[논문]박테리아 기반 콘크리트 코팅재 개발을 위한 박테리아 흡착기술 연구

정재은; 양근혁; 윤현섭

doi:10.14190/jrcr.2015.3.2.140

초록
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본 연구에서는 박테리아를 활용하여 콘크리트 구조체를 코팅할 수 있는 기초 기술을 개발하는데 중점을 두었다. 박테리아의 자기정화 능력과 함께 콘크리트 내구성 향상을 함께 도모하기 위하여 슬라임 막을 형성하는 박테리아(Rhodobater capsulatus)를 선정하고 이를 흡착하기 위한 기술을 제시하였다. Rhodobater capsulatus의 배지별 슬라임 생성량 및 생장속도 평가결과로부터 최적의 배지조건은 maltose로 평가되었다. 제시된 배지를 기반으로 배양된 Rhodobater capsulatus의 고정화를 위해 흡착제를 활용하였으며 이를 image analysis 통해 흡착특성을 평가하였다. Rhodobater capsulatus 흡착을 위해서는 고 다공성 수지가 추천될 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study focused on the development of a fundamental technology for coating of concrete surface using slime produced from bacteria. To assign self-purification ability and improve durability performance of concrete, Rhodobater capsulatus that generates slime were selected and absorption technology...

This study focused on the development of a fundamental technology for coating of concrete surface using slime produced from bacteria. To assign self-purification ability and improve durability performance of concrete, Rhodobater capsulatus that generates slime were selected and absorption technology for the selected bacteria was then examined. From the production of slime and growth activity of the bacteria, the optimum medium for Rhodobater capsulatus can be recommended as maltose. Furthermore, image analysis showed that high porous resin powder is more effective for absorption of the Rhodobater capsulatus than the other materials tested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 고려하여 본 연구에서는 박테리아를 활용하여 콘크리트 구조체를 코팅할 수 있는 기초 기술을 개발하는데 중점을 두었다. 박테리아의 자기정화 능력과 함께 콘크리트 내구성 향상을 함께 도모하기 위하여 슬라임 막을 형성하는 박테리아를 선정하고 이를 흡착하기 위한 기술을 제시하였다.
본 연구에서는 콘크리트의 자기정화 기능 부여 및 내구성 향상을 위하여 박테리아 슬라임 기반의 코팅 기술을 제시하기 위한 기초방법을 제시하였다. 향후 코팅재 기술의 정립과 함께 내염화 및 내동결융해와 같은 콘크리트 내구성으로 연구가 확장될 필요가 있으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 박테리아의 정화 기능성을 활용하기 위해서는 콘크리트 배합 시 박테리아를 혼입하는 것보다는 경화된 콘크리트에 박테리아를 코팅하는 것이 그 효율성을 높일 수 있을 것이다. 이를 고려하여 본 연구에서는 박테리아를 활용하여 콘크리트 구조체를 코팅할 수 있는 기초 기술을 개발하는데 중점을 두었다. 박테리아의 자기정화 능력과 함께 콘크리트 내구성 향상을 함께 도모하기 위하여 슬라임 막을 형성하는 박테리아를 선정하고 이를 흡착하기 위한 기술을 제시하였다.

제안 방법

슬라임 박테리아의 흡착은 각각의 흡착재의 슬라임 생성량이 가장 크게 나타난 maltose 배지에서 배양된 Rhodobater capsulatus를 24시간동안 침지하여 흡착하였다. 또한 슬라임 박테리아 흡착을 평가하기 위하여 본 연구에서는 흡착재별 표면 조직을 1,000~10,000 배율의 SEM을 통해 관찰하였다. 실험결과, 모든 흡착재에서는 Fig.
0㎖ 제조하여 사용하였다. 배양은 Table 1에 나타낸 배지를 기본으로 각각의 탄소원(dextrose, maltoes, frutose)을 각각 0.3%씩 넣고, pH를 6.8로 조절한 뒤, 0.1%(v/v)의 Rhodobacter capsulatus을 각각의 탄소원에 따라 접종하여 배양하였다. 접종된 박테리아는 혐기 조건하에서 조도 2,000lux, 30℃에서 7일 동안 인큐베이터를 이용하여 배양하였다.

대상 데이터

Rhodobacter capsulatus를 배양하기 위한 기본배지는 Table 1에 나타낸 바와 같이 Ferric citrate solution (0.5%) 1.0㎖, KH2PO3 0.5g, MgSO4 · 7H2O 0.4g, NaCl 0.4g, NH4Cl 0.4g, CaCl2·2H2O 0.05g, Trace element solution SL-6 1.0㎖ 제조하여 사용하였다.
이로 인해 흡착재료별 슬라임 박테리아의 흡착특성을 평가할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 예비실험을 통해 선정된 T사의 고 흡수성 수지, T사의 고 다공성 수지, S사의 팽창질석, S사의 펄라이트를 흡착재를 사용하였다.
슬라임 형성 가능한 박테리아는 Rhodobacter capsulatus, Rhodobacter blasticus, Rhodobacter sphaeroides, Rhodopseudomonas palustris 및 Rubrivivax gelatinosus 등이 있으며, 본 연구에서는 국가지정 연구소재 미생물 거점센터에서 보유하고 있는 Rhodobacter capsulatus 박테리아를 사용하였다.

이론/모형

배양된 Rhodobacter capsulatus의 형상 및 구조를 현미경으로 확인하기 위하여 Maneval’s staining method 방법을 이용하여 염색하였다.

성능/효과

실험결과 Rhodobacter capsulatus는 Fig. 5(a)에 나타낸바와 같이 maltoes에서 0.89g/L로 생장 속도가 가장 빠르게 나타났으며, 이로 인해 maltoess에서 배양한 Rhodobacter capsulatus의 슬라임은 약 0.25g/L로 가장 많은 생성량이 측정되었다. 또한 Fig.
1. Rhdobater capsulatus는 신진대사활동을 통해 세포 주변에 점착성의 슬라임(Glycocalyx)을 형성하며 이로 인해 이온교환 표면의 부피가 확장되고 미생물의 집락(Colony) 및 군집형태를 나타내었다.
2. maltoes에서 배양된 Rhodobater capsulatus의 슬라임이 차지하는 비율은 약 29%로 나타났다.
3. fructoes에서 배양한 Rhodobacter capsulatus는 가장 늦은 생장속도를 나타낸 반면 슬라임 생성량은 dextroes에서 배양한 Rhodobacter capsulatus와 비슷하게 측정되었다.
4. 박테리아 슬라임 코팅 기술을 위해 흡착재는 maltoes 배지에서 배양된 Rhodobacter capsulatus기반으로 흡착된 고 다공성 수지로 제시될 수 있다.
또한 슬라임 박테리아 흡착을 평가하기 위하여 본 연구에서는 흡착재별 표면 조직을 1,000~10,000 배율의 SEM을 통해 관찰하였다. 실험결과, 모든 흡착재에서는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 슬라임을 형성한 Rhodobater capsulatus가 흡착된 것을 확인할 수 있었다. 특히, Fig.

후속연구

박테리아를 활용한 콘크리트 기술에서 가장 중요한 것 중의 하나는 고알칼리, 건조환경에서 박테리아의 생존과 활성정도를 유지하는 것이다. 또한 박테리아의 정화 기능성을 활용하기 위해서는 콘크리트 배합 시 박테리아를 혼입하는 것보다는 경화된 콘크리트에 박테리아를 코팅하는 것이 그 효율성을 높일 수 있을 것이다. 이를 고려하여 본 연구에서는 박테리아를 활용하여 콘크리트 구조체를 코팅할 수 있는 기초 기술을 개발하는데 중점을 두었다.
54m²/g으로 가장 크게 나타난 고 다공성 수지로 추천될 수 있다. 하지만 박테리아 기반 콘크리트 코팅재의 실용화를 위해서는 흡착재료별 박테리아의 흡착량을 정량적으로 평가할 수 있는 방법 및 정확한 흡착메커니즘에 대해 지속적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 하수관에 사용되는 유기계 코팅재의 문제점은 무엇인가?	콘크리트 하수관과 같이 내황산화가 요구되는 제품들은 내투수성이 강한 에폭시, 우레탄 및 아크릴과 같은 유기계 코팅재가 사용되고 있다. 하지만 기존의 제품들은 콘크리트의 접착 면에 형성된 막으로 인해 콘크리트 내부의 존재하는 수분이 외부로 증발되는 것이 어려워 코팅막 탈락현상이 발생된다. 또한 동절기 시공 시에는 코팅 막 경계면에 형성된 수분이 얼어 경계면에서 팽창압이 발생된다(Cho et al. 2013). 이로 인해 콘크리트는 균열 및 변형이 발생되어 내구년수 증가에 대한 효율성이 현저히 저하된다. 또한 유기계 코팅재는 환경오염 및 유해물질이 다량 포함되어 전 세계적으로 사용 원료 및 제조 공정을 엄격하게 규제하고 있다. 이에 따라 이미 유럽 등의 선진국에서는 중금속 및 휘발성 유기화합물(VOCs: Volatile Organic Compounds)을 포함하지 않은 친환경 코팅재가 개발되고 상용화되고 있다.
	박테리아 중 슬라임 형성이 가능한 것은 무엇이 있는가?	슬라임 형성 가능한 박테리아는 Rhodobacter capsulatus, Rhodobacter blasticus, Rhodobacter sphaeroides, Rhodopseudomonas palustris 및 Rubrivivax gelatinosus 등이 있으며, 본 연구에서는 국가지정 연구소재 미생물 거점센터에서 보유하고 있는 Rhodobacter capsulatus 박테리아를 사용하였다.
	콘크리트 구조물에 사용되는 호기성 박테리아의 한계점은 무엇인가?	(2001)은 미생물을 이용하여 균열치유에 대한 가능성을 제시하였다. 하지만 호기성 박테리아의 경우에는 생장조건으로 산소가 필요하며, 강 알카리성인 콘크리트에서는 활성도가 저하된다고 보고하였다. Kim et al.

참고문헌 (8)

De Belie, N., De Muynck, W. (2008). Crack Repair in Concrete using Bio Deposition, In Proceeding of ICCRR Cape Town, South Africa. Insection, 7(4), 99-107.
Jeong, J.H. (2006). The Biological Treatment of Soil Washing Water Contaminated with Heavy Metal, Master's Thesis, Kyonggi University, Korea [in Korean].
Kim, S.S. (2003). Evaluation on the Performance of Coating Materials for Improving the Durability of Concretes, Korea Institute Structural Maintenance Insection, 7(4), 99-107.
Kim, T.G., Cho, K.W., Song, K.G., Yoon, M.H., Ahn, K.H., Hong, S.K. (2009). Evaluation of the Removal Characteristics of Pollutants in Storm Runoff Depending on the Media Properties, Environmental Engineering research, 31(7), 483-490 [in Korean].
Kim, W.J., Kim, S.T., Park, S.J., Ghim, S.Y., Chun, W.Y. (2009). A Study on the Development of Self-Healing Smart Concrete Using Microbial Biomineralization, Journal of the Korea Concrete Institute, 21(4), 501-511 [in Korean].

원문보기 상세보기
Lee, J.K., Koh, T.H., Kim, S.Y., Lee, T.Y. (2009). A Study on the Adsorptive Removal of Heavy Metals Using Inflated Vermiculites, Korean Geo-Environmental Society, 10(6), 61-68 [in Korean].
Ramachandran, S.K., Ramakrishnan, V., and Bang, S.S. (2001). Remediation of Concrete using Micro-Organisms, ACI Materials Journal, 98(1), 3-9.

상세보기
Shin, M.S. (2009). A Study on the Initial Events of Adsorption and Improvement of Immobilization Capacity of Microbes on the Biocarriers, Master's Thesis, Chungnam National University, Korea [in Korean].

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