KR20200005048A - 방사능 물질의 방사능을 저감시키는 조성물 및 상기 조성물의 제조 방법 - Google Patents

방사능 물질의 방사능을 저감시키는 조성물 및 상기 조성물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 복합미생물을 이용하여 방사능 물질을 비방사능 물질로 원소변환하는 조성물 및 상기 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

방사능 물질을 비방사능 물질로 원소변환시키는 조성물 및 상기 조성물의 제조 방법{Composition for converting radioactive substance into radio-inactive substance and a method of preparing the composition}
본 발명은 복합미생물을 이용하여 방사능 물질을 비방사능 물질로 원소변환하는 조성물 및 상기 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.
대규모 에너지원으로서 원자력 발전을 계속 활용하려면 원자력 발전소에서 발생하는 중저준위 방사성 폐기물만 아니라 고준위 방사성 핵폐기물인 사용 후 핵연료를 안전하게 처리하기 위한 근본적인 해결책이 마련되어야만 하는 상황이다. 현재 방사성 폐기물에 대한 근본적인 해결책이 없기 때문에 안전한 곳에 장기 저장하는 방법만이 유일한 대책으로 받아들여지고 있다.
하지만 방사성물질 폐기장의 저장 용량에 한계가 있어 근원적인 해결책이 되지 못한다. 방사성 물질이 방사선을 내는 상태 그대로 있는 한 그 어떤 방법도 핵폐기물을 처리하기 위한 근본적인 해결책이라고 할 수 없다.
이와 같은 상황을 극복하기 위해서는 방사성 폐기물을 획기적으로 줄일 수 있는 근본적인 해결책이 요구되고 있으며, 이러한 방법으로는 예컨데, 방사성 물질인 Cs 137 핵종을 방사선을 내지 않는 안전한 원소인 Ba 137 혹은 Ba 138로 바꾸는 것과 같은 원소변환 기술을 고려할 수 있으나 현재까지 실용화된 기술은 없다.
핵종이 바뀌는 원소변환 현상은 주로 원자번호가 높은 방사성 물질에서 관찰되어 왔으나 최근 들어 상온핵융합 연구가 진행되면서 상온에서 아주 낮은 에너지로도 원소가 바뀌는 원소변환(transmutation) 현상이 관찰되고 있으며 기존의 핵물리학 이론으로는 이 현상을 설명하지 못한다는 것이 밝혀지고 있다. 학계에서는 이를 기존 핵반응과 구분하기 위하여 "저에너지 핵반응"(LENR, Low Energy Nuclear Reaction), 혹은 "격자 보조 핵반응"(LANR, Lattice Assisted Nuclear Reaction), 혹은 "응집물질 핵과학"(CMNS, Condensed Matter Nuclear Science), 혹은 "화학 보조 핵반응"(CANR, Chemically Assisted Nuclear Reaction)이라는 신조어로 표현하고 있다.
미생물을 이용한 방사성 폐기물 처리와 관련하여 국내에서 연구한 내용은 방사성 물질의 확산에 의한 지하수 오염을 줄이기 위해 미생물을 이용하여 포집하는 기술로서 방사성 물질(세슘 이온)을 물에 잘 녹지 않는 난용해성 물질(파우토바이트)로 바꾸어 오염의 확산을 방지하는 것이 목적이며 방사성 물질을 안전한 원소로 바꾸어 방사선의 위험을 근본적으로 줄일 수 있는 기술이 아니다(대한민국 특허 등록 제10-1754790호).
이에, 방사성 폐기물에 있는 방사성 원소를 안전한 원소로 변환시킬 수 있다면 방사성 폐기물에 대한 근본적인 해결책이 도출될 수 있을 것이다.
대한민국 특허 등록 제10-1754790호
없음
본 발명의 하나의 목적은 복합미생물을 포함하는, 방사능물질을 비방사능물질로 원소변환시킬 수 있는 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은 방사능물질을 비방사능물질로 원소변환시킬 수 있는 조성물을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 하나의 목적은 본원에 기술된 조성물을 방사능물질과 접촉시키는 것을 포함하는 방사능물질을 비방사능물질로 변환시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태는, 복합미생물을 포함하는, 방사능물질을 비방사능물질로 원소변환시킬 수 있는 조성물에 관한 것이다.
상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 효모, 곰팡이, 광합성 세균 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택된 중 어느 2종류 이상을 포함할 수 있다. 일 예에서 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 효모, 곰팡이, 광합성 세균 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택된 중 어느 3종류 이상, 보다 구체적으로 어느 4종류 이상, 또는 5종류 모두를 포함할 수 있다. 원소변환 효율 면에서 5종류의 미생물을 모두 포함하는 것이 좋다. 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물과 광합성 세균은 반드시 포함하되, 그 외 효모, 곰팡이, 녹조류 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 광합성 세균 및 효모는 반드시 포함하되, 그 외 곰팡이, 녹조류 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 광합성 세균 및 곰팡이는 반드시 포함하되, 그 외 효모, 녹조류 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 광합성 세균 및 녹조류는 반드시 포함하되, 그 외 곰팡이, 효모 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 본원에서는 각각 미생물 단독으로는 방사능물질의 비방사능물질로의 원소변환능이 없으나 이들을 조합하여 사용시 원소변환능이 있음을 밝혀내었다.
내방사성 미생물은 방사성 물질의 존재하에서도 생존할 수 있는 미생물로, 예컨데, 다이노코쿠스 속, 크립토코쿠스 속 또는 바실러스 속 미생물을 이용할 수 있고, 구체적으로 다이노코쿠스 라디오듀런스, 바실러스 사펜시스 또는 바실러스 푸밀러스를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예에서 바실러스 사펜시스(Bacillus safensis) KCCM12163P 균주 또는 바실러스 푸밀러스 (Bacillus pumilus) KCCM12165P 균주가 이용될 수 있다. 상기 균주들은 각각 2017년 11월 10일 한국 미생물보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms, 서울시 서대문구 홍제-2가-길 120-861)에 기탁번호 KCCM12163P 및 KCCM12165P 로 기탁되어 있다.
효모는 항산화 능력이 있는 것으로 예컨대 크립토코쿠스 속, 사카로마이세스 속 또는 트라이포스포론 속 미생물일 수 있고, 구체적으로 사카로마이세스 보울라디, 사카로마이세스 서바지, 사카로마이세스 세레비지아에, 트라이코스포론 쿠나네움, 및/또는 트라이코스포론 루비에리를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예에서 사카로마이세스 서바지 (Saccharomyces servazzii) KCCM12157P 균주 및/또는 트라이코스포론 루비에리 (Trichosporon loubieri) KCTC10876BP 균주가 이용될 수 있다. 상기 트라이코스포론 루비에리 (Trichosporon loubieri) KCTC10876BP는, 미국 특허 제8,034,605B2호를 통해 공지된 것으로, 상기 특허 문헌에 기재된 모든 내용은 본원 발명과 관련이 있는 범위 내에서 본원에 혼입된다. 상기 사카로마이세스 서바지 (Saccharomyces servazzii) KCCM12157P 균주는 2017년 11월 10일 한국 미생물보존센터(Korean Culture Center of Microorganisms, 서울시 서대문구 홍제-2가-길 120-861)에 기탁번호 KCCM12157P 로 기탁되어 있다.
곰팡이는 항산화 능력이 있는 것으로 예컨대 이르펙스 속 미생물 또는 패네로키테 속 미생물을 이용할 수 있고, 구체적으로 이르펙스 락투스(Irpex lacteus), 이르펙스 하이드노이데스(Irpex hydnoides), 패네로키테 크라이소스포리움 또는 패네로키테 소르디다를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 일 예에서 패네로키테 크라이소스포리움 Phanerochaete chrysosporium KCCM10725P 균주가 이용될 수 있다. 상기 패네로키테 크라이소스포리움 Phanerochaete chrysosporium KCCM10725P 균주는, 대한민국 특허 제10-0903666호를 통해 공지된 것으로, 상기 특허 문헌에 기재된 모든 내용은 본원 발명과 관련이 있는 범위 내에서 본원에 혼입된다.
광합성 세균은 빛 에너지를 이용하여 탄소 동화작용을 행하는 세균일 수 있고, 예를 들어, 로도박터속 세균(Rhodobacter sp .), 클로로비움속 세균(Chlorobium sp .), 크로마튬속 세균(Chromatium sp .), 로도스피릴륨속 세균(Rhodospirillum sp .), 로돕센도모나스속 세균(Rhodopsendomonas sp .), 로돕슈도모나스속 세균(Rhodopseudomonas sp .) 등을 들 수 있고, 보다 구체적으로는 로도박터 스페로이드(Rhodobacter sphaeroides .), 또는 로도박터 캡슐라투스 (Rhodobacter capsulatus) 등을 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 특정 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 광합성 세균은 탄소 동화작용에 있어Proton인 H+ 이온을 이용하므로 복합미생물의 원소변환에 있어 광합성 세균의 이러한 작용이 중요하게 작용할 것으로 추측된다.
녹조류는 엽록소를 가지고 있어 녹색을 띠는 조류를 말하며, 예컨대 트레보욱시아 속 Trebouxia sp., 혹은 스티코코커스 속 Stichococcus sp., 혹은 엘립토클로리스 속 Eliptochloris sp., 혹은 코코믹사 속 Coccomyxa sp. 미생물을 이용할 수 있고 구체적으로 Coccomyxa viridis 또는 스티코코코스 속 Stichococcus sp. 를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 복합미생물은 각각의 미생물의 배양물을 포함한 배양 원액 형태로 이용되거나, 배양 상등액을 제거하거나 농축한 미생물의 혼합물일 수 있다. 상기 배양물의 조성은 각 미생물의 배양에 필요한 성분뿐 아니라, 상기 미생물의 생장에 상승적으로 작용하는 성분을 추가적으로 포함할 수 있으며, 이에 따른 조성은 당업계의 통상의 기술을 가진 자에 의하여 용이하게 선택될 수 있다.
상기 복합미생물 중 각각의 미생물은 조성물 중 0.5 x 102 CFU/ml내지 2.5 x 1010 CFU/ml로, 구체적으로는 5 x 103 CFU/ml내지 5 x 1010 CFU/ml, 보다 구체적으로 1 x 105 CFU/ml내지 5 x 109 CFU/ml 의 농도로 존재할 수 있다. 복합미생물은 조성물 중량의 0.05 중량% 내지 60 중량%, 구체적으로는 5 중량% 내지 50 중량%, 보다 구체적으로는 10 중량% 내지 40 중량%의 범위로 포함될 수 있다.
방사능 물질로는 α, β, 또는 γ선과 같은 방사선을 방출할 수 있는 물질로 예컨대 세슘(Cs), 우라늄, 요오드, 스트론튬, 이리듐, 라듐, 플루토늄 등이 있으며, 본원에서는 이러한 방사능 물질이 복합미생물에 의해 비방사능 물질로 원소 변환됨을 밝혀내었다.
복합미생물과 방사능 물질의 중량비는 9.9:0.1 내지 0.1:9.9일 수 있고, 구체적으로 8:2 내지 2:8일 수 있으며, 보다 구체적으로는 7:3 내지 3:7일 수 있다.
상기 조성물 및/또는 복합미생물은 액상상태 또는 건조상태일 수 있으며, 구체적으로는 건조된 분말 상태일 수 있다.
상기 조성물은 환경적으로 허용 가능한 담체를 추가로 포함할 수 있으며, 담체와 함께 제제화되어 방사능 폐기물 처리용 혹은 방사능물질에 의해 오염된 토양이나 지하수 및/또는 폐수의 처리용 조성물로 제공될 수 있다.
본 발명에서 용어, "환경적으로 허용 가능한 담체"란 환경적 피해가 없고 복합미생물의 생물학적 활성 및 특성을 저해하지 않는 담체 또는 희석제를 말한다.
액상 용액으로 제제화되는 경우, 허용되는 담체로는, 선발된 복합미생물들의 영양분으로 적합한 것으로서, 식염수, 멸균수, 완충식염수, 덱스트로즈 용액, 말토 덱스트린 용액, 글리세롤 및 이들 성분 중 1 성분 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 필요에 따라 항산화제, 완충액, 정균제 등 다른 통상의 첨가제를 첨가할 수 있다. 또한 희석제, 분산제, 계면활성제, 결합제 및 윤활제를 부가적으로 첨가하여 수용액, 현탁액, 유탁액 등과 같은 액상 제형, 분말 등의 고형 제제로 제제화 할 수 있다. 또한 조성물의 품질 저하를 방지하기 위하여 결착제, 유화제, 보존제 등을 추가로 첨가할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는, 복합미생물을 포함하는, 방사능물질을 비방사능물질로 원소변환시킬 수 있는 조성물의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 효모, 곰팡이, 광합성 세균 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택된 중 어느 2종류 이상을 포함할 수 있다. 일 예에서 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 효모, 곰팡이, 광합성 세균 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택된 중 어느 3종류 이상, 보다 구체적으로 어느 4종류 이상, 또는 5종류 모두를 포함할 수 있다. 원소변환 효율 면에서 5종류의 미생물을 모두 포함하는 것이 좋다. 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물과 광합성 세균은 반드시 포함하되, 그 외 효모, 곰팡이, 녹조류 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 광합성 세균 및 효모는 반드시 포함하되, 그 외 곰팡이, 녹조류 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 광합성 세균 및 곰팡이는 반드시 포함하되, 그 외 효모, 녹조류 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 상기 복합미생물은 내방사성 미생물, 광합성 세균 및 녹조류는 반드시 포함하되, 그 외 곰팡이, 효모 중 1종류 이상을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 복합미생물, 담체 및 조성물의 종류, 함량, 구체적인 설명은 전술한 조성물의 양태에서와 같다.
조성물의 제조 방법은 우선 복합미생물을 개별적으로 또는 적어도 부분적으로 함께 배양하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 미생물은 통상적인 배양 방법을 통해 배양될 수 있다.
배양의 배지로는 천연배지 또는 합성배지를 사용할 수 있다. 배지의 탄소원으로는 예를 들어, 글루코오스, 수크로오스, 덱스트린, 덱스트로스, 글리세롤, 녹말 등이 사용될 수 있고, 질소원으로는 펩톤, 육류 추출물, 전지분유, 효모 추출물, 건조된 효모, 대두, 암모늄염, 나이트레이트 및 기타 유기 또는 무기 질소, 황 함유 화합물이 사용될 수 있으나, 이러한 성분에 한정되는 것은 아니다. 배지에 포함되는 무기염으로는 마그네슘. 망간, 칼슘. 철, 칼륨, 나트륨, 붕소, 몰리브덴, 구리, 코발트, 아연 등이 사용될 수 있으나, 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 탄소원, 질소원 및 무기염의 성분 이외에 아미노산, 비타민, 핵산 및 그와 관련된 화합물들이 배지에 첨가될 수 있다.
미생물의 배양온도 조건은 20℃ 내지 40℃의 온도 범위, 또는 25℃ 내지 35℃의 온도 범위 에서 12시간 내지 7일간, 또는 12시간 내지 5일간 배양할 수 있다. 본원의 복합미생물은 각 균주를 개별 배양하여 얻은 배양액의 혼합물 형태이거나, 배양액으로부터 각각 분리된 균주의 혼합물이거나, 2개 이상의 균주를 함께 배양하여 얻는 배양액의 혼합물 형태이거나, 이로부터 분리된 균주의 혼합물일 수 있다.
상기 제조 방법은 이후, 상기 얻어진 복합미생물, 이의 배양액, 이의 혼합물, 이의 건조물에 환경적으로 허용 가능한 담체를 추가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 복합미생물은 담체와 함께 제제화되어 방사능 폐기물 처리용 혹은 방사능물질에 의해 오염된 토양이나 지하수 및/또는 폐수의 처리에 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 제조 방법은 제조된 조성물을 액상 또는 고상으로 제제화하는 단계를 포함할 수 있다. 액상 용액으로 제제화되는 경우, 허용되는 담체로는, 선발된 복합미생물들의 영양분으로 적합한 것으로서, 식염수, 멸균수, 완충식염수, 덱스트로즈 용액, 말토 덱스트린 용액, 글리세롤 및 이들 성분 중 1 성분 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 필요에 따라 항산화제, 완충액, 정균제 등 다른 통상의 첨가제를 첨가할 수 있다. 또한 희석제, 분산제, 계면활성제, 결합제 및 윤활제를 부가적으로 첨가하여 수용액, 현탁액, 유탁액 등과 같은 액상 제형, 분말 등의 고형 제제로 제제화 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는, 본원에 기술된 방사능물질을 비방사능물질로 원소변환시킬 수 있는 조성물을 방사능물질과 접촉시키는 것을 포함하는 방사능물질의 비방사능물질로의 변환 방법에 관한 것이다.
상기 접촉은 이에 한정되는 것은 아니지만 복합미생물을 포함하는 조성물과 방사능물질을 혼합하거나, 함께 배양하거나, 첨가하거나, 동일반응계에 위치시키는 것을 포함한다. 구체예에서 상기 접촉은 혼합물 상태에 교반하는 것을 포함할 수 있다. 상기 접촉은 20℃ 내지 40℃의 온도 범위, 또는 25℃ 내지 35℃의 온도 범위 에서 12시간 내지 3개월간, 또는 12시간 내지 2개월간, 또는 24시간 내지 60일간, 또는 36시간 내지 56일간 지속될 수 있다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 복합미생물은 방사능물질을 비방사능물질로 변환시키는 능력이 우수하고 방사능 폐기물 처리에 활용 가치가 높다.
또한, 방사능 물질을 비방사능 물질로 변환시킬 수 있어서 방사능 물질들로 오염된 토양, 지하수, 원전 냉각수 혹은 폐수 처리에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실험예에서 제조된 방사성물질(세슘 137)이 50,000바크렐 농도로 첨가된 복합미생물 조성물 시료의 사진이다.
도 2는 시간에 따른 조성물의 방사선 세기를 관찰하기 위해 검출기 대비 조성물을 항상 일정하게 위치시킬 수 있도록 본원에서 제작 사용된 시료 지지대를 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 2에서 제조된 방사선물질(Cs-137 )이 첨가된 복합미생물 함유 조성물 시료를 약 49일간 보관시 방사능 동위원소인 137-세슘에서 초당 발생하는 감마선 발생량 결과 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 1에서 제조된 방사선물질(Cs-137 )이 첨가된 복합미생물 함유 조성물 시료를 약 49일간 보관시 방사능 동위원소인 137-세슘에서 초당 발생하는 감마선 발생량 결과 그래프이다.
도 5는 약 60일간의 방사능 시험을 한 후 137 Cs으로 오염된 시료로부터 초기에 투입하였던 복합균주의 생존 여부를 확인하기 위하여 10㎖ 씩 채취한 시료를 멸균 생리식염수로 104배 희석하여 균주별 영양분이 포함된 고체배지(NA, MRS, TSA, PDA)에 첨가한 후 생존하여 자라는 미생물 관찰 사진이다.
도 6은 비교예 1의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 감마선 발생량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예 2의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 감마선 발생량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 비교예 3의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 감마선 발생량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 비교예 4의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 감마선 발생량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교예 5의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 감마선 발생량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예 6의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 감마선 발생량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12은 비교예 7의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 감마선 발생량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이들 실시 예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 국한되는 것은 아니다.
실시예 1 : 복합미생물 함유 조성물 1의 제조
광합성 세균인 Rhodobacter capsulatus는 정제수 1리터에 K2HPO4 1g, MgSO4 0.5g 및 yeast extract 10g을 각각 첨가한 Van Niel’s yeast 배지로 배양하였다. 배지는 121℃에서 15분간 고온고압 멸균 및 30℃로 방냉 후 무균 상태에서 고체평판배지에 배양된 집락을 2~3 백금이 접종한 다음 혐기 조건에서 26℃의 온도를 유지하며 텅스텐 램프로 광을 공급한 채로 2~3일 배양하여 농도 1~9×107 viable cells/mL의 배양액을 수득 하였다.
녹조류인 Coccomyxa viridis, Eliptochloris sp. Stichococcus sp. Trebouxia sp.는 정제수 1리터에 KH2PO4 0.175g, CaCl2.2H2O 0.025g, MgSO4.7H2O 0.075g, NaNO3 0.25g, K2HPO4 0.075g, NaCl 0.025g, Na2EDTA 0.1g, KOH 0.062g, FeSO4.7H2O 0.0498g, H3BO3 0.115g, MnCl2.4H2O 0.00181g, ZnSO4.7H2O 0.000222g, NaMoO4.5H2O 0.00039g, CuSO4.5H2O 0.000079g, Co(NO3)2.6H2O 0.0000494g을 각각 첨가한 BBM (Bold’s basal medium) 배지로 배양하였다. 배지는 121℃에서 15분간 고온고압 멸균 및 25℃로 방냉 후 무균 상태에서 고체평판배지에 배양된 녹조류를 셀스크래퍼로 긁어 모아 접종한 다음 호기 조건에서 20~25℃의 온도를 유지하며 3000lux 이하의 형광램프로 광을 공급하여 10일간 배양한 후 1.0×105~1.0×106 viable cells/mL의 배양액을 수득 하였다.
효모인 Saccharomyces servazzii KCCM12157P, Trichosporon loubieri KCTC10876BP 와 곰팡이인 Phanerochaete chrysosporium KCCM10725P 은 정제수 1리터에 potato infusion 200g, dextrose 20g을 각각 첨가한 PDB (potato dextrose broth) 배지로 배양하였다. 배지는 121℃에서 15분간 고온고압 멸균 및 30℃로 방냉 후 무균 상태에서 고체평판배지에 배양된 효모를 2~3 백금이 취하여 접종한 다음 호기 상태로 30℃의 온도를 유지하며 1일 배양한 후 1.0×107 viable cells/mL의 배양액을 수득하였다.
내방사성 세균인 Bacillus safensis KCCM12163P 및 Bacillus pumilus KCCM12165P 는 정제수 1리터에 peptone 10g, beef extract 10g 및 sodium chloride 5g을 각각 첨가한 Nutrient broth 배지로 배양하였다. 배지는 121℃에서 15분간 고온고압 멸균 및 30℃로 방냉 후 무균 상태에서 고체평판배지에 배양된 세균 집락을 2~3 백금이 접종한 다음 호기 조건에서 30℃의 온도를 유지하며 1일 배양한 후 1.0×107~109 viable cells/mL의 배양액을 수득 하였다.
이후 상기 제조된 각 미생물의 배양액을 합하고, 이를 임의로 2개의 군으로 나누어 각각 1 x 105~109cfu/㎖의 농도가 되도록 실시예 1의 복합미생물 함유 조성물 1 및 2를 제조하였다.
실시예 2 : 복합미생물 함유 조성물 2의 제조
상기 실시예 1에서 사용된 각 미생물 대신, 바실러스 푸밀러스 (Bacillus pumilus) KCCM12165P의 배양액, 사카로마이세스 서바지 (Saccharomyces servazzii) KCCM12157P 의 배양액, 패네로키테 크라이소스포리움 Phanerochaete chrysosporium KCCM10725P 의 배양액, 로도박터 캡슐라타스 Rhodobacter capsulatus 의 배양액 4종류만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 1 x 107~109cfu/㎖의 농도의 실시예 2의 복합미생물 함유 조성물 1 및 2를 제조하였다.
비교예 1 : 단독 미생물 함유 조성물의 제조
실시예 1에서와 동일한 방법으로 바실러스 사펜시스(Bacillus safensis) KCCM12163P 미생물 단독의 배양액을 수득하고, 이를 비교예 1의 조성물로 하였다.
비교예 2 : 단독 미생물 함유 조성물의 제조
실시예 1에서와 동일한 방법으로 로도박터 캡슐라투스 (Rhodobacter capsulatus) 미생물 단독의 배양액을 수득하고, 이를 비교예 2의 조성물로 하였다.
비교예 3 : 단독 미생물 함유 조성물의 제조
실시예 1에서와 동일한 방법으로 패네로키테 크라이소스포리움 Phanerochaete chrysosporium KCCM10725P 미생물 단독의 배양액을 수득하고, 이를 비교예 3의 조성물로 하였다.
비교예 4 : 단독 미생물 함유 조성물의 제조
실시예 1에서와 동일한 방법으로 바실러스 푸밀러스 (Bacillus pumilus) KCCM12165P 미생물 단독의 배양액을 수득하고, 이를 비교예 4의 조성물로 하였다.
비교예 5: 단독 미생물 함유 조성물의 제조
실시예 1에서와 동일한 방법으로 사카로마이세스 서바지 (Saccharomyces servazzii) KCCM12157P 미생물 단독의 배양액을 수득하고, 이를 비교예 5의 조성물로 하였다.
비교예 6: 단독 미생물 함유 조성물의 제조
실시예 1에서와 동일한 방법으로 트라이코스포론 루비에리 (Trichosporon loubieri) KCTC10876BP 미생물 단독의 배양액을 수득하고, 이를 비교예 6의 조성물로 하였다.
비교예 7: 단독 미생물 함유 조성물의 제조
실시예 1에서와 동일한 방법으로 스티코코코스 속 Stichococcus sp. 미생물 단독의 배양액을 수득하고, 이를 비교예 7의 조성물로 하였다.
실험예 1: Cs-137 및 조성물 함유 용액에서 방사선 세기 측정
Cs-137 (반감기: (30.05 ±0.08) year, 0.1 M HCl 수용액 상태, 2018년 03월 03일 기준 50 kBq에 해당, 0.159 mL) 액상 시료 400 ㎖에, 상기 실시예 1에서 제조된 복합미생물 함유 조성물 1 및 2, 100 ㎖, 및 상기 실시예 2에서 제조된 복합미생물 함유 조성물 1 및 2, 100 ㎖를 각각 혼합하였다. 혼합된 500 ㎖ 시료를 25 ℃ shaking incubator에서 약 120 rpm으로 진탕시키면서 동시에 12시간 간격으로 광을 조사하고, 24시간 간격으로 발생하는 방사능을 측정하였다. 제작된 시료에는 통기성이 있으며 수분 증발량이 적은 소수성의 실리콘으로 제작된 마개를 사용하였다. 준비된 방사성 동위원소가 든 복합미생물 시료는 세이크 (DAIHAN Scentific 모델 SHO-2D) 에 올려 약 100 RPM의 속도로 방사선 세기 측정을 위한 약 30분의 시간 을 제외하고 계속하여 흔들었다. 실험 기간 동안의 실험실 온도는 인위적 조절 없이 21 ~ 25 ℃ 범위를 유지하였다. 주로 업무 시간 동안은 실험실 내 형광등이 켜진 상태였으며 오후 6시 이후는 꺼진 상태로 유지되었다.
방사선 세기 측정을 위해 상대효율 약 70%를 갖는 p-형 고순도 Ge-검출기 두 대를 이용하였다. Ge-검출기의 검출 부위는 외부로부터의 감마선을 차폐하기 위해 납 10 cm 및 내부를 두께 2 mm 구리판으로 덧댄 차폐체로 감싸고 있는 구조체에 넣어두고 사용하였다. 검출기는 수직형 냉각장치에 설치되어 있으며 시간에 따른 시료의 방사선 세기를 관찰하기 위해 검출기 대비 시료를 항상 일정하게 위치시킬 수 있도록 시료(또는 선원) 지지대를 제작하여 사용하였다. 아크릴 원통 및 판을 이용하여 제작된 시료 지지대는 차폐체 바닥을 기준으로 수직 방향 위치를 고정하여 주고 원통의 내경을 삼각 플라스크의 외경에 맞게 제작하여 수평 방향 위치를 고정하였다. 검출기와 약간의 간격을 두고 외곽에 설치되는 지지대의 원통의 중심이 검출기의 중심과 가능한 한 일치하도록 아크릴을 도너츠 모양으로 깎아 끼웠다. 검출기 윗면과 시료를 담은 삼각 플라스크 바닥면 사이의 간격은 각각 약 5 mm 와 55 mm 이었다(도 2).
총 49일간 복합미생물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 발생하는 감마선 발생량을 측정하고 그 결과를 나타내었다(도 3 및 도 4).
위의 실험결과에 근거한 추세선을 이용하여 계산한 결과, 반감기가 30년인 방사능 동위원소의 137-세슘의 감마선 방출률 증가(4월 12일 ~ 4월 17일)에 따른 초기 유효 반감기는 39일이며, 방출률 감소(4월 18일 ~ 5월 31일)에 따른 후기 유효 반감기는 87일로 추정된다.
이와 같은 결과는 초기 감마선 방출률이 상승할 때는 Cs-137의 붕괴가 미생물의 작용으로 상대적으로 가속되었다고 가정할 수 있고, 하강 시는 방사성 붕괴의 가속 없이 미생물이 Cs-137을 직접 안정 동위원소(Ba-137 또는 Ba-138)로 원소변환(Biotransmutation) 시켰다고 가정할 수 있다.
상기 비교예 1 내지 7의 각각의 단독 미생물 조성물과 세슘을 접촉시키고, 이후 초당 발생하는 감마선 발생량을 측정하여 그 결과를 도 6 내지 도 12에 나타내었다. 단독 미생물 사용시에는 복합미생물 사용에서와 같은 감마선 방출률 감소가 나타나지 않아 원소 변환이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다.
실험예 2: Cs-137 및 조성물 함유 용액에서 원소 변환 확인
원소변환 여부를 알아보기 위하여 고분해능 유도결합 플라즈마 질량분석기(HR-ICP-MS)로 실험예 1에서와 같은 세슘 처리된 복합미생물을 60일 보관하고, 이후 채취한 시료 내의 137 Ba 및 138 Ba의 농도를 분석한 결과는 아래 표 1과 같다:
No. Sample name Ba137 RSD(%) Ba138 RSD(%)
Concentration(㎍/L) Concentration(㎍/L)
1 Control 0.1741 1.64 0.124 0.50
2 D 17.196 0.80 17.034 0.83
3 DX 23.974 0.47 23.838 0.35
D: 실시예 2의 복합미생물 함유 조성물 + 세슘 평균값;
DX: 실시예 1의 복합미생물 함유 조성물 + 세슘 평균값
Control: 세슘 함유 조성물
위의 결과를 볼 때 복합미생물을 첨가하지 않고 세슘만을 함유한 대조군(control)과 비교시 137 Ba의 농도는 약 100~140배로 증가하였으며 138 Ba의 농도는 142~194배로 매우 높게 증가하였다. 이와 같은 결과는 첨가된 복합미생물에 의하여 방사능물질 137 Cs이 비방사능물질 137 Ba 및 138 Ba으로 원소변환이 일어난 것을 알 수 있다.
실험예 3: Cs-137 및 조성물 함유 용액에서 각 미생물의 생존력 확인
미생물의 생존력을 확인하기 위하여 실험예 1에서와 같은 세슘 처리된 복합미생물 함유 조성물을 60일 보관하고, 이후 초기에 투입하였던 복합균주의 생존 여부를 확인하기 위하여 10㎖ 씩 채취한 시료를 멸균 생리식염수로 104배 희석하여 균주별 영양분이 포함된 고체배지(NA, MRS, TSA, PDA)에서 생존하여 자라는 미생물 균주를 관찰하였다(도 5 참조).
위의 결과를 볼 때 고농도(50,000 베크렐)로 오염시킨 방사능물질(137Cs) 하에서도 초기에 투입한 복합미생물 균주들이 죽지 않고 고농도(> 1 X 105 cfu/ml)로 생존하는 것을 알 수 있다.
한국미생물보존센터(국외) KCCM12163P 20171110 한국미생물보존센터(국외) KCCM12165P 20171110 한국미생물보존센터(국외) KCCM12157P 20171110

Claims (12)

  1. 내방사성 미생물, 효모, 곰팡이, 광합성 세균 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택된 중 어느 2종류 이상을 포함하는 복합미생물을 포함하는, 방사능물질을 비방사능물질로 원소변환시킬 수 있는 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내방사성 미생물이 다이노코쿠스 속, 크립토코쿠스 속 또는 바실러스 속 미생물이고,
    상기 효모는 크립토코쿠스 속, 사카로마이세스 속 또는 트라이포스포론 속 미생물이고,
    상기 곰팡이는 이르펙스 속 미생물 또는 패네로키테 속 미생물이고,
    상기 광합성 세균은 로도박터속 세균(Rhodobacter sp .), 클로로비움속 세균(Chlorobium sp .), 크로마튬속 세균(Chromatium sp .), 로도스피릴륨속 세균(Rhodospirillum sp .), 로돕센도모나스속 세균(Rhodopsendomonas sp .), 로돕슈도모나스속 세균(Rhodopseudomonas sp .) 이고,
    상기 녹조류는 트레보욱시아 속(Trebouxia sp.), 스티코코커스 속 (Stichococcus sp.), 엘립토클로리스 속 ( Eliptochloris sp.), 혹은 코코믹사 속(Coccomyxa sp.) 미생물인, 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복합미생물은 조성물 중 0.5 x 102 CFU/ml 내지 2.5 x 1010 CFU/ml의 농도로 존재하는, 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복합미생물은 조성물 전체 중량 기준으로 0.05 중량% 내지 60 중량%로 포함된, 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방사능물질은 세슘(Cs), 우라늄, 요오드, 스트론튬, 이리듐, 라듐, 또는 플루토늄인, 조성물.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 조성물이 환경적으로 허용 가능한 담체를 추가로 포함하는, 조성물.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 조성물이 방사능 폐기물 처리용, 혹은 방사능물질에 의해 오염된 토양이나 지하수 또는 폐수의 처리용인, 조성물.
  8. 내방사성 미생물, 효모, 곰팡이, 광합성 세균 및 녹조류로 이루어진 군으로부터 선택된 중 어느 2종류 이상을 배양배지 중에서 각각 배양하는 단계; 및
    상기 배양된 미생물들을 혼합하여 복합미생물 함유 조성물을 제조하는 단계를 포함하는, 방사능물질을 비방사능물질로 원소변환시킬 수 있는 조성물의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내방사성 미생물이 다이노코쿠스 속, 크립토코쿠스 속 또는 바실러스 속 미생물이고,
    상기 효모는 크립토코쿠스 속, 사카로마이세스 속 또는 트라이포스포론 속 미생물이고,
    상기 곰팡이는 이르펙스 속 미생물 또는 패네로키테 속 미생물이고,
    상기 광합성 세균은 로도박터속 세균(Rhodobacter sp .), 클로로비움속 세균(Chlorobium sp .), 크로마튬속 세균(Chromatium sp .), 로도스피릴륨속 세균(Rhodospirillum sp .), 로돕센도모나스속 세균(Rhodopsendomonas sp .), 로돕슈도모나스속 세균(Rhodopseudomonas sp .) 이고,
    상기 녹조류는 트레보욱시아 속(Trebouxia sp.), 스티코코커스 속 (Stichococcus sp.), 엘립토클로리스 속 ( Eliptochloris sp.), 혹은 코코믹사 속(Coccomyxa sp.) 미생물인, 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 배양은 20℃ 내지 40℃의 온도 범위에서 12시간 내지 7일간 배양하는 것인, 제조 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 복합미생물, 이의 배양액, 이의 혼합물, 또는 이의 건조물에 환경적으로 허용 가능한 담체를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 제조 방법.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 혼합이 교반하면서 혼합하는 것인, 제조 방법.
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