기에 소요되는 에너지 비용이 MBR 운전비용의 약 60%를 차지할 정도다.

이정학 교수팀은 세계 최초로 폐수처리공학에 분자생물학을 접목하여 하폐수 처리용 MBR에서 분리막의 오염을 예방할 수 있는 획기적 기술을 개발했다.

연구진은 MBR 폐수 속 미생물이 서로 신호물질을 교환함으로써 여과분리막 표면에 군집(미생물층)을 형성하는 것이 분리막 오염의 주된 원인임을 확인했다.

미생물의 신호교환을 차단하기 위해 정족수 감지 억제(Quorum Quenching) 방법을 적용해 분리막의 오염 문제를 원천적으로 해결할 수 있었다.

폐수 속 미생물의 신호교환물질을 차단할 수 있는 미생물 발굴은 배재대 이정기 교수팀(바이오·의생명공학과)과 협력 연구를 통해 이루어졌다.

이정학 교수팀은 현재 가동 중인 하수처리장에서 실증 시험한 결과 기존의 MBR 공정에 비하여 에너지 비용을 절반 수준으로 줄일 수 있었다.

이정학 교수팀은 환경부와 미래창조과학부의 지원으로 10년 넘게 꾸준히 연구를 이어오면서 세계적으로 이 분야 연구를 이끄는 리더 그룹으로 주목 받고 있는데, 이번 연구 성과가 세계 시장에 미칠 영향을 고려해 우리나라뿐만 아니라 미국, 일본, 유럽, 중국 등에 각각 특허를 출원했다.

한국환경산업기술원 이종현 미래환경사업실장은 “이 기술은 국내에서 개발한 세계 최초의 원천기술로서 폐수처리분야의 세계시장을 선도하고, 또한 산학연 환경인들의 창의적인 연구개발에 자신감을 불어 넣어 줄 수 있는 훌륭한 모범사례가 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 세계적 학술지 네이처(Nature) 7월 24일자 기술동향(Technology Feature) 란에 소개되었으며 발췌한 번역문은 다음과 같다.

<과학자들이나 기업에서도 미생물 사이의 신호를 차단시켜 미생물의 단체행동을 억제하는 방법의 산업적 이용 가능성을 시험하고 있다.

한 가지 예를 들면,폐수처리용 분리막 결합-생물반응기(MBR; Membrane bioreactor)는 폐수 속의 오염물질을 제거하는 데에 쓰여 지고 있다.

분리막(Membrane)을 통해 정화된 물을 받아내지만 이때 분리막 표면에 미생물층이 형성되어 분리막의 세공이 막히게 된다.

미생물층을 제거하기 위하여 현재 세계적으로 역세척 같은 물리적 방법과 분리막을 반응기에서 꺼내 염소(chlorine)와 같은 강한 화학약품으로 처리하는 화학적 방법을 병행하고 있다.

하지만 이러한  세척과정은 약품비 뿐만이 아니라 에너지를 과다하게 소비하여 MBR 운전비의  50 % 이상을 차지한다고 서울대학교 이정학 교수는 말하고 있다.

이정학 교수 연구팀은 새로운 해법을 찾아냈다. MBR 속에 존재하는 미생물들은 신호전달물질을 사용하여 서로 간에 대화를 하고 이 대화를 통해 분리막 표면에 미생물층 (생물막) 형성과 같은 집단행동을 한다.

그의 해법은 신호전달물질을 분해하여 미생물간의 대화를 차단함으로써 분리막 표면에 미생물층의 형성을 예방하는 것이다.

특이한 점은 동일한 MBR 내에 어떤 특이한 미생물에 의해 생산된  효소가 다른 미생물들의 신호전달물질을 분해 소화한다는 데 착안한 데 있다.

이정학 교수 연구팀은 폐수처리용 MBR에서 이 효소를 생산하는 미생물을 추출하고 다공성 표면의 캡슐(Beads) 속에 가두어 놓은 다음에 MBR에 투입하였다.

캡슐속의 미생물이 MBR에 공존하고 있는 다른 미생물 사이의 신호전달물질을  분해 소화하였고 결국 신호에 의한 집단행동을 억제하여 분리막 표면에 미생물층이 형성되는 것을 예방하였다.[그림 참조〕

이정학 교수는 실험실과 실증용 (파일롯트) 폐수처리 시설을 가동하면서 캡슐의 투입에 의하여 기존 MBR에 비하여 에너지 비용을 절반 가까이 절약 할 수 있음을 밝혔다.>,