<그림. 부레옥잠과 좀개구리밥 생장 상황의 비교
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

수생식물인 좀개구리밥을 이용한 폐수 처리 연구

질소와 인이 함유된 대량의 폐수 배출은 중국에서 물 오염을 초래하는 주요 요인 중 하나로 꼽히고 있다. 현재 미생물을 이용해 질소와 인을 제거하는 기술이 많이 활용되고 있다. 즉, 유기 질소를 기체 질소로 전환하는 기술과 인을 찌꺼기(Sludge)로 전환시키는 기술이 채용된다. 이러한 기술은 대량의 전기 에너지를 대가로 실현되기 때문에 경영 비용이 많이 들고 자원 재활용이 어려운 단점을 안고 있다.

또한 질소와 인은 농작물 생장에서 필수적인 영양원소이다. 그러나 폐수량의 많고 질소와 인의 농도는 상대적으로 육상 식물에 많이 적용되며 또 폐수 자원과 농업 생산이 시간과 공간 분포에서 잘 어울리지 않기 때문에 농작물을 통한 질소와 인이 함유된 폐수의 효과적인 이용이 힘든 상황이다.

수생식물이 좀개구리밥(Duckweed)은 세계에서 가장 작은 꽃이 피는 식물이며 그 생장이 빨라 연간 헥타르당 50톤씩 자랄 수 있다. 뿐만 아니라 바이오매스 품질(리그닌 함량이 낮고 녹말 함량이 높음)이 좋아 이미 에너지 식물 연구의 포인트로 주목을 받고 있다.

중국 과학원 청두(成都)바이오연구소 자우하이(成都) 연구진은 세계적 범위에서 수집한 좀개구리밥 중에서 효과가 좋은 좀개구리밥 종자를 선택해 질소와 인이 함유된 폐수 중에서 재배하는 기술을 개발하였다. 이 기술은 폐수 중의 질소와 인을 고품질의 바이오매스로 전환할 수 있어 향후 바이오 에너지 생산과 폐수처리를 병행할 수 있는 새로운 방법이 될 수 있다.

연구팀은 중국 윈난성(云南) 쿤밍(昆明)시에 자리 잡은 중간시험이 가능한 실험기지에서 좀개구리밥과 부레옥잠(Water hyacinth)이 폐수 중에서 질소와 인의 흡수 능력 및 자원화 이용 잠재력에 관하여 2년 동안 체계적인 연구를 추진했다. 이를 통해 연구팀은 최초로 좀개구리밥은 부레옥잠과 같은 질소와 인에 대한 흡수 능력과 더 높은 자원화 이용 우위가 있다는 것을 발견했다.

연구 결과에 따르면, 좀개구리밥과 부레옥잠은 연간 질소 흡수량이 각각 0.39 g/m2/d, 0.40 g/m2/d이고 인 흡수량이 각각 0.09 g/m2/d, 0.10 g/m2/d에 달해 질소와 인에 대한 흡수에서 근접하게 나타났지만, 좀개구리밥의 조단백질(Crude protein), 아미노산, 녹말, 인 함량이 각각 33.34%, 25.80%, 40.19%, 1.24% 등으로 나타나 부레옥잠보다 품질이 훨씬 좋다는 결과를 도출했다. 이 연구 논문은 영국 생물자원공학 분야 국제학술지 `바이오소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’에 발표되었다( Potential of duckweed in the conversion of wastewater nutrients to valuable biomass: A pilot-scale comparison with water hyacinth, 163. 82?91).

또한 연구팀은 바이오정보학 기술을 채용하여 좀개구리밥과 부레옥잠 근권(Rhizosphere) 미생물 군락을 연구했다. 연구 결과에 따르면, 부레옥잠이 질소를 제거할 수 있는 능력은 주요하게 근계 미생물의 기여에 비롯된다는 것과 좀개구리밥을 이용한 폐수에 탄성 첨가제를 넣을 경우 질소 제거 능력(질소 제거 효율 19.97%, 암모니아질소 제거 효율 15.02% 제고함)이 크게 높아진다는 것을 발견했다. 질소 제거 효율은 56.23%에 달한다.

이와 함께 심층적인 연구를 통해 첨가제 바이오막에 있는 풍부한 질화 작용 균과 탈(脫)질소 작용 균이 질소를 높이는 요인이라는 것도 규명했다. 이 연구 성과도 영국 생물자원공학 분야 국제학술지 `바이오소스 테크놀로지(Bioresource Technology)’에 발표(Microbial community and removal of nitrogen via the addition of a carrier in a pilot-scale duckweed-based wastewater treatment system. Bioresource Technology, doi:10.1016/ j.biortech.2014.12.037)와 함께 ‘좀개구리밥 재배 방법’이란 국가 발명특허도 출원했다(201410505275.0).

뿐만 아니라 연구팀은 폐수에서 좀개구리밥 재배 과정에서 물 깊이, 보급률, 수확 주기, 수력 정착 시간 등에 대한 계통적인 연구를 통해 재배 조건 및 높은 생산량과 처리 효과 등이 좋은 데이터를 획득했다. 정착 시간이 6일 경우 전형적인 생활 오수(암모니아질소 농도15mg/L 안팎, TN 농도15-20mg/L, TP농도 2-3mg/L)가 정상적인 배출 표준에 도달할 수 있다. 이와 관련된 2편의 논문도 국제학술지 ‘Plant Biology’에 게재되었다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr