항생제는 미생물이 원인이 되는 질병을 치료하거나 예방을 목적으로 사용되는 의약품으로 1928년 Alexander Fleming이 발견한 penicillin 이후 수많은 항생제가 개발되어 인류 및 축산업에 많은 공헌을 하였으나, 최근에는 과다사용, 오남용 및 불용 항생제의 폐기 등으로 인하여 환경 중에서 다양한 항생제가 검출됨에 따라 새로운 환경오염문제로 대두되고 있는 실정이다.1)
항생제는 생체 내에서 일부가 대사되고 나머지와 대사산물은 분뇨를 통해 체외로 배출 된다. 항생제는 직접적인 사용을 통해 환경 중으로 배출되기도 하며, 분뇨의 토양투기, 표면유출, 유출수의 배출 등과 같은 간접적인 경로를 통해 배출되기도 한다.2) 또한 간접 적인 배출경로로서 체외로 배출되어 오․폐수처리장으로 유입된 항생제는 생물학적인 분해에 대한 저항성이 있어 기존의 생물학적 공법을 사용하고 있는 수처리공법으로는 항생제 처리가 완벽하게 이루어지지 않기 때문에 처리장의 유출수와 주변 수생태계에서 각종 항생제가 미량 검출되고 있는 실정이다.3,4)
항생제 중 sulfonamide계는 극성이며 양쪽성인 물질로 물에 쉽게 녹기 때문에 환경 중에서 이동성이 용이하여 지표수에서 자주 검출되고 있으며,4) fluoroquinolone계는 다양한 세균에 대하여 광범위하게 사용되고 있는 항생제로5,6) 대부분 체내에서 완전히 분해되지 않은 채 체외로 배출되며,7,8) quinolone ring의 화학적인 안정성과 가수분해에 대한 저항성 때문에 환경오염을 지속시킬 수 있는 잠재성이 있다.9)
수환경 중에서 항생제의 검출에 관한 연구는 많이 이루어지고 있다. Kim 등10)은 한강유역에 위치한 하수처리장에서 잔류항생제를 분석한 결과, 주로 sulfonamide계인 sulfamethoxazole이 유입수와 방류수에서 각각 0.156 ～ 0.984 μg/L와 0.025 ～ 0.492 μg/L의 범위에서 검출되었으며, 주변의 강에서도 sulfadimethoxine과 sulfamethoxazole이 각각 0.013과 0.082 μg/L까지 검출되었다고 보고하였다. Myung11)은 전국의 수계별 4대강 유역의 축산폐수처리장의 유입수에서 tetracycline계, sulfonamide계 및 lincosamide계 항생제가 각각 2,959.512 μg/L, 659.742 μg/L 및 235.783 μg/L까지 검출되었으며, 방류수에서도 상기의 각 항생제가 각각 523.648 μg/L, 241.672 μg/L 및 25.863 μg/L까지
검출되었다고 보고하였다. Kam12)은 제주지역의 축산폐수처리장에 대한 항생제의 잔류실태 결과에서도 주로 sulfonamide계, lincosamide계, tetracycline계, macrolide계 및 fluoroquinolone계 항생제가 검출되었으며, 방류수 중에서도 0.01 ～ 0.23 μg/L까지 검출되고 있어 기존의 생물학적 처리공법으로는 항생제가 완벽하게 처리되지 않는다고 보고하였다.
환경 중에 노출된 항생제는 새로운 부류의 환경오염물질로서 항생제 내성균을 발현시키거나,13) 내분비계 장애물질로서 수생생태계에 위해를 초래하므로14) 이를 제거하기 위해서는 기존의 생물학적 처리방법 외에 부가적인 처리방법에 대한 개 발이 절실히 필요한 실정이다.
여러 연구자들은 항생제를 완벽하게 처리할 수 있는 처리방법으로써 오존, 과산화 수소와 같은 산화제 및 광촉매, UV 등의 공정을 결합한 고급산화공정(AOP, advanced oxidation process)을 제시하고 있다.
Garoma 등15) 및 Lange 등16)은 오존산화법은 항생제의 제거에 매우 효과적인 방법 이라고 보고하였으며, Balcioğlue와 Ӧtker17)는 항생제 처리에 있어 O3 공정, O3/H2O2
공정 및 O3/UV 공정을 비교한 결과, O3 공정과 O3/H2O2 공정은 비슷한 분해능을 나타 내나 O3/UV 공정은 약간 향상된 분해능을 보여, O3 공정 및 O3/UV 공정은 항생제 분해를 위한 유망한 기술이라고 하였다. Gonz´alez 등18), Homen과 Santos19) 및 Oller 등20)은 AOP 공정과 생물학적 처리공정의 결합은 항생제를 포함하는 난분해성인 폐수 처리에 대해 최적의 처리공정이라고 보고하였다.
고급산화공정과 더불어 최근에는 플라즈마에 의하여 생성된 각종 활성종들을 이용한 플라즈마 공정에 대한 연구가 진행 중에 있다. 플라즈마 공정은 O3, OH 라디칼 (OH°)과 H2O2 등과 같이 산화전위가 높은 활성종들을 생성하기 때문에 유기오염 물질을 산화시켜 분해시키는 데 매우 효과적이며,21～23) 광범위하게 사용이 가능하고 2차 오염물질을 생성하지 않기 때문에 친환경적인 기술로 알려져 있다.24) 플라즈마를 이용한 수중의 유기물질 제거와 관련하여 염료,25～28) 농약,21) 페놀29～31) 등에 대하여 수행한 연구들은 많이 있으나, 항생제의 분해에 관한 연구는 극히 드문 편이다.
플라즈마를 이용한 항생제의 분해에 관한 연구로는 Magureanu 등32,33)에 의한 기액 계면에서 생성되는 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge, DBD) 플라즈마를
이용한 chloramphenicol로 오염된 토양의 정화능에 대한 연구가 있으며, 이들의 연구결과 플라즈마 공정은 난분해성 항생제를 포함한 폐수 및 토양처리에 매우 효과적인 처리 공정이라고 제안하였다.
본 연구에서는 국내외적으로 각종 오․폐수처리시설의 생물학적 처리시스템에서 제거되지 않고 잔류하는 항생제로 인한 환경위해성을 예방할 목적으로 DBD 플라즈마 반응기를 이용하여 항생제의 분해특성에 대한 연구를 수행하고자 하였으며, 분해 대상 항생제로는 다양한 세균성 질환을 예방하기 위하여 인간 및 축산용 의약품에서 광범위하게 사용되고 있으며, 그로 인해 각종 처리시설 및 환경 중에서 많이 검출되고 있는 것으로 보고되고 있는 sulfonamide계인 sulfathiazole(STZ), sulfamethazine(SMT) 및 sulfamethoxazole(SMZ)과 fluoroquinolone계인 enrofloxacin(ENR)과 ciprofloxacin (CIP)을 선정하였다. DBD 플라즈마 반응기를 이용하여 선정된 상기 5 종류 항생제의 분해효율에 미치는 유입가스, 가스유량, 인가전력 및 초기농도 등 여러 가지 운전 조건의 영향을 살펴보았고, 또한 항생제의 분해로부터 생성되는 분해산물은 LC-TOF-MS 등의 기기분석을 통하여 물질을 확인하여 플라즈마 반응에 의한 각 항생제의 분해경로를 제시하였다.