[논문]건축공학분야에서 탄산칼슘형성세균의 응용과 전망

박성진; 김사열

doi:10.4014/kjmb.1202.02005

건축공학분야에서 탄산칼슘형성세균의 응용과 전망
Applications and Prospects of Calcium Carbonate Forming Bacteria in Construction Materials 원문보기

한국미생물·생명공학회지 = Korean journal of microbiology and biotechnology, v.40 no.3, 2012년, pp.169 - 179

박성진 (경북대학교 생명과학부 미생물연구소) , 김사열 (경북대학교 생명과학부 미생물연구소)

초록
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미생물에 의한 탄산칼슘침전은 생물 화학적으로 풍화, 침식된 시멘트 건축구조물 표면의 미학적 복원 및 수분침투 방지를 목적으로 응용되었다. 이 기술의 두드러진 장점이 보고된 후 유럽과 미국을 중심으로 미생물을 이용한 건축공학적 응용가능성에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 견고하고 원재료와의 호환성이 뛰어난 이 기술은 다양한 탄산칼슘형성세균의 선별 또는 배양 및 적용방법의 개발로 그 관심이 촉발되었다. 본 총설의 목적은 친환경적 건축소재에 대한 관심이 높아지고 그 필요성이 대두되고 있는 현 시점에서 미생물 탄산칼슘형성 매카니즘과 그 관련 기술들을 검토해 보고자 한다. 본론에선 시멘트 건축물 표면코팅 효과에 대한 방법론적 연구사례들을 조사하였고, 시멘트 구조물의 내구성 증진을 위한 미생물의 첨가에 대한 연구사례들도 함께 살펴보았다. 부가적으로 향후 미생물의 다기능성을 이용한 자기수복 스마트 콘크리트 개발에 대한 개념을 살펴보고 그 미래를 전망하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실제로 국내 건설재료 분야에서 콘크리트에 관한 미생물학적 연구 중 질병을 유발시키는 유해세균, 곰팡이 등의 제거에 관한 연구는 많이 알려졌지만, 미생물의 탄산칼슘형성 작용을 이용한 콘크리트 균열보수 및 성능향상에 관한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 총론을 통하여 미생물에 의한 탄산칼슘형성작용 메카니즘을 알아보고 그 응용가능성에 대하여 검토해 보고자 한다.
미생물에 의한 탄산칼슘침전은 생물·화학적으로 풍화, 침식된 시멘트 건축구조물 표면의 미학적 복원 및 수분침투 방지를 목적으로 응용되었다.
견고하고 원재료와의 호환성이 뛰어난 이 기술은 다양한 탄산칼슘형성세균의 선별 또는 배양 및 적용방법의 개발로 그 관심이 촉발되었다. 본 총설의 목적은 친환경적 건축소재에 대한 관심이 높아지고 그 필요성이 대두되고 있는 현 시점에서 미생물 탄산칼슘형성 매카니즘과 그 관련 기술들을 검토해 보고자 한다. 본론에선 시멘트 건축물 표면코팅 효과에 대한 방법론적 연구사례들을 조사하였고, 시멘트 구조물의 내구성 증진을 위한 미생물의 첨가에 대한 연구사례들도 함께 살펴보았다.
본 총설의 목적은 친환경적 건축소재에 대한 관심이 높아지고 그 필요성이 대두되고 있는 현 시점에서 미생물 탄산칼슘형성 매카니즘과 그 관련 기술들을 검토해 보고자 한다. 본론에선 시멘트 건축물 표면코팅 효과에 대한 방법론적 연구사례들을 조사하였고, 시멘트 구조물의 내구성 증진을 위한 미생물의 첨가에 대한 연구사례들도 함께 살펴보았다. 부가적으로 향후 미생물의 다기능성을 이용한 자기수복 스마트 콘크리트 개발에 대한 개념을 살펴보고그 미래를 전망하였다.
현재까지 탄산칼슘침전과 관련된 정확한 분자생물학적 메카니즘은 밝혀지지 않고 있으며, 2006년 Bacillus subtilis에서 탄산칼슘침전에 연관된 lcfA 오페론이 최초로 보고됐다[8, 16]. 이 연구에서 탄산칼슘침전능을 잃은 미생물 돌연변이균주를 보고하여 탄산칼슘 침전반응은 특정 개체에 의해 특이적으로 발생하는 생태학적으로 매우 중요한 과정으로 제안되었다. 또한 이 반응과 연관된 유전공학적 연구의 필요성이 제기되기 시작했다[8, 16, 17].

제안 방법

그 들은 M. xanthus와 칼슘이 함유된 M-3P 배지(1% bacto casitone, 1% Ca(CH3OO)2 · 4H2O, 0.2% K2O3 ·1/2H2O, pH 8)를 함께 석회암 표면에 분사하여 그 광물형성을 전자현미경으로 관찰하였다.
온천에서 분리된 이 혐기성 세균은 실리케이트를 형성하는 특정 단백질을 분비하여 시멘트에 존재하는 알루미늄과 실리케이트가 결합된 겔레나이트를 형성하였다[20]. 그 새로운 광물결정은 균이 첨가된 시멘트 모르타르를 X-선 회절분석기를 이용하여 구성광물을 분석함으로써 확인되었다. 바로 그 혐기성 겔레나이트 형성세균을 시멘트 모르타르 제작시 첨가하였더니, 그 모르타르 시편의 공극률을 감소시키고 압축강도를 증가시킬 수 있음이 알려졌다[20].
1). 또한 침식된 부위에 석회암과 세균을 혼입하여 영양배지와 섞어 처리하는 방법으로 침식부위를 수복 하였다(Fig. 1). 표면균열의 수복과 함께 첨가된 색소에 의해 원재료와 이질감 없는 색감을 구현할 수도 있다(Fig.
우선 영양배지와 탄산칼슘형성미생물을 혼합하여 석회질 구조물 표면에 분사하였다. 분사 4일후에 동일한 부위에 미생물을 제외한 영양배지만을 다시 분사해주어 탄산칼슘형성미생물에 석회질 구조물 표면에 바이오칼신(biocalcin)이 침전되도록 하였다. 미생물이 처리된 구조물 표면의 전자현미경 사진에서 바이오칼신에 의해 촘촘히 코팅된 미생물을 확인할 수 있었다.
미생물 탄산칼슘형성유도를 위한 배지는 탄산침전과 연관된 질소순환 대사과정의 활성화에 적당한 조건으로 제작되었다. 우선 영양배지와 탄산칼슘형성미생물을 혼합하여 석회질 구조물 표면에 분사하였다. 분사 4일후에 동일한 부위에 미생물을 제외한 영양배지만을 다시 분사해주어 탄산칼슘형성미생물에 석회질 구조물 표면에 바이오칼신(biocalcin)이 침전되도록 하였다.
그들은 또한 1990년에 미생물에 의한 표면코팅효과의 장점에 대한 특허를 획득하고, Calcite bioconcept라는 법인을 설립하였다[4, 17]. 이 기술은 시멘트 구조물 표면에 영양배지와 세균을 함께 분주하여 정착을 유도한 뒤 4일 후에 배지만을 다시 분주하고 미생물 탄산칼슘형성을 유도하였다(Fig. 1). 또한 침식된 부위에 석회암과 세균을 혼입하여 영양배지와 섞어 처리하는 방법으로 침식부위를 수복 하였다(Fig.

성능/효과

De Muynck 등(2008)의 연구에 따르면, 석회질 구조물 표면에 처리된 탄산칼슘형성세균에 의한 새로운 칼슘침전층이 형성되어(Fig. 6) 표면공극율이 낮아짐이 확인되었다. 이 표면공극충진에 의해 65~90%까지 수분흡수율이 감소하고(Fig.
이 표면공극충진에 의해 65~90%까지 수분흡수율이 감소하고(Fig. 7) 염의 침투율 또한 대조군에 비해 10~40%가량 감소됨이 확인되었다. 특히 미생물에 의해 형성된 새로운 탄산칼슘층은 그 견고성과 결합력이 상업적으로 널리 이용되고 있는 표면처리제와 유사한 내구성을 가진 것으로 보고되어 그 효과가 상업적으로 충분히 개발될 수 있음을 보여주기도 하였다[16].
2% K₂O₃ ·1/2H₂O, pH8)를 함께 석회암 표면에 분사하여 그 광물형성을 전자현미경으로 관찰하였다. M. xanthus가 처리된 석회암 표면에는 바늘모양의 배터라이트(vaterlite)와 석회화(calcifying)된 M. xanthus가 석회암 공극을 광범위하게 코팅한 것을 확인했다. 또한 초음파분해(sonication)법을 이용하여 외부의 강한 물리적 자극에도 석회화된 세균과 방해석 결정 매트릭스는 원 재료인 석회질 암석과 분리되지 않고 견고하게 결합된 것을 확인하였다.
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 유기물에 의해 모르타르 내부공극이 메워져 공극률이 낮아지고 강도가 증가 한 것으로 여겨진다.
첫째로 미생물의 생물막이 시멘트 구조물 표면에 형성되면 대기중 오염물질과 무기요소들이 쉽게 결합할 수 있어 표면을 오염시키고 시간이 지나면서 그 구조물을 서서히 부식시킨다. 둘째로, 미생물이 분비하는 외부분비성중합물질(extracelluar polymeric substances) 은 건축물의 광물구조를 결정하는 시멘트의 팽창과 수축 과정에 물리적 스트레스를 준다. 그로 인해 완전한 광물결정이 형성되지 못하고 건축물의 내구성은 떨어진다.
또한 광물형성작용을 적용할 때 색소를 첨가하여 원래의 건물벽과 일치하는 색상을 만들어 냄으로써 원 건물과 동일한 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.
xanthus가 석회암 공극을 광범위하게 코팅한 것을 확인했다. 또한 초음파분해(sonication)법을 이용하여 외부의 강한 물리적 자극에도 석회화된 세균과 방해석 결정 매트릭스는 원 재료인 석회질 암석과 분리되지 않고 견고하게 결합된 것을 확인하였다. 저자는 미생물 대사과정에 의해 유도된 광물형성작용이 석회암 조각물의 외부 균열을 보수하고 내구성을 증진 시킬 수 있다고 제안하였다[41].
분사 4일후에 동일한 부위에 미생물을 제외한 영양배지만을 다시 분사해주어 탄산칼슘형성미생물에 석회질 구조물 표면에 바이오칼신(biocalcin)이 침전되도록 하였다. 미생물이 처리된 구조물 표면의 전자현미경 사진에서 바이오칼신에 의해 촘촘히 코팅된 미생물을 확인할 수 있었다. 이러한 미생물에 의한 탄산칼슘의 표면코팅은 외부 요소들의 침투를 막고 원재료의 풍화·침식을 방지할 수 있는 것으로 알려져 왔다[32].
pasteurii를 인위적으로 만든 시멘트 모르타르 균열부위에 유레아제의 기질인 유레아와 칼슘원인 염화칼슘(CaCl2)이 첨가된 영양배지에 현탁하여 접종하였다. 접종 후 7일과 28일 후에 각각 압축강도와 인장력 측정결과, 균이 접종된 시멘트 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.
미생물에 의한 탄산칼슘형성작용을 이용해 시멘트 건축물의 내구성 증진 및 균열보수와 같은 이로운 효과들에 대해 보고되고 있지만, 미생물은 시멘트 구조물에 생물·화학적인 많은 문제들을 유발한다. 첫째로 미생물의 생물막이 시멘트 구조물 표면에 형성되면 대기중 오염물질과 무기요소들이 쉽게 결합할 수 있어 표면을 오염시키고 시간이 지나면서 그 구조물을 서서히 부식시킨다. 둘째로, 미생물이 분비하는 외부분비성중합물질(extracelluar polymeric substances) 은 건축물의 광물구조를 결정하는 시멘트의 팽창과 수축 과정에 물리적 스트레스를 준다.
subtilis를 이용하여 석회암 표면을 코팅하였다. 표면에 코팅된 미생물에 의한 탄산칼슘막은 석회암의 수분침투율을 60%정도 감소 시켰고, 드릴을 이용한 물리적 외부자극에 견고하게 결합되는 지를 측정한 결과 음성대조군에 비해 그 결합력이 높음을 확인하였다.

후속연구

그 요인으로써 최적의 칼슘이온 농도와 미생물 탄산침전작용 증진 영양배지에 관한 연구도 포함된다. 그와 더불어 건축재료로써 처리된 미생물의 생존, 성장, 생체막 (biofilm) 형성과 같은 미생물 생리학적 특성이 시멘트 재료와 어떻게 관계 하는지에 대해서도 연구가 필요하다[5, 16, 41].
본론에선 시멘트 건축물 표면코팅 효과에 대한 방법론적 연구사례들을 조사하였고, 시멘트 구조물의 내구성 증진을 위한 미생물의 첨가에 대한 연구사례들도 함께 살펴보았다. 부가적으로 향후 미생물의 다기능성을 이용한 자기수복 스마트 콘크리트 개발에 대한 개념을 살펴보고그 미래를 전망하였다.
증식된 곰팡이는 미관상 타일의 이음새 부위를 훼손하며 인간에게 호흡기질환을 유발한다. 여기에 항진균활성 미생물을 이용하여 곰팡이 증식을 억제하고 접착제를 대체할 수 있는 탄산칼슘 바인더로써 응용도 가능할 것으로 여겨진다.
향후 연구에선 칼슘과 탄산이 배열된 격자구조의 양식에 따라 탄산칼슘은 크게 배터라이트(vaterite)와 방해석(calcite) 으로 나눌 수 있는데 탄산칼슘결정의 공극 충전효과 측면에선, 비정형 방해석이 작은 배터라이트 결정보다는 그 효과가 크다[16, 40]. 그래서 건축공학적으로 미생물 응용시 형성되는 시멘트 구조물 속 탄산칼슘의 격자구조 형태가 비정형의 방해석 구조를 가질 수 있도록 하는 연구가 필요하다[40].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대기 중에 노출된 시멘트 건축물 표면은 어떠한 문제점이 있는가?	대기 중에 노출된 시멘트 건축물 표면은 물리·화학적 혹은 생물학적 풍화 침식으로 인해 미세균열이 빈번히 발생할수 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 일정수준 존재하는 미세공극체계가 침투한 수분 및 화학물질에 의해 연쇄적으로 확장된다[25].
	미생물에 의한 탄산칼슘침전은 건축에서 어떤 목적으로 응용되어 왔는가?	미생물에 의한 탄산칼슘침전은 생물 화학적으로 풍화, 침식된 시멘트 건축구조물 표면의 미학적 복원 및 수분침투 방지를 목적으로 응용되었다. 이 기술의 두드러진 장점이 보고된 후 유럽과 미국을 중심으로 미생물을 이용한 건축공학적 응용가능성에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다.
	건축 공학 분야에서 미생물에 의한 탄산칼슘침전으로 얻은 소재의 장점은 무엇인가?	이 기술의 두드러진 장점이 보고된 후 유럽과 미국을 중심으로 미생물을 이용한 건축공학적 응용가능성에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 견고하고 원재료와의 호환성이 뛰어난 이 기술은 다양한 탄산칼슘형성세균의 선별 또는 배양 및 적용방법의 개발로 그 관심이 촉발되었다. 본 총설의 목적은 친환경적 건축소재에 대한 관심이 높아지고 그 필요성이 대두되고 있는 현 시점에서 미생물 탄산칼슘형성 매카니즘과 그 관련 기술들을 검토해 보고자 한다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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