생물적 환경정화

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1. 개요

생물적 환경정화는 미생물, 식물, 균류 등을 활용하여 오염된 환경을 정화하는 기술이다. 효소나 단백질을 이용하여 폐기물이나 중금속 오염물질을 무해하게 만들거나, 미생물의 호기성 또는 혐기성 물질대사를 통해 유기 화합물을 분해한다. 바이오자극과 바이오증강 기술을 통해 토착 미생물의 활동을 촉진하거나, 특정 미생물을 오염 지역에 적용하기도 한다. 생물 더미, 바람열, 육상 경작과 같은 다양한 기술이 현장 및 시설에서 사용되며, 유전자 조작을 통해 생물 정화 능력을 향상시키려는 연구도 진행 중이다. 그러나 중금속과 같은 일부 오염 물질은 생분해되지 않으며, 생물 정화 과정은 시간과 비용이 많이 들고, 특정 미생물의 확보가 어려울 수 있다는 한계가 있다.

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생물적 환경정화
개요
정의	생물적 환경정화(生物的環境淨化) 또는 바이오레미디에이션(bioremediation)은 오염된 환경 매체(물, 흙, 퇴적물)를 정화하기 위해 생물학적 제제를 사용하는 과정이다.
과정	오염 물질을 덜 유해하거나 무해한 물질로 분해하거나 제거하는 생물학적 과정에 의존한다.
활용 생물	미생물, 균류, 녹조류, 식물 및 효소를 사용할 수 있다.
유형
미생물 생물정화	오염 물질을 분해하는 데 미생물을 활용하는 것.
균류 생물정화	오염 물질을 분해하는 데 균류를 활용하는 것.
식물 생물정화	오염 물질을 분해하는 데 식물을 활용하는 것.
적용 분야
토양	석유 탄화수소 살충제 제초제 중금속
물	염소 처리된 용매 질산염 인산염
지하수	염소 처리된 용매 석유 탄화수소
장점
비용 효율성	다른 정화 기술에 비해 저렴할 수 있다.
친환경성	유해 화학 물질 사용을 줄인다.
지속 가능성	환경 친화적인 해결책을 제공한다.
단점
시간 소요	다른 정화 기술보다 시간이 더 걸릴 수 있다.
제한된 적용 가능성	모든 유형의 오염 물질에 효과적이지는 않다.
예측 불가능성	환경 조건에 따라 결과가 달라질 수 있다.
기술
생물 자극 (Biostimulation)	기존 미생물의 활동을 자극하기 위해 영양분과 같은 물질을 추가한다.
생물 보강 (Bioaugmentation)	특정 오염 물질을 분해하는 능력이 있는 미생물을 추가한다.
자연적 약화 (Natural Attenuation)	자연적인 생물학적 과정에 의해 오염 물질이 감소하도록 둔다.
연구 동향
유전 공학	오염 물질 분해 능력이 향상된 미생물 개발.
나노 기술	생물 정화 효율성을 향상시키기 위한 나노 물질 활용.
통합적 접근 방식	생물 정화와 다른 정화 기술을 결합하여 시너지 효과를 창출한다.

2. 정화 기작

효소는 폐기물이 문제를 일으키기 전에 유기물을 분해하는 데 사용될 수 있다. 또한 단백질은 수은과 카드뮴 같은 중금속 오염물질을 중화시킬 수 있다. 이러한 위험한 성분은 먹이 사슬을 통해 생물체에 해를 끼치는 원인으로 환경에 축적될 수 있으며, 중금속은 금속이기 때문에 효소에 의해 분해되지 않는다. 생명공학 기술을 이용해서 중금속을 붙잡는 메탈로티오닌의 접착성 외막을 갖는 미생물을 만들 수 있다. 이 경우 폐기물은 분해되지는 않지만, 독성이 강한 금속이 세균에 결합하면 식물과 동물에 의해 흡수되지 않아 위험이 적어진다.

미생물은 산소를 필요로 하는 호기성 물질대사나 산소를 필요로 하지 않는 혐기성 물질대사를 통해 많은 화학약품들을 무해한 화합물로 전환할 수 있다. 이 두 과정은 모두 산화와 환원 반응을 포함하며, 이는 생분해 과정의 일부이다. 산화환원반응은 세포 내 기능을 위해서도 중요하다. 호기성 및 혐기성 생분해 과정에서, 산소를 쉽게 접할 수 있는 지표수와 표토 같은 환경에서 호기성 세균은 화합물의 산화를 통해 오염물질을 분해한다. 호기성 생분해 반응에서 산소는 석유 제품과 같은 (탄소 원자로 이루어진) 유기 분자를 포함하는 다양한 화학약품을 산화한다. 미생물들은 이산화탄소와 메탄가스처럼 보다 단순하고 무해한 분자를 만들기 위해 산화된 유기화합물을 더 분해할 수 있다. 세균들은 이 과정에서 에너지를 만들어 더 많은 세포를 만드는 데 사용하므로 생물량을 늘린다. 어떤 호기성 세균들은 금속과 암모니아 같은 (탄소를 포함하지 않는) 무기화합물을 산화하기도 한다. 많은 미생물은 환경에서 산소의 양이 감소할 때 혐기성 물질대사로 전환하여 생물적 환경정화를 계속할 수 있다. 혐기성 세균은 산소 대신 철, 황산 및 질산과 같은 다른 분자를 전자수용체로 사용한다. 이렇게 오염물질을 분해하면서 생성된 에너지는 세균의 세포 성장(생체량)을 촉진하는 데 사용된다.

2. 1. 미생물 정화

미생물은 산소를 필요로 하는 호기성 물질대사와 산소를 필요로 하지 않는 혐기성 물질대사를 통해 많은 화학약품들을 무해한 화합물로 전환할 수 있다. 이 두 가지 과정은 모두 산화와 환원 반응을 포함하며, 이는 생분해 과정의 핵심이다.

생물적 환경정화의 대표적인 예로는 미생물을 이용하여 유기 염소 화합물과 같은 특정 토양 오염 물질을 처리하는 것이 있다. 또한, 중유 등으로 오염된 토지나 해안에서 질소나 황 비료를 사용하여 박테리아에 의한 중유 분해를 촉진하는 방식으로 유류 유출 정화를 시도하기도 한다.

현재 가장 잘 알려진 실용화 사례는 하수 처리장에서 사용되는 활성 오니법이다. 일본의 공공 하수 처리 시설 대부분이 이 기술을 사용하여 배수를 처리하고 있다.

자연계에서 일어나는 바이오레미디에이션과 파이토레미디에이션은 수 세기 동안 활용되어 왔다. 예를 들어, 파이토레미디에이션을 이용한 농지 염분 제거는 오래전부터 사용된 방법이다. 미생물을 이용한 바이오레미디에이션 기술은 조지 M. 로빈슨에 의해 처음으로 체계적으로 소개되었다. 그는 1960년대에 다양한 미생물 혼합물을 사용하여 오염 물질 정화 실험을 진행했다.

오늘날 바이오레미디에이션은 주로 토양 및 지하수 오염 정화 기술로 활용된다. 이러한 방식은 크게 "바이오자극"과 "바이오증강"으로 나뉜다.

바이오자극: 오염된 지역에 서식하는 토착 미생물에게 산소나 영양분을 공급하여 미생물의 활동을 활성화시키고 정화 작용을 촉진하는 방법이다.
바이오증강: 오염 물질 분해에 효과적인 것으로 확인된 특정 미생물(바이오 제제)을 오염 지역에 투입하는 방법이다. 바이오자극보다 정화 기간이 짧고 정밀도가 높다는 장점이 있어, 현재 한국을 포함한 여러 국가에서 사용되고 있다. 다만, 생태계에 미치는 영향에 대한 우려도 있어, 자연계에 서식하는 미생물을 배양하는 것이 중요하다고 여겨진다.

바이오레미디에이션 기술은 처리 방식에 따라 ''현장형''과 ''시설형''으로 분류할 수 있다. 현장형 바이오레미디에이션은 오염된 현장에서 직접 오염 물질을 처리하는 방식(원위치 정화)이며, 시설형은 오염 물질을 다른 장소로 옮겨 처리하는 방식이다. 바이오레미디에이션 기술에는 바이오벤팅, 랜드파밍, 바이오 리액터, 퇴비화, 바이오증강, 파이토레미디에이션, 바이오자극 등이 있다.

균류를 이용하는 바이오레미디에이션 기법은 Mycoremediation|마이코레미디에이션^영어이라고 한다.

2. 1. 1. 호기성 분해

미생물은 산소를 필요로 하는 반응인 호기성 물질대사나 산소를 필요로 하지 않는 혐기성 물질대사를 통해 많은 화학약품들을 무해한 화합물로 전환할 수 있다. 호기성 및 혐기적 생분해 과정에서 산소를 쉽게 접할 수 있는 지표수와 표토 같은 환경에서 호기성 세균은 화합물의 산화를 통해 오염물질을 분해한다. 호기성 생분해 반응에서 산소는 석유제품과 같은(탄소 원자로 이루어진) 유기 분자를 포함하는 다양한 화학약품을 산화한다. 이처럼 미생물들은 이산화탄소와 메탄가스처럼 보다 단순하고 무해한 분자를 만들기 위해 산화된 유기화합물을 더 분해할 수 있다. 세균들은 이 과정에서 에너지를 만들어 더 많은 세포를 만드는데 사용하므로 생물량을 늘린다. 어떤 호기성 세균들은 또한 금속과 암모니아 같은(탄소를 포함하지 않는) 무기화합물을 산화한다.

2. 1. 2. 혐기성 분해

미생물은 산소를 필요로 하는 호기성 물질대사나 산소를 필요로 하지 않는 혐기성 물질대사를 통해 많은 화학약품을 무해한 화합물로 전환할 수 있다. 혐기성 세균은 산소 대신 철, 황산, 질산과 같은 다른 분자를 전자수용체로 사용한다. 이렇게 오염물질을 분해하며 생성된 에너지는 세균의 세포 성장(생체량)을 촉진하는 데 사용된다.

2. 1. 3. 중금속 정화

효소는 수은과 카드뮴 같은 중금속 오염물질을 중화시킬 수 있다. 중금속은 먹이 사슬을 통해 생물체에 해를 끼치고 환경에 축적될 수 있으며, 효소로 분해되지 않는다. 그러나 생명공학 기술을 이용하여 중금속을 붙잡는 메탈로티오닌의 접착성 외막을 갖는 미생물을 만들 수 있다. 독성이 강한 금속이 세균에 결합하면 식물과 동물에 의해 흡수되지 않아 위험이 적어진다.

육가 크롬(Cr[VI])과 우라늄(U[VI])은 이동성이 낮거나 독성이 적은 형태(예: Cr[III], U[IV])로 환원될 수 있다. 황산을 황화물로 환원(황화물 생성)하여 아연, 카드뮴 같은 특정 금속을 고정시킬 수 있다.^[32]

크롬(Cr)과 우라늄(U)의 이동성은 산화 상태에 따라 달라진다.^[33] 미생물을 사용하여 육가 크롬(Cr(VI))을 삼가 크롬(Cr(III))으로 환원시켜 크롬의 독성과 이동성을 낮출 수 있다.^[34] 이동성이 더 높은 U(VI) 종을 환원하면 이동성이 낮은 U(IV) 유도체가 생성된다.^[35]^[36] 미생물은 금속의 환원 속도를 높인다.^[37] 금속이 세포벽에 흡착되는 것을 강화하여 물에서 금속을 제거하는 연구도 진행 중이다.^[37] 이 방법은 카드뮴,^[38] 크롬,^[39] 납^[40] 처리에 평가되었고, 유전자 변형 박테리아는 비소 격리에 연구되었다.^[41] 식물 추출 과정은 오염 물질을 바이오매스에 농축하여 제거한다.

금속 추출은 현장 내 또는 현장 밖에서 수행할 수 있으며, 현장 내 추출이 선호된다.^[42]

카드뮴, 납 같은 중금속은 미생물에 의해 쉽게 흡수되거나 포획되지 않는다. 수은 같은 금속의 먹이 사슬 혼입은 사태를 악화시킨다. 파이토레미디에이션은 식물이 독물을 지상부에 생물 농축하여 수확으로 제거할 수 있어 유용하다. 수확된 식물체 내 중금속은 연소하여 재 형태로 농축할 수 있다.

2. 2. 식물 정화 (Phytoremediation)

파이토레미디에이션은 많은 식물이 독물을 지상부에 생물 농축하여 수확을 통해 제거할 수 있어 유용한 상황이 있다. 수확된 식물체 내의 중금속은 연소를 통해 재 형태로 더욱 농축될 수 있다. 자연계에서 작용하는 바이오레미디에이션과 파이토레미디에이션은 수 세기 동안 이용되어 왔으며, 파이토레미디에이션을 이용한 농지의 염분 제거 등은 오래전부터 행해져 온 방법이다.^[1] 파이토레미디에이션은 바이오레미디에이션 기술의 한 예이다.^[2]

3. 적용 기술

생물적 환경정화는 경제적이고 효율적이며, 중장비가 필요한 지역에서도 사용 가능하다. 예를 들어 원유 등 탄화수소 화합물 누출이나 염소 포함 화합물에 의한 지하수 오염 시, 적절한 정화 생물을 이용하면 장기간에 걸쳐 오염도를 크게 줄일 수 있다. 이 방법은 땅을 파는 것보다 저렴하고, 오염된 지하수를 퍼내 정화할 필요도 없다.

유기 염소 화합물 같은 특정 토양 오염 물질을 미생물로 처리하는 것이 대표적인 예다. 중유 오염 토지나 해안에 질소, 황 비료를 뿌려 박테리아에 의한 중유 분해를 촉진하여 유류 유출을 정화하기도 한다.

하수 처리장의 활성 오니법은 가장 잘 알려진 실용화 사례이며, 일본 공공 하수 처리 시설 대부분이 이 기술을 사용한다.

파이토레미디에이션을 이용한 농지 염분 제거처럼, 자연계의 바이오레미디에이션과 파이토레미디에이션은 수 세기 동안 이용되었다. 조지 M. 로빈슨은 미생물 이용 바이오레미디에이션 기술을 처음으로 포괄적으로 소개한 인물로, 1960년대에 관련 실험을 진행했다.

현재 바이오레미디에이션은 토양, 지하수 오염 대책 기술로 주로 다뤄지며, "바이오자극"과 "바이오증강"으로 나뉜다.

바이오자극: 오염 장소 토착 미생물에 산소나 영양원을 제공하여 정화 작용을 촉진한다.
바이오증강: 오염 물질 분해에 효과적인 미생물(바이오 제제)을 오염 장소에 투입한다. 정화 기간이 짧고 정밀도가 높지만, 생태계 영향이 우려되어 자연계 서식 미생물 배양이 중요하게 여겨진다.

바이오레미디에이션 기술 공법은 ''현장형''과 ''시설형''으로 분류된다.

현장형 (원위치 정화): 오염된 물질을 해당 장소에서 처리한다.
시설형: 오염된 물질을 다른 장소로 옮겨 처리한다.

바이오벤팅, 랜드파밍, 바이오 리액터, 퇴비화, 바이오증강, 파이토레미디에이션, 바이오자극 등이 바이오레미디에이션 기술의 예시이다.

카드뮴, 납 같은 중금속은 미생물로 처리하기 어렵다. 수은 같은 금속은 먹이 사슬에 섞여 생물 농축을 일으켜 문제를 악화시킨다. 이 경우 파이토레미디에이션으로 식물이 중금속을 흡수하게 한 후 수확하여 제거하고, 수확한 식물체를 태워 재 형태로 농축할 수 있다.

균류를 이용하는 바이오레미디에이션 기법은 Mycoremediation^영어이라고 한다.

3. 1. 현장 정화 (In situ) 기술

대부분의 생물학적 정화 과정은 산화-환원 반응을 포함한다. 환원된 오염 물질(예: 탄화수소)의 산화를 자극하기 위해 전자 수용체(일반적으로 산소)를 첨가하거나, 산화된 오염 물질(질산염, 과염소산염, 산화 금속, 염소화 용제, 폭발물 및 추진제)을 환원하기 위해 전자 공여체(일반적으로 유기 기질)를 첨가한다.^[11] 두 가지 접근 방식 모두에서 미생물에 대한 조건을 최적화하기 위해 추가적인 영양소, 비타민, 미네랄 및 pH 완충제를 첨가할 수 있다. 어떤 경우에는 생분해를 더욱 향상시키기 위해 특수 미생물 배양물을 첨가하기도 한다(생물 증강).

지하수면 아래에서 산소를 첨가하는 방법에는 처리 구역을 통해 폭기된 물 재순환, 순수 산소 또는 과산화 수소 첨가, 그리고 공기 주입이 있다.^[12] 재순환 시스템은 일반적으로 주입정 또는 갤러리 조합과 추출된 지하수를 처리하고, 산소를 공급하고, 영양소를 첨가하여 재주입하는 하나 이상의 회수정으로 구성된다.^[29] 그러나 이 방법으로 제공될 수 있는 산소의 양은 물에 대한 산소의 낮은 용해도(일반적인 온도에서 공기와 평형을 이루는 물의 경우 8 ~ 10 mg/L)에 의해 제한된다. 물을 순수 산소와 접촉시키거나 과산화 수소(H₂O₂)를 물에 첨가함으로써 더 많은 양의 산소를 제공할 수 있다. 어떤 경우에는 고체 칼슘 또는 마그네슘 과산화물의 슬러리를 토양 시추를 통해 압력 하에 주입한다. 이 고체 과산화물은 물과 반응하여 H₂O₂를 방출하고, 이어서 분해되어 산소를 방출한다. 공기 주입은 지하수면 아래에서 압력 하에 공기를 주입하는 것을 포함하며, 공기 주입 압력은 물의 정수압과 토양을 통한 공기 흐름에 대한 저항을 극복할 수 있을 만큼 커야 한다.^[12]^[29]

박테리아는 원칙적으로 탄화수소를 분해하는 데 사용될 수 있다.^[15]^[16] 특히 해양 유류 유출 사고와 관련하여 질소와 인은 생분해에 있어 핵심 영양소이다.^[17] 탄화수소의 생물 정화는 낮은 속도로 인해 어려움을 겪는다. 생물 정화는 미생물 컨소시엄의 작용을 포함할 수 있으며, 컨소시엄 내에서 한 종의 생성물은 다른 종의 기질이 될 수 있다.^[18]

유니세프(UNICEF), 전력 생산자, 대량의 물 공급업체 및 지방 정부는 산소 호흡성 박테리아 정제와 같이 물에 간단히 투입하는 저비용 생물 정화 기술을 초기에 도입했다.^[23]

3. 1. 1. 자연 정화 (Monitored Natural Attenuation)

생물적 환경정화는 많은 경제적/효율적 장점이 있으며, 중장비를 동원해야만 작업할 수 있는 지역에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 원유 등의 탄화수소화합물이 누출되거나 염소를 포함한 화합물이 지하수를 오염시켰을 때, 적절한 오염 정화 생물을 이용하면 오염도를 장기간에 걸쳐 크게 줄일 수 있다. 이 방법은 일반적으로 땅을 파헤치는 등의 방법에 비해 훨씬 저렴하며, 오염된 지하수를 펌프로 퍼내서 정화시킬 필요성도 없다.

생물적 환경정화 과정에서 생물분해는 영양분이나 세균의 첨가와 함께 자연적으로 발생한다. 존재하는 고유 미생물은 대사 활동을 결정하고 자연적인 완화 작용을 한다.^[21] 생물적 환경정화에는 인위적인 개입이 없지만, 오염된 지역은 여전히 모니터링해야 한다.^[21]

3. 1. 2. 생물 통풍 (Bioventing)

바이오벤팅(Bioventing)은 토양의 불포화대(unsaturated zone)에 산소나 공기의 흐름을 증가시켜 탄화수소 오염 물질의 자연적인 분해 속도를 높이는 생물학적 정화 기술이다.^[9] 이는 호기성 생분해 방법으로, 산소를 전자 수용체로 제공하여 석유, 다환 방향족 탄화수소(PAHs), 페놀 등 환원된 오염 물질의 산화를 촉진한다. 산소는 에너지 효율이 높고 일부 효소가 분해 과정을 시작하는 데 필요하기 때문에 선호되는 전자 수용체이다.^[10] 미생물은 휘발유, 등유, 디젤, 제트 연료 등 다양한 탄화수소를 분해할 수 있다. 이상적인 조건에서 저분자량에서 중간 분자량의 지방족, 지환식, 방향족 화합물은 생분해 속도가 매우 빠르다. 그러나 화합물의 분자량이 증가하면 생분해 저항도 커진다.^[10]

3. 1. 3. 생물 자극 (Biostimulation)

생물학적 촉진(Biostimulation)은 오염된 장소의 토착 미생물에 산소나 영양원을 제공하여 미생물의 작용을 활성화시키고 정화 작용을 촉진하는 방법이다.

생물 정화는 자연적으로 존재하는 박테리아에 의해 수행될 수 있다.^[5]^[14] 혐기성 생물 정화는 염소화된 에틸렌류 (PCE, TCE, DCE, VC), 염소화된 에탄류 (TCA, DCA), 클로로메탄 (CT, CF), 염소화된 고리형 탄화수소, 다양한 폭발물(예: 과염소산염,^[19] RDX, TNT) 및 질산염을 포함한 다양한 산화 오염 물질을 처리하는 데 원칙적으로 사용될 수 있다.^[5]

이 과정에는 다음 단계들이 포함된다.

1. 산소, 질산염, 산화된 철, 망간, 황산염을 포함한 배경 전자 수용체를 고갈시킨다.

2. 산화된 오염 물질의 생물학적 및/또는 화학적 환원을 자극하기 위해 전자 공여체를 첨가한다.

기질 선택 및 주입 방법은 오염 물질 유형과 대수층 내 분포, 수리지질학 및 정화 목표에 따라 달라진다. 기질은 기존의 우물 설치, 직접 주입 기술 또는 투과성 반응 장벽(PRB) 또는 생물벽과 같은 굴착 및 되메우기를 사용하여 추가할 수 있다.^[20] 식용유 또는 고체 기질로 구성된 서방형 제품은 장기간의 처리 기간 동안 제자리에 유지되는 경향이 있다. 가용성 기질 또는 서방형 기질의 가용성 발효 생성물은 대류 및 확산을 통해 이동하여 더 넓지만 수명이 짧은 처리 구역을 제공할 수 있다. 첨가된 유기 기질은 먼저 수소(H₂)와 휘발성 지방산(VFA)으로 발효된다. 아세테이트, 락테이트, 프로피오네이트 및 부티레이트를 포함한 VFA는 박테리아 대사를 위한 탄소와 에너지를 제공한다.^[5]^[11]

3. 1. 4. 생물 분사 (Biosparging)

생물 스파징(Biosparging)은 산소와 영양분을 주입하여 지하수를 정화하는 과정이다. 산소를 주입하면 토착 박테리아의 분해 속도가 증가하도록 자극된다.^[54] 생물 스파징은 오염된 포화 지역, 특히 지하수 정화에 초점을 맞춘다.^[22]

3. 2. 외부 정화 (Ex situ) 기술

''Ex situ'' 기법은 오염된 물질을 굴착하여 다른 장소로 운반해야 하므로 ''in situ'' 기법에 비해 비용이 더 많이 드는 경향이 있다. ''in situ'' 기법은 오염 현장에서 직접 처리하므로 설치 비용만 발생하지만, 오염 물질의 규모와 확산 범위를 파악하기 어렵다는 단점이 있다. 어떤 생물 정화 방법을 사용할지는 오염 물질의 종류, 깊이, 확산 범위 등 여러 요소를 고려하여 결정한다.^[31]

자연계에서 작용하는 바이오레미디에이션과 파이토레미디에이션은 수 세기 동안 이용되어 왔다. 예를 들어, 파이토레미디에이션을 이용해 농지의 염분을 제거하는 방법은 오래전부터 사용되었다. 미생물을 이용한 바이오레미디에이션 기술은 조지 M. 로빈슨에 의해 처음으로 포괄적으로 소개되었다. 그는 캘리포니아 주 산타마리아에서 석유 엔지니어 조수로 일하면서 1960년대에 미생물 혼합물을 이용한 오염 정화 실험을 진행했다.

현재 바이오레미디에이션은 토양 및 지하수 오염의 대책 기술로 널리 사용되고 있다. 오염된 장소의 토착 미생물에 산소나 영양원을 제공하여 미생물의 작용을 활성화시키는 "바이오자극"과, 오염 물질 분해 능력이 뛰어난 미생물을 오염 장소에 투입하는 "바이오증강" 방법이 있다. 바이오증강은 바이오자극에 비해 정화 기간이 짧고 정밀도가 높지만, 생태계에 미치는 영향이 우려될 수 있어 자연계에 서식하는 미생물 배양이 중요하게 여겨진다.

하지만 모든 오염 물질이 바이오레미디에이션으로 쉽게 처리되는 것은 아니다. 카드뮴, 납과 같은 중금속은 미생물에 의해 쉽게 흡수되거나 포획되지 않으며, 수은과 같은 금속은 먹이 사슬을 통해 생물 농축되어 문제를 악화시킬 수 있다. 이러한 경우, 파이토레미디에이션을 통해 식물이 중금속을 흡수하도록 한 후 수확하여 제거하는 방법이 유용할 수 있다. 수확된 식물체 내의 중금속은 연소를 통해 재 형태로 농축될 수 있다.

균류를 이용하는 바이오레미디에이션 기법은 Mycoremediation^영어이라고 한다.

3. 2. 1. 생물 더미 (Biopiles)

생물 더미는 생물 통풍과 유사하게, 오염된 토양에 호기성 탄화수소를 도입하여 석유 오염 물질을 제거하는 데 사용된다. 그러나 토양을 굴착하여 통기 시스템과 함께 쌓아 올린다. 이 통기 시스템은 양압 하에서 산소를 도입하거나 음압 하에서 산소를 제거하여 미생물 활동을 향상시킨다.^[24]

3. 2. 2. 바람열 (Windrows)

바람열 시스템은 토양을 주기적으로 뒤집어 통기를 향상시키는 퇴비 기술과 유사하다.^[26] 이 주기적인 뒤집기는 토양에 존재하는 오염 물질이 균일하게 분포되도록 하여 생물학적 환경정화 과정을 가속화한다.^[27]

3. 2. 3. 육상 경작 (Landfarming)

육상 경작(Landfarming) 또는 토지 처리는 슬러지 유출에 일반적으로 사용되는 방법이다. 이 방법은 오염된 토양을 분산시키고 순환적으로 회전시켜 토양에 공기를 공급한다.^[28] 이 과정은 지상에서 이루어지며 미생물 활동을 자극하기 위해서는 오염된 토양이 얕아야 한다. 그러나 오염이 약 1.52m보다 깊으면 토양을 지상으로 굴착해야 한다.^[29] 이는 ''ex situ'' 기술이지만, 육상 경작은 오염 현장에서 수행될 수 있으므로 ''in situ'' 기술로 간주될 수도 있다.^[30]

3. 2. 4. 생물 반응기 (Bioreactor)

생물적 환경정화는 많은 경제적/효율적 장점이 있으며, 중장비를 동원해야만 작업할 수 있는 지역에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 원유 등의 탄화수소화합물이 누출되거나 염소를 포함한 화합물이 지하수를 오염시켰을 때, 적절한 오염 정화 생물을 이용하면 오염도를 장기간에 걸쳐 크게 줄일 수 있다. 이 방법은 일반적으로 땅을 파헤치는 등의 방법에 비해 훨씬 저렴하며, 오염된 지하수를 펌프로 퍼내서 정화시킬 필요성도 없다.

생물적 환경정화의 전형적인 예는 열화된 유기 염소 화합물과 같은 특정 토양 오염 물질을 미생물에 의해 처리하는 경우이다. 보다 일반적인 접근 방식의 예로는 중유 등으로 오염된 토지나 해안 등에서 그 토지에 상재하는 또는 외래 박테리아에 의한 중유의 분해를 촉진하기 위해 질소나 황 비료를 시용하여 유류 유출의 정화를 도모하는 경우가 있다.

4. 대상 오염물질

생물적 환경정화는 원유 등의 탄화수소 화합물, 염소를 포함한 화합물, 카드뮴, 납과 같은 중금속 등 다양한 오염물질을 대상으로 한다. 하지만 모든 오염 물질이 미생물을 이용한 바이오레미디에이션으로 쉽게 처리되는 것은 아니다. 예를 들어 중금속은 미생물에 의해 쉽게 흡수되거나 포획되지 않는다. 수은과 같은 금속이 먹이 사슬에 혼입되면 상황은 더욱 악화된다.

균류를 이용하는 바이오레미디에이션 기법은 Mycoremediation|마이코레미에이션^영어이라고 한다.

4. 1. 유기 오염물질

생물적 환경정화는 원유 등의 탄화수소화합물 누출이나 염소를 포함한 화합물에 의한 지하수 오염과 같이, 유기 염소 화합물 등에 의한 토양 오염을 미생물로 처리하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 오염 정화 생물을 이용하면 오염도를 장기간에 걸쳐 크게 줄일 수 있다. 이 방법은 땅을 파는 등의 방법에 비해 저렴하고, 오염된 지하수를 펌프로 퍼내 정화할 필요도 없다.^[44]

농약은 생분해를 견디도록 설계되어 암, 발진, 실명, 마비, 정신 질환 등 장기적인 건강 문제를 일으킨다.^[45]^[46]^[47]^[2] 20세기에 흔히 사용되었던 살충제인 린데인은 장기간 노출 시 인간과 주변 생태계에 심각한 위협을 가한다. 린데인은 토양 내 유익한 박테리아의 잠재력을 감소시키고, 소형 포유류에게 중추 신경계 문제를 유발한다. 린데인은 특정 용도로 사용이 제한되었지만, 여전히 전 세계에서 생산 및 사용되고 있다.^[48]

방선균은 살충제 제거를 위한 유망한 ''현장'' 기술이다. 특정 방선균 균주를 함께 그룹화하면 살충제 분해 효율이 향상된다. 하지만, 방선균은 통제된 실험실 환경에서만 사용되었으며, 비용 효율성과 사용 확장성을 위해 추가 개발이 필요하다.^[49]

보다 일반적인 접근 방식으로는 중유 등으로 오염된 토지나 해안 등에서 질소나 황 비료를 시용하여 박테리아에 의한 중유 분해를 촉진함으로써 유류 유출 정화를 도모하는 경우가 있다.

현재 실용화된 대표적인 예시는 하수 처리장에서의 활성 오니법이며, 일본 공공 하수 처리 시설 대부분이 이 기술로 배수를 처리한다.

4. 2. 무기 오염물질

중금속은 인위적인 활동과 자연적인 요인 모두에 의해 환경으로 유입된다.^[5] 인위적 활동에는 산업 배출, 전자 폐기물, 채광 등이 포함된다. 자연적 요인에는 광물 풍화, 토양 침식, 산불 등이 있다.^[5] 카드뮴, 크롬, 납, 우라늄을 포함한 중금속은 유기 화합물과 달리 생분해되지 않는다. 그러나 생물 정화 과정을 사용하여 이러한 물질의 지하 이동성을 최소화하여 인간과 환경 노출 가능성을 낮출 수 있다.^[32] 이러한 요인에서 발생하는 중금속은 주로 유출로 인해 수중에 존재하며, 해양 동물과 식물에 의해 흡수된다.^[5]

육가 크롬(Cr[VI])과 우라늄(U[VI])은 이동성이 낮거나 독성이 적은 형태(예: Cr[III], U[IV])로 환원될 수 있다. 유사하게, 황산을 황화물로 환원(황화물 생성)하여 특정 금속(예: 아연, 카드뮴)을 고정시킬 수 있다.

크롬(Cr)과 우라늄(U)을 포함한 특정 금속의 이동성은 물질의 산화 상태에 따라 달라진다.^[33] 미생물을 사용하여 육가 크롬, Cr(VI)을 삼가 크롬, Cr(III)으로 환원시켜 크롬의 독성과 이동성을 낮출 수 있다.^[34] 이동성이 더 높은 U(VI) 종을 환원하면 이동성이 낮은 U(IV) 유도체가 생성된다.^[35]^[36] 이러한 금속의 환원 속도는 미생물 상호 작용이 없으면 종종 느리므로 이 과정에 미생물이 사용된다.^[37] 또한 금속이 세포벽에 흡착되는 것을 강화하여 물에서 금속을 제거하는 방법을 개발하기 위한 연구가 진행 중이다.^[37] 이 접근 방식은 카드뮴,^[38] 크롬,^[39] 및 납^[40] 처리에 대해 평가되었다. 유전자 변형 박테리아는 비소 격리에 사용하기 위해 연구되었다.^[41] 식물 추출 과정은 오염 물질을 바이오매스에 농축하여 이후 제거한다.

금속 추출은 원칙적으로 현장 내 또는 현장 밖에서 수행할 수 있으며, 기질을 굴착하는 비용이 적게 들기 때문에 현장 내 추출이 선호된다.^[42]

카드뮴이나 납과 같은 중금속은 미생물에 의해 쉽게 흡수되거나 포획되지 않는다. 수은과 같은 금속의 먹이 사슬 혼입은 사태를 악화시킨다. 많은 식물은 그러한 독물을 지상부에 생물 농축할 수 있으며, 이는 수확에 의해 제거될 수 있으므로, 파이토레미디에이션이 그러한 상황에서 유용하다. 수확된 식물체 내의 중금속은 연소로 재의 형태로 더욱 농축될 수 있다.

5. 한계점

생물적 환경정화는 유기 오염 물질을 분해하거나, 이동성을 변화시키는 데 사용될 수 있다. 중금속과 방사성 핵종은 생분해될 수 없지만, 이동성이 낮은 형태로 생물 변환될 수 있다.^[50]^[51]^[52] 그러나 미생물이 오염 물질을 완전히 분해하지 못해 더 독성이 강한 화합물을 생성하는 경우도 있다.^[52] 예를 들어, 환원적 탈할로젠화를 통해 TCE 분해 과정에서 생성되는 디클로로에틸렌(DCE)과 염화 비닐(VC)은 발암 물질로 의심되거나 알려져 있다.^[50] 하지만 미생물 ''Dehalococcoides''는 DCE와 VC를 에텐으로 분해할 수 있다.^[53]

생분해를 위해서는 오염 물질을 분해할 수 있는 미생물 집단이 필요하며,^[54]^[51] 이 과정은 매우 특이적이므로, 많은 환경적 요인을 고려해야 한다.^[54]^[50] 소규모 테스트 결과를 대규모 현장에 적용하기 어려울 수 있으며,^[54] 매립 및 소각과 같은 다른 대안보다 시간이 더 걸리는 경우가 많다.^[54]^[50] 생물통풍은 비용이 저렴하지만, 정화에 몇 년이 걸릴 수 있다.^[55]

생물적 환경정화를 수행할 올바른 종을 찾는 것도 주요 단점이다. 토착종을 사용해야 하고, 충분한 양의 종이 필요하며, 환경 조건을 견딜 수 있어야 한다.^[56] 농업 산업에서 살충제 사용으로 인한 토양 오염은 낮은 생체 이용률로 인해 정화가 제한될 수 있다.^[57] 오염된 토양의 pH와 온도를 변경하면 생체 이용률을 높여 유해 화합물 분해를 증가시킬 수 있다.^[57]

아크릴로니트릴은 산업 환경에서 흔히 생산되는 토양 오염 물질이지만, 니트릴 수화 효소(NHase)를 함유한 미생물은 이를 분해할 수 있다.^[58] 효과, 처리 설계 및 시간을 평가하기 위해 실험실 실습이 필요하며,^[55] 생물적 환경정화 과정은 오염 구역 크기에 따라 수개월에서 수년이 걸릴 수 있다.^[59]

생물적 환경정화는 굴착 없이 접근할 수 없는 지역에 적용할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 탄화수소 유출이나 염소계 용제가 지하수를 오염시키는 경우, 개량제 도입으로 오염 물질 농도를 감소시킬 수 있으며, 이는 "펌프 앤 트리트" 방식보다 저렴하다.

6. 유전자 공학적 접근

유전자 조작을 사용하여 생물적 환경정화를 위해 특별히 설계된 유기체를 만드는 연구는 예비 단계에 있다.^[60] 유기체에 삽입될 수 있는 유전자는 오염 물질 분해에 필요한 단백질을 암호화하는 분해 유전자와 오염 수준을 모니터링할 수 있는 단백질을 암호화하는 리포터 유전자, 이렇게 두 가지 범주로 나뉜다.^[61] ''Pseudomonas'' 속의 많은 구성원들은 다환 방향족 탄화수소인 나프탈렌 검출을 위해 ''lux'' 유전자로 변형되었다. 변형된 유기체의 방출에 대한 현장 시험이 비교적 대규모로 성공적으로 진행되었다.^[62]

수평 유전자 전달의 가능성으로 인해 유전자 변형 유기체의 환경으로의 방출과 격리에 대한 우려가 있다.^[63] 유전자 변형 유기체는 미국 환경 보호국 산하 1976년 유해물질 통제법에 따라 분류 및 관리된다.^[64] 이러한 우려를 해결하기 위한 조치로, 유기체가 특정 환경 조건에서만 생존하고 성장할 수 있도록 수정하거나, 시각적 식별을 위해 생물 발광 유전자를 삽입하여 변형된 유기체의 추적을 더 쉽게 만드는 방법이 있다.^[63]^[65]

유전자 변형 유기체는 유류 유출 사고 처리 및 특정 플라스틱(PET) 분해를 위해 만들어졌다.^[66] 생명공학을 활용하여 생물적 환경 정화에 특히 유용한 미생물을 만드는 것은 큰 가능성을 가지고 있다.^[68] 알려진 바에 따르면 가장 높은 방사선 저항성을 가진 미생물인 ''Deinococcus radiodurans''는 세균의 일종으로, 방사능이 높은 방사성 폐기물^[69]에서 톨루엔이나 수은 이온을 흡수하고 분해하도록 개량되었다.

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