토양 지하수 환경에서 바이러스의 거동주제어 : 지하수, 병원성 미생물, 바이러스 이동, 박테리오파지, 바이러스 보호구역 1. 서 론 지하수는

大韓環境工學會誌總說 - Review Paper 504~515. 2012

† Corresponding author E-mail: [email protected] Tel: 02-880-4587 Fax: 02-873-2087

토양․지하수 환경에서 바이러스의 거동

Fate and Transport of Viruses in Soil and Groundwater Environments

박정안․윤서영․김성배†

Jeong-Ahn Park․Seo-Young Yoon․Song-Bae Kim†

서울대학교 지역시스템공학과

Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University

(2012년 7월 6일 접수, 2012년 7월 27일 채택)

Abstract : Groundwater is widely used as drinking water supplies around the world. However, microbial contamination of ground-water is a serious environmental problem that degrades drinking water quality and poses a great threat to human health. Among the pathogenic microorganisms such as viruses, bacteria, and protozoa, viruses are not readily removed during transport through soils, having high mobility in groundwater environment due to their smaller size compared to bacteria and protozoa. Studies regar-ding the fate and transport of viruses in soils and aquifers are necessary to determine the vulnerability of groundwater to microbial contamination and to secure safe drinking water sources. Also, these studies provide important information to establish the regula-tions and policies related to public health. This review paper presented the field and laboratory studies conducted for the fate and transport of viruses in subsurface environments. Also, the paper provided the factors affecting the fate and transport of viruses, the characteristics of bacteriophages used for virus studies, and virus transport model/colloid filtration theory. Based on this review work, future researches should be performed actively to set up the viral protection zone for the protection of groundwater from viral contamination sources. Especially, the researches should be focused on the development of mathematical models to calculate the setback distance and travel time for the viral protection zone along with the accumulation of information related to the model parameters.Key Words : Groundwater, Pathogenic Microorganisms, Viral Transport, Bacteriophage, Viral Protection Zone

요약 : 지하수는 전 세계적으로 널리 이용되는 음용수원이다. 하지만, 병원성 미생물에 의한 지하수 오염은 매우 심각한 환경

문제로써 음용수의 수질을 저하시키고 인류의 건강을 위협한다. 지하수를 오염시키는 병원성 미생물은 바이러스, 세균, 원생

동물 등이 있는데, 이중 바이러스는 박테리아나 원생동물보다 크기가 훨씬 작기 때문에 토양을 통과하는 과정에서 잘 제거되

지 않고, 지하수 환경에서 이동성이 뛰어나다. 토양과 대수층에서 바이러스 거동 연구는 지하수의 병원성 미생물 오염 취약성

을 판단하고 안전한 음용수원을 확보하는데 꼭 필요하다. 또한, 이러한 연구는 공중 보건을 위한 정책 및 규정을 제정하기 위

한 중요한 정보를 제공한다. 본 논문에서는 최근까지의 지중 환경에서 바이러스 거동과 관련하여 수행된 연구들을 현장 조건

에서 수행된 것과 실험실 조건에서 수행된 것으로 나눠 정리하였다. 또한, 이러한 연구들을 통해 알려진 바이러스의 거동에

영향을 미치는 인자들을 제시하였다. 그리고, 최근 바이러스 거동 연구에 널리 이용되는 박테리오파지의 특성을 정리하였고, 바이러스 거동을 모사하는데 이용되는 수학적 모델과 콜로이드 여과이론을 제시하였다. 지금까지의 연구결과를 바탕으로 향

후 연구는 바이러스 오염원으로부터 지하수를 보호한다는 측면에서 바이러스 보호구역의 설정과 관련된 연구들이 활발히 진

행되어야 할 것으로 판단된다. 특히, 바이러스 보호구역 설정과 관련하여 이격거리나 이동시간을 계산할 수 있는 수학적 모델

을 개발하고 모델과 관련된 파라미터들의 정보를 축적하는데 집중되어야 할 것으로 판단된다.주제어 : 지하수, 병원성 미생물, 바이러스 이동, 박테리오파지, 바이러스 보호구역

1. 서 론

지하수는 지구상의 담수 중 97% 이상을 차지하고 있으며, 전 세계적으로 널리 이용되는 음용수원(drinking water so-urces)이다. 하지만, 병원성 미생물(pathogenic microorganisms)에 오염된 비위생적인 지하수의 소비에 따른 수인성 전염

병 발생이 매우 심각한 것으로 보고되고 있다. 지하수를 오

염시키는 병원성 미생물은 세균(bacteria), 원생동물(protozoa), 바이러스(viruses) 등이 있는데, 와포자충(cryptosporidium), 편모충(giardia) 그리고 장바이러스(enteroviruses)가 주 위험

원이다.1) 이중 바이러스는 박테리아나 원생동물보다 크기가

훨씬 작기 때문에 토양을 통과하는 과정에서 잘 제거되지 않

고, 지하수환경에서 이동성이 뛰어나다. 바이러스는 외피단

백질로 쌓인 RNA 또는 DNA를 가지고 있고, 크기는 20~80 nm이며, 중성 pH에서 음전하를 띈다. 이러한 특성 때문에

토양과 지하수에서 바이러스 거동은 용질(solute), 콜로이드

(colloid), 미생물의 성질이 복합적으로 나타난다.2) 바이러스

는 다양한 원인에 의해 지중환경(subsurface environment)에

노출된다(Fig. 1). 공공하수처리시설이 없는 전원지역이나 농

촌지역에는 현장 오․폐수 처리시스템을 사용하는데, 여기

에서 나오는 유출수에 포함되어 있는 바이러스가 토양에 노

출된다.3,4) 그리고, 분뇨나 하수 슬러지의 토양적용(land appli-cation) 과정 그리고 가축 매몰지나 폐기물 매립지로부터 유

출되는 침출수에 의해 바이러스가 토양에 노출된다.5,6) 토양

505大韓環境工學會誌總說


대한환경공학회지 제34권 제7호 2012년 7월

Fig. 1. Schematic diagram for sources of viral contamination in subsurface.

에 노출된 바이러스는 물의 흐름을 따라 이동하여 대수층

(aquifer)에 도달하여 지하수를 오염시킨다.국외의 경우 수처리 기술이 보급되지 않은 저개발국가에

서, 오염된 지하수의 음용에 따른 수인성 전염병 발병으로

인하여 많은 사망자가 발생하는 것으로 알려져 있다.7) 또한, 미국의 경우에도, 1990년 이후 발생한 수인성 질병 중 약 71%가 지하수에서 비롯된 것으로 보고되고 있다.8) 국내의 경

우에도 농촌지역에서 음용수로써 지하수 사용비율이 높고

식품제조업체에서 식품용수로서 지하수를 사용하고 있어서, 바이러스에 오염된 지하수 이용에 의한 수인성 전염병 발병

의 문제가 상존해 있다. 최근 들어 국내에서는 바이러스에

의한 지하수 오염문제가 환경적인 이슈(issue)로써 여론의 주

목을 받고 있다. 학교나 회사의 급식시설 등에서 발생한 집

단 식중독의 주요 발병원인체가 노로바이러스(norovirus)로

알려졌고, 지하수의 이용이 이러한 식중독과 관련이 깊은 것

으로 분석되었다.9) 또한, 고병원성 조류인플루엔자(avian influenza)와 관련하여 가금류 매몰지 주변지역의 미생물학

적인 지하수 오염에 대한 우려가 제기되었다. 그리고, 구제

역(foot and mouth disease)으로 인하여 매몰처리 된 가축사

체의 부패에 따른 침출수 발생과 미생물에 의한 지하수 오염

이 사회적 문제가 되었다. 토양과 대수층에서 바이러스 거동 연구는 지하수의 병원

성 미생물 오염 취약성을 판단하고 안전한 음용수원을 확보

하는데 꼭 필요하며, 공중 보건을 위한 정책 및 규정을 제정

하기 위한 중요한 정보를 제공한다. 하지만, 국내에서는 토

양․지하수 환경에서 바이러스의 거동과 관련된 연구들이

거의 전무한 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 최근까지의

지중 환경에서 바이러스 거동과 관련하여 수행된 연구들을

정리하고, 이러한 연구들을 통해 현재까지 알려진 바이러스

의 거동에 영향을 미치는 인자들을 제시하며, 바이러스의 부

착 및 이동에 관한 개념을 정리하였다.

2. 토양․지하수에서 바이러스 거동 연구

2.1. 현장조건에서의 바이러스 거동 연구

토양․지하수 환경에서 바이러스의 거동을 연구하기 위하

여 여러 연구자들이 현장조건에서 실험을 수행하였다. 보고

된 연구결과를 정리하여 보면(Table 1), 주로 북미 연구자들

에 의하여 현장실험이 수행된 것을 알 수 있다. Bales 등10)

은 캐나다 온타리오(Ontario)주에 위치한 사질 대수층에서

박테리오파지(bacteriophage) PRD1과 M1을 이용하여 강제

구배(forced-gradient)실험을 수행하였는데, 분석결과에 의하

면 박테리오파지는 주입지점으로부터 수 미터를 이동한 것

으로 나타났다. DeBorde 등11)은 미국 몬타나(Montana)주에

위치한 자유면 대수층에서 박테리오파지(MS2, PRD1, PhiX-174)들과 장바이러스, 소아마비바이러스(poliovirus)를 주입

한 후 모니터링을 통해 바이러스 거동을 분석하였다. 연구결

과에 의하면, 이 대수층에서 7.5 m를 이동한 후 MS2, PRD1, PhiX174, 소아마비바이러스의 저감률은 각각 49, 71, 65, 99%로 소아마비바이러스의 저감률이 가장 높은 것으로 나

타났다. Ryan 등12)은 미국 메사츄세츠(Massachusetts)주에

위치한 사질 대수층에서 박테리오파지 PRD1의 거동을 연구

하였다. 하수로 오염된 지역과 오염되지 않은 지역에서 PRD1의 거동을 비교 분석한 결과, 비오염 지역보다 오염 지역에

서 PRD1의 저감률이 낮았는데, 이는 유기물질이나 인산염

이 철산화물(iron oxide)에 부착되어 박테리오파지의 부착을

방해하기 때문으로 분석되었다. Nicosia 등4)은 미국 플로리

506 大韓環境工學會誌總說

박정안․윤서영․김성배

Journal of KSEE Vol.34, No.7 July, 2012

Table 1. Summary of field studies for fate and transport of viruses in soil and groundwater environments

Authors Virus types Experimental condition/Location Ref Authors Virus typesExperimental

condition/LocationRef

Flynn and Sinreich(2010)

H40/1, T7vadose zone, organic soil and

limestone, Switzerland16

Schijven et al. (1999)

MS2, PRD1artificial recharge site, Netherlands

52

Wall et al. (2008)

MS2 pumice sand aquifer, New Zealand 14Rossi et al.

(1998)H40/1 karst aquifer, Swiss 68

Van der Wielen et al. (2008)

MS2, PhiX174 anoxic sand aquifer, Netherlands 15Schijven et al.

(1998)F-specific RNA

dune sand, Netherlands

69

Blanford et al.(2005)

PRD1 unconfined aquifer, USA 59Bales et al.

(1997)PRD1, M1

sandy aquifer, Canada

10

Mallén et al. (2005)

H40/1 gravel aquifer, Germany 60Pieper et al.

(1997)PRD1

sand and gravel aquifer, USA

70

Pang et al. (2005)

MS2 alluvial gravel aquifer, New Zealand 61Sinton et al.

(1997)MS2

alluvial gravel aquifer, New

Zealand71

Weiss et al. (2005)

F+ somatic riverbank filtration sites, USA 62Bales et al.

(1995)PRD1

sand and gravel aquifer, USA

72

Flynn et al. (2004)

H40/1 sand aquifer, Switzerland 63Paul et al.

(1995)PRD1, PHIHSIC1

septic tank drainfield, USA

73

Pang et al. (2003)

F-RNA phagesseptic tank, coarse sand aquifer,

New Zealand64

McKay and Cherry (1993)

MS2, PRD1 trench, Canada 74

Schulze-Makuch et al.(2003)

MS2barrier, surfactant modified zeolite and iron oxide coated sand, USA

65Powelson et al.

(1993)MS2, PRD1 basin, USA 75

Ryan et al. (2002)

MS2, PRD1unconfined aquifer, iron oxide

coated quartz sand, USA66

Gerba et al. (1991)

MS2, PRD1sandy gravel and coarse sand, USA

50

Schijven and Šimůnek (2002)

MS2, PRD1 dune recharge, Netherlands 55Bales et al.

(1989)MS2, f2 soil, USA 76

Nicosia et al. (2001)

PRD1 septic tank drainfield, USA 4Jansons et al.

(1989)

poliovirus, echovirus, coxsackievirus,

adenovirus, enterovirus, reovirus

unconfined aquifer, Australia

13

Woessner et al. (2001)

MS2, PRD1, PhiX174, poliovirus1

unconfined sand and gravel aquifer, USA

67Bitton et al.

(1984)poliovirus1, echovirus1

fine sand (sludge treated), USA

77

Schijven et al. (2000b)

MS2, PRD1 sandy aquifer, Netherlands 54Vaughn et al.

(1981)poliovirus 1

treatment plant, USA

78

DeBorde et al. (1999)

MS2, PRD1, PhiX174, poliovirus

1, enterovirusunconfined aquifer, USA 11

Damgaard-Larsen et al.

(1977)coxsackievirus

clay and sand, Denmark

79

Ryan et al. (1999)

PRD1iron oxide coated sand and gravel

aquifer, USA12

Martin and Thomas (1974)

2 phages of aerobacter

Wales 80

다(Florida)주에 위치한 현장토양에서 정화조 유출수가 정화

조 배출지(drainfield)로부터 유출될 때 바이러스의 거동을 분

석하기 위하여 PRD1을 이용하여 실험을 수행하였다. 정화조

유출수가 불포화사질토를 0.6 m 통과한 지점에서 모니터링

한 결과, PRD1이 67일 이상 검출되는 것으로 나타났다.또한, 네덜란드, 독일, 스위스 등의 유럽 연구자들과 호주,

뉴질랜드 연구자들도 현장실험을 통해 토양․지하수 환경

에서 바이러스의 거동을 분석하였다. Jansons 등13)은 호주 서

부에 위치한 지하수 함양지역에서 여러 종류의 바이러스를

이용하여 하수처리장 유출수의 인공함양(artificial recharge)시 바이러스의 거동을 연구하였는데, 에코바이러스(echovirus)의 경우 함양지(recharge basin)로 부터 14 m 떨어진 9 m 깊이의 지하수공(bore)에서 검출되었다. Wall 등14)은 뉴질랜드

북부섬에 위치한 사질 대수층에서 하수나 축산폐수 처리수

의 토양처분(land disposal)시 바이러스의 거동을 연구하였다. 박테리오파지 MS2를 이용한 분석결과, 주입지점으로부터 2 m에 위치한 곳에서 99% 이상의 MS2가 제거되었고, 6 m 지점에서는 MS2가 검출되지 않았다. van der Wielen 등15)

은 네덜란드에 위치한 무산소(anoxic) 대수층에서 박테리오

파지 MS2와 PhiX174의 거동을 분석하였다. 실험결과, 63일의 대수층 체류시간(residence time) 동안 MS2의 경우 3.5 log (99.968%), PhiX174의 경우 4.9 log (99.9987%)가 부착

과 불활성화에 의해 제거되는 것으로 나타났다. Flynn과 Si-nreich16)는 스위스 북부지역에 위치한 실험지역에서 박테리

오파지 H40/1과 T7을 추적자로 이용하여 토양에서의 바이

러스 거동을 분석하였다. 연구결과, 박테리오파지 주입 후




30분 이전에 박테리오파지가 지표면 10 m 아래에 위치한 샘

플링 지점에 도달하는 것으로 나타났다.

2.2. 실험실 조건에서 바이러스 거동 연구

토양․지하수 환경에서 바이러스의 거동을 분석하기 위하

여 실험실 조건에서 칼럼을 이용하여 많은 연구자들이 연구

를 수행하였다(Table 2). 포화 칼럼조건에서 바이러스의 거

동을 분석한 연구를 살펴보면, McKay 등17)은 칼럼실험을

통해 유량이 풍화모재층(saprolite)에서 MS2와 PRD1의 거동

에 미치는 영향을 분석하였는데, 유량이 증가할수록 유출수

에서 박테리오파지의 회수율이 증가하였다. Zhuang과 Jin18)

은 알루미늄 산화물이 피복된 모래에서 용액의 이온강도와

이온구성이 박테리오파지 MS2와 PhiX174의 부착에 미치는

영향을 연구하였다. Cheng 등19)은 용해성 유기탄소(dissolved organic carbon)가 사질토에서 MS2의 거동에 미치는 영향

을 연구하였는데, 주어진 토양조건에서 용해성 유기탄소의

영향은 미미한 것으로 보고하였다. Sadeghi 등20)은 포화된

토양조건에서 용액 pH와 이온강도가 바이러스의 거동에 미

치는 영향을 분석하기 위하여 석영모래로 충진된 칼럼에서

MS2의 이동실험을 실시하였다. 주어진 실험조건에서, pH 5에서 pH 8로 증가할 때 MS2의 부착률은 감소한 반면, 이온

강도가 1 mM에서 20 mM로 증가할 때 부착률이 증가하는

것으로 나타났다.또한, 여러 연구자들이 불포화된 칼럼조건에서 바이러스

의 거동을 분석하였다. Chu 등21)은 불포화 조건의 칼럼실험

을 통해 MS2와 PhiX174의 제거 기작을 연구하였는데, 금속산화물이 존재하는 조건에서 바이러스는 공기-물 경계면

에서의 부착보다 토양-물 경계면에서의 부착에 의하여 주로

제거되는 것으로 보고하였다. Quanrud 등22)은 하수처리장 2차 유출수의 토양-대수층 처리(soil-aquifer treatment)시 토양

종류와 물침투율(infiltration rate)이 바이러스의 제거에 미치

는 영향을 분석하였다. Han 등23)은 소수성과 친수성 표면특

성을 갖고 있는 유리구슬로 충진된 칼럼을 이용하여 다양한

포화 조건에서 MS2와 PhiX174의 거동을 분석하였다. Tork-zaban 등24)은 불포화 조건의 칼럼실험을 통해 함수율(water content)과 용액의 화학적 조건(pH, 이온강도)이 MS2와 PhiX-174의 거동에 미치는 영향을 분석하였다. Kenst 등25)은 다양

한 물 흐름조건의 모래충진 칼럼에서 PhiX174의 거동을 연

구하였는데, 공기-물 경계면, 공기-물-토양 경계면이 바이러

스의 부착과 불활성화에 큰 역할을 하는 것으로 분석하였다. Anders와 Chrysikopoulos26)는 포화 및 불포화 조건의 모래

충진 칼럼에서 MS2와 PRD1의 거동을 분석하였는데, 물의

포화정도가 매질체에서 바이러스의 이동에 영향을 미친다고

보고하였다.

3. 바이러스 거동에 영향을 미치는 인자

3.1. 점토광물과 수산화물

규산염 점토광물(silicate clay minerals), 산화물(oxides), 그리고 수산화물(hydroxides)은 토양에서 바이러스 부착을 증

진시키는 역할을 한다.27,28) Moore 등29)과 Yeager와 O’Brien30)

의 연구에서도 모래보다 양토(loam)에서 더 바이러스가 잘

부착되는 것을 발견하였다. Sobsey 등31)은 회분실험을 이용

하여 점토광물에 의한 바이러스 부착을 연구하였다. 벤토나

이트(bentonite)는 반응시간 15분 안에 86%의 소아마비바이

러스와 99%의 레오바이러스(reovirus)를 부착하였고, 카올리

나이트(kaolinite)는 15분 안에 98%의 소아마비바이러스와

88%의 레오바이러스를 부착하였다. pH의 영향을 살펴본 결

과, 벤토나이트의 경우 pH 4.5~7.5 범위에서 레오바이러스

부착률은 99%이었고, 소아미비바이러스 부착률은 70~91%이었다. 카올리나이트의 경우 pH 4.5~7.5 범위에서 소아미비

바이러스 부착률은 98~99%이었고, 레오바이러스 부착률은

pH 4.5에서 99%, pH 7.5에서 92%이었다. Moore 등32)은 여

러 가지 점토광물(montmorillonite, kaolinite)과 철수산화물

(hematite, magnetite)을 이용하여 소아미비바이러스의 부착

을 연구하였는데, 반응시간 60분 동안 카올리나이트(kaolinite)의 부착률은 98.7~99.5%로 몬모릴로나이트(montmorillonite)의 부착률 91.5~94.1%보다 높았다. 그리고, 철수산화물인

자철석(magnetite)과 적철석(hematite)의 부착률은 카올리나

이트보다 높은 99.994%와 99.98%이었다.

3.2. 유기물

유기물(organic matter)의 경우 바이러스 거동 영향에 관해

상반된 연구결과들이 보고되어 왔다. Gerba와 Goyal33)의 경

우 유기물비가 0.27~4.2%의 범위에서 증가할수록 Group I virus의 다공성 매질체 표면에 부착이 증가한다고 보고하였

다. 이는 유기물이 매질체에 피복되면서 소수성을 나타내게

됨으로써, 지질(lipid)을 가지고 있는 바이러스의 부착을 증가

시키기 때문이다.34,35) 반면, 유기물이 바이러스가 부착될 수

있는 지점을 차지하여 부착을 방해한다는 견해도 있는데,31,36) Moore 등32)의 경우에는 소아마비바이러스의 토양 부착과

유기물비는 음의 상관성을 나타낸다는 결과를 발표하였다. 또한, 유기물 자체가 바이러스와 반응을 거의 하지 않으므로

제거에 기여하는 바가 없다는 주장도 있다.37~39) 일반적으로, 용존성 유기물의 경우 바이러스와 경쟁관계에 있으며, 토양

표면에 부착되어 있는 유기물의 경우 소수성 기질을 통해

바이러스 부착능을 증가시킨다고 알려져 있다.1)

3.3. 바이러스 등전점 및 크기

바이러스는 각자 고유의 등전점(isoelectric point)을 가지고

있으며, 입자의 크기도 다양하다. 특히, 등전점은 수용액상

에서 바이러스 표면전하를 결정하므로 부착에 미치는 영양

이 크다. 이론적으로 바이러스 입자 표면의 음전하는 등전

점이 낮을수록 증가하므로 환경 내에서 음전하를 띄는 토양

입자와 반발력이 커진다. 따라서, 낮은 등전점을 가진 바이

러스일수록 토양입자에 부착이 잘되지 않는다.40,41) 또한, 바이러스의 크기가 큰 경우 (>60 nm), 바이러스 표면적이 증




Table 2. Summary of laboratory tests for fate and transport of viruses in soil and groundwater environments

Authors Virus types Porous materials Ref Authors Virus types Porous materials Ref

Sadeghi et al. (2011)

PRD1 quartz sand 20Cuyk et al.

(2001)MS2, PRD1 sand 95

Attinti et al. (2010)

MS2, PhiX174, Achi virus

sand and metal oxide sand 51Carlander et al.

(2000)S. Typhimurium 28B loam, sand and clay 96

Cao et al. (2010) MS2 silica sand and sandy soil 81 Chu et al. (2000) MS2, PhiX174 sand 97

Chrysikopoulos et al. (2010)

somatic coliphage limestone 82Jin et al. (2000a)

MS2 Ottawa sand 98

Horswell et al. (2010)

human adenovirus (HAdV)

soil 6Jin et al. (2000b)

MS2, PhiX174 sandy soil 99

Sinton et al. (2010)

MS2 gravel 83Schijven et al.

(2000a)MS2, PRD1,

PhiX174, Qβ, PM2 sandy soil 53

Walshe et al. (2010)

MS2 gravel aquifer 84Lukasik et al.

(1999)MS2, poliovirus 1

Fe and Al hydroxide coated sand

100

Aronio et al. (2009)

MS2, PhiX174,T4 sand 85Dowd et al.

(1998)MS2, PRD1,

PhiX174, Qβ, PM2 sandy aquifer

sediment42

Anders and Chrysikopoulos

(2009)MS2, PRD1 sand 26

Dowd and Pillai (1997)

MS2, PRD1 aquifer sand 101

Kenst et al. (2008)

PhiX174 sandy aquifer materials 25Jin et al. (1997)

MS2, PhiX174 sand 40

Cheng et al. (2007)

MS2 sand and sandy loam 19Redman et al.

(1997)Norwalk virus, MS2 quartz sand 102

Cuyk and Siegrist (2007)

MS2, PRD1 sandy soil 86Loveland et al.

(1996)PRD1

quartz and Fe quartz sand

103

Chetochine et al. (2006)

MS2 fine sand 87Penrod et al.

(1996)MS2, λ quartz sand 104

Foppen et al. (2006)

PRD1 quartz sand 88Poletika et al.

(1995)MS2 loamy sand 105

Han et al.(2006)

MS2, PhiX174 glass beads 23Powelson and Gerba (1994)

MS2, PRD1, poliovirus 1

sandy alluvium 47

Torkzaban et al. (2006)

MS2, PhiX174 sand 24Bales and Li

(1993)MS2, poliovirus 1 silica beads 106

Abudalo et al. (2005)

PRD1 quartz sand 89Kinoshita et al.

(1993)MS2, PRD1 sandy soil 35

Assadian et al. (2005)

somatic coliphage loamy sand and clay loam 90Bales et al.

(1991)MS2, PRD1 silica beads 34

Flynn et al. (2004)

H40/1 fluvioglacial sand 63Herbold-Paschke

et al.(1991)rotavirus SA 11, T4,

MS2, PRD1 medium-grade and

coarse sand107

Keller and Siri-minayapakorn

(2004)MS2 medium sand 91

Powelson et al. (1991)

MS2 loamy fine sand with

alluvium108

Chu et al.(2003)

MS2, PhiX174 five different sands 41Powelson et al.

(1990)MS2 loamy fine sand 109

Enriquez et al. (2003)

MS2, PRD1 sandy loam and clay loam 92Sobsey et al.

(1986)hepatitis A virus,

poliovirus, echovirus sand and loamy

sand110

Quanrud et al. (2003)

Poliovirus 1 sand and sandy loam 22Lance and Gerba

(1984)poliovirus 1 loamy sand 46


MS2, coxsackievirus B4, poliovirus 1

dune sand 93Funderburg et al.

(1981)poliovirus 1, reovirus

3, PhiX174 eight soils 36

Zhuang and Jin (2003a)

MS2, PhiX174 Al-oxide sand 18Sobsey et al.

(1980)poliovirus, reovirus six soils 31

Zhuang and Jin (2003b)

MS2, PhiX174 natural soil 94Landry et al.

(1979)poliovirus, echovirus,

coxsackievirus gravel and sand 111

McKay et al. (2002)

MS2, PRD1 shale saprolite 17Gerba and Lance

(1978)poliovirus loamy sand 112


MS2, PRD1, PhiX174 dune sand 56Lo and Sproul

(1977)poliovirus silicate minerals 113

Chu et al. (2001) MS2, PhiX174 porous media 21 Lance et al. (1976) poliovirus loamy sand 114




Table 3. Characteristics of bacteriophage MS2, PRD1, and PhiX174

Characteristics MS2 PRD1 PhiX174

Family Leviviridae Tectiviridae Microviridae

Genera 4 1 4

Host bacteria Escherichia coli C3000 Salmonella typhimurium LT2 Escherichia coli C

Nucleic acid ssRNA dsDNA ssDNA

Particulars poliovirus like double capsid, lipids, pseudo-tail conspicuous capsomers

Shape icosahedral icosahedral icosahedral

Size 20~30 nm 62~63 nm 23~27 nm

Isoelectric point pH 3.5~3.9 pH 3.0~4.2 pH 6.6~6.8

Zeta potential -31.3 mV at pH 7.0 -24.0 mV at pH 6.1 -27 mV at pH 7.0

Hydrophobicity relatively hydrophobic hydrophobic hydrophilic

References 34, 61, 109, 115 12, 34, 42, 53, 59, 70, 88, 115 40, 94, 115, 116

가함으로써 토양에 부착될 수 있는 바이러스 표면의 부착지

점이 증가하는 반면, 토양을 통과하는 속도가 감소됨으로써

토양에 부착될 가능성이 커진다.42)

3.4. 수용액의 특성

수용액의 pH는 바이러스 부착에 영향을 끼치는 가장 중요

한 특성 중의 하나인데,43,44) 연구에 따르면 일반적으로 pH가 증가할 경우 바이러스의 부착은 감소하는 경향이 나타났

다.1,44) Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) 이론에

의하면, pH가 증가함에 따라 바이러스와 토양입자의 정전기

적 반발력이 커짐으로써 바이러스의 부착이 감소하는 것으

로 알려져 있다. 반면, 수용액 내 양이온 농도가 높은 경우, 토양입자 주변의 양이온들이 음전하를 띄고 있는 토양입자

의 전하를 중성화시킴으로써, 음전하를 띈 바이러스 입자와

토양입자 사이의 정전기적 반발(electrostatic repulsion)을 감

소시켜 바이러스 부착이 증진되는 것으로 보고되고 있다.45)

3.5. 토양 함수비

바이러스는 포화 흐름(saturated flow)보다 불포화 흐름(un-saturated flow) 조건의 토양에서 부착이 증진되고 불활성화

가 증가되는 것으로 알려져 있다.46,47) 불포화 흐름에서 바

이러스는 얇은 수막(water film)을 따라 이동하게 되어 포화

흐름에서 보다 토양입자와의 거리가 가까워지므로 토양에

부착될 가능성이 증가하게 된다. 또한 불포화 상태인 경우

공기-물-토양 경계면에서 바이러스의 불활성화가 증진되는

것으로 보고되었다.48)

4. 박테리오파지와 바이러스 거동연구

박테리오파지는 박테리아를 감염시키는 바이러스로써 지

하수에서 장바이러스의 존재를 나타내는 지시자(indicator)로

주목을 받고 있다. 약 140여종 이상의 장바이러스가 사람의

분변에서 검출되며, 대표적으로 A형 간염바이러스(Hepatitis A Virus), E형 간염바이러스(Hepatitis E Virus), 칼리시바이

러스(Caliciviruses), 로타바이러스(Rotaviruses), 아스트로바이

러스(astroviruses)가 있다.49) 그러나 대부분의 장바이러스들

은 쉽게 검출되지 않고, 분석 절차가 복잡한 경우가 많기 때

문에 환경 내 장기간 생존하는 박테리오파지를 장바이러스

의 모델바이러스로 사용해왔다. 장바이러스의 지시자로서 박

테리오파지에 대한 평가는 많은 연구들이 수십 년간 진행되

어왔음에도 논란의 여지가 있다. 그러나, 박테리오파지는

장바이러스와 같이 살균에 대한 저항력이 있고, 비슷한 형태

및 크기를 가지고 있으며, 토양에서 유사한 이동 양상을 보

인다. 또한 실험실에서 분석하는 것이 일반 바이러스에 비하

여 비용과 노력이 절감되기 때문에, 토양․지하수 환경에서

바이러스의 거동을 연구하는데 널리 이용되고 있다.49)

Table 1과 2에 제시된 것처럼, 1990년 이후 많은 연구자들

이 박테리오파지를 이용하여 실험연구를 수행하였는데, 그

중 가장 많이 이용된 박테리오파지가 MS2, PRD1, 그리고

PhiX174이다. 이들의 특성을 살펴보면(Table 3), MS2, PRD1, PhiX174는 모두 정20면체(icosahedral)의 모양을 가지고 있

으며, 중성 pH에서 음전하를 띈다. MS2는 연구에 가장 많

이 사용되는 Leviviridae과(family) 박테리오파지로 소아마비

바이러스와 유사한 특성을 가지고 있다. 20~30 nm 정도의

작은 크기를 가지며, 유전자의 형태는 선형 단일나선(linear single-stranded) RNA이다. 등전점(isoelectric point)은 pH 3.5~3.9로 매우 낮으며, 상대적으로 소수성(hydrophobic)을

나타낸다. PRD1은 Tectiviridae과로 단백질의 외벽(outer shell)과 내부에 리포단백질(lipoprotein) 소포(vesicle)를 가지

고 있다. 유전형태는 선형 이중나선(linear double-stranded) DNA, 소수성 파지이다. 크기는 62~63 nm로 MS2, PRD1, PhiX174 중에 가장 크며, 등전점은 MS2와 유사한 범위(pH 3.0~4.2)를 가진다. PhiX174는 바이러스 피막(envelope)이 없

는 작은 파지로(23~27 nm) Micoviridae과에 속한다. 친수성

(hydrophilic)파지로 고리형 단일나선(circular single-stranded) DNA를 유전물질로 가지며, 등전점은 세 종류의 파지 중 가

장 높은 pH 6.6~6.8이다.여러 연구자들이 세가지 박테리오파지를 이용하여 바이러

스 거동연구를 수행하였다. Gerba 등50)은 하수처리장 유출




수를 이용한 토양-대수층 처리과정에서 바이러스의 거동을

분석하기 위하여 MS2와 PRD1을 이용한 실험을 수행하였는

데, 4.6 m 토양층을 통과하는 과정에서 90%의 MS2와 99%의 PRD1이 제거된 것으로 나타났다. Kinoshita 등34)은 유기

물 함량이 낮은 사질토양에서 소수성을 띄는 PRD1이 상대

적으로 소수성이 낮은 MS2보다 부착이 잘된다고 보고하였

다. Chu 등40)은 불포화 및 포화 토양조건에서 토양특성(유기물/인/칼슘/금속산화물 함량, pH)이 MS2와 PhiX174의 제

거에 미치는 영향을 연구하였는데, 토양특성에 따라 MS2와

PhiX174의 부착정도가 변하는 것으로 나타났다. Attinti 등51)

은 칼럼실험을 이용하여 침철석이 피복된 모래, 알루미늄수

산화물이 피복된 모래, 그리고 수산화물이 제거된 모래에서

MS2와 PhiX174의 부착을 비교하였는데, 침철석/알루미늄수

산화물 피복모래에서는 MS2가 PhiX174보다 더 잘 부착되었

고, 수산화물 제거모래에서는 PhiX174가 MS2보다 더 잘 부

착되었다고 보고하였다.

5. 바이러스 거동 모델링

5.1. 바이러스 거동 모델

토양․지하수 환경에서 바이러스의 거동을 모사(simulation)할 수 있는 수학적 모델이 바이러스의 거동에 영향을 미치는

인자들을 바탕으로 몇몇 연구자들에 의해 개발되었다. 최근, 토양․지하수 환경에서 바이러스의 거동과 관련하여 가장

활발한 연구활동을 벌이고 있는 네덜란드 국립보건환경연구

소의 Schijven 그룹이 제시한 1차원 모델은 다음과 같다:52)

Sn

Sn

kCktS

n

Sn

CxCv

xCv

tS

ntC

Bs

Bda

B

BsL

B

ρμρρ

ρμμαρ

−−=∂∂

−−∂∂

−∂∂

=∂∂

+∂∂

2

2

(1)

여기서, C : 수용액상의 바이러스 농도

ρB : 용적밀도

η : 공극율

S : 매질체에 부착된 바이러스 농도

αL : 분산계수

v : 공극유속

µ : 수용액상의 바이러스 불활성화(inactivation) 계수

µs : 매질체 부착바이러스의 불활성화 계수

ka : 부착(attachment)계수

kd : 탈착(detachment)계수

22112

2

21

Sn

Sn

CxCv

xCv

tS

ntS

ntC

Bs

BsL

BB

ρμρμμα

ρρ

−−−∂∂

−∂∂

=

∂∂

+∂∂

+∂∂

222222

111111

Sn

Sn

kCkt

Sn

Sn

Sn

kCkt

Sn

Bs

Bda

B

Bs

Bda

B

ρμρρ

ρμρρ

−−=∂∂

−−=∂∂

(2)

여기서, 아래첨자 1과 2는 두 가지 부착지점을 나타낸다. 모델 (1)은 한 지점 동력학적 부착 모델(one-site kinetic so-rption model)이라 하고, 모델 (2)는 두 지점 동력학적 부착

모델(two-site kinetic sorption model)이라 불린다. 이 모델들

은 대류-확산을 기반으로 바이러스의 부착과 탈착, 그리고

불활성화를 포함하고 있는 모델인데, Schijven 그룹이 바이

러스 거동과 관련된 현장 및 실험실 데이터를 분석하는데 자

주 이용하였다. Schijven 등52)은 네덜란드에 위치한 언덕지

역(dune area)에서의 인공함양과정에서 바이러스의 제거를 연

구하기 위하여, 인공함양수에 함유시킨 박테리오파지 MS2와 PRD1를 모니터링하여 얻은 파과곡선(breakthrough curve)을 분석하였는데, 이 때 모델 (1)을 사용하였다. Schijven 등53)

은 사질토양으로 충진된 칼럼을 이용한 박테리오파지 거동

실험에서 얻어진 데이터를 모델 (1)을 이용하여 분석하였고, Schijven 등54)도 모델 (1)을 이용하여 사질대수층에서 심정

주입(deep well injection)과 관련하여 모니터링한 데이터를

분석하였다. Schijven과 Šimůnek55)은 언덕지역에서의 인공

함양과정에서 얻은 박테리오파지 데이터를 재분석하기 위하

여 모델(1)과 (2)를 이용하였다. Schijven 등56)은 모델 (1)과

(2)를 이용하여 MS2, PRD1, PhiX174를 이용한 1차원 칼럼

실험 데이터를 분석하였다. Torkzaban 등23)은 모델 (2)를 이

용하여 모래가 충진된 불포화 조건의 칼럼에서 얻어진 MS2와 PhiX174의 파과곡선을 분석하였다. Charles 등57)과 Sadeghi 등20)은 각각 슬래그(slag) 첨가토양으로 충진된 칼럼과 모래

충진 칼럼에서 얻어진 PRD1의 파과곡선을 분석하는데 모델

(1)을 이용하였다. Schijven 그룹은 모델 (1)과 (2)의 수치해

(numerical solution)를 HYDRUS 소프트웨어를 이용하여 구

하였는데, HYDRUS는 다양한 포화조건의 다공 매질체에서

물, 열, 용질(solute)의 움직임을 모사하는 모델이다.

5.2. 바이러스 부착과 콜로이드 여과 이론

일반적으로, 매질체내에서 바이러스의 부착에 의한 질량회

수율(mass recovery)의 감소는 콜로이드 여과 이론(colloid fil-tration theory)의 여재효율(collector efficiency, Ce)을 이용하여

나타낼 수 있는데:

Ce = η × α (3)

여기서, η : 충돌효율(collision efficiency), 즉 바이러스와

매질체 사이의 충돌확률

α : 매질체와 충돌한 바이러스의 매질체로의 부

착효율(sticking efficiency)

η는 Tufenkji과 Elemelech식58)을 이용하여 계산하였는데:




053.011.124.0

125.0675.1052.0081.03/1

22.0

55.04.2−−−

−−−−

+

+=

vdGR

ARSPeRS

NNN

NNANNAη

(4)

여기서, As : 공극관련 변수

NR : 형상비

NPe : Peclet 수Nvd : 반데르발스(van der Waals)수NA : 인력수

NG : 중력수

그리고, 바이러스는 입자크기가 작기 때문에, 위 식(4)에서

두 번째와 세 번째 부분은 계산과정에서 생략된다. α는 다음

식을 이용하여 계산하였는데:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−=

100ln

)1(32 rC M

Lnd

ηα (5)

여기서, dc : 매질체 입자크기

L : 매질체의 길이

Mr : 바이러스 질량회수율

6. 향후 연구방향

지난 30여 년간 여러 연구자들이 토양․지하수 환경에서

바이러스의 거동에 관하여 연구하였는데, 이러한 연구들이

이루어진 주된 이유는 음용수원으로 이용되고 있는 지하수

를 바이러스에 의한 오염으로부터 보호함으로써 인간이 바

이러스에 의한 질병에 노출되는 것을 방지하기 위한 것이었

다. 하지만, 토양․지하수 환경에서 바이러스의 거동에 관한

연구는 그 중요성에 비하여 절대적으로 연구량(발표연구논

문)이 부족한 것이 현실이다. 따라서, 지금까지 축적된 바이

러스 거동관련 정보를 바탕으로 앞으로도 활발한 연구가 진

행되어야 할 것으로 보인다. 향후 연구는 바이러스 오염원

으로부터 지하수를 보호한다는 측면에서 바이러스 보호구역

(viral protection zone)의 설정과 관련된 연구들이 수행되어

야 할 것으로 판단된다. 음용수로 이용되는 지하수를 생산하

는 추출정(pumping well)을 보호하기 위해서는 오염원으로

부터 추출정이 일정한 이격거리(setback distance)만큼 떨어

져 있어야 한다. 이러한 이격거리를 통해 바이러스가 오염원

으로부터 지중(subsurface)환경을 통해 추출정까지 이동하는

동안 부착이나 불활성화를 통해 감염을 일으킬 수 있는 농

도 이하로 자연저감(natural attenuation)이 이루어질 수 있는

이동시간(travel time)을 확보할 수 있다. 특히, 향후 연구는

바이러스 보호구역 설정과 관련하여 이격거리나 이동시간을

계산할 수 있는 수학적 모델을 개발하고 모델과 관련된 파

라미터들의 정보를 축적하는데 집중되어야 할 것으로 판단

된다.

사 사

이 논문은 환경부의 재원으로 환경기술진흥원의 지원(토양․지하수오염방지기술개발사업)을 받아 수행된 연구임(과제번호: G112-00056-0004-1).

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토양 지하수 환경에서 바이러스의 거동주제어 : 지하수, 병원성 미생물, 바이러스 이동, 박테리오파지, 바이러스 보호구역 1. 서 론 지하수는