과학은 자연을 탐구하는 학문입니다. 자연을 공부하다보면 정말 신기합니다. 오늘은 맨 눈으로 보기 어려운 미생물이야기를 하려고 합니다. 특히, 환경미생물을 소개하려고 합니다. 쉽게 생각하면 쓰레기 같은 오염물질을 정화미생물을 떠올릴수 있습니다. 맞습니다. 하지만, 한 단계 더 나아가 에너지원, 즉 연료가스를 생산하는 미생물에 대해 얘기합니다.
아래 그림이 보이시나요? 자연을 탐구할 때 첫 번째 중요한 행동은 관찰입니다. 잠시 길을 벗어나 얘기하면, 관찰은 사람을 상대하는 직업을 가진 사람들은 보통 사람을 관찰합니다. 그들의 눈과 얼굴표정, 제스처와 몸의 태도를 관찰합니다. 물론 관찰당하는 사람을 위하는 심리전문가일수도 있고, 자신의 서비스나 재화를 판매하기 위한 영업자일수도 있습니다. 다시 돌아와 자연, 특히 오늘은 미생물을 관찰해보겠습니다.
검은 물체와 희뿌연 물질이 뒤섞인 상태가 보입니다. 작은 공기방울 같은 게 맺쳐 있는 것도 보입니다.
아래 그림은 전자현미경을 이용하여 더욱 자세하게 들여다본 사진입니다. 왼쪽 하단부에 1마이크로미터라고 쓰여있네요. 1마이크로미터는 1밀리미터의 천분의 일이니까 대략 많이 작구나 생각하시면 됩니다. 검은색 사막 한 가운데 버려진 땅콩껍질같기도 하고, 여러마리의 군집을 이룬 것도 보입니다.
아래 그림은 좀 더 확대하여 둥근 물체를 관찰한 사진입니다. 어찌보면 우주의 작은 행성 같습니다. 작은 구의 뒤쪽 배경은 활성탄의 모습입니다. 활성탄은 쉽게 얘기하면 숯입니다. 나무 등 유기성물질을 탄화시켜 얻습니다. 활성탄은 보통 환경에서 오염물질의 흡착에 관여합니다. 가장 큰 특징으로 단위 면적당 표면적이 넓습니다. 활성탄 제조 과정을 생각해보면 탄화과정에서 유기탄소가 이산화탄소 등으로 전환되어 빠져나가면서 많은 공간 (공극)을 남깁니다.
정수과정에도 활성탄이 많이 사용되는데 유기계 오염물질을 잘 흡착합니다. 한편, 더러운 물을 처리하는 폐수시스템에서는 그 많은 공간 내 많은 미생물이 거주하도록 하여 좁은 체적에서 고농도 또는 많은 유량의 폐수를 처리하기도 합니다. 사람 및 우리사회 부동산으로 얘기하면 고층 아파트가 되겠군요.
아래 그림은 활성탄을 이용하여 실험을 고안한 것입니다. 이 과정 전에 가설을 정해봅니다. 활성탄 (GAC)이 연료생성과정에서 어떤 특성을 나타내는지 궁금합니다. 3개의 반응조를 제작해서 한 군데는 활성탄과 일반 용액 (환경미생물 포함), 두번째는 활성탄만 있는 반응조, 마지막으로는 용액만 있는 반응조입니다. 참고로 활성탄에 살고있는 (부착된) 환경미생물이 일반 용액내 존재하는 부유미생물과 연료가스 (메탄) 생성속도가 다르다는 가설을 세웠습니다.
이제 가설을 검증하기 위해 실험을 진행합니다.
물론, 상기 가설을 위해 더 나은 가설 설계를 진행하면 더욱 좋습니다.
아래 첫 번째 실험결과를 그래프로 그려봅니다. 이제는 해석하는 법과 가설을 증명하기 위해 데이터의 다양한 가공작업니다. 아래 그림을 보면 시간당 연료가스(메탄) 생산량인데 속도를 비교한 것입니다. 내심 노란색 (활성탄 부착 미생물) 선이 가파르게 나오면 좋은데 아쉽습니다. 하지만, 좀 더 생각해보겠습니다.
아래는 두 번째 그래프를 그렸습니다. 동일한 데이터를 가지고 내가 가진 가설을 잘 표현하기 위해 이런 질문을 던집니다. 3개 반응조 내 존재하는 미생물량이 다를텐테 단위 미생물량 (mg VSS) 당 메탄생성속도를 비교하면 어떨까?
본 질문에 답하기 위해 아래 그래프를 그려봅니다. 다행히도 활성탄 부착 미생물 (노란색, GAC)이 단위 질량당 가장 빠른 연료 생성 속도를 나타냅니다.
아래 그림은 자연계 유기성 물질 (탄소)의 순환을 표현한 것입니다. 아래 그림에 꼬리를 치며 달리는 보라색, 빨간색 녀석들이 유기물질 섭취를 통한 산화에 관여하는 미생물입니다. 산소이용 유무에 따라 산소를 이용하는 호기성 미생물과 산소외에 임의성 미생물, 혐기조건에서 관여하는 미생물로 구분합니다.
최근 음식물쓰레기 등 분해가능한 유기성폐기물로 인해 이러한 메탄생성미생물이 다시 관심을 받고 있습니다. 우리가 잠을 자는 동안에도 쉼 없이 지구를 청소하고 냉난방을 책임지는 미생물이야기이었습니다.
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