본 연구에서는 페놀 및 중금속 4종(Zn(II), Pb(II), Hg(II), Cd(II))에 대한 발광박테라아(V. fischeri)의 독성반응 특성을 실시간 생물감시장치를 이용하여 평가하였다. 발광박테리아가 페놀 및 중금속 독성에 의해 나타나는 발광저해도를 계산하여 EC20과 EC50을 추정하여 독성반응 패턴 및 민감도를 파악하고자 하였다. 또한 실제 폐수처리장 방류수에 대상 독성물질을 첨가하여 독성반응을 모의하는 실험을 수행하여 현장 적용 시 독성반응 패턴 및 민감한 정도를 분석하고 방류수 수질기준과 비교하여 감시 가능한 농도 수준 및 현장 적용성을 검토하였다.
한편, 수계의 수질오염감시를 위해 다양한 생물감시장치가 도입되어 운영되고 있으나 각 생물종의 특성을 고려한 적정 관리기술이 부족하여 측정데이터의 신뢰성에 의문을 제기하기도 한다. 생물을 이용한 감시체계의 신뢰성을 확보하기 위해서는 생물감시장치의 성능 및 검증을 위한 제도적 장치 마련이 시급하며, 각 생물감시장치의 독성물질에 대한 감시 가능한 농도 수준을 고려하여 복수의 감시장치를 운영하는 방법도 고려할 필요가 있다.

? 페놀류의 경우 청정지역(I)은 1 mg/L 이하, 가지역(II)과 나지역(III)은 3 mg/L 이하 그리고 특례지역(IV)은 5 mg/L 이하로 적용된다. MicroToxⓡ CTM 장비로 페놀에 대한 EC20 수준의 농도(1.7∼2.9 mg/L)로 경보기준을 운영할 경우 청정지역을 제외한 가, 나 그리고 특례지역에서 페놀류의 배출허용기준을 초과하여 방류하는지를 감시할 수 있을 것으로 페놀류 유출사고와 같이 고농도로 하천에 유입되는 경우에도 독성스크린 도구로 유용할 것으로 사료된다.

? 모의 실험을 통해 도출된 각 중금속의 EC20을 수질오염물질 배출허용기준과 비교하여 현장 적용성을 검토한 결과, ELV/EC20은 Zn(II) > Pb(II) > Cd(II) > Hg(II) 순으로 나타났다. 아연의 경우 지역의 구분 없이 배출허용기준 농도보다 EC20 농도가 낮아 배출허용기준 준수 여부를 직접적으로 모니터링이 가능하나 그 외 중금속은 EC20 농도 수준이 배출허용기준보다 높아 공정제어나 오염사고 감시 목적으로 적용하고 추가적으로 물리화학적 분석을 병행하는 것이 바람직하다고 사료된다.

발광박테리아 생물감시장치를 현장에 적용할 경우 생물의 이용성, 민감성, 채집 및 운송 등에 대한 내성, 환경요인에 대한 내성, 노출경로, 생태적ㆍ경제적 적절성, 표준화된 방법, 운영의 편리성, 수질오염물질에 대한 감시농도 등을 고려하여야 한다. 발광박테리아는 이용성 측면에서 상수원수, 하천수, 폐수 등 다양한 시료에 적용이 가능하다. 특히, 염분을 다량으로 함유하는 폐수에도 적용이 가능하여 물벼룩을 이용한 생태독성시험으로 평가가 어려운 시료에도 적용이 가능하다. 독성에 대한 민감성은 대상 시료의 성상에 따라 차이를 보이나 독성반응시간이 짧아 현장 적용에 유리하다. 채집 및 운송 등에 의한 내성보다는 상업용 키트를 구매하여 사용이 가능하여 냉동된 상태로 운반 및 보존이 요구되며, 실험 시 재활성화 용액으로 쉽게 생물시료를 준비할 수 있다. 본 연구에서 적용한 생물감시장치는 독성물질에 의한 피독 시 생물 사멸로 인한 감시 공백이 없는 장점이 있어 독성물질의 지속성 및 경향성을 계속 감시가 가능하며 타 생물가 달리 발광박테리아는 짧은 노출시간에도 불구하고 독성반응성 및 민감도가 우수하여 생물감시 도구로의 활용도가 매우 높다고 판단된다. 또한 기존 수질감시체계와 병행하여 운영 할 경우 매우 효과적인 생물감시 도구로 활용이 가능하다.

수계의 수자원 감시에 있어 각 생물종은 독성물질에 대한 감시 가능한 농도 수준이 상이함으로 복수의 생물감시장치를 활용하는 방법을 적극적으로 고려하는 것이 바람직하다. 한편, 수계의 감시 목적에 적합한 생물감시장치의 선정을 위해서 각 생물감시장치의 독성반응 특성을 우선 고려하여 감시 가능한 수준의 반응성을 나타내는 감시장치의 도입이 필요하다. 또한 실제 생물감시장치의 현장 운영에 필요한 정책 결정은 실험 및 연구결과를 토대로 반영하는 것이 타당하다.
기존에 현장에서 널리 사용되고 있는 보편적인 생물감시장치라 하더라도 원래의 기능 및 구조를 유지하지 않는다면 그 장비에 대하여 재 검정을 통해 그 장비의 성능을 검정하여야 한다. 정책적 판단이 좀 늦은 시점이기는 하나, 생물감시장치에 대한 형식승인 및 정도검사 등 인증제도와 공정시험기준과 같은 공인된 기술인증 및 시험방법 등이 체계적으로 작성되어 현장에서 생물감시장치 선정 및 운영에 혼란이 없도록 차근차근 준비하는 것이 향후 국내 생물감시장치의 발전 및 정확한 감시기능 구현에 밑거름이 될 것이다.

The purpose of this study is to evaluate the effects of phenol and heavy metals (Zn2+, Pb2+, Hg2+, Cd2+) toxicity in a real-time biosensor which is based on measuring the attenuation of light intensity emitted by Vibrio fischeri. Using MicroToxⓡ CTM provides a simple, rapid and sensitive method for accessing the toxic risks posed by phenol to aquatic ecosystems and has practical applications for municipal and industrial wastewater management and screening of contaminants in fresh water streams and lakes.
The bioluminescence inhibition of different dillutions of phenol (1.5, 2.0, 2.5, 3.0 mg/L) with deionized water for reference was evaluated from 3.5 to 97.4% and the EC20 and EC50 from inhibition curve were estimated in 1.7 and 2.2 mg/L, respectively. Meanwhile, the bioluminescence inhibition of mixtures of phenol (2.0, 3.0, 5.0, 7.0 mg/L) with effluent wastewater for reference was evaluated from 5.4 to 99.2% and the EC20 and EC50 from inhibition curve were estimated in 2.9 and 4.4 mg/L, respectively.

In case of the inhibition test for dilluents of heavy metals, EC20 values were estimated as < 0.2 mg/L for Zn(II), 0.45 mg/L for Hg(II), 0.58 mg/L for Cd(II) and 1.95 mg/L for Pb(II) and EC50 values were estimated as 0.25 mg/L for Zn(II), 0.5∼1.0 mg/L for Hg(II), 1.38 mg/L for Cd(II) and 3.76 mg/L for Pb(II). The sensitivity ranking of heavy metals was in order as Zn(II) > Hg(II), > Cd(II) > Pb(II). In case of the inhibition test for the spiked effluent wastewater, EC20 values were estimated as 0.38 mg/L for Hg(II), 0.58 mg/L for Zn(II), 1.45 mg/L for Pb(II) and 1.95 mg/L for Cd(II) and EC50 values were estimated as 0.53 mg/L for Hg(II), 1.13 mg/L for Zn(II), 6.44 mg/L for Pb(II) and 7.82 mg/L for Cd(II). The sensitivity ranking of the spiked effluent wastewater was in order as Hg(II) > Zn(II) > Pb(II) > Cd(II). Compared to the Emssion Limit Value (ELV) in Korea, the EC20 value of Zn(II) was found to be lower than ELV so that it was suitable for screening of Zn(II) as to meet the criteria of effluent wastewater. However, the other EC20 value of heavy metals can be used to control the unit processes and avoid accidental discharge.

The assessment of the toxicity of four heavy metals and spiked samples with them was performed in this study, by real-time biosensor using bioluminescent bacteria. The EC20 value of the spiked sample with Zn(II) has been found to be 0.58 mg/L lower than its ELV so that it was considered as a suitable screening for determining whether or not to exceed the permissible limit value. The use of real-time biosensor is required in combination with physicochemical analysis for an integrated screening of the industrial effluent properties.