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문제 정의
- 따라서 이 연구는 이러한 화학적인 처리과정을 거쳐 이용하는 방법이 아닌 환경부하저감을 위한 미생물의 생체광물형성작용(biomineralization) 중 미생물의 방해석 석출 작용(micro-biologically induced calcite precipitation, MICP)을 이용하여 환경적인 문제를 배려한 차세대 스마트 콘크리트의 개발이 목적이다.
- 따라서 이 연구에서는 이렇게 확보된 방해석을 석출하는 4종의 유용미생물자원들에 대한 소개와 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 시멘트 결정성을 평가하였다. 또한 콘크리트의 개질 및 성능 향상을 목적으로 이러한 유용미생물자원들을 우선적으로 모르타르 환경에 적용하여 양생조건별 압축강도의 특성을 평가하고, 모르타르에 인위적 균열을 만들어 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 균열의 충전 가능성을 검토하였으며, 향후 행해져야 할 연구의 방향성이나, 발전 가능성에 대해 고찰하였다.
- 따라서 이 연구에서는 이렇게 확보된 방해석을 석출하는 4종의 유용미생물자원들에 대한 소개와 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 시멘트 결정성을 평가하였다. 또한 콘크리트의 개질 및 성능 향상을 목적으로 이러한 유용미생물자원들을 우선적으로 모르타르 환경에 적용하여 양생조건별 압축강도의 특성을 평가하고, 모르타르에 인위적 균열을 만들어 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 균열의 충전 가능성을 검토하였으며, 향후 행해져야 할 연구의 방향성이나, 발전 가능성에 대해 고찰하였다.
- 이 실험은 미생물을 모르타르 환경에 적용하여 미생물의 방해석 석출작용에 따른 모르타르 압축강도의 특성을 평가한 실험이다. 실험 방법은 Table 7의 모르타르 배합 조성에 따라 실시하였으며, 모르타르 시험체의 규격은 50.
- 이 실험은 미생물의 방해석 석출작용을 이용하여 모르타르에 인위적으로 만들어진 균열의 충전성을 검토한 실험이다. 시편의 제작은 지름 50 mm짜리 페트리접시(petri dish)에 시멘트 30 g, 모래 10 g, 증류수 15 g을 넣어 두께 0.
- 이 연구에서는 미생물의 생체광물형성작용 중 미생물의 방해석 석출 작용(MICP)을 이용하여 환경적인 문제를 배려한 차세대 스마트 콘크리트의 개발을 목적으로 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 일반적인 미생물학 실험에서 사용되는 인산완충액은 생체물질이 존재하던 환경의 pH를 일정하게 유지시켜주는 특성이 있어서 널리 이용되고 있으며, 미생물을 모르 타르 배합에 적용함에 있어서 물 대신 인산완충액을 사용한 가장 큰 이유는 모르타르 배합 적용에 있어서 시멘트의 수화반응시 발생되는 수화열과 높은 pH 상승으로 인해 발생될 수 있는 미생물 주위의 환경적 변화를 어느 정도 억제하고, 완충시켜주기 위한 목적으로 사용 하였다. 이 방법은 순수 미생물에 의한 압축강도의 특성을 평가하기 위해 최대한 사실적인 실험결과를 얻기 위함이다.
제안 방법
- 미생물이 들어가거나 들어가지 않은 모든 모르타르 시험체는 24시간 후에 탈형하였고, 온도 25℃ 습도 50%로 일정하게 유지시킨 항온항습기에서 기중 양생, Urea-CaCl2 medium 양생, 수중양생으로 나누어 각각 28일 동안 양생하였다. Urea-CaCl2 medium 양생의 경우 1리터의 양생수(水)를 만들기 위해 증류수 1L당 NB(nutrient broth) 3 g, NH4Cl 10 g, NaHCO32.12 g 첨가하여 잡균이 들어가지 않게 121℃에서 15분간 멸균처리하고, Urea(CO(NH2)2) 20 g, CaCl2 3.70 g을 첨가하여 완성된 수용액을 양생수로 사용하였으며, 28일 동안 청결한 상태를 유지시켜 주기 위해 7일마다 새것으로 교환하였다. 압축강도의 측정은 7일, 28일로 정하여 측정하였으며, 압축강도 측정시 모르타르 시험체의 표면은 완전히 말린 상태에서 Fig.
- 또한 우레아 환경에서 미생물의 신진대사 작용에 따른 시멘트 결정성을 평가하기 위하여 Table 6의 실험계획에 따라 500 ml의 액체 상태인 CaCl2를 제외한 Urea medium을 만들어 각각 시멘트 15 g 정도씩 투입하고, 서로 다른 미생물들을 개별 접종하여 Table 5의 실험계획과 동일한 방법으로 5일간 배양하고, 여과를 통해 얻어진 시멘트 결정을 Fig. 5의 X-ray diffraction(XRD) 분석을 통해 시멘트 결정성을 평가하였다. Table 5의 실험방법에 따라 Sporosarcina pasteurii와 콘크리트 구조물에서 분리한 4종의 미생물들에 의해 석출된 광물의 결정은 Fig.
- 모르타르 균열의 충전성 평가는 현미경을 이용하여 관찰하였고, 시편 하나당 동일한 위치에서 ×40배의 배율로 20일간 관찰되었다.
- 모든 시험체들은 각각 6SET(18EA)를 제작하여 하나의 그룹으로 정하고, 총 7그룹으로 나누어 총126개의 모르타르 시험체를 제작하였다. 미생물이 들어가거나 들어가지 않은 모든 모르타르 시험체는 24시간 후에 탈형하였고, 온도 25℃ 습도 50%로 일정하게 유지시킨 항온항습기에서 기중 양생, Urea-CaCl2 medium 양생, 수중양생으로 나누어 각각 28일 동안 양생하였다. Urea-CaCl2 medium 양생의 경우 1리터의 양생수(水)를 만들기 위해 증류수 1L당 NB(nutrient broth) 3 g, NH4Cl 10 g, NaHCO32.
- 이 실험은 미생물의 방해석 석출작용을 이용하여 모르타르에 인위적으로 만들어진 균열의 충전성을 검토한 실험이다. 시편의 제작은 지름 50 mm짜리 페트리접시(petri dish)에 시멘트 30 g, 모래 10 g, 증류수 15 g을 넣어 두께 0.5 cm 정도가 되게 타설하고, 인위적 균열을 만들기 위해 타설 직 후 온도 60℃의 건조기 안에서 10시간동안건조시켜 제작하였다. 인위적 균열의 폭과 깊이는 일정 하게 유지시킨 상태에서 발생되기 어려우므로, 많은 차이를 보였다.
- 실험방법은 Urea-CaCl2 medium에서 미생물이 석출시 키는 광물의 결정을 확인하기 위해 Table 5의 실험계획에 따라 선행 연구에서 사용되었던 Sporosarcina pasteurii와 콘크리트 구조물에서 분리한 4종의 유용미생물들을 대상으로 각각 500 ml의 액체 상태인 Urea-CaCl2 medium을 제조하여 개별 접종을 실시하고, 온도 30℃, 교반속도 150 rpm으로 설정된 shaking incubator안에서 5일간 배양시켜 여과용 필터인 0.45 µm의 멘브레인 필터를 통해 여과하여 석출된 광물의 결정을 Fig. 4의 X-ray diffraction (XRD) 분석을 통해 광물의 결정구조를 확인하였다.
- 70 g을 첨가하여 완성된 수용액을 양생수로 사용하였으며, 28일 동안 청결한 상태를 유지시켜 주기 위해 7일마다 새것으로 교환하였다. 압축강도의 측정은 7일, 28일로 정하여 측정하였으며, 압축강도 측정시 모르타르 시험체의 표면은 완전히 말린 상태에서 Fig. 8과 같이 압축강도를 테스트 하였다.
- 자연환경에서의 탄산칼슘 석출과정은 화학적인 과정과 이것이 연속적이고 지속적으로 발생할 경우 모두 미생물학적인 과정이 동반되는 생화학적 반응에 의해 일어나는 것으로서 미생물의 생체광물형성작용과 병행해서 발생된다. 이 연구에서는 미생물의 방해석 석출작용을 이용하는 것으로 방해석을 석출하는 대표적 미생물인 ATCC11859 : Sporosarcina pasteurii외에 Table 1과 같이 콘크리트 구조물에서 탐색하여 16S rDNA 염기서열 분석법에 의해 동정된 4종의 미생물들을 추가적으로 이용하였다. 이러한 미생물 동정 방법 중 16S rDNA 염기서열 분석법은 기존에 알려져 있는 미생물의 분석된 데이터에 의하여 균주간의 상호 유사도(similarity)와 진화적 거리를 계산하여 분석되는데, 일반적으로 미생물은 1,300~1,400 bp의 염기배열을 분석하여 동정(identification)한다.
- 이렇게 선정된 균열에 주입된 액체상태의 수용액 조성은 Table 9와 같으며, 모르타르 균열부의 주입 방법은 최대 100 µl 까지 주입 가능한 피펫(pipette)을 이용하여 균열부를 중심으로 액체상태의 수용액을 1일 100 µl씩 5회 주입하고, 이러한 과정을 3일 동안 반복 실시하였으며, 온도 30℃, 습도 60%로 유지시킨 항온항습기안에 두어 모르타르 균열의 충전 가능성을 검토하였다.
- 적용한 서로 다른 미생물들은 각각의 흡광도를 측정하여 농도를 일정하게 약 7.6 × 103 (cells/ml)으로 유지시켰으며, 미생물을 넣지 않은 모르타르 시험체는 순수 증류수와 제조한 인산완충액을 이용하여 혼합한 것을 대조군으로서 사용하였다.
대상 데이터
- 모든 시험체들은 각각 6SET(18EA)를 제작하여 하나의 그룹으로 정하고, 총 7그룹으로 나누어 총126개의 모르타르 시험체를 제작하였다. 미생물이 들어가거나 들어가지 않은 모든 모르타르 시험체는 24시간 후에 탈형하였고, 온도 25℃ 습도 50%로 일정하게 유지시킨 항온항습기에서 기중 양생, Urea-CaCl2 medium 양생, 수중양생으로 나누어 각각 28일 동안 양생하였다.
- 실험 방법은 Table 7의 모르타르 배합 조성에 따라 실시하였으며, 모르타르 시험체의 규격은 50.8 × 50.8 × 50.8 mm짜리를 사용하였고, 시험체 1SET(3EA) 제작시 투입된 재료는 보통포틀랜트시멘트 218 g, 1.2 mm 체를 통과한 강모래 654 g, 배합수 120 ml가 사용되었다.
- 이 실험에서 사용된 배합수는 Table 8의 배합수 조성에 따라 증류수와 인산완충액을 각각 사용하였으며, 미생물 적용에 있어서는 증류수 대신 인산용액에 인산염을 첨가하여 만든 pH 7짜리 인산완충액(phosphate buffer)을 제조하여 사용하였다.
- 선행 연구에서 pH 9 정도의 알칼리 환경을 좋아하며, 내생포자(endospore)를 형성하는 Sporosarcina pasteurii는 우레아 환경에서 미생물의 신진대사 작용에 의해 우레아제 효소를 생산하고, 그 과정에서 방해석 석출 반응에 기여하는 특성을 파악하였다. 이 실험에서는 동일한 우레아 환경에서 4종의 신규 유용미생물들의 방해석 석출 반응성을 알아보기 위해 Urea-CaCl2 medium이 사용되었다.
- 인위적 균열의 폭과 깊이는 일정 하게 유지시킨 상태에서 발생되기 어려우므로, 많은 차이를 보였다. 이렇게 제작된 시편은 7일간 수중양생을 실시하여 표면과 균열에 남아있는 미수화 시멘트 슬러리를 제거하였고, 균열의 충전성 검토에 사용될 시편의 선정은 균열 폭이 최소 머리카락 두께인 0.1 mm에서 최대 0.7 mm까지 다양한 상태에서 임의로 선정하였다. 이렇게 선정된 균열에 주입된 액체상태의 수용액 조성은 Table 9와 같으며, 모르타르 균열부의 주입 방법은 최대 100 µl 까지 주입 가능한 피펫(pipette)을 이용하여 균열부를 중심으로 액체상태의 수용액을 1일 100 µl씩 5회 주입하고, 이러한 과정을 3일 동안 반복 실시하였으며, 온도 30℃, 습도 60%로 유지시킨 항온항습기안에 두어 모르타르 균열의 충전 가능성을 검토하였다.
성능/효과
- 1) 미생물의 방해석 석출 작용이 시멘트 결정상에 미치는 영향성을 평가한 실험에서는 우레아의 환경에서 우레아제를 생산하고, 탄산칼슘 광상인 방해석을 석출 하는 Sporosarcina pasteurii와 콘크리트 구조물에서 분리한 4종의 신규 미생물자원들은 모두 우레아의 환경에서 시멘트 결정학적 구조의 상(phase) 을 방해석(calcite)으로 만드는 특성이 확인되었고, 결정 구조는 모두 격자상수 a = 4.99Å, c = 17.06Å의 능면정 구조로서 Ca원자와 CO3가 서로 번갈아 가면서 생성된 층을 이루고 있으며, 한 층 안의 CO3로부터 6개의 산소원자와 결합된 구조의 약간 왜곡된 형태로 확인되었다.
- 1) 자연환경에서 대부분의 칼슘은 탄산칼슘 광상으로 출현하고 있으며, 이것은 화학적 침전으로 이루어진 것과 유기적으로 형성된 것이 있는데, 미생물의 생화학적 작용이 동반되어 형성되는 것이 대부분이다.2) 탄산칼슘으로 구성된 석회석은 건설재료의 기본인 시멘트의 주원료로 매우 중요한 자원이며, 석회석 원광의 물리적 파·분쇄에 의해 입도만을 조절한 중질탄산칼슘(ground calcium carbonate, GCC)이 실제 산업에 널리 사용되고 있으며, 현재 콘크리트용 혼화재로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
- 2) 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 양생 조건별 모르타르 압축강도를 평가한 실험에서는 기중양생의 경우 Bacillus massiliensis(KNUC402)를 적용한 모르 타르 시험체가 일반 모르타르 시험체의 압축강도에 비해 재령 7일 24.7%, 재령 28일 8.9%의 압축강도 증진을 확인하였다. 또한 Urea-CaCl2 medium 양생과 수중 양생을 실시한 모르타르 시험체의 경우 기중양생에 비해 전반적으로 미생물을 적용한 대부분의 모르타르 시험체의 압축강도가 향상되는 결과로 확인되었으며, 그 중 Arthrobacter crystallopoietes (KNUC403)를 적용한 모르타르 시험체의 압축강도는 일반 모르타르 시험체의 압축강도와 비교하여 Urea-CaCl2 medium 양생시 재령 7일 33.
- 3) 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 모르타르 균열의 충전 가능성 검토 실험에서는 인위적인 모르타르 균열에 Urea-CaCl2 medium에 배양한 미생물의 주입을 통한 균열의 충전은 어느 정도 효과적이었다. 이러한 미생물에 의한 균열의 충전은 미생물이 수분과 산소가 있는 곳에서 더 활동적으로 잘 자리기 때문에 상대적으로 균열 폭이 크고 깊은 곳보다는 균열 폭이 작고 얕은 곳에서 더 효과적인 것으로 확인되었으며, 미생물이 성장하는 동안 균열에 석출된 방해석은 압축강도의 증가를 위한 주요 물질인 것으로 판단된다.
- 06Å이다. Ca원자와 CO3가 서로 번갈아 가면서 생성된 층(layer)을 이루고 있고, 한 층 안의 CO3로부터의 6개의 산소원자와 결합된 약간 왜곡된 형태로 확인되었다.
- 5의 X-ray diffraction(XRD) 분석을 통해 시멘트 결정성을 평가하였다. Table 5의 실험방법에 따라 Sporosarcina pasteurii와 콘크리트 구조물에서 분리한 4종의 미생물들에 의해 석출된 광물의 결정은 Fig. 4의 XRD 분석을 통해 모두 탄산칼슘 광상인 방해석의 결정 구조로 확인되었으며, 미생물이 없는 순수 Urea-CaCl2 medium에서는 배지조성 중 미생물의 영양분이 되는 NB(nutrient broth)에 함유된 hydroxylapatite 성분이 그대로 여과되어 석출된 광물은 확인되지 않았다. 따라서 여기서 석출된 방해석의 결정은 순수 미생물 작용에 의한 광물의 결정임을 확인 할 수 있다.
- 이러한 Urea-CaCl2 medium 양생에서는 Arthrobacter crystallopoietes(KNUC403)를 적용한 모르타르 시험체가 압축강도 결과가 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 기중 양생을 실시한 경우와는 다소 다른 압축강도 양상을 보였다. Urea-CaCl2 medium 양생을 실시한 대조군인 순수 증류수로 배합한 일반 모르타르 시험체와 압축강도를 비교하면 재령 7일에서는 33.3%의 압축강도 증진을 보였고, 재령 28일에서는 40.3%의 압축강도 증진을 보인 것으로 확인되었다.
- 9의 기중양생을 실시한 모르타르 시험체의 경우 대조군인 순수 증류수와 인산완충액을 배합수로 사용한 시험체에 비해 Sporosarcina pasteurii(ATCC11859)와 Lysinibacillus fusiformis(KNUC404)를 적용한 모르타르 시험체는 오히려 압축강도가 저하되었고, 그 외 나머지 미생물들은 모르타르 압축강도 향상에 어느 정도 기여한 것으로 확인되었다. 그 중 Bacillus massiliensis(KNUC402)를 적용한 모르타르 시험체가 압축강도 결과가 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 기중 양생을 실시한 대조군인 순수 증류수로 배합한 일반 모르타르 시험체와 압축강도를 비교하였을 때 재령 7일에서는 24.7%의 압축강도 증진을 보였으며, 재령 28일에서는 8.9%의 압축강도 증진을 보인 것으로 보아 초기강도의 증진에는 확실한 효과를 보인 것으로 확인되었지만 재령 7일 이후에는 미생물의 활동에 환경적인 문제가 있어 재령 28일 압축강도에는 큰 영향을 주지 못한 것으로 판단된다.
- 11-14) 실제로 국내 건설 재료 분야에서 콘크리트에 관한 미생물학적 연구 중 질병을 유발시키는 유해세균, 곰팡이 등의 제거에 관한 연구는 많이 이루어졌지만, 미생물을 이용한 콘크리트의 개질 및 성능향상에 관한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 기존의 연구 동향에서 사용되었던 대표적 토양 미생물인 Sporosarcina pasteurii와 유사하게 탄산칼슘 광상인 방해석을 석출하는 미생물을 콘크리트 구조물로부터 탐색하여 콘크리트에 이용한다면 장기적인 측면에서 볼 때 시멘트 환경에서의 생존력이 훨씬 뛰어날 뿐만 아니라, 많은 이점이 있을 것으로 판단되어 연구를 수행하였으며, 이미 잘 알려진 표준균주 ATCC11859 : Sporosarcina pasteurii 를 이용한 실험적 기법들을 바탕으로 콘크리트 구조물에 상생하는 유용미생물들을 탐색한 결과 그 중 탄산칼슘 광상인 방해석을 석출하는 4종의 신규 미생물자원들을 분리, 동정[KNUC401 : Sporosarcina soli, KNUC402 : Bacillus massiliensis, KNUC403 : Arthrobacter crystallopoietes, KNUC404 : Lysinibacillus fusiformis]하여 현재 기초적인 연구를 수행하였고, 각각의 미생물에 대한 특성을 발표한 바 있다.15)
- 9%의 압축강도 증진을 확인하였다. 또한 Urea-CaCl2 medium 양생과 수중 양생을 실시한 모르타르 시험체의 경우 기중양생에 비해 전반적으로 미생물을 적용한 대부분의 모르타르 시험체의 압축강도가 향상되는 결과로 확인되었으며, 그 중 Arthrobacter crystallopoietes (KNUC403)를 적용한 모르타르 시험체의 압축강도는 일반 모르타르 시험체의 압축강도와 비교하여 Urea-CaCl2 medium 양생시 재령 7일 33.3%, 재령 28일 40.3%의 압축강도 증진을 보였으며, 수중 양생시 재령 7일 38.9%, 재령 28일 27.0%의 압축강도 증진을 확인하였다. 여기서 주목할 점은 Urea-CaCl2 medium에서 양생한 모르타르 시험체의 압축강도가 미생물을 적용하지 않은 대조군에 비해 상당히 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 이는 Urea-CaCl2 medium의 이온강도가 모르타르의 강도에 어느 정도 영향을 미치고, 모르타르의 전체적인 강도의 증가는 미생물에 의한 유기물질의 적절한 양의 존재로 인한 증가로 판단된다.
- 따라서 여기서 석출된 방해석의 결정은 순수 미생물 작용에 의한 광물의 결정임을 확인 할 수 있다. 또한 우레아 환경에서 미생물의 신진대사 작용에 따른 시멘트 결정성을 평가한 실험에서는 Table 6의 실험방법에 따라 미생물을 처리하지 않은 시멘트와 미생물을 처리한 시멘트의 경우에 각각의 결정구조는 Fig. 5의 XRD분석을 통해 부분적으로 많은 차이를 보이는 것으로 확인되며, 우레아의 환경에서 우레아제를 생산하고, 방해석의 석출 반응에 기여하는 Sporosarcina pasteurii와 콘크리트 구조물에서 분리한 4종의 미생물들은 모두 시멘트 결정학적 구조를 미생물의 신진대사 작용에 의해 방해석의 결정 구조로 바꾸는 특성을 확인하였다.
- 여기서 주목할 점은 Urea-CaCl2 medium에서 양생한 모르타르 시험체의 압축강도가 미생물을 적용하지 않은 대조군에 비해 상당히 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 이는 Urea-CaCl2 medium의 이온강도가 모르타르의 강도에 어느 정도 영향을 미치고, 모르타르의 전체적인 강도의 증가는 미생물에 의한 유기물질의 적절한 양의 존재로 인한 증가로 판단된다. 반면 미생물을 적용하지 않은 대조군의 경우 Urea-CaCl2 medium에서 양생한 것은 수중양생을 실시한 대조군의 재령 28일의 모르타르와 비교하면 압축강도가 다소 떨어지는 양상으로 확인되는 것으로 보아 일반 모르타르의 경우 염화물 이온이 압축강도에 부정적인 영향을 초래할 가능성이 있는 것으로 판단된다. 또한 미생물을 높은 pH환경의 모르타르에 적용함에 있어서 물대신 인산완충액의 이용은 강알칼리성인 시멘트 환경에서 미생물의 성장환경 조성에 있어 물보다 효과적이었으며, 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 압축강도의 증진은 모르타르에 적용한 각각의 미생물들 상호간에 정확한 역할을 이해하기 위해서 좀 더 많은 조사가 필요할 것으로 판단된다.
- 실험 결과 Fig. 12와 같이 Urea-CaCl2 medium에 배양하여 미생물을 주입한 모르타르 균열은 미생물의 방해석 석출 작용에 따라 균열의 충전이 어느 정도 효과적이었다. 이러한 미생물을 이용한 균열의 충전은 미생물이 수분과 산소가 있는 곳에서 더 활동적으로 잘 자리기 때문에 상대적으로 균열 폭이 크고 깊은 곳보다는 균열 폭이 작고 얕은 곳에서 더 효과적인 것으로 확인되었다.
- 양생조건별 압축강도 테스트를 실시한 결과 전반적으로 대조군으로 사용된 순수 증류수를 배합수로 사용한 시험체와 인산완충액을 배합수로 사용한 시험체의 경우 비교적 유사한 압축강도 결과를 보였다. 이 실험결과로 볼 때 미생물을 모르타르에 적용하기 위해 사용된 인산완충액은 모르타르의 압축강도 변화에 큰 영향을 주지 않은 것으로 확인되어지며, 모르타르에 미생물을 적용함에 있어서 인산완충액의 이용은 최대한 사실적인 실험 결과를 얻기 위해 적합한 것으로 판단된다.
- 0%의 압축강도 증진을 확인하였다. 여기서 주목할 점은 Urea-CaCl2 medium에서 양생한 모르타르 시험체의 압축강도가 미생물을 적용하지 않은 대조군에 비해 상당히 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, 이는 Urea-CaCl2 medium의 이온강도가 모르타르의 강도에 어느 정도 영향을 미치고, 모르타르의 전체적인 강도의 증가는 미생물에 의한 유기물질의 적절한 양의 존재로 인한 증가로 판단된다. 반면 미생물을 적용하지 않은 대조군의 경우 Urea-CaCl2 medium에서 양생한 것은 수중양생을 실시한 대조군의 재령 28일의 모르타르와 비교하면 압축강도가 다소 떨어지는 양상으로 확인되는 것으로 보아 일반 모르타르의 경우 염화물 이온이 압축강도에 부정적인 영향을 초래할 가능성이 있는 것으로 판단된다.
- 양생조건별 압축강도 테스트를 실시한 결과 전반적으로 대조군으로 사용된 순수 증류수를 배합수로 사용한 시험체와 인산완충액을 배합수로 사용한 시험체의 경우 비교적 유사한 압축강도 결과를 보였다. 이 실험결과로 볼 때 미생물을 모르타르에 적용하기 위해 사용된 인산완충액은 모르타르의 압축강도 변화에 큰 영향을 주지 않은 것으로 확인되어지며, 모르타르에 미생물을 적용함에 있어서 인산완충액의 이용은 최대한 사실적인 실험 결과를 얻기 위해 적합한 것으로 판단된다.
- 이 실험에서 사용된 콘크리트 구조물에서 분리한 4종의 신규 유용미생물들은 Fig. 2의 고체배지인 Urea-CaCl2 agar medium에서 이전의 선행 연구에 주로 사용되었던 Sporosarcina pasteurii와 동일한 환경에서 CaCO3 결정을 지닌 광물을 석출하는 것이 현미경을 통해 확인되었다.
- 5% 이하 일 때 신종일 가능성이 높은 것으로 보고 있다. 이 연구에서 콘크리트 구조물로부터 탐색된 KNUC 402균주의 경우 Bacillus massiliensis와 균주간의 상호 유사도가 96.6%로 판정되어 신종일 가능성이 높은 것으로 확인되었다. 현재 건설재료 분야에서 이러한 미생물을 이용한 연구는 아직 전무한 실정이며, 이 연구를 통해 탐색된 4종의 신규 유용미생물자원들은 향후 연구의 기초적인 방향성을 제시함과 동시에 환경적 측면을 배려한 학문적 가치를 높일 것으로 기대된다.
- 이 연구의 선행 연구에서 기존의 연구동향을 토대로 콘크리트의 개질 및 성능향상을 목적으로 많이 연구되었던 토양 중에 주로 서식하고, 극한의 환경에서는 내생포자를 형성하는 Sporosarcina pasteurii는 우레아(urea)의 환경에서 미생물의 신진대사 작용에 따라 우레아제(urease)를 생산하고, 그 과정에서 CaCO3 석출 반응에 기여하는 것을 Urea-CaCl2 medium에서 확인할 수 있었다. 여기서 우레아제는 우레아를 가수분해하여 암모니아와 이산화탄소를 생성하는 반응에 관계하는 효소로서 요소분해효소라고도 하는데, 이러한 우레아제의 역할은 우레아의 분해 작용으로 인해 생성된 암모니아에 의해 주변의 pH를 상승시키고, 또한 이산화탄소를 발생시키면서 CaCO3 석출에 유리한 환경을 만든다.
- 10의 Urea-CaCl2 medium 양생을 실시한 모르타르 시험체의 경우 대조군인 순수 증류수와 인산완충액을 배합수로 사용한 시험체와 비교하면 전반적으로 미생물을 적용한 모든 모르타르 시험체의 압축강도가 향상되는 결과를 보였다. 이는 미생물의 서식환경과 잘 부합되고, 미생물 활동에 있어 환경적인 문제가 잘 고려된 양생방법으로 모르타르 시험체의 압축강도 증진에 보다 효과적인 실험결과를 얻을 수 있었다. 이러한 Urea-CaCl2 medium 양생에서는 Arthrobacter crystallopoietes(KNUC403)를 적용한 모르타르 시험체가 압축강도 결과가 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 기중 양생을 실시한 경우와는 다소 다른 압축강도 양상을 보였다.
- 이는 미생물의 서식환경과 잘 부합되고, 미생물 활동에 있어 환경적인 문제가 잘 고려된 양생방법으로 모르타르 시험체의 압축강도 증진에 보다 효과적인 실험결과를 얻을 수 있었다. 이러한 Urea-CaCl2 medium 양생에서는 Arthrobacter crystallopoietes(KNUC403)를 적용한 모르타르 시험체가 압축강도 결과가 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 기중 양생을 실시한 경우와는 다소 다른 압축강도 양상을 보였다. Urea-CaCl2 medium 양생을 실시한 대조군인 순수 증류수로 배합한 일반 모르타르 시험체와 압축강도를 비교하면 재령 7일에서는 33.
- medium에 배양한 미생물의 주입을 통한 균열의 충전은 어느 정도 효과적이었다. 이러한 미생물에 의한 균열의 충전은 미생물이 수분과 산소가 있는 곳에서 더 활동적으로 잘 자리기 때문에 상대적으로 균열 폭이 크고 깊은 곳보다는 균열 폭이 작고 얕은 곳에서 더 효과적인 것으로 확인되었으며, 미생물이 성장하는 동안 균열에 석출된 방해석은 압축강도의 증가를 위한 주요 물질인 것으로 판단된다.
- 12와 같이 Urea-CaCl2 medium에 배양하여 미생물을 주입한 모르타르 균열은 미생물의 방해석 석출 작용에 따라 균열의 충전이 어느 정도 효과적이었다. 이러한 미생물을 이용한 균열의 충전은 미생물이 수분과 산소가 있는 곳에서 더 활동적으로 잘 자리기 때문에 상대적으로 균열 폭이 크고 깊은 곳보다는 균열 폭이 작고 얕은 곳에서 더 효과적인 것으로 확인되었다.
- 11의 수중 양생을 실시한 모르타르 시험체의 경우 대조군인 순수 증류수와 인산완충액을 배합수로 사용한 시험체와 비교하면 Urea-CaCl2 medium 양생을 실시한 경우와 유사하게 미생물을 적용한 모든 모르타르 시험체의 압축강도가 향상되는 결과를 보였다. 이러한 수중 양생은 기중 양생을 실시한 경우와 비교하였을 때 모르타르 압축강도 증진에 있어서 수중 양생이 미생물의 신진 대사 작용에 따른 압축강도 증진에 효과적인 결과로 확인되었고, 수중 양생에서도 Urea-CaCl2 medium 양생과 동일하게 Arthrobacter crystallopoietes(KNUC403)를 적용한 모르타르 시험체의 압축강도가 가장 우수한 것으로 확인되었다. 수중 양생의 경우 대조군인 순수 증류수로 배합한 일반 모르타르 시험체와 압축강도를 비교하였을때 재령 7일에서는 38.
후속연구
- 2) 탄산칼슘으로 구성된 석회석은 건설재료의 기본인 시멘트의 주원료로 매우 중요한 자원이며, 석회석 원광의 물리적 파·분쇄에 의해 입도만을 조절한 중질탄산칼슘(ground calcium carbonate, GCC)이 실제 산업에 널리 사용되고 있으며, 현재 콘크리트용 혼화재로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다.3,4) 최근 세계적으로 입자의 다양한 상과 형상제어 및 초미립자 분말을 통해 고기능성을 부여하기 위하여 화학적인 침전 반응을 거쳐서 합성된 침강성 탄산칼슘(precipitated calcium carbonate, PCC)에 대한 관심이 집중되고 있으나, 다양한 산업에서 응용되고 있는 탄산칼슘을 각각의 용도와 요구 물성에 만족시키기 위해서는 우선적으로 제조방법과 합성조건의 변화에 따른 상(phase) 및 형상(morphology), 입자크기의 제어를 통한 기능성 소재로의 개발에 관한 연구가 무엇보다 필요하다.5) 또한 생산단계에서 화학적인 처리과정시 발생되는 많은 환경적인 문제점을 해결해야 한다.
- 여기서 소개한 유용미생물들을 이용한 연구의 개발은 곧바로 실용화가 가능한 것은 아니고, 품질이나 성능 면에서 구체적인 기반을 확립하기 위하여 향후 한층 더 세밀한 검토가 필요하다. 그러나 기존의 개념을 토대로 새로운 발상의 전환을 한다면 한층 더 발전된 연구의 기반을 마련할 것으로 판단된다. 또한 여기서 소개한 미생물들 이외에도 현재 서해안과 제주도를 중심으로 탐색한 다양한 미생물자원들을 확보하여 콘크리트의 적용에 있어 기초적인 검토를 수행하고 있으며, 향후 보고할 예정이다.
- 반면 미생물을 적용하지 않은 대조군의 경우 Urea-CaCl2 medium에서 양생한 것은 수중양생을 실시한 대조군의 재령 28일의 모르타르와 비교하면 압축강도가 다소 떨어지는 양상으로 확인되는 것으로 보아 일반 모르타르의 경우 염화물 이온이 압축강도에 부정적인 영향을 초래할 가능성이 있는 것으로 판단된다. 또한 미생물을 높은 pH환경의 모르타르에 적용함에 있어서 물대신 인산완충액의 이용은 강알칼리성인 시멘트 환경에서 미생물의 성장환경 조성에 있어 물보다 효과적이었으며, 미생물의 방해석 석출 작용에 따른 압축강도의 증진은 모르타르에 적용한 각각의 미생물들 상호간에 정확한 역할을 이해하기 위해서 좀 더 많은 조사가 필요할 것으로 판단된다.
- 그러나 기존의 개념을 토대로 새로운 발상의 전환을 한다면 한층 더 발전된 연구의 기반을 마련할 것으로 판단된다. 또한 여기서 소개한 미생물들 이외에도 현재 서해안과 제주도를 중심으로 탐색한 다양한 미생물자원들을 확보하여 콘크리트의 적용에 있어 기초적인 검토를 수행하고 있으며, 향후 보고할 예정이다.
- 이러한 미생물의 적용에 따른 효과는 보수 기능뿐만 아니라 환경 문제를 배려한 새로운 재료로서의 개발로 이어져 향후 더욱 더 중요한 연구주제의 하나가 될 것으로 기대된다. 또한 이 연구의 큰 의미는 실제 콘크리트 구조물에 상생하고, 자연환경에서 방해석을 석출하는 미생물을 이용한다는 것이며, 긴 시간동안 자연환경에서 살아남은 이 미생물들은 환경적으로 안전할 뿐만 아니라 새로운 환경 저부하성 기능재료로서의 이용이 가능할 것으로 판단된다. 여기서 소개한 유용미생물들을 이용한 연구의 개발은 곧바로 실용화가 가능한 것은 아니고, 품질이나 성능 면에서 구체적인 기반을 확립하기 위하여 향후 한층 더 세밀한 검토가 필요하다.
- 또한 이 연구의 큰 의미는 실제 콘크리트 구조물에 상생하고, 자연환경에서 방해석을 석출하는 미생물을 이용한다는 것이며, 긴 시간동안 자연환경에서 살아남은 이 미생물들은 환경적으로 안전할 뿐만 아니라 새로운 환경 저부하성 기능재료로서의 이용이 가능할 것으로 판단된다. 여기서 소개한 유용미생물들을 이용한 연구의 개발은 곧바로 실용화가 가능한 것은 아니고, 품질이나 성능 면에서 구체적인 기반을 확립하기 위하여 향후 한층 더 세밀한 검토가 필요하다. 그러나 기존의 개념을 토대로 새로운 발상의 전환을 한다면 한층 더 발전된 연구의 기반을 마련할 것으로 판단된다.
- 이 실험은 미생물의 방해석 석출 작용을 이용한 것으로 우레아 환경에서 미생물의 신진대사 작용에 따른 시멘트 결정성을 평가한 실험이며, 앞으로 실험할 모르타르 적용에 있어서 선행적으로 평가되어야 할 기초실험이다. 실험방법은 Urea-CaCl2 medium에서 미생물이 석출시 키는 광물의 결정을 확인하기 위해 Table 5의 실험계획에 따라 선행 연구에서 사용되었던 Sporosarcina pasteurii와 콘크리트 구조물에서 분리한 4종의 유용미생물들을 대상으로 각각 500 ml의 액체 상태인 Urea-CaCl2 medium을 제조하여 개별 접종을 실시하고, 온도 30℃, 교반속도 150 rpm으로 설정된 shaking incubator안에서 5일간 배양시켜 여과용 필터인 0.
- 여기서 언급되는 Urea-CaCl2 medium에서의 미생물 표면에 발생하는 CaCO3석출에 대한 생화학적인 석출 메커니즘은 Table 3과 같으며, 이 메커니즘은 우레아제가 탄산칼슘 석출에 큰 영향을 미치는 주요인이다. 이 연구에서 앞으로 계속적으로 사용될 배지조성 또한 미생물들과의 상호작용을 고려한 것이다.
- 이러한 미생물의 적용에 따른 효과는 보수 기능뿐만 아니라 환경 문제를 배려한 새로운 재료로서의 개발로 이어져 향후 더욱 더 중요한 연구주제의 하나가 될 것으로 기대된다. 또한 이 연구의 큰 의미는 실제 콘크리트 구조물에 상생하고, 자연환경에서 방해석을 석출하는 미생물을 이용한다는 것이며, 긴 시간동안 자연환경에서 살아남은 이 미생물들은 환경적으로 안전할 뿐만 아니라 새로운 환경 저부하성 기능재료로서의 이용이 가능할 것으로 판단된다.
- 6%로 판정되어 신종일 가능성이 높은 것으로 확인되었다. 현재 건설재료 분야에서 이러한 미생물을 이용한 연구는 아직 전무한 실정이며, 이 연구를 통해 탐색된 4종의 신규 유용미생물자원들은 향후 연구의 기초적인 방향성을 제시함과 동시에 환경적 측면을 배려한 학문적 가치를 높일 것으로 기대된다.
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