1-1. 공동체 전략
배.급수관 속은 정수처리로 유기물 농도가 낮은 빈영양상태(貧栄養状態)이며 잔류염소로 인하여 세균의 생존과 번식에 가혹한 환경이다. 그러나 정수처리 과정에서 소독제에 손상된 세균이 가역적 손상에서 회복하여 재생장하거나(regrowth) 배.급수관에서 자생(aftergrowth) 또는 소독을 피하여 배.급수관에 들어온(Breakthrough) 세균은 극한 상황에서 생존해 가야한다.
세균은 38억년의 오랜 세월동안 가혹한 환경에서도 다양한 생존 전략을 축적하고 적절하게 구사하여 진화를 거듭해 왔다. 세균이 생존과 번식을 위한 전략 중에서 필수적인 단계의 하나는 집단의 형성이다. 집단형성은 세균의 생존 전략 중에 핵심전략이다. 세균은 개별적으로 부유, 분산하는 경우는 매우 드물며 일정 수가 증가하면 자기들끼리 역할을 분담하여 생태계를 이룬다.
군집을 만드는 것이 생존에 유리하기 때문이다. 군집하여 연결망을 형성하여 서로 단백질이나 다른 분자들을 교환하여 먹이를 공유하고, 방어수단을 가지고 혹독한 환경에서도 생존하고 번식한다. 이러한 세균공동체의 대표적인 예가 ‘바이오필름’(Biofilm)이다.
Andy Coghlan은 [Slime City]에서 “다른 種들이 Slime City 속에서 사이좋게 생활하며 서로 돕고 이웃 같은 상호작용으로 먹이 공급을 이용하고 항생제에 저항하고 있다. 어떤 종이 생산하는 독성이 있는 배설물은 그 이웃이 쭉 먹고, 공공의 Slime City를 건설하기 위해 생화학 자원을 모아서 여러 박테리아가 서로 다른 효소로 무장하고 단일 종만으로 소화할 수 없는 먹이를 소화한다.”
“바이오필름은 모든 수준에서 채널 네트워크가 침투하여 이를 통해 물, 박테리아 배설물, 영양소, 효소, 대사물질 및 산소가 왕래한다. 미크로죤(micro-Zone)간의 화학물질과 이온 구배에 의해 바이오필름은 주위의 물질을 바꿀 수있는 힘이 생긴다”고 바이오필름 공동체를 설명하고 있다.
1-2. 세균의 공동체, 바이오필름(Biofilm)
바이오필름(biofilm）이란 간략히 말하면 물과 접촉하는 물질표면에 부착하여 형성되는 세균의 공동체이다.이 공동체는 세균과 세균이 분비한 체외분비물질 등의 유기물질로 덮어진 형태로 내부에 다수의 세균이 공존하면서 외부환경으로부터 보호받고 있다.공동체 속의 세균은 영양분의 고갈이나 온도의 변화, 소독제등 세균의 생존에 직접적인 영향을 미치는 열악한 환경에 대한 저항성이 현저하게 증가 된다고 알려져 있다. 자연계에 존재하는 세균은 단독으로 부유 세포로 존재하는 것은 거의 없고 대부분이 바이오필름 형태로 존재한다.
배.급수관에 바이오필름이 형성되면 수돗물의 수질에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 방선균이나 곰팡이에 의한 수돗물의 맛과 냄새로 심미적 불만을 야기할 수 있고 바이오필름 속에 살고 있는 철세균은 금속관을 부식시키고 붉은물의 원인이 되기도 한다. 배.급수관에서 세균의 재생장으로 병원미생물의 서식처가 되고 소독효과를 감소시켜 수인성 질병을 야기할 수도 있다.
1-3. 배.급수관에서 바이오필름의 형성
배.급수관에 바이오필름이 형성되는 것은 다양한 요인에 의해 영향받지만 주로 수돗물 속의 미생물, 유기물, 잔류염소 농도, 수도관의 재질, 수온, 수리학적 특성 등이 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
바이오필름은 단순한 세균의 집합체가 아니라 대체로 1)표면에서의 conditioning 층의 형성 2) 최초 세균의 부착 3) Slime의 형성 4) 미세 집락(Microcolony)의 형성 5) 성숙한 구조의 바이오필름 형성의 단계를 거친다.
1-3-1. 표면 Conditioning 층의 형성
배.급수관 내면에 최초로 부착되는 물질은 세균이 아니고 미량의 유기물이다. 신설 당시의 수도관의 내벽 표면은 깨끗한 상태이지만 물과 접촉하는 즉시 수도관과 수돗물의 계면에 유기물이 부착한다. 세균이 표면으로 이동하기 전의 이들 유기물은 과잉 표면전하와 표면자유에너지를 중화시켜 주는 Conditioning 층이라고 한다. 나아가 흡착된 유기분자는 세균의 영양원으로 작용하는 것으로 알려져 있다.
1-3-2. 최초 세균의 부착
물이 흐르고 있는 수도관 속에서 부유하는 세균은 수도관 내벽에 접근하여 유속이 Zero에 가까운 경계면에 흡착된다. 흡착된 세균은 한동안 표면에 흡착된 상태에서 방출되기도 하는데 이를 가역적(可逆的.)부착이라고 부른다. 가역적 부착은 정전인력(靜電引力)과 물리적인 힘에 의한 부착이고 화학적인 부착이 아니다. 가역적으로 부착된 세균 중에는 영구적으로 표면에 부착하는 구조를 형성하여 계속 부착상태를 유지하는 불가역적(不可力的)으로 부착하는 경우도 있다.
1-3-3. Slime의 형성
바이오필름 세균은 점착성 폴리마인 세포외고분자화합물(extracellular polymeric substances, EPS)을 배설한다. EPS는 글리코칼릭스(Glycocalyx)불리는 Slime으로 세포표면에서 확장되어 나와서 세균이 수도관 표면에 불가역적으로 부착할 수 있도록 역할한다. 뿐만아니라 부착세균을 위하여 물속에서 미량의 영앙소를 포착하여 농축하기도하고 살균제나 기타 유독물질의 영향을 경감시켜는 보호막으로도 역할한다.
1-3-4. 미세 집락(Microcolony)의 형성
영양소가 축적되면서 최초부착 세균 세포는 증식을 시작하고 분열 후의 세균 세포는 자신의 글리코칼릭스를 생산하면서 세균의 발육 집락(Colony)이 형성된다. 발육 집락은 영양분의 포착뿐만아니라 글리코칼릭스 그물로 다른 형태의 세균 세포도 끌어오고 새로 집락에 들어온 세균은 기존 집락 세균의 배설물을 대사(代謝)하고 자신의 배설물을 생산한다. 이들 세균의 배설물은 타 세균 세포가 순차적으로 이용한다.
1-3-5. 성숙한 구조의 바이오필름 형성
성숙한 바이오필름은 세균과 세균이 분비한 분비물로 이루어진 탑이나 버섯 모양의 최대 100 ㎛ 크기의 구조물 형태를 갖춘다. 바이오필름의 구조는 부착 표면의 성질,세균의 종류와 수리학적 전단력 등의 조건에 따라 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 완전히 기능하는 바이오필름은 수도관 표면에 살아있는 조직체로 존재하면서 살아있는 다른 종의 세균으로 구성되어있는 복잡하고 대사적(代謝的)으로는 협동적인 커뮤니티 형태이다. 구조물 안에는 영양분과 산소를 전달하는 통로(water channel)가 구비되어 있어 생물막이 물리적 요인에 의해 쉽게 해체.분리되지 않도록 하는 역할을 한다.
그러나 바이오필름 구조는 무제한으로 커지는 것은 아니다. 바이오필름의 크기가 지나치게 커지면 water channel을 통한 영양분과 산소 등의 공급에 문제가 발생하여 구성 세균들의 역할 분담이 어렵게 되기 때문인 것으로 보인다. 바이오필름 속의 세균 개체는 자신이 속한 바이오필름의 성장을 통해 증식하기 보다 주변 표면에 전이할 수 있는 능력을 갖춤으로서 증식한다.
맺으면서
위에서 개략적으로 살펴본 바와 같이 수도관에 세균의 서식처인 바이오필름이 형성되어 수돗물의 미생물학적 안정성에 심각한 영향을 줄 수 있다. 우리나라 수도시스템에 있어서 정수처리의 경우 고도정수처리시설의 도입 등 많은 발전이 있어 왔지만 정수처리 후 배수 과정에서 발생되는 수돗물의 2차 오염 특히 미생물학적 안정성과 관련하여서는 여러 면에서 부족한 것이 현실이다.
미생물학적 안정성 문제의 핵심 부분은 수도관망에서 바이오필름의 제어와 관련된 문제일 것이다. 수도관망에 어느 정도의 바이오필름이 존재하며 이들 바이오필름 속에는 병원성 세균은 존재하는지 바이오필름 속의 병원성 세균은 어떻게 제어할 것인지 등등 수도관망의 바이오필름에 대한 해결하지 않으면 안될 과제라고 생각된다. 수도 선진국인 네덜란드에서 수도관 자재, 유속, 수온, 수도관의 플러싱등 수도시스템 운영을 미생물학적 안정성 유지에 중점을 두고 있음을 참고할 필요가 있다 하겠다.
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