[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 세종대학교 기계공학과 정재희 교수와 KIST 환경복지연구센터 김병찬 박사팀이 공기 중 부유미생물이 가진 생체물질, ATP의 농도를 실시간으로 측정하는 시스템을 개발했다고 2일 밝혔다.

바이오에어로졸은 생물학적 기원을 갖는 공기 중 부유입자를 통칭하며 바이러스, 세균, 곰팡이와 같은 부유미생물도 포함된다.

이에 정부에서는 실내 공기질 내 총 부유세균 농도를 800 CFU/m3 이하로 유지 관리하고 있으며 총 부유곰팡이 농도를 500 CFU/m3 이하로 권고하고 있다.

특히 상대적으로 면역력이 취약한 노약자 등이나 또는 환경 취약계층에게 보다 큰 영향을 줄 수 있어 연속적으로 실시간 오염을 탐지하는 기술이 필요하다.

하지만 이들 농도측정에는 시료 포집부터 결과분석까지 하루, 이틀 이상이 소요되어 즉각적인 확인 및 노출 저감을 위한 조치가 어려운 상황이다.

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 공기 중 부유미생물(곰팡이 및 세균)의 고농축액화포집 기술을 개발하고 시간으로 현장에서 부유미생물의 농도를 측정할 수 있는 시스템을 설계했다.

연구과정을 보면 원심력을 이용해 물질을 분리하는 사이클론 기술로 시료를 안정적으로 액화하여 포집하고 고농도로 농축했다.

이 과정에서 사이클론 내부에 초친수성 표면처리 및 액체-기체 계면 제어를 최적화함으로써 약 100만 배 이상의 부유미생물 농축 성능을 확보했다.

사이클론(cyclone) 과정은 원심력을 이용한 분리장치. 유체 중의 고체입자를 분리하거나 액체방울을 기체와 분리한다.

또 기존 액상 임팩터 또는 임핀져를 이용하는 방식에 비해 농축도가 높아 시료 확보시간을 단축하고 검출부와 직접 연결된 시스템 설계를 통해 포집된 시료의 손실과 손상을 최소화했다.

이로 인해 시료는 부유미생물을 융해할 수 있는 열처리부를 통과해 30일 이상의 화학적 안정성을 갖는 루시퍼린·루시퍼라아제 효소 고정화 기술이 적용된 페이퍼 디스크가 포함된 검출부로 전달된다.

이어 부유미생물 내 아데노신 삼인산(ATP) 물질과 루시퍼라제(효소) 및 루시페린(기질)과의 반응으로부터 방출되는 생물발광을 정량화, 부유미생물 양을 실시간 관찰했다.

이 과정에서 아데노신 삼인산(ATP, Adenosine Triphosphate)은 생명체의 세포가 호흡, 대사 등을 위해 에너지로 사용하는 물질이며 인산기가 떨어지면서 에너지가 발생되고 생물발광(Bioluminescence)은 생물이 화학적 작용을 거쳐 빛을 내는 현상이며 화학발광과 달리 열을 거의 발생시키지 않아 효율이 매우 높다.

특히 적용된 탐지기술은 ATP를 이용하기 때문에 바이러스 탐지에는 적용이 불가능하며 실내공기질 관리 기준인 '부유세균 및 부유곰팡이'로 한정했다.

이후 설계한 장비의 성능 검증을 서울 시내 6곳의 지하철 역사에서 실시간 현장 테스트를 진행했고 시민들의 공간 이용 밀도 변화에 따라 부유미생물의 농도가 함께 변화하는 것을 확인했다.

이 연구결과에 의하면 청소기부터 화력발전소에 이르기까지 공기에 섞여있는 먼지를 포집하는데 널리 쓰이는 사이클론을 개량해 부유미생물을 액상으로 100만 배까지 농축했다.

정재희 교수는 “향후 현장의 특성을 고려한 다양한 실내외 대기환경을 모니터링할 수 있는 실용화 연구를 계속할 계획”이라고 말했다.

이 연구는 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구), 환경부 및 KIST 등의 지원으로 수행됐고 국제학술지 ‘ACS 센서(ACS Sensors)’에 2월 28일 게재됐다.