하·폐수처리 공정효율 저하, 미세플라스틱도 영향 있어 

미세플라스틱의 생태영향 기작에 대한 새로운 해석

환경과학 분야 국제학술지 Journal of Harzardous Materials 게재

 지구촌이 미세플라스틱 문제로 골머리를 앓고 있는 가운데, 생물학적 하․폐수 처리공정에 있어 미세플라스틱과 질소 제거에 관여하는 질산화 미생물의 상호작용을 규명함에 따라, 하수처리시설의 미세플라스틱 정화기술 개발에 탄력이 붙을 것으로 전망된다.    

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 서울센터 정슬기 박사 연구팀과 컬럼비아대학교 Kartik Chandran 교수 연구팀이 공동으로 미세플라스틱이 질산화 공정*의 효율 및 미생물의 기능성 유전자 발현에 미치는 효과를 확인하는데 성공했다고 12일(수) 밝혔다.

 * 질산화 공정 : 암모니아 산화세균(ammonia oxidizing bacteria, AOB) 또는 암모니아 산화 고세균(ammonia-oxidizing archaea, AOA)에 의해 암모늄(NH4+)에서 아질산염(NO2−)으로 산화되며, 아질산염 산화세균(nitrite oxidizing bacteria, NOB)에 의해 아질산염에서 질산염(NO3−)로 산화되는 과정을 뜻함. 하·폐수 중 질소성분은 수생태계의 부영양화 등 다양한 수질오염을 야기하고 있는데, 미생물을 이용하여 하·폐수 중 질소의 제거를 목적으로 하는 생물학적인 고도처리 방법을 말함. 

 전 세계적으로 바다에 존재하는 미세플라스틱이 해양 생태계에 미치는 위해성 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 20㎛ 이상의 미세플라스틱과 이로 인해 발생되는 해양생물의 산화스트레스, 성장과 번식 장애는 이미 널리 알려져 있다. 일상생활, 산업공장 등에서 발생한 미세플라스틱은 하수처리장을 통해 강을 거쳐 바다로 배출되기 때문에, 미세플라스틱이 하․폐수 처리과정에서 얼마나 공정에 영향을 미치는지 파악하는 연구는 매우 중요하다. 

사진1. 회전 디스크 공초점 현미경 사진 

 KBSI 정슬기 박사 연구팀은 회전 디스크 공초점 현미경(spinning disk confocal microscope)을 활용해 미세플라스틱과 질산화 미생물의 상호작용을 관찰했다. 플라스틱의 크기에 따른 차이를 확인하기 위해 50nm와 500nm 두 가지 크기의 폴리스티렌(PS)을 생물반응조에서 배양한 질산화 미생물에 노출시켰다. 그리고, 암모늄(NH4+)에서 아질산염(NO2-)→질산염(NO3-)으로의 산화과정은 물론, 질산화를 일으키는 미생물이 갖고 있는 특정 암모니아 산화 유전자인 amoA*의 발현 정도를 관찰했다. 

 * amoA(ammonia monooxygenase subunit A) :　질산화 과정에 영향을 주는 주요 효소 중의 하나로, 암모니아를 하리드록실아민(NH2OH)으로 산화시키는 과정에 관여하는 중요한 마커 유전자로 활용되고 있음.

그림1. 미세플라스틱 노출에 의한 질산화 효율저하 관찰_50nm PS에 노출된 경우, 아질산염(NO2-)과 질산염(NO3-)의 생성이 대조군과 500nm PS 노출군에 비해 저하된 것을 알 수 있음.

 500nm PS에 노출된 미생물은 질산화 공정효율에 영향을 주지 않았으나, 더 미세한 50nm PS에 노출된 미생물은 질산화 효율에 영향을 주는 아질산염(NO2-)과 질산염(NO3-)의 생성이 500nm PS 노출군에 비해 저하되는 것으로 나타났다. 이는 하·폐수처리 공정에서 가장 어렵고 중요한 질소와 같은 영양염류 제거에도 큰 영향을 줄 수 있음을 의미한다. 

그림2_공초점 현미경을 통해 미생물과 미세플라스틱(녹색)의 상호작용 관찰_하얀색 화살표는 미생물의 내부를 의미하며, 미세플라스틱(녹색)이 미생물의 체내에 흡수되지 않고 비어있음을 알 수 있음. (a) 50nm 폴리스티렌, (b) 500nm 폴리스티렌

 다만, 미세플라스틱이 특정 암모니아 산화 유전자(amoA)의 발현을 방해하지는 않은 것으로 관찰됐다. 공초점 현미경 관찰 실험을 통해 미세플라스틱 입자 대부분이 미생물의 체내로 들어가지 않고, 주변에 별도로 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 

 미세플라스틱은 크기, 재질, 모양 등이 매우 다양하여, 몇 가지 특성만으로 수행된 실험이 모든 위해성을 대표할 수 없다. 하지만, 하․폐수 처리공정에 있어 미세플라스틱 입자의 크기에 따른 생물학적 위험을 확인할 수 있다는 점에서, 향후 하수처리시설의 미세플라스틱 제거 및 효율적인 관리방안 연구에 크게 영향을 줄 것으로 기대한다.

 이번 공동연구에서 KBSI 연구팀은 미세플라스틱과 질산화 미생물의 상호작용 관찰 실험을 담당했으며, 컬럼비아대 Kartik Chandran 교수 연구팀은 미생물 배양 및 기능성 유전자 발현 실험을 진행했다.

사진2. KBSI 정슬기 선임연구원 사진

 KBSI 정슬기 박사는 “이번 연구는 미세플라스틱이 질산화 미생물에 흡수되지 않아도 질산화 효율에 영향을 줄 수 있음을 확인한 결과로, 명확한 작용원리를 알기 위해서는 미세플라스틱의 전하와 같은 입자의 특성, 크기, 종류, 함유된 유해물질 등 다양한 조건에 따라 어떻게 영향을 주는지 살펴봐야 한다”며,“향후 미세플라스틱과 같은 미세입자들의 생태독성학적 영향과 환경에서의 거동분포 등 위해성 규명관련 후속연구를 계속해 나갈 것”이라고 밝혔다.

 이번 공동연구 성과에 대해 KBSI 신형식 원장은 “최근 세계적으로 문제가 되고 있는 미세플라스틱 오염문제 해결을 위한 연구가 활발해지고 있는 가운데, 이번 연구결과가 미세플라스틱 정화를 위한 또다른 연구방향을 제시한 성과가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 본 연구결과는 환경과학분야 최상위 학술지인 Journal of Hazardous Materials誌 온라인판 [논문명: Size dependent impacts of a model microplastic on nitrification induced by interaction with nitrifying bacteria, IF=10.588, JCR 상위 3.65%, KBSI 정슬기(공동제1저자 및 교신저자), 컬럼비아대 Kartik Chandran 교수(공동교신저자)]에 최근 게재됐다.  <끝>