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개발 배경
오염된 토양을 복원하기 위한 처리 방법은 물리/
화학적 처리, 생물학적 방법이 있으며 각각의 방 법에 따라 다시 세분화된 방법으로 나뉜다. 이러 한 복원 방법들은 오염물질의 종류와 토양 오염의 특성에 따라 가장 적합한 방법이 적용되어야 하나 21세기에는 기존의 물리/화학적 방법에서 벗어나 미생물을 이용한 생물학적 처리 방법에 대한 의존 도가 커지고 있다. 그러나 미생물의 오염물질 처 리 능력에는 한계가 있으며 또한 최적의 미생물 성장 조건에서만이 최대의 제거 효율을 얻을 수 있다. 따라서 효율적인 생물학적 복원 방법을 적 용하기 위해서는 미생물의 특성 파악이 가장 중요 하다 할 수 있다.
DNA chip이란 유전자 검색용으로서 많은 종류 의 DNA를 고밀도로 붙여 놓은 것을 말한다.
DNA chip은 유리와 같은 고형체를 사용하므로 아주 적은 양의 유전물질을 고밀도로 붙일 수 있 고 동시에 많은 수를 검색할 수 있다는 장점이 있 다. 이러한 DNA chip을 오염 토양의 특성을 진단 하기 위한 기술로 개발하였다.
DNA chip을 이용한 진단 기법은 오염된 지역 의 미생물을 순화 분리하여 특정 오염물질에 대해 최대의 활성을 가지고 있는 미생물을 분리하고 활 성 미생물의 DNA(유전자)를 추출, 진단 기법화 하여 오염 토양의 생분해도를 실시간으로 평가할 수 있는 기술이다. 개발된 DNA chip은 오염 지역 의 특성을 파악하여 생물학적 복원 방안의 적용 가능성을 판단하며, 최적 생물학적 복원기술 선택 에 중요한 근거 기준이 된다. 또한, 단기간 내에 최적의 복원 방안을 찾아 복원 오염문제 해결에 소요되는 시간을 크게 단축시킴으로써 예산과 시 간을 절약할 수 있다.
국내외 관련 기술 활용 현황
오염토양 정화기술은 오염물의 종류, 토양의 특 성 등 지역의 특성에 따라 적용 기술이 달라지므 로, 정화 기술을 적용하기 위해서는 사전 현장조 사 기법의 개발이 가장 중요하며 이를 통해 기초 실험 및 pilot test를 수행, 필요한 data를 얻는다.
현재 오염토양 정화 기술은 생물학적 복원 기술에 대한 의존도가 가장 높으나 모든 오염 지역에 생
DNA chip
김 무 훈
삼성엔지니어링 기술연구소 바이오기술팀장 [email protected]
물학적 복원 기술을 도입할 수 있는 것은 아니다.
본 기술의 개발 목적은 이러한 문제를 해결하기 위해 특정 오염물질을 분해하는 미생물을 분리하 여 유전자 정보를 분석하여 이를 DNA chip화 한 뒤 오염지역의 생물학적 특성을 복원 기술 도입 전에 적용하여 미생물의 population dynamics를 진단하는데 있다.
오염된 토양으로부터의 미생물 DNA의 분리는 토양에서 미생물의 역할을 연구하고 유전공학적 으로 제조된 미생물의 운명을 추적하는 방법으로 아주 유용한 도구가 될 수 있다. 분해경로(catabolic pathway)에서 암호화된 DNA에 결합하기 위한 DNA 탐침자의 사용은 특정한 오염물질들의 분 해(degradation)를 위한 적절한 유전학적인 방법 의 이용가능성을 결정하는데 사용될 수 있다. 이 러한 종류의 측정은 오염된 토양에서 처리 방법들 을 디자인 하는데 유용하게 사용될 수 있으며 혼 합미디어에서 존재하는 미생물들의 기능을 결정 하는 것은 시스템의 공정을 평가하는 것과 같이 오염된 토양과 물의 생분해 시스템을 설계하기 위 해 유용하게 쓰인다.
국내의 경우, 특수 미생물의 screening 기술은 소규모 기업 단위의 투자가 대부분이고 미생물 군 집의 일반적인 acclimation을 통한 기술 개발 정 도에 그치고 있다. 또한 현재 분리 미생물을 제재 화하여 현장 적용이 가능한지를 알아보는 현장 적 용 가능 검증 단계에 있고, 해외의 경우는 미국 등 을 중심으로 비교적 활발한 연구 성과를 보이고 있는데 오염물질별 제재 개발 및 토양, 수질 분야 에 관해서는 실험실 규모의 실험 완료 후 현장에 적용한 상태에 있다.
DNA technology에 있어서 국내의 환경관련 미생물 DNA에 관한 연구는 극히 미진하고, 해외 의 경우는 미국, 영국, 독일이 DNA 관련 기술을 선도개발하고 있으며, 미국에 있어서는 유전자 개 량 미생물(GEMs)을 개발하여 현장에 적용한 바 있다.
개발경과 및 공정원리
오염 토양의 생물학적 분해능을 진단하기 위한 유류분해용 미생물 DNA chip은 2001년 9월부터 현재까지 약 2년의 시간을 투자하여 완성하였다.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 6, 2003…747
신·사·업·소·개
그림 1. 개발 경로.
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신·사·업·소·개
초기 1년 동안에는 유류 오염토양에서 분해능이 뛰어난 균주를 선별하였고 선별된 약 100여 종 균 주의 유전자를 database화 하여 DNA chip을 위 한 기본 자료를 마련하였다. 이렇게 확보된 유전 자 정보는 2년차에 DNA chip으로 제작되었으며 실 오염토양에 적용 그 성능을 확인하였다.
현재 개발된 DNA chip은 유류 오염토양 내에 존재하는 미생물의 성장 특성 및 유전자 정보를 확인, 복원 방향을 제시하여 오염토양 특성에 따 른 최적의 복원 기술 선택을 도모한다. 따라서 복 원 공법을 도입하기 전에 DNA chip을 활용하여 환경의 특성을 진단하는 것은 복원 기간의 단축을 가져와 복원 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.
DNA chip의 효율성 평가는 실제 유류 오염 토 양을 대상으로 하였다. 복원 공법 적용 대상 토양 을 취하여 DNA chip으로 분석, 1차적으로 분해 유전자의 존재 유무를 진단하였으며 유전자가 확 인된 지역에 생물학적 공법을 적용, 6개월 후 오염 물질 저감도를 평가하였고 유전자의 변화를 확인 하였다.
개발 효과
본 기술은 DNA chip을 이용하여 오염지역의 미생물학적 특성을 파악하고 오염토양 복원 기술 을 적용하는데 그 목적이 있다. 개발된 DNA chip 은 오염 토양의 분해특성을 진단하는데 사용되고 있으며, 오염토양의 분해 특성을 진단한 후 최적 의 복원 방안 적용을 위한 지표로 사용된다. 본 기 술의 개발 시 예상되는 개발 효과를 살펴보면 아 래와 같다.
① 오염물질 분해 미생물의 screening 기술을 통 한 미생물군 분리
② 분리 미생물 균주를 활용한 유류 오염토양 제 재 개발
③ 유류 오염 지역의 오염 특성 진단 기법 개발 –오염된 생태계의 미생물 분포를 파악함으로
서 환경오염을 진단
–미생물의 성장 제한 요소에 대한 평가 –진단 system화 할 경우 미생물을 이용한 실
시간 관리 체제를 도입가능
–진단 기법을 활용하여 최적의 복원 기술 제시
④ 유류 오염토양의 생물학적 평가 system 사업화
⑤ DNA chip의 상용화 및 관련 분야로의 응용 (수처리/정수장용)
향후에는 현재 개발된 유류 분해능 진단 DNA chip 기술을 바탕으로 토양 내 난분해성 오염물질 을 진단하는 chip을 개발할 예정이며 정성 뿐만 아니라 정량분석도 가능한 chip을 개발하여 생물 학적 오염토양 복원 기간을 단축하고 복원 시스템 을 최적화하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
그림 2. 오염토양의 유류 분해 유전자 검출(M:100bp DNA ladder plus marker, 1: alkB primer를 이용한 PCR 증폭, 2: ndoB primer를 이용한 PCR 증폭, 3:
todC1 primer를 이용한 PCR 증폭, 4: C23DO primer 를 이용한 PCR 증폭)
