Applications and Prospects of Calcium Carbonate Forming Bacteria in Construction Materials

pISSN 1598-642X eISSN 2234-7305

건축공학분야에서 탄산칼슘형성세균의 응용과 전망

박성진·김사열*

경북대학교 생명과학부 미생물연구소

Received : February 21, 2012 / Revised : April 5, 2012 / Accepted : April 6, 2012

Applications and Prospects of Calcium Carbonate Forming Bacteria in Construction Materials. Park, Sung-Jin and Sa-Youl Ghim*. School of Life Sciences and Institute for Microorganisms, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea − Microbiological calcium carbonate precipitation (MCCP) is being applied for the aesthetic restoration of cement buildings destroyed by biochemical processes and to block water penetration into the cement’s inner structure. After determining the advantages of this technique, many related studies in the area of architecture concerning the application of microorganisms to improve construction material have been reported in both America and Europe. The techniques compatibility with cement material is especially interesting because of the needed screening of various calcium carbonate forming-bacteria and the required development of their application methods. The purpose of this review is to describe the mechanism of MCCP and related researches with eco-friendly construction materials. Mainly, we describe the methodological studies focused on biodeposition on the surface of building materials and the research trends concerning the addition of microorganisms to improve the durability of cement structures. Additionally, the concepts and technical aspects focused on the development of self-healing smart concrete, with the use of multi-functional bacteria, have been considered.

Keywords: Biomineralization, carbonate precipitation, portland cement, crack remediation, strength improve- ment, self-healing smart concrete

서 론

대기 중에 노출된 시멘트 건축물 표면은 물리·화학적 혹 은 생물학적 풍화 침식으로 인해 미세균열이 빈번히 발생할 수 있다. 그 균열부위로 침투한 수분 및 화학물질들에 인해 건축구조물은 내구성에 치명적인 영향을 받게 된다[25, 26, 46, 48, 49]. 시멘트 표면 미세공극구조로 수분과 화학물질 (염, 황) 침투가 빈번해지고, 그로 인해 시멘트 구조물 내 일 정수준 존재하는 미세공극체계가 침투한 수분 및 화학물질 에 의해 연쇄적으로 확장된다[25]. 확장된 균열부위와 내부 공극은 외부물질의 투과성을 높여 시멘트 구조물 내구성에 치명적인 수분 및 화학물질의 침투는 가속화 된다.

균열부위로 침투된 황산염이온(sulfate ion)은 에트링자이 트(ettringite)를 형성, 공극을 더욱 확장시켜 시멘트 구조물 의 내구성을 떨어뜨린다. 또한 염화물 이온(chloride ion)은 철근 시멘트 구조물 내부로 침투하여 강도에 결정적인 역할 을 하는 철근 표면의 부동화 피막(passivation film)을 산화 시켜 철근의 부식을 가속화 시킨다. 철근의 부식과 파괴는 구조물 전체 내구성의 저하를 야기한다[25]. 많은 화학합성

제품들이 이러한 침식된 구조물 보수에 사용되고 있는데 대 부분 제품들이 휘발성 유기물질을 이용하고 있어 환경적으 로 유해하며 그 효과가 지속적이지 않아 많은 비용이 소모 되는 것으로 알려져 있다[7, 8, 20, 24].

합성유기물질과 더불어 무기물질로써 탄산칼슘(CaCO3)이 주성분인 석회암(limestone)을 물에 현탁하여 균열부위에 코 팅시키는 방법도 이용된다. 이 방법은 적용된 석회암-물 혼 합액을 시멘트 구조물 표면 처리하여 원재료 상에 새로운 석 회질막을 형성하도록 유도하는 것이다[17, 31, 32, 44]. 이 경 우 시멘트 표면에 적용된 석회질 알갱이들이 공극을 어느 정 도 수복할 수 있지만 물리·화학적으로 완전히 원재료와 결 합되지 못해 공극을 잇는 견고한 가교의 역할을 하진 못한다.

그로 인해 처리된 무기 석회질 보수제는 쉽게 떨어져 나오는 단점이 있다[17, 31, 42]. 시멘트 재료적 특성상 지속성과 기 타 목적으로 사용된 원재료와의 호환성 문제는 친환경 스마 트 건축 재료개발에 있어서 풀어야 할 핵심 과제이다.

그러한 시멘트 건축물의 균열을 보수하고 역학적 성능을 개선하기 위해 미생물에 의한 광물형성작용(calcium carbonate precipitation)을 이용한 연구가 활발히 보고 되어 왔다[1, 18, 19, 38]. 마이크로 단위의 미생물은 쉽게 시멘트구조물 표면 의 미세공극에 침투할 수 있고 침투된 미생물 표면에 형성 된 탄산칼슘결정은 원재료와 결합력이 견고하여 합성 유-무

*Corresponding author

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REVIEW

기화학제품과 달리 그 효과가 탁월하다[41, 42, 44].

그리고 미생물 생장에 필요한 기본 영양성분만 제공되면 무한히 분열 가능한 미생물의 특성상 그 효과가 지속가능하 며 균열보수는 물론 역학적 성능개선에도 그 효과가 입증되 고 있다[14, 16, 17, 34-36]. 시멘트 구조물의 내구성증진 및 보수에 사용하기 위한 광물입자의 다양성과 형상제어에 관 한 연구가 화학적인 침전 반응을 거쳐서 합성된 침강성 탄 산칼슘에 관심이 집중되어 있다[5, 29].

실제로 국내 건설재료 분야에서 콘크리트에 관한 미생물 학적 연구 중 질병을 유발시키는 유해세균, 곰팡이 등의 제 거에 관한 연구는 많이 알려졌지만, 미생물의 탄산칼슘형성 작용을 이용한 콘크리트 균열보수 및 성능향상에 관한 연구 는 전무한 실정이다. 따라서 본 총론을 통하여 미생물에 의 한 탄산칼슘형성작용 메카니즘을 알아보고 그 응용가능성에 대하여 검토해 보고자 한다.

본 론 시멘트 제료특성 및 제조과정

물과 반응하여 굳어지는 수경시멘트(hydraulic cement)는 콘크리트와 모르타르를 만드는 결합제(binding agent)로서 건 설분야에서 없어서는 안 될 핵심적 재료로 알려져 있다[5, 8, 25, 33]. ‘수경’이란 물에 의해 시멘트 가루가 견고한 암 석이 되어 최대 강도를 나타내게 되는 화학적 수화반응을 의 미한다[25, 33, 34]. 석탄이 타고 남은 지표면의 고운 클링 커(clinker)와 석회암을 고온에서 태워 얻은 수경시멘트의 한 종류인 포틀랜드시멘트(portland cement)는 강하고 견고하며 가격이 비교적 저렴한 편이다[5, 25, 33]. 그로 인해 포틀랜 드시멘트는 지난 2세기 동안 전세계적으로 가장 많이 사용 되어 온 건축재료 중 하나이다[16, 25, 30, 33, 34].

포틀랜드시멘트의 제조는 원료공정, 소성공정, 제품화공정

등으로 크게 나눌 수 있다. 원료공정은 석회석, 점토, 규석, 산화철 원료를 배합하고 미분쇄하여 각각의 원료들이 균일하 게 혼합하는 공정이다. 다음 소성공정은 원료배합물을 프리 히터를 통하여 충분히 소성한 후 냉각하여 시멘트 클링커로 만들 때까지의 공정이다. 최종적으로 제품화공정은 클링커에 적당량의 석고를 가하여 제품가루로 미분쇄 하여 제품을 만 드는 공정이다. 그 중, 제조공정에서 섭씨 1,500도 이상의 고 온이 필요하나 그 과정 중에 다량의 이산화탄소가 발생하는 데 이것이 지구 온난화의 주요인으로 알려져 있다[25]. 최근 이러한 시멘트의 제조 특성으로 인하여 야기되는 생태환경적 유해성을 보완하고 유·무기 화합물을 첨가하여 공학적 내 구성을 개선하기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있다[25].

미생물 탄산칼슘형성 연구동향

미생물에 의한 탄산칼슘침전은 Boquet 등(1973)에 의해 Bacterium calcis에서 처음으로 보고됐다. 그들은 탄산나트 륨 또는 탄산암모늄이 함유된 인공해수를 이용한 실험에서 B. calcis에 의한 탄산칼슘(aragonite, CaCO3의 한 형태)침전 을 유도하였다[11]. 이들과 유사한 방법으로 Adolphe 등 (1974)은 온천수의 침전물인 응회암(tuff)과 석회암(travertine) 에서 분리한 세균을 이용하여 탄산침전을 실험실에서 유도 하기도 했다[2, 17]. 그 후 Adolphe 등(1989)은 사하라 사막 과 목초지 같이 극한 기후에 존재하는 방해석 표면의 생물 학적 기원을 입증하였다. 이들은 이 연구에서 방해석 표면 의 생물학적 탄산침전층이 물리화학적 침식에 대하여 매우 견고한 것을 확인하였다[4, 17]. 그들은 또한 1990년에 미생 물에 의한 표면코팅효과의 장점에 대한 특허를 획득하고, Calcite bioconcept라는 법인을 설립하였다[4, 17]. 이 기술은 시멘트 구조물 표면에 영양배지와 세균을 함께 분주하여 정 착을 유도한 뒤 4일 후에 배지만을 다시 분주하고 미생물 탄산칼슘형성을 유도하였다(Fig. 1). 또한 침식된 부위에 석

Table 1. Overview of different applications in which biocementation has been used for building materials [17].

Application Organism Metabolism^a Solution^b Ref.

Biological mortar Bacillus cereus

Arthrobacter crystallopoietes

ODAA HU

Nutrical SF

[4]

[35]

Remediation of cracks in concrete

Sporosarcina pasteurii Bacillus sphaericus Microbacterium resistens Agrobacterium tumefaciens

HU HU HU HU

SF

Growth and biocementation medium SF

SF

[39]

[17]

[36]

Bacterial concrete Sporosarcina pasteurii Shewanella

Myxococcus xanthus

HU - ODAA

SF - M-3P

[39]

[20]

[42]

Self-healing Bacillus pseudofirmus Bacillus cohnii

- OAU

-

Calcium lactate

[27]

aODAA, oxidative deamination of amino acids; HU, hydrolysis of urea; OAU, organic acid utilization.

bComposition of solution; Nutrical, yeast extract, urea, CaCl₂•2H₂O, actical, natamycine; SF, 3 g L^-1 nutrient broth, 20 g L^-1 urea, 1.4-5.6 g L^-1 CaCl_2•2H₂O, 10 g L^-1 NH₄Cl, 2.12 g L^-1 NaHCO₃; growth medium and biocementation medium, 20 g L^-1 yeast extract, 20 g L^-1 urea, 50 g L^-1 CaCl₂•2H₂O; M-3P, 10 g L^-1 bacto casitone, 10 g L^-1 Ca(CH₃COO)₂•4H₂O, 0.2 g L^-1 K₂CO₃•1/2H₂O in 10 mM phosphate buffer (pH 8); -, not available. This table was culled from De Muynck et al. (2010) and revised in this review.

회암과 세균을 혼입하여 영양배지와 섞어 처리하는 방법으 로 침식부위를 수복 하였다(Fig. 1). 표면균열의 수복과 함 께 첨가된 색소에 의해 원재료와 이질감 없는 색감을 구현 할 수도 있다(Fig. 1).

건축재료로써 미생물 이용에 관한 연구성과는 많은 수가 현재 보고되고 있다. 현재까지 주로 유럽을 중심으로 연구 가 진행됐고, 최근 미국과 중국에서도 많은 연구들이 보고 되었다[14]. 중국에선 고대 석조건물 보수와 콘크리트 구조 물 보수를 위해 미생물 탄산칼슘침전작용이 이용됐고[45], 미생물 생체광물형성작용에 의한 탄산칼슘생산 방법에 대한 특허권을 취득했다[14, 45]. 중국의 특허 등록이 가능했던 것 은 1990년 최초로 이와 유사한 방법으로 등록된 Adolphe 등 의 특허가 2010년에 그 기한이 만료됨으로써 가능했으며 전 세계적으로 이 부분에 대한 특허가 경쟁적으로 보고될 것으 로 보인다[3]. 인도에선 Shewanella를 이용한 콘크리트 압축 강도 증진에 관한 특허가 보고되기도 하였다[14, 39].

유럽을 중심으로 시작된 미생물 탄산칼슘침전에 의한 건 축물 표면 수복은 침식되거나 오염된 건물외부 코팅에 주로 이용되었다. 하지만 21세기에 들어 서면서 석회암 구조물의 균열보수와 강도증진과 같은 내구성증진에 그 응용연구가 활발해졌다. 특히 Bang 등(2001)은 Sporosarcina pasteurii

의 유레아분해성 탄산칼슘침전(ureolytic calcium carbonate precipitation)을 이용한 시멘트 구조물의 강도증진과 균열보 수효과를 최초로 보고하였다[6]. 그 후 보다 견고한 탄산칼 슘층을 만드는 미생물의 선별과 다양한 배양조건 및 적용방 법적 연구들이 다수 보고되었다[20, 21, 34-36].

현재까지 건축소재로써 거론된 광물형성세균은 대부분 호 기적 그람양성세균인 Bacillus 속에 속한다(Table 1). 응용된 방법에 따라 크게 균열보수, 자기수복, 생물콘크리트, 생물 학적 시멘트시편 등으로 나눌 수 있다. 거기엔 질소고정대 사와 관련된 작용기작이 주로 이용되었다(Table 1). 그 중엔 광물형성기작과는 상관없이 혐기성세균에 의해 시멘트시편 의 내구성을 증진시켰다는 보고와 그람양성세균인 바실루스 속과는 다른 그람음성 점액세균인 Myxococcus xanthus를 이 용한 내구성 증진 연구도 있다(Table 1). 다양한 광물형성세 균들이 특이적 광물형성작용기작에 따라 건축소재로써 다양 한 방법으로 응용되고 있는 셈이다.

미생물에 의한 탄산칼슘침전 반응

미생물에 의한 광물형성작용(biomineralization) 메카니즘 은 생물제어와 생물유도광물형성으로 나눌 수 있다[9, 11, 18, 23, 44]. 생물제어광물형성의 경우 개체가 광물발생 및 성장을 제어하는 것으로 특이적인 개체에 의해 환경과 독립 적으로 일어나는 반응이다[14, 19, 23]. 자철석(magnetite)을 형성하는 마그노테틱 박테리아(Fig. 2)와 실리카(silica)를 퇴 적시키는 단막조류(coccolithophores)와 규조류가 여기에 속 한다[10, 44]. 반면에 생물유도광물형성은 환경에 의존적이 며 특별한 구조나 분자메카니즘이 관여하지 않는 반응이다.

Fig. 2. TEM of a cell of Shewanella putrefaciens grown anaero- bically in an H2/Ar atmosphere with poorly crystalline ferrihy- drite (ferric oxyhydroxide) as the electron acceptor [10]. Cells grown under these conditions biomineralize intracellular grains of ferric hydroxide (at arrow) that are partially composed of magne- tite and/or maghemite (γ-Fe2O₃). Image courtesy of Susan Gla- sauer. Bazylinski et al. (2007).

Fig. 1. Several applications of the biomineralisation process [32]. Le Metayer-Levrel et al. (1999).

황의 환원, 요소의 가수분해, 광합성 같은 미생물 대사과정 중 우연히 발생하는 부산물(by-product)로 광물결정이 형성 된다[30]. 광물결정을 형성하는 미생물은 흙, 담수의 생물막 (biofilm), 바다, 염호(saline lake) 등의 환경에서 광범위한 종 들이 발견되어 왔다[18, 38, 40, 41]. 실제적으로 탄산칼슘 침전과 관련된 종들은 시멘트의 건축공학적 특성을 개선하 기 위한 생물제재(biomaterial)로서 그 응용 가능성이 연구되 고 있다(Fig. 6, 9)[21, 29, 30, 36, 37]. 화학적인 처리 과정 시 발생하는 많은 환경적인 문제와 소요되는 막대한 비용을 고려한다면 친환경적인 미생물 탄산칼슘형성작용은 그 응용 가능성이 매우 높다고 할 수 있다(Table 2).

생물유도광물형성 반응으로 가장 잘 알려진 것은 미생물 에 의한 탄산칼슘 침전이다. 미생물 대사과정 중 pH와 탄산 (CO₃^2-)의 증가로 인해 세포벽 주변환경이 칼슘이온 침전에 유리한 환경을 제공한다[1, 19]. 탄산칼슘이 형성되기 위해 선 먼저, 결정성장에 필요한 결정핵생성 부위(neucleation site)가 있어야 한다. 그곳은 음극전하를 띠는 미생물 세포벽 의 기능 그룹들이 2가 양이온을 끌어당겨 광물결정성장을 위한 결정핵생성 부위로써 작용한다[10, 12, 16]. 그외에도 미생물 유래 외부분비물질에 포함된 특별한 단백질 및 다당 류 또한 결정핵생성 부위로 작용할 수 있다[22, 24, 43].

그 다음으로 결정이 계속적으로 성장하기 위한 탄산침전 (carbonate precipitation)이 필요하다. 탄산칼슘형성에 중요한 요소인 미생물의 탄산침전(microbial carbonate precipitation)

은 생화학적 대사과정에 의해 발생한다. 그 생화학적 대사 과정은 종속영양과 타가영양대사경로에 있다. 유기물이 풍 부한 호, 혐기성 환경에서 타가영양세균 집락에 의해 항상 탄산침전현상은 발생한다[13]. 첫째로 타가영양세균인 황환 원세균에 의해 황이 이화적으로 환원될 때 pH와 탄산염 (carbonate) 양이 증가한다[12]. 둘째로 질소고정과 관련된 대 사경로 중 호기적 환경에서 아미노산의 산화적 탈아민화 반 응과 질산염(nitrate)의 이화적 환원반응, 요소의 가수분해반 응 등에 의해 탄산침전이 유도된다[13, 16]. 이들 침전경로 는 자연에서 흔히 관찰되는 현상이며, 미생물 탄산칼슘형성 에 있어서 핵심적인 요소이다. 게다가 세포벽의 이온교환 대 사 중 또한 탄산침전이 유도된다[13]. 다양한 메카니즘이 연 관된 탄산침전현상의 특성상 미생물 종 차이로 특이적인 탄 산칼슘결정이 유도되며 이러한 결정학적 다양성으로 그 응 용범위가 매우 넓은 것으로 여겨진다[18, 32, 34, 35].

탄산침전과 더불어 탄산칼슘형성에 유리한 환경을 제공하 는 것이 요소의 가수분해(urea-hydrolysis)다(Fig. 3). 미생물 이 분비한 유레아제(urease)에 의해 1분자의 요소가 분해되 어 1몰(M)의 암모니아와 1몰의 카르바민산염(carbamate)을 만든다(equation 1). 1몰의 카르바민산염은 자연적으로 물에 의해 다시 1몰의 암모니아 와 1몰의 탄산(carbonic acide)으 로 가수분해 된다(equation 2). 이 생성물들은 연속적으로 물 과 반응하여 2몰의 암모늄이온과 중탄산염(bicarbonate) 그 리고 수산화물이온(hydroxide ions)으로 변환된다(equations

Fig. 4. Typical ureolytic CaCO₃ precipitation sequence, starting with the formation of amorphous CaCO₃, followed by crystalliza- tion and crystal maturation [23]. Hammes et al. (2003).

Fig. 3. Simplified representation of the events occurring during the ureolytic induced carbonate precipitation. Calcium ions in the solution are attracted to the bacterial cell wall due to the negative charge of the latter [22]. Upon addition of urea to the bacteria, dissolved inorganic carbon (DIC) and ammonium (AMM) are released in the microenvironment of the bacteria (A). In the presence of calcium ions, this can result in a local supersaturation and hence heterogeneous precipitation of calcium carbonate on the bacterial cell wall (B). After a while, the whole cell becomes encapsulated (C), limiting nutrient transfer, resulting in cell death. Image (D) shows the imprints of bacterial cells involved in carbonate precipitation. Hammes and Verstraete (2002).

3 and 4). 요소의 가수분해가 일어나는 환경의 높아진 pH로 인해 중탄산염(bicarbonate)은 탄산염 이온으로 변환되고, 이 탄산염 이온이 가용성의 칼슘이온과 결합하여 탄산칼슘결정 을 형성하게 된다(equations 5 and 6)[16, 20]. 탄산칼슘결정 이 형성되는 형태를 보면, 고체배지에서 세균 콜로니 중심 부위부터 결정형성이 시작되고 차츰 그 크기가 커지는 양상 을 띤다(Fig. 4). 미생물탄산칼슘 침전은 외막의 음극전하와 질소대사작용에 의해 조절되거나 혹은 유도되는데 형성되는 결정은 그 형태, 크기, 색깔 등이 종에 따라 큰 차이를 나타 낸다(Fig. 5) [21, 34, 35].

CO(NH₂)₂+ H₂O → NH2COOH + NH₃ (1) NH₂COOH + H₂O → NH3+ H₂CO₃ (2) H₂CO₃ ↔ HCO3− + H⁺ (pK_a2= 6.37) (3) 2NH₃+ 2H₂O ↔ 2NH4++ 2OH⁻ (4) HCO₃⁻+ H⁺+ 2NH₄⁺+ 2OH⁻↔ CO32−+ 2NH₄⁺+ 2H₂O (5) CO₃²⁻+ Ca²⁺ ↔ CaCO3 (K_SO= 3.8× 10⁻⁹) (6) 현재까지 탄산칼슘침전과 관련된 정확한 분자생물학적 메 카니즘은 밝혀지지 않고 있으며, 2006년 Bacillus subtilis에 서 탄산칼슘침전에 연관된 lcfA 오페론이 최초로 보고됐다 [8, 16]. 이 연구에서 탄산칼슘침전능을 잃은 미생물 돌연변 이균주를 보고하여 탄산칼슘 침전반응은 특정 개체에 의해 특이적으로 발생하는 생태학적으로 매우 중요한 과정으로 제안되었다. 또한 이 반응과 연관된 유전공학적 연구의 필 요성이 제기되기 시작했다[8, 16, 17].

미생물에 의한 탄산칼슘형성작용이 가장 폭넓게 활용된

분야는 오래된 시멘트 건축 구조물 및 기념물 표면에 새로 운 탄산칼슘층을 코팅하는 것이다[50]. 구조물 표면에 침전 된 미생물 탄산칼슘은 구조물 내부로의 수분 침투를 차단하 고 내구성을 증진시켰다. 적용된 방식은 표면에 칼슘이 함 유된 영양배지에 탄산칼슘형성세균을 섞어 분사하는 방식이 주로 사용되어 왔다[50].

미생물 탄산칼슘형성에 의한 시멘트 구조물 표면 코팅 오래된 시멘트건축물은 자연적 풍화·침식으로 인해 표 면이 깍이고 부식되어 건물 외관을 해친다[4, 50]. 건물외관 의 보수에는 기본적으로 원재료와 유사한 재료를 붙여 침식 된 부위를 메우고 색을 입혀 보수한다. 이러한 기존 보수방 식은 원재료와의 호환성이 가장 큰 문제인데 처리된 대부분 의 화학적 합성결합제는 지속적으로 침식된 부위를 덮지 못 하고 떨어지거나 다시 깍이는 등 원재료와의 호환성이 낮아 지속성이 떨어진다[4, 6, 39].

반면 미생물에 의한 탄산칼슘형성작용은 마이크로 단위의 미생물이 시멘트표면 미세공극에 침투하여 원재료와 결합된 형태의 탄산칼슘결정을 형성하기 때문에 그 호환성과 지속 성이 매우 크다[6, 34]. 또한 형성된 탄산칼슘은 시멘트 구 조물 표면의 미세공극을 메워 외부 수분 및 화학물질의 침 투를 막을 수 있다(Fig. 8, 9)[19, 23, 35, 36]. 시멘트 재료 배합단계에 광물형성미생물을 첨가하면 그 이후 건축 구조 물 내부에 발생할 수 있는 미세균열을 자동적으로 메울 수 도 있다(Fig. 8). 이 방법은 기존에 이용되던 석회질과 물 혼 합액 처리법과 비교실험을 통해 그 견고성이나 효과 지속성 이 우월한 것으로 보고 되었다[5, 34, 35, 40]. 더 나아가 시 Fig. 5. Crystal images induced by CFB isolated from Dokdo island. The images were captured by biology stereomicroscope (×40) equipped with zentech digicam [36]. The CFB shows strain-specific CaCO₃ precipitation on urea-CaCl₂ medium: A, Arthrobacter nicoti- novorans KNUC601; B, Microbacterium resistens KNUC602; C, Agrobacterium tumefaciens KNUC603; D, Exiguobacterium acetylicum KNUC604; E, Stenotrophomonas maltophilia KNUC605; F, Bacillus thuringiensis KNUC606; G, Raoultella ornithinolytica KNUC607.

Park et al. (2010)

멘트 모르타르에 미생물을 투입하여 압축강도와 같은 내구 성 증진에 효과가 있음 또한 입증되었다[5, 16, 19, 37, 39].

Le Metayer-Levrel 등(1999)은 미생물 탄산칼슘형성작용 을 석회질 빌딩과 기념물의 표면 보호코팅제(biocalcin)로 사 용한 바 있다. 미생물 탄산칼슘형성유도를 위한 배지는 탄 산침전과 연관된 질소순환 대사과정의 활성화에 적당한 조 건으로 제작되었다. 우선 영양배지와 탄산칼슘형성미생물을 혼합하여 석회질 구조물 표면에 분사하였다. 분사 4일후에 동일한 부위에 미생물을 제외한 영양배지만을 다시 분사해 주어 탄산칼슘형성미생물에 석회질 구조물 표면에 바이오칼 신(biocalcin)이 침전되도록 하였다. 미생물이 처리된 구조물 표면의 전자현미경 사진에서 바이오칼신에 의해 촘촘히 코 팅된 미생물을 확인할 수 있었다. 이러한 미생물에 의한 탄 산칼슘의 표면코팅은 외부 요소들의 침투를 막고 원재료의 풍화·침식을 방지할 수 있는 것으로 알려져 왔다[32].

또한 광물형성작용을 적용할 때 색소를 첨가하여 원래의 건물벽과 일치하는 색상을 만들어 냄으로써 원 건물과 동일 한 색상의 코팅으로 그 호환성을 입증하였다. 관련 연구자 들에 따르면, 호기적 또는 혐기적 환경에서 탄산칼슘형성에 우호적인 환경을 유도하며 질소대사과정을 촉진할 수 있는 영양배지의 구성에 적절한 미생물을 선택하면(B. cereus) 그 효과를 극대화 할 수 있다고 제안하였다[32].

유사한 실험으로 Tiano 등(1999)은 비정형 방해석 (rhombohedral calcite) 결정을 형성하는 B. subtilis를 이용하 여 석회암 표면을 코팅하였다. 표면에 코팅된 미생물에 의 한 탄산칼슘막은 석회암의 수분침투율을 60%정도 감소 시 켰고, 드릴을 이용한 물리적 외부자극에 견고하게 결합되는 지를 측정한 결과 음성대조군에 비해 그 결합력이 높음을 확 인하였다.

Rodriguez-Navarro 등(2003)은 이전에 널리 연구된

Fig. 6. Thin sections (I) and SEM pictures (II) revealing the presence of a layer of carbonate crystals on the surface of w/c 0.5 (1) and w/c 0.7 (2) specimens treated with bacteria and calcium chloride (B) or bacteria and calcium acetate (C) [16]. 1A and 2A present an untreated surface. In B and C crystals with size up to 100 ìm are clearly present. 3 indicates the bacterial mediation of carbonate pre- cipitation, as black spots (I) and small rods (II) are clearly visible inside the crystal structure. De Muynck et al. (2008).

Bacillus 종과 달리, 호기적 그람양성세균인 M. xanthus의 탄 산침전작용이 석회암 공극체계에 견고하고 조밀한 탄산 매 트릭스를 형성함을 입증하였다. 그 들은 M. xanthus와 칼슘 이 함유된 M-3P 배지(1% bacto casitone, 1% Ca(CH3OO)₂· 4H₂O, 0.2% K₂O₃·1/2H₂O, pH 8)를 함께 석회암 표면에 분 사하여 그 광물형성을 전자현미경으로 관찰하였다. M. xanthus 가 처리된 석회암 표면에는 바늘모양의 배터라이트(vaterlite) 와 석회화(calcifying)된 M. xanthus가 석회암 공극을 광범위 하게 코팅한 것을 확인했다. 또한 초음파분해(sonication)법 을 이용하여 외부의 강한 물리적 자극에도 석회화된 세균과 방해석 결정 매트릭스는 원 재료인 석회질 암석과 분리되지 않고 견고하게 결합된 것을 확인하였다. 저자는 미생물 대 사과정에 의해 유도된 광물형성작용이 석회암 조각물의 외 부 균열을 보수하고 내구성을 증진 시킬 수 있다고 제안하 였다[41].

시멘트 표면 공극을 촘촘히 코팅하는 미생물에 의한 탄산 칼슘침전은 시멘트 구조물 내부로의 수분침투와 함께 내구 성에 치명적인 영향을 미치는 염화물(chloride)과 같은 염이 온의 유입을 차단할 수 있다. De Muynck 등(2008)의 연구 에 따르면, 석회질 구조물 표면에 처리된 탄산칼슘형성세균 에 의한 새로운 칼슘침전층이 형성되어(Fig. 6) 표면공극율 이 낮아짐이 확인되었다. 이 표면공극충진에 의해 65~90%

까지 수분흡수율이 감소하고(Fig. 7) 염의 침투율 또한 대조 군에 비해 10~40%가량 감소됨이 확인되었다. 특히 미생물 에 의해 형성된 새로운 탄산칼슘층은 그 견고성과 결합력이 상업적으로 널리 이용되고 있는 표면처리제와 유사한 내구 성을 가진 것으로 보고되어 그 효과가 상업적으로 충분히 개 발될 수 있음을 보여주기도 하였다[16].

미생물의 탄산칼슘형성에 의한 시멘트 모르타르 강도 증진 시멘트 구조물 표면의 탄산칼슘 퇴적과 더불어 탄산칼슘

형성작용은 바인더로써 그 응용 가능성이 매우 크다. 초기 연구에선 토질공학적으로 토양의 충진과 강도증진에 관해 주로 연구 되었는데[16] 최근엔 건축물의 균열보수, 강도증 진, 자기보수를 위한 유기적 스마트 재료로써 그 연구의 발 전이 이루어졌다[1, 6, 15, 18-20]. 자연적인 풍화·침식으 로 인해 시멘트 구조물은 필연적으로 균열이 발생하고 발생 된 균열로 인해 그 구조물의 강도는 현저히 떨어진다. 특히 외부에선 관찰되지 않는 내부의 미세균열은 시멘트 구조물 건축 초기에 적용된 미생물에 의한 탄산칼슘형성작용이 해 법이 될 수 있다. 초기 시멘트 구조물 건축시에 첨가된 미생 물은 구조물 내부에 발생하는 미세균열을 인식하고 질소대 사작용을 통해 탄산칼슘결정을 형성, 그 미세균열을 메울 수 있다[6, 33, 34].

미생물을 이용한 시멘트 균열보수를 위해선 시멘트 모르 타르 내부의 높은 pH에서 미생물 탄산칼슘형성작용이 이루 어져야 한다. Bang 등(2001)은 탄산칼슘형성에 중요한 미생 물 유래 유레아제(urease)가 시멘트 내부의 높은 pH에서도 그 활성을 잃지 않도록 PU 폴리머[polycyanates (R-CNO) and Polyols (R-OH)]로 호알칼리 탄산칼슘형성세균인 Sporosarcina pasteurii 균주를 코팅했다. 그들은 코팅된 S.

pasteurii를 인위적으로 만든 시멘트 모르타르 균열부위에 유 레아제의 기질인 유레아와 칼슘원인 염화칼슘(CaCl2)이 첨 가된 영양배지에 현탁하여 접종하였다. 접종 후 7일과 28일 후에 각각 압축강도와 인장력 측정결과, 균이 접종된 시멘 트 모르타르 시편은 균 농도에 비례적으로 강도가 증진되는 것을 확인할 수 있었다[6]. 이것은 미생물에 의한 탄산칼슘 침전이 충전제로써 균열보수에 이용될 수 있을 뿐만 아니라 균열이 발생되기 전에 시멘트와 함께 첨가하여 균열이 발생 하면 자기 스스로 치유될 수 있는 개념인 자기치유 스마트 콘크리트 소재로써 사용 가능함을 암시하는 것이다.

호기적 탄산칼슘형성세균의 응용과 다르게, 상대적으로 낮 은 공기 투과율을 보이는 시멘트 모르타르에 혐기적 탄산칼 슘형성세균을 적용하여 다양한 종의 응용가능성이 알려졌다 [19, 20]. 실험결과에 따르면 혐기적 세균인 Sewanella sp.가 10⁵ CFU/ml 농도로 첨가된 시멘트 모르타르가 동일 농도의 대장균이 첨가된 모르타르에 비해 28일 후의 압축강도에서 25% 가량 증진된 효과를 보였다. 이 시멘트 모르타르 강도 증진은 첨가된 미생물에 의해 형성된 탄산칼슘결정과 유기 물에 의해 모르타르 내부공극이 메워져 공극률이 낮아지고 강도가 증가 한 것으로 여겨진다. 이전 연구에서 18% 정도 의 강도증진 효과를 나타냈던 것과 비교하면 그 증진효과가 다양한 종 선택에 따라 충분히 달라 질 수 있음을 보여준 셈 이다[19]. 그 예로써, 탄산칼슘을 형성하는 것과 다른 겔레 나이트(Ca2Al₂SiO₇)를 형성하는 세균이 같은 연구그룹에서 보고됐다. 온천에서 분리된 이 혐기성 세균은 실리케이트를 형성하는 특정 단백질을 분비하여 시멘트에 존재하는 알루 미늄과 실리케이트가 결합된 겔레나이트를 형성하였다[20].

Fig. 7. The influence of the surface treatment on the rate of water absorption versus time for w/c 0.6 mortar cubes [16]. De Muynck et al. (2008).

그 새로운 광물결정은 균이 첨가된 시멘트 모르타르를 X-선 회절분석기를 이용하여 구성광물을 분석함으로써 확인되었 다. 바로 그 혐기성 겔레나이트 형성세균을 시멘트 모르타 르 제작시 첨가하였더니, 그 모르타르 시편의 공극률을 감 소시키고 압축강도를 증가시킬 수 있음이 알려졌다[20].

미생물에 의한 탄산칼슘형성작용을 이용해 시멘트 건축물 의 내구성 증진 및 균열보수와 같은 이로운 효과들에 대해 보고되고 있지만, 미생물은 시멘트 구조물에 생물·화학적 인 많은 문제들을 유발한다. 첫째로 미생물의 생물막이 시멘 트 구조물 표면에 형성되면 대기중 오염물질과 무기요소들 이 쉽게 결합할 수 있어 표면을 오염시키고 시간이 지나면 서 그 구조물을 서서히 부식시킨다. 둘째로, 미생물이 분비 하는 외부분비성중합물질(extracelluar polymeric substances) 은 건축물의 광물구조를 결정하는 시멘트의 팽창과 수축 과 정에 물리적 스트레스를 준다. 그로 인해 완전한 광물결정이 형성되지 못하고 건축물의 내구성은 떨어진다. 셋째로 미생 물 군집은 시멘트 재료를 녹이는 산성물질과 광물구조에 악 영향을 주는 산화·환원적 침식작용을 한다[47]. 또한 매우 건조하고 고알칼리성이며 영양분이 없는 시멘트 건축환경은 미생물 생존에 치명적이다. 이러한 건축물에 악영향을 미치 는 생물열화(biodeterioration)와 미생물과 시멘트 건축환경 간 의 상호작용에 관한 연구 등이 필수적으로 이루어져야 한다.

결론 및 고찰

침식된 석회암 구조물 표면수복을 위해 미생물 광물침전 작용이 이용되기 시작한 이례로 그 응용범위는 현재 매우 넓 어지고 있다. 생물침전에 의한 표면 공극과 침식에 의해 발 생된 균열수복은 시멘트 건축물 내부로의 수분과 유해 케미 컬의 유입을 막고 내구성 증진에 기여할 수 있다[15, 16, 19, 47]. 미생물에 의한 탄산칼슘결정은 기존 보수제에 비해 그 처리비용이 비싸다는 단점이 있다. 그렇지만 결정이 형성되 기 전에 칼슘원과 유기분자가 함께 원재료 표면에서 결정을 형성하기 때문에 표면과 훨씬 강하게 결합될 수 있어 원재 료와 그 호환성이 매우 크다[16]. 게다가 색소 첨가시 원재 료와 거의 유사한 색을 나타낼 수 있어 외관상 이질감 없이 깨끗한 보수효과를 낼 수 있다[28]. 무엇보다 이산화탄소 과 다 발생과 같이 환경적으로 유해한 시멘트 사용량을 줄일 수 있는 친환경적 건축재료로써 사용가능성과 같은 이점이 있 다[4, 16].

건축재료로써 미생물 이용방법은 크게 표면에 분사하거나 바르는 방법과[3, 6, 14], 시멘트가 수화되기 전에 첨가하여 함께 굳히는 방법이 있다[5, 15, 18, 19, 34, 38]. 구조물의 균열을 인지한 후 적용하는 방법은 원재료와의 견고한 호환 성이 장점이고[6, 14], 투입하는 방법의 경우는 시멘트 사용 량을 줄이면서 결합제 형태로 첨가 되어 시멘트 구조물 내 부의 미세균열 발생시 충진 된다는 장점이 있다[14, 37]. 후

자의 경우 장기적 균열보수 개념으로 응용된 방법인데, 첨 가된 광물형성세균은 시멘트 구조물 내부에 발생된 미세균 열을 인지하고 그 부위에서 탄산칼슘을 형성, 공극을 메우 게 된다(Fig. 8, 9)[23, 24]. 이 개념은 시멘트 구조물 스스로 균열부위를 인식해서 메우는 자기치유 스마트 콘크리트(self- healing smart concrete)로써 문제의 발생과 처리에 소요되는 경제적 물리적 복구손실을 자동적으로 치유하고자 하는 기 술과 관련될 수 있다[24, 25, 27-29]. 이 기술은 현재 활발히 연구되고 있는 유기적 광물형성세균을 이용한 획기적인 건 축공학적 보수 개념이다[26, 28, 29]. 이 기술개발을 위해선 시멘트 구조물의 높은 pH에서 미생물이 생존할 수 있어야 하고[24, 27], 균열을 인지하는 방법과 탄산칼슘형성 속도를 제어할 수 있는 연구가 필수적이다[16, 24]. 이를 위해 포자 형성세균과 탄산칼슘형성에 관한 유전공학적 연구들이 활발 히 진행되어 왔다[24].

향후 연구에선 칼슘과 탄산이 배열된 격자구조의 양식에 따라 탄산칼슘은 크게 배터라이트(vaterite)와 방해석(calcite) 으로 나눌 수 있는데 탄산칼슘결정의 공극 충전효과 측면에 선, 비정형 방해석이 작은 배터라이트 결정보다는 그 효과 가 크다[16, 40]. 그래서 건축공학적으로 미생물 응용시 형 성되는 시멘트 구조물 속 탄산칼슘의 격자구조 형태가 비정 형의 방해석 구조를 가질 수 있도록 하는 연구가 필요하다 [40]. 또한 높은 시멘트 pH에 대해 완충작용과 비정형 방해 석 형성에 관여하는 인산완충액과 같이 미생물 이용에 대하 여 효용성을 극대화 할 수 있는 요인들에 대한 연구도 필요 하다[5, 16]. 그 요인으로써 최적의 칼슘이온 농도와 미생물

Fig. 8. Scenario of crack-healing by concrete-immobilized bac- teria [25]. Bacteria on fresh crack surfaces become activated due to water ingression (A), start to multiply and precipitate minerals such as calcite (CaCO₃) (B), which eventually seal the crack and protect the steel reinforcement from further external chemical attack (C). Jonkers (2007).

탄산침전작용 증진 영양배지에 관한 연구도 포함된다. 그와 더불어 건축재료로써 처리된 미생물의 생존, 성장, 생체막 (biofilm) 형성과 같은 미생물 생리학적 특성이 시멘트 재 료와 어떻게 관계 하는지에 대해서도 연구가 필요하다[5, 16, 41].

건축재료분야에서 최근 각광받고 있는 생체재료인 미생물 은 그 다기능성으로 인하여 응용분야가 광범위할 것으로 기 대된다. 특히 친환경적 건축환경 조성을 위하여 필수적인 실 내 유해세균 차단을 통하여 항균활성 미생물이 이용될 수 있 다. 현재까진 항균활성이 있는 화학합성물질을 건물 건축시 점에 첨가하여 유해세균 유입 및 증식을 차단하는 기술이 사 용되고 있다. 탄산칼슘을 형성하면서 항균활성이 있는 미생 물을 이용하면 내구성 증진은 물론 유해세균 차단에도 그 효 과를 나타낼 수 있다.

한편, 욕실과 같이 습한 환경의 바닥재로 사용되는 타일 을 접착시키기 위한 접착제가 곰팡이에 의해 쉽게 잘 오염 된다. 증식된 곰팡이는 미관상 타일의 이음새 부위를 훼손 하며 인간에게 호흡기질환을 유발한다. 여기에 항진균활성 미생물을 이용하여 곰팡이 증식을 억제하고 접착제를 대체 할 수 있는 탄산칼슘 바인더로써 응용도 가능할 것으로 여 겨진다.

친환경적 건축환경 조성 외에도 미생물 탄산칼슘형성작용 은 염에 의해 쉽게 부서지는 해양의 시멘트구조물에 응용될

수 있다. 해수의 4~5%를 차지하는 염(chloride ion)은 시멘 트 구조물 내부로 침투하여 수화생성물을 침식 시키고 내부 철근을 부식시키는 주요 요인으로 알려져 있다. 해양 시멘 트 구조물 보수에 매년 막대한 예산과 인력이 소모되고 있 는데 탄산칼슘형성 해양미생물을 이용하면 시멘트 구조물 내부로 염의 침투를 최소화 하고 구조물 표면에 계속적으로 탄산칼슘층을 형성할 수 있다. 탄산칼슘형성 해양미생물에 대한 보고는 많고 유전자 수준의 연구도 잘 알려져 있어서 그 응용가능성이 매우 높다. 또한 화학합성물질로는 보수처 리가 어려운 미세공극 부위에 미생물은 매우작은 크기로 인 하여 쉽게 침투될 수 있고 적용된 부분의 내부로부터 새롭 게 탄산칼슘을 형성하기 때문에 그 효용성이 상당히 높은 것 으로 추정된다.

무엇보다 건축재료로써 중요한 것은 가격과 작업의 용이 성에 있다. 그러한 측면에서 값싸고 기능이 우수한 시멘트 의 소비는 당분간 석유와 같이 쉽게 대체되긴 어렵다. 하지 만 최근 녹색건축환경에 대한 사회적 요구와 다양한 기능을 갖는 스마트 건축소재에 대한 전세계적 열망이 증가하고 있 는 것을 감안하면 미생물의 다기능성을 건축에 응용하고자 하는 것은 어쩌면 자연스러울 수 있다. 미생물이 지닌 탄산 칼슘형성, 유용물질생산, 항균활성 등과 같은 다기능성은 무 기적 건축환경에 유기적인 특성을 부여하는 바이오소재로써 그 가능성이 충분히 열려져 있다고 생각된다.

Fig. 9. Cement-sand mortar cracks repaired by bacterial CaCO₃ precipitation [36]. The images were captured by biology stereomi- croscope (40×) equipped with zentech digicam. Sizes of the crack were measured by imagepartner software (Saramsoft Co., Ltd., Anyang, Korea): A, Raoultella ornithinolytica KNUC607; B, Strenotrophomonas maltophilia KNUC605; C, Exiguobacterium acetylicum KNUC604; D, Microbacterium resistens KNUC602; E, Bacillus thuringiensis KNUC606; F, Arthrobacter nicotinovorans KNUC601; G, Agrobacterium tumefaciens KNUC603; H, only water treatment; I, only urea-CaCl₂ medium treatment. Park et al. (2010).

요 약

미생물에 의한 탄산칼슘침전은 생물·화학적으로 풍화, 침식된 시멘트 건축구조물 표면의 미학적 복원 및 수분침투 방지를 목적으로 응용되었다. 이 기술의 두드러진 장점이 보 고된 후 유럽과 미국을 중심으로 미생물을 이용한 건축공학 적 응용가능성에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 견고 하고 원재료와의 호환성이 뛰어난 이 기술은 다양한 탄산칼 슘형성세균의 선별 또는 배양 및 적용방법의 개발로 그 관 심이 촉발되었다. 본 총설의 목적은 친환경적 건축소재에 대 한 관심이 높아지고 그 필요성이 대두되고 있는 현 시점에 서 미생물 탄산칼슘형성 매카니즘과 그 관련 기술들을 검토 해 보고자 한다. 본론에선 시멘트 건축물 표면코팅 효과에 대한 방법론적 연구사례들을 조사하였고, 시멘트 구조물의 내구성 증진을 위한 미생물의 첨가에 대한 연구사례들도 함 께 살펴보았다. 부가적으로 향후 미생물의 다기능성을 이용 한 자기수복 스마트 콘크리트 개발에 대한 개념을 살펴보고 그 미래를 전망하였다.

A

This research was supported by the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education, Science and Technology (No.2010-0024780).

R

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