KR102028285B1 - 미생물 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법, 및 상기 미생물 체외고분자물질을 이용한 미세 균열 보수 방법 - Google Patents

미생물 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법, 및 상기 미생물 체외고분자물질을 이용한 미세 균열 보수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미생물 체외고분자물질(extracellular polymeric substance, 이하 EPS)을 이용한 방해석의 제조 방법, 및 상기 미생물 체외고분자물질을 이용한 미세 균열 보수 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 미생물의 체외고분자물질(EPS)을 이용하여 간단한 방법으로 결정질의 방해석을 빠른 시간내에 침전시킬 수 있고, 친환경적 방법으로 용존 이산화탄소를 고정화할 수 있다. 또한, 미생물 배양액에서 미생물은 사용하지 않고, 체외고분자물질(EPS)만을 분리하여 사용함으로써 미생물 생장 조건 또는 반응 시간을 고려할 필요가 없이 현장 적용에 유리하다.

Description

미생물 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법, 및 상기 미생물 체외고분자물질을 이용한 미세 균열 보수 방법{Method for fixing carbon dioxide using extracellular polymeric substance from microbial growth, and method for reparing microcrack using the extracellular polymeric substance}
본 발명은 미생물 체외고분자물질(extracellular polymeric substance, 이하 EPS)을 이용한 이산화탄소 고정 방법, 및 상기 미생물 체외고분자물질을 이용한 미세 균열 보수 방법에 관한 것이다.
미생물을 이용한 탄산염 광물의 형성 기술은 중금속 및 방사성 핵종 원소 등의 오염 물질 고정, 이산화탄소의 격리, 자기치유 콘크리트 개발 등을 목적으로 연구되고 있다. 미생물의 생광물화작용(biomineralization)을 통해 형성되는 탄산칼슘(CaCO3)은 방해석(calcite), 아라고나이트(aragonite), 바테라이트(vaterite)의 형태로 나뉜다. 형태적으로 방해석은 능면체, 아라고나이트는 바늘 형태, 바테라이트는 작은 구의 모양을 가지며, 그 중 방해석이 용해도가 낮고 광물적으로 가장 안정하다.
대표적인 온실가스인 이산화탄소는 탄산염 광물로 고정화할 수 있기 때문에 현재는 이산화탄소 배출을 저감하기 위한 친환경적 공정으로 미생물을 활용한 방법이 제안되고 있으나, 탄산염 광물 합성능이 보고된 한정된 미생물의 종, 생장 환경(호기성/혐기성 환경, pH, 염도, 온도 등)의 조절 어려움, 일정 반응 시간의 소요 등의 한계점으로 실용화 단계에 미치지 못하고 있다.
최근에는 콘크리트 균열 발생시 물리화학적인 방법을 사용하지 않고, 미생물의 생광물화작용을 이용한 자기치유(self-healing) 콘크리트 개발 연구가 주목받고 있다. 이 기술을 개발하기 위해 알칼리 환경(pH 11~13)에서 내성을 가진 극한 미생물의 발굴과 미생물의 생존율을 높일 수 있는 생장 환경의 유지가 조절되어야 하지만, 아직 국내에서는 실제 현장 적용에 성공적인 사례는 없었다.
또한, 미생물의 생광물화작용으로서, 엽록소를 가진 광합성 세균인 시아노박테리아의 세포벽 EPS에 Ca2 + 이온의 흡착에 의한 광물화가 개시된 바 있으나(Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.73, Issue 14, 15 July 2009, pages 4180-4198), 상기 미생물이 생성하는 탄산칼슘은 비결정질 아라고나이트(aragonite)로서, 비결정질이므로 쉽게 용해될 수 있어 미세 균열 밀봉에는 적합하지 않았다.
또한, 콘크리트 미세균열을 위한 다양한 화학적 보강재가 개발되고 있으나, 미세한 균열을 보강하기 위한 방법으로는 주사기로 주입되는 에폭시 주입 방법이 대표적이다. 그러나, 에폭시는 점도가 높아 미세한 균열 내부로 침투되기 어려워 표면만 밀봉되는 한계가 있다.
따라서, 극한 환경의 현장 적용을 위해, 새로운 방법의 콘크리트 미세균열의 밀봉 방법이 요구되고 있다.
1. Journal of the Korea concrete Institute, Vol.22, No.4, pp.547~557, August, 2010 2. Geochimica et Cosmochimica Acta, Vol.73, Issue 14, 15 July 2009, pages 4180-4198
본 발명의 제1 목적은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 요소 분해 미생물의 체외고분자물질(EPS)을 이용하여 결정질의 방해석을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 요소 분해 미생물의 체외고분자물질(EPS)을 이용하여 이산화탄소를 고정화하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 요소 분해 미생물의 체외고분자물질(EPS)을 이용하여 미세균열의 보수 방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액에 칼슘 이온을 반응시켜 결정질 방해석을 형성하는 단계를 포함하는, 미생물의 체외고분자물질 배양액을 이용한 결정질 방해석의 제조 방법을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 단계 1)의 요소 분해 미생물을 배양하는 단계는
자연 환경 내 생물기원의 탄산염광물이 형성된 암석 또는 침전물을 채취하는 단계; 및
요소가 포함된 염기성 미생물 성장 배지(pH 8~9)에서 호기적으로 3일 이상 배양하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 요소 분해 미생물은 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli) 및 스포로살시나 파스테우리(Sprosarcina pasteurii)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 미생물 성장배지는 요소를 포함한 D-1 배지, MH 배지 또는 살린(saline) 배지일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 단계 2)의 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액은 상기 단계 1)에서 배양된 요소 분해 미생물 배양액을 원심분리한 후, 상층액을 0.2~0.45 ㎛ 크기의 필터로 필터링하여 수집하여 얻을 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 칼슘 이온은 0.01~0.5 M의 농도로 첨가할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 칼슘 이온은 칼슘 아세테이트, 칼슘 락테이트, 염화 칼슘 및 칼슘 포름산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
또한 바람직하게는, 제조된 방해석은 5~20 ㎛ 크기의 능면체 모양일 수 있다.
상기 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 오염수에 처리하고 반응시켜, 오염수 내의 용존 이산화탄소를 방해석으로 고정화시키는 단계를 포함하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 단계 3)에서 오염수에 칼슘 이온을 더 첨가할 수 있다.
상기 제3 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액과 칼슘 이온을 콘크리트 또는 암석의 미세균열 내에서 반응시켜 미세균열 내에 방해석이 충진되는 단계를 포함하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 미세균열의 보수 방법을 제공한다.
또한 바람직하게는, 상기 미세균열은 폭이 100 ㎛ ~ 2 mm인 미세균열일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 암석은 석조문화재일 수 있다.
본 발명에 따르면, 미생물의 체외고분자물질(EPS)을 이용하여 간단한 방법으로 결정질의 방해석을 빠른 시간내에 침전시킬 수 있고, 친환경적 방법으로 용존 이산화탄소를 고정화할 수 있다.
또한, 미생물 배양액에서 미생물은 사용하지 않고, 체외고분자물질(EPS)만을 분리하여 사용함으로써 미생물 생장 조건 또는 반응 시간을 고려할 필요가 없이 현장 적용에 유리하다.
다만, 본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 기술적 효과들은 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물의 체외고분자물질(EPS)과 칼슘 이온이 반응하여 침전된 탄산칼슘을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 비교예에 따른 EPS를 포함하지 않은 화학적 반응 조건의 경우, 탄산칼슘 침전 결과를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 탄산칼슘 침전물의 X-선 회절분석(XRD) 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 탄산칼슘 침전물을 주사전자현미경(SEM)으로 형태와 크기를 관찰한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 탄산칼슘 침전물을 X-선 분광분석기(EDS)를 통해 성분을 확인한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 미생물의 체외고분자물질(EPS)과 칼슘 아세테이트를 반응할 때, 칼슘 농도에 따라 생성된 탄산칼슘의 생성량을 비교한 실험결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 침전된 탄산칼슘으로 달걀껍질의 미세균열 충진 실험을 실시한 사진(a)과 균열 내 침전된 탄산칼슘을 주사전자현미경으로 관찰한 사진(b)이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 개시한 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
1. 미생물 체외고분자물질(EPS)을 이용한 결정질 방해석의 제조 방법
본 발명에 따른 결정질 방해석의 제조 방법은
1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액에 칼슘 이온을 반응시켜 결정질 방해석을 형성하는 단계를 포함한다.
먼저 단계 1)은 요소 분해 미생물을 배양하는 단계이다.
상기 단계 1)의 요소 분해 미생물을 배양하는 단계는
자연 환경 내 생물기원의 탄산염광물이 형성된 암석 또는 침전물을 채취하는 단계; 및 요소가 포함된 염기성 미생물 성장 배지(pH 8~9)에서 호기적으로 3일 이상 배양하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 상기 요소 분해 미생물의 배양은 주로 자연 환경 내 생물기원의 탄산염광물이 형성된 암석 또는 침전물을 채취하여 토착 미생물을 배양하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 요소 분해 미생물의 배양은 채취된 암석 또는 퇴적물 시료를 요소가 포함된 염기성 미생물 성장 배지(pH 8~9)에 넣어 호기적 환경에서 배양하는 단계를 포함하는 배양방법에 의해 수행된다.
상기 요소 분해 미생물은 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli) 및 스포로살시나 파스테우리(Sprosarcina pasteurii)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 미생물을 포함하나, 이에 한정되지 아니하며, 요소 분해 생장 및 호염기성(pH 8 이상) 중온균은 모두 포함될 수 있다.
상기 미생물 성장배지는 요소 분해 미생물을 농화배양하는데 이용되는 배지라면 제한되지 않고 이용될 수 있으며, 요소를 포함한 D-1 배지, MH 배지, 살린(saline) 배지 등이 이용될 수 있다. 상기와 같은 배지는 요소 분해 미생물의 성장에 필요한 효모추출물(yeast extract)과 프로테오스 펩톤(proteose-peptone) 또는 영양 배지(nutrient broth)를 포함하고 있기 때문에, 미생물의 성장에 적합하며, NaCl이 포함되어 있어 바다에서 서식하는 미생물이 성장하기에 적합하다. 또한, 상기 미생물 성장배지에는 요소 분해를 위해 요소를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 해양환경에서 채취한 홍조단괴와 탄산염침전물로부터 미생물을 요소를 포함한 D-1 배지에 넣고 실온(약 25 내지 30℃)에서 150 rpm의 교반 속도로 3일 이상 농화배양하였다.
이때, 상기 D-1 배지(1L)의 조성은 NaCl 35g, 글루코스 1g, 프로테오스 펩톤(proteose peptone) 5g, 효모추출물(yeast extract) 10g, 요소(urea) 20g 이었다.
다음으로, 단계 2)는 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계이다.
상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액은 상기 단계 1)에서 배양된 요소 분해 미생물 배양액을 원심분리 및 필터링을 수행하여 얻을 수 있다. 바람직하게는 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액은 상기 단계 1)에서 배양된 요소 분해 미생물 배양액을 원심분리한 후, 상층액을 0.2~0.45 ㎛ 크기의 필터로 필터링하여 수집하여 얻을 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 상기 요소 분해 미생물 배양액을 3000 rpm에서 10분간 원심분리한 후, 상층액을 0.45 ㎛ 시린지 필터(syringe filter)로 필터링하여 한 곳에 모았다. 이러한 방법으로 미생물이 제거된 체외고분자물질(EPS) 배양액이 제조될 수 있다.
상기 체외고분자물질(EPS) 배양액에는 미생물에 의한 요소 분해 과정을 통해 하기 반응식 1과 같이 탄산이온이 형성된다.
[반응식 1]
NH2-CO-NH2 + H2O → 2NH4 + + CO3 2-
다음으로, 단계 3)은 상기 체외고분자물질(EPS) 배양액에 칼슘 이온을 반응시켜 결정질 방해석을 형성하는 단계이다.
상기 체외고분자물질(EPS) 배양액에 칼슘 이온을 첨가하면, 하기 반응식 2와 같이 체외고분질물질(EPS) 배양액에 포함된 탄산 이온과 칼슘 이온이 반응하여 탄산칼슘이 침전된다.
[반응식 2]
Ca2 + + CO3 2- → CaCO3
상기 반응식 2에서 나타낸 바와 같이, 탄산이온과 칼슘의 혼합은 탄산칼슘이 석출되는 화학적 반응을 유도하며, 이때, 미생물 체외고분자물질(EPS)의 존재는 탄산염 광물화를 촉진시키는 역할을 한다.
이때, 형성된 탄산칼슘은 탄산칼슘 종류 중에서 가장 안정한 결정질의 방해석(calcite)이었다.
이때, 칼슘 이온으로는 칼슘 아세테이트(Ca-acetate), 칼슘 락테이트(Ca-lactate), 염화 칼슘(Ca-chloride), 칼슘 포름산염(Ca-formate) 등을 사용할 수 있으며, 이중 칼슘 아세테이트를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 홍조단괴에서 유래한 미생물, 해안에서 채취한 석회질 침전물에서 유래한 미생물, 그리고 미생물자원센터에서 분양받은 분리종 스포로살시나 파스테우리(Sprosarcina pasteurii)를 이용하여 탄산칼슘 형성 실험을 실시한 결과, 미생물이 포함한 배양물에 칼슘 이온을 첨가한 경우에는 천천히 침전물이 생성되었고, 상기 침전물에는 방해석(calcite)과 바테라이트(vaterite)가 함께 형성되었으나, 본 발명에 따라 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액만을 회수하여 칼슘 이온을 주입한 경우에는 즉시 침전을 보였고, 방해석만이 형성되었다(도 3 및 4 참조).
따라서, 본 발명에 따라 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액만을 회수하여 탄산칼슘 반응액으로 이용한다면, 광물학적으로 가장 용해도가 낮고 안정한 방해석을 빠르게 침전시킬 수 있으며, 미생물 세포를 제거한 배양액이므로 미생물의 생장 조건과 시간을 고려하지 않아도 되며, 환경적 조건에 제한이 없으므로, 다양한 사업적 응용과 현장 적용이 가능하다. 또한, 산업적으로 이용하는 탄산칼슘 합성 시 대량생산이 가능하다.
이때, 첨가되는 칼슘 이온의 농도는 0.01~0.5 M인 것이 바람직하며, 0.3 M인 경우 더욱 바람직하다.
침전된 광물은 5~20 ㎛ 일정한 크기의 능면체 모양의 결정질 방해석이었으며, 성분은 Ca, C, O로 구성되었다(도 5 참조).
2. 미생물 체외고분자물질(EPS)을 이용한 이산화탄소 고정 방법
본 발명에 따른 이산화탄소 고정 방법은
1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 오염수에 처리하고 반응시켜, 오염수 내의 용존 이산화탄소를 방해석으로 고정화시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 고정 방법은 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액에 포함된 탄산이온 및 오염수 내에 포함된 탄산이온이 오염수 내의 칼슘 이온과 반응하여 탄산염 광물의 형태로 고정되는 방법을 이용한 것으로, 이때, 상기 미생물 체외고분자물질(EPS)이 탄산염 광물화를 촉진시키는 역할을 한다.
상기 요소 분해 미생물 배양하는 단계 및 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계는 전술한 바와 같으므로, 자세한 설명은 생략한다.
상기 단계 3)의 오염수는 인위적 산업활동에 의해 과다하게 유발된 이산화탄소 가스가 용해된 물을 의미하는 것으로, 고정 대상이 되는 이산화탄소가 용해되어 있는 해수 또는 담수이다. 상기 고정 대상이 되는 이산화탄소는 용해되어 상기 해수 또는 담수 중에서 탄산 음이온(CO3 2-) 또는 탄산수소 음이온(HCO3 -)의 형태로 존재할 수 있다. 상기 오염수에는 이산화탄소 외에도 금속 양이온이 존재할 수 있다. 상기 금속은 1족 또는 2족의 금속일 수 있으며, 상기 금속은 2족의 금속인 것이 더욱 바람직하며, 상기 금속은 칼슘인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온은 상기 오염수 내에 존재하는 칼슘 양이온과 결합하여 탄산염광물의 형태로 고정되는데, 본 발명에서는 상기 음이온과 양이온의 결합이 미생물 체외고분자물질(EPS)에 의해서 촉진된다.
상기 단계 3)의 처리는 상기 오염수에 상기 단계 2)의 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액과 함께 추가적으로 칼슘 양이온을 첨가할 수 있다. 특히, 오염수 내 칼슘 양이온의 농도가 낮은 경우, 오염수 내의 탄산 음이온 또는 탄산수소 음이온이 탄산염광물로 쉽게 고정되지 않기 때문에 이를 보다 원활하게 하기 위하여 상기 칼슘 양이온을 공급해 주는 것이다. 상기 칼슘 양이온의 공급은 칼슘 아세테이트(Ca-acetate), 칼슘 락테이트(Ca-lactate), 염화 칼슘(Ca-chloride) 및 칼슘 포름산염(Ca-formate)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 처리함으로써 수행되는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다.
본 발명에 따른 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액은 미생물 세포를 제거한 배양액이므로 미생물의 생장 조건과 시간을 고려하지 않아도 되며, 환경적 조건에 제한 없이 빠르게 방해석의 형태로 탄산염광물을 형성하여 이를 통해 이산화탄소가 고정된다.
3. 미생물 체외고분자물질(EPS)을 이용한 미세균열 보수 방법
본 발명에 따른 미세균열 보수 방법은
1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액과 칼슘 이온을 콘크리트 또는 암석의 미세균열 내에서 반응시켜 미세균열 내에 방해석이 충진되는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 미세균열 보수 방법은 본 발명에 따른 결정질 방해석의 제조 방법을 이용한 것으로, 구체적으로 상기 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액에 포함된 탄산이온이 칼슘 이온과 반응하여 마이크로미터 크기의 방해석을 석출시키는 특징을 이용한 것이다. 이때, 상기 미생물 체외고분자물질(EPS)이 탄산염 광물화를 촉진시키는 역할을 한다.
상기 요소 분해 미생물 배양하는 단계 및 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계는 전술한 바와 같으므로, 자세한 설명은 생략한다.
콘크리트의 미세균열을 위한 다양한 화학적 보강재가 개발되고 있으나, 미세한 균열을 보강하기 위한 방법으로는 주사기로 주입되는 에폭시 주입 방법이 대표적이다. 그러나 에폭시는 점도가 높아 미세한 균열 내부로 침투되기 어려워 표면만 밀봉되는 한계가 있다. 최근에는 미생물을 이용하여 자기치유콘크리트를 개발하는 다양한 연구가 진행중이나, 대부분은 미생물의 생장을 유도하는 연구로써, 콘크리트 내부 환경(pH 11~13)에서 생존 가능한 미생물의 발굴과 생장 환경 유지 여부에 제한이 있다.
그러나, 본 발명은 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 미세한 균열 내부로 침투시켜 미립자의 탄산칼슘이 침전되도록 유도하므로, 균열의 표면과 내부의 충진이 가능하며, 미생물 배양산물인 체외고분자물질(EPS) 배양액만을 이용하므로 미생물의 생장 조건을 고려할 필요가 없다는 점에서 효용성을 가진다.
본 발명의 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액이 미세균열을 충진시킬 수 있는지 알아보기 위하여 달걀껍질에 인공적으로 미세균열을 만들어 상기 균열 위로 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액과 칼슘 아세테이트를 한 방울씩 연속적으로 떨어드린 결과, 미세균열 위로 흰색의 탄산칼슘 입자가 석출되어 침전되었으며, 약 18시간 후, 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 경과, 균열 내에 5~20 ㎛ 크기의 능면체 형태의 방해석이 침전되어 균열을 밀봉시킴을 확인하였다(도 7 참조).
따라서, 본 발명에 따른 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액은 미세균열 사이에서 칼슘 이온과 반응하여 방해석을 형성하여 균열을 충진하여 밀봉할 수 있다.
상기 미세균열은 폭이 100 ㎛ ~ 2 mm인 미세균열인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 암석은 석조문화재를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따른 미세균열 보수 방법은 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 이용함으로써, 빠르고 간결한 친환경적 및 비파괴적 방법으로 석조문화재 보존 처리에도 이용 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 1 - 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 이용한 방해석 제조>
제주도 우도 서쪽 서광리 해빈 근처에서 해수 안에 존재하는 크기 5 ㎝ 내지 7 ㎝의 홍조단괴를 채취하여 Agate와 Mortar를 이용하여 분쇄하여 미생물 성장배지에 넣고 실온에서 150 rpm의 교반기에서 3일 배양하였다.
상기 미생물의 성장배지(1L)의 조성은 NaCl 35g, 글루코스 1g, 프로테오스 펩톤(proteose peptone) 5g, 효모추출물(yeast extract) 10g, 요소(urea) 20g 이었다.
3일 후, 상기 요소 분해 미생물 배양액을 3000 rpm에서 10분간 원심분리한 후, 상층액을 0.45 ㎛ 시린지 필터(syringe filter)로 필터링하여 한 곳에 모아 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 수집하였다.
수집된 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 튜브에 넣고 30 mM의 저농도 칼슘 아세테이트를 첨가하였다. 그 결과, 도 1에 나타낸 바와 같이, 즉시 탄산칼슘이 침전되었다.
상기 탄산칼슘을 분리하여 건조시킨 후, 광물 동정을 위해 X-선 회절 분석(XRD)을 실시한 결과, 침전된 탄산칼슘은 방해석인 것으로 확인되었다.
< 비교예 1>
EPS가 포함되지 않는 조건으로서, 미생물을 주입하지 않고, 요소가 포함된 D-1 배지에서 0.1 M의 고농도 칼슘 아세테이트를 첨가하였다.
그 결과, 탄산칼슘은 침전되지 않았다.
< 비교예 2>
EPS가 포함되지 않는 화학적 반응 조건으로서 0.05 M의 NaHCO3 수용액에 0.1 M의 고농도 칼슘 아세테이트를 첨가하였다.
그 결과, 탄산칼슘은 침전되지 않았다.
< 비교예 3>
EPS가 포함되지 않는 화학적 반응 조건으로서 0.1 M의 NaHCO3 수용액에 0.1 M의 고농도 칼슘 아세테이트를 첨가하였다.
그 결과, 소량의 탄산칼슘이 침전되었다.
< 실험예 1 - EPS의 존재가 탄산칼슘 침전에 미치는 영향>
미생물 체외고분자물질(EPS)은 미생물의 생장 중에 생성된다. 상기 미생물 체외고분자물질(EPS)의 존재가 탄산칼슘 침전에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
제조예 및 비교예 1~3의 시료에 대하여 칼슘 아세테이트를 반응시켜 탄산칼슘 침전여부를 관찰하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
제조예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
생장배지
(반응용액)		 D-1(요소 포함)
배지		 D-1(요소 포함)
배지		 0.05 M의
NaHCO3 수용액		 0.1 M의
NaHCO3 수용액
미생물존재
유무		 무 무 무 무
EPS존재
유무		 유 무 무 무
형성광물 방해석 무 무 소량의 방해석
표 1에 나타낸 바와 같이, 미생물이 존재하지 않은 요소 포함 배지(비교예 1)에는 0.1 M의 고농도 칼슘 이온을 첨가하더라도 탄산칼슘이 형성되지 않았다.
또한, EPS를 포함하지 않는 화학적 반응 조건으로 탄산칼슘을 합성한 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 0.05 M의 NaHCO3 수용액(비교예 2)에서는 0.1 M의 고농도 칼슘 이온을 주입하더라도 탄산칼슘이 침전되지 않았고, 0.1 M의 고농도 NaHCO3 수용액(비교예 3)에서 0.1 M의 고농도 칼슘 이온 주입시 소량의 방해석이 침전됨을 확인하였다.
반면, 이러한 화학적 조건에 비해 탄산염 농도가 낮을 것으로 예상되는 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액(제조예 1)에는 0.03 M의 저농도 칼슘 이온 첨가시에도 즉시 방해석이 형성되는 것으로 나타났다.
이로부터, 탄산칼슘의 광물결정화에 있어서, 미생물 배양액 내의 탄산염 이온의 농도뿐만 아니라, EPS의 존재가 중요하게 작용함을 알 수 있으며, 상기 EPS는 탄산칼슘의 광물결정화를 촉진시키는 역할을 하는 것을 알 수 있다.
< 실험예 2 - 미생물의 존재가 탄산칼슘 침전에 미치는 영향>
본 발명에 따른 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 이용한 방해석의 제조에 있어서, 미생물의 존재가 탄산칼슘 침전에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.
홍조단괴에서 유래한 미생물(WD-1), 해안에서 채취한 석회질 침전물에서 유래한 미생물(GP-1), 그리고 미생물자원센터에서 분양받은 분리 종 스포로살시나 파스테우리(Sprosarcina pasteurii KCTC 3558)를 이용하여 탄산칼슘을 형성시켰다.
구체적으로, (a) 상기 미생물을 배양하기 시작했을 때 칼슘 이온을 주입한 경우, (b) 포화배양된 미생물 배양액에 칼슘 이온을 주입한 경우, (c) 포화배양된 미생물 배양액에서 미생물을 제거한 체외고분자물질(EPS) 배양액에 칼슘 이온을 주입한 경우를 비교 관찰하였다.
(a), (b), (c)의 경우, 결과적으로 탄산칼슘이 침전되었으나, 침전이 일어난 시간은 (c)의 경우가 가장 빨랐다.
침전된 탄산칼슘을 분리하여 건조시킨 후, 광물 동정을 위해 X-선 회절 분석(XRD)을 실시하여, 도 3에 나타내었고, 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 도 4에 나타내었다. 또한 X-선 분광분석기(EDX)를 이용하여 탄산칼슘의 성분을 확인하여 도 5에 나타내었다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, (a) 및 (b)의 미생물이 존재하는 경우에는 침전된 탄산칼슘에서 방해석과 바테라이트가 함께 형성되었으나, (c)의 체외고분자물질(EPS) 배양액만을 사용한 경우에는 침전된 탄산칼슘이 방해석만으로 이루어짐을 알 수 있었다. 또한, 상기 침전된 탄산칼슘의 형태적 특징에 있어서, (c)의 체외고분자물질(EPS) 배양액만을 사용한 경우에서 크기와 모양이 일정한 능면체의 광물이 침전됨을 확인하였다.
침전된 탄산칼슘의 성분은 도 5에 나타낸 바와 같이, Ca, C 및 O로 구성되어 있음을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 따른 방해석 제조방법은 미생물을 제외한 체외고분자물질(EPS) 배양액만을 사용하여, 빠르게 크기와 모양이 일정한 능면체의 방해석의 형태로 탄산염광물을 형성할 수 있다.
< 실험예 3 - 칼슘 이온의 농도에 따른 탄산칼슘 침전량 측정>
본 발명에 따른 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 이용한 방해석의 제조에 있어서, 칼슘 이온의 농도가 탄산칼슘 침전량에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 다음과 같은 실험을 수행하였다.
제조예 1에서 칼슘 아세테이트 농도를 0.01~0.5 M의 다양한 농도로 변화시켜 첨가하면서 침전된 탄산칼슘 양을 측정하여, 표 2 및 도 6에 나타내었다.
칼슘 아세테이트의 농도(M) 침전된 탄산칼슘 양(g/L)
0 0
0.01 0.93
0.03 2.97
0.05 5.23
0.1 11.43
0.2 17.62
0.3 22.82
0.4 13.69
0.5 10.27
표 2 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 침전된 탄산칼슘 양은 칼슘 아세테이트의 농도에 영향을 받으며, 상기 칼슘 아세테이트 농도가 0.3 M일 때, 22.82 g/L로 가장 많은 탄산칼슘이 침전되는 것을 확인하였다.
< 실험예 4 - 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 이용한 미세균열 보수>
본 발명에 따른 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 이용한 방해석 제조방법을 미세균열 보수에 응용할 수 있을지 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.
폭 100 ㎛ 내외의 인공 미세 균열을 조성하기 위해 달걀껍질을 이용하였다. 상기 달걀껍질을 인공적으로 미세 균열을 만들고 탄소 테이프(carbon tape)가 부착된 유리판 위에 고정하였다. 현미경으로 미세균열의 위치와 균열 상태를 관찰한 후, 균열 위로 20 mL의 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액과 30 mM의 칼슘 아세테이트 용액을 한 방울씩 중력의 힘으로 떨어지도록 주사기로 고정하였다.
그 결과 도 7(a)에 나타낸 바와 같이, 미세균열 위로 흰색의 탄산칼슘 입자가 석출되어 침전되는 것이 관찰되었으며, 약 18시간 후, 균열 내에 상당량의 탄산칼슘이 침전된 것을 확인하였다.
주사전자현미경(SEM)으로 미세균열을 관찰한 결과, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 달걀껍질의 미세균열 내부와 표면에 5~20 ㎛ 크기의 능면체의 탄산칼슘이 침전되어 미세균열이 충진되어 밀봉됨으로써 보수된 것을 확인하였다.
이로부터, 본 발명에 따른 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액을 이용한 방해석 제조방법을 이용한다면, 콘크리트 미세균열 사이 또는 석조문화제의 미세 균열 사이에 탄산염광물을 침전시켜 미세균열을 보수할 수 있으며, 이러한 기술은 빠르고 간결한 친환경적 및 비파괴적 공법으로 석조문화재 보존 처리에도 이용할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (13)

1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 오염수에 처리하고 반응시켜, 오염수 내의 용존 이산화탄소를 방해석으로 고정화시키는 단계를 포함하며,
상기 이산화탄소를 방해석으로 고정화시키는 단계는 체외고분자물질(EPS) 배양액에 포함된 탄산이온 및 오염수 내에 포함된 탄산이온이 오염수 내의 칼슘 이온과 반응하여 탄산염 광물의 형태로 고정되고, 상기 미생물의 체외고분자물질이 탄산염 광물화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는,
미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1)의 요소 분해 미생물을 배양하는 단계는
자연 환경 내 생물기원의 탄산염광물이 형성된 암석 또는 침전물을 채취하는 단계; 및 요소가 포함된 염기성 미생물 성장 배지(pH 8~9)에서 호기적으로 3일 이상 배양하는 단계를 포함하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
제1항에 있어서,
상기 요소 분해 미생물은 프로테우스 미라빌리스(Proteus mirabilis), 마리노박테리움 코랄리이(Marinobacterium coralli) 및 스포로살시나 파스테우리(Sprosarcina pasteurii)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
제2항에 있어서,
상기 요소가 포함된 염기성 미생물 성장 배지는 요소를 포함한 D-1 배지, MH 배지 또는 살린(saline) 배지인 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2)의 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액은 상기 단계 1)에서 배양된 요소 분해 미생물 배양액을 원심분리한 후, 상층액을 0.2~0.45 ㎛ 크기의 필터로 필터링하여 수집하여 얻는 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3)에서 오염수에 칼슘 이온을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
제6항에 있어서,
상기 칼슘 이온은 칼슘 아세테이트, 칼슘 락테이트, 염화 칼슘 및 칼슘 포름산염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
제1항에 있어서,
제조된 방해석은 5~20 ㎛ 크기의 능면체 모양인 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 이산화탄소 고정 방법.
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1) 요소 분해 미생물을 배양하는 단계;
2) 상기 요소 분해 미생물 배양액으로부터 미생물을 제거하여 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 미생물의 체외고분자물질(EPS) 배양액과 칼슘 이온 용액을 콘크리트 또는 암석의 미세균열 내에 한 방울씩 연속적으로 떨어뜨려서 반응시켜 미세균열 내에 방해석이 충진되는 단계를 포함하고,
상기 미세균열 내에 방해석이 충진되는 단계는 미생물 체외고분자물질(EPS) 배양액에 포함된 탄산이온이 칼슘 이온과 반응하여 마이크로미터 크기의 결정질 방해석을 석출시키고, 상기 미생물의 체외고분자물질이 탄산염 광물화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는,
미생물의 체외고분자물질을 이용한 미세균열 보수 방법.
제11항에 있어서, 상기 미세균열은 폭이 100 ㎛ ~ 2 mm인 미세균열인 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 미세균열 보수 방법.
제11항에 있어서, 상기 암석은 석조문화재인 것을 특징으로 하는, 미생물의 체외고분자물질을 이용한 미세균열 보수 방법.
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