정영수 기계시스템학부 교수 연구팀은 지난 3월 15일 “바이오 에어로졸 속에 포함된 미생물의 농도를 제어하고 시각화를 통해 에어로졸 속의 세균 농도를 예측할 수 있는 방법을 개발했다”고 밝혔다. 정 교수와 미국 MIT 기계공학과 컬런 뷰이(Cullen Buie) 교수팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF=11.329)에 지난 3월 7일 게재됐으며 MIT 뉴스 홈페이지에 표지 기사로 실렸다.

* 논문명 : Bioaerosol generation by raindrops on soil (Nature communications 8. 2017)

바이오 에어로졸(Bioaerosol)은 공기 중에 오래 머무를 수 있는 작은 액체 방울 또는 고체 입자 가운데 박테리아나 바이러스 등 미생물을 갖고 있는 경우를 뜻한다. 크기가 작기 때문에 중력의 효과를 거의 받지 않아 오래 떠다닐 수 있으며 공기의 흐름에 따라 멀리 이동할 수 있다. 이 중 액체 방울 유형의 바이오 에어로졸은 미생물의 건조를 방지할 수 있어 미생물이 장시간 살아있는 상태로 공기 중에 떠다니며 이동할 수 있도록 한다.

정 교수에 따르면 공기 중에는 매우 많은 바이오 에어로졸이 존재하며 동식물의 병원균 전파와 기후 변화에 중요한 요인으로 여겨져 왔다. 그러나 어떻게 지표면에 존재하는 미생물들이 대기 높은 곳까지 존재하는지 그 발생과 전달 과정은 그동안 명확히 밝혀지지 않았다. 특히, 오랜 기간 건조한 날이 계속되다 비가 내릴 때 맡을 수 있는 흙냄새와 비가 온 후 공기 중에 급격하게 상승하는 바이오 에어로졸 농도를 통해 우천 시 지표면에서 바이오 에어로졸이 발생함을 예상했으나 정확한 발생 과정과 정도는 규명되지 않았다.

이에 정 교수를 포함한 MIT 연구팀은 지난 2015년 빗방울 충돌을 모사한 실험 장비와 고속 촬영 기법을 이용한 시각화를 통해 비가 내릴 때 지표면에서 에어로졸이 발생함을 보인 연구결과를 네이커 커뮤니케이션즈에 발표한 바 있다. 이번 연구는 그 후속 연구로, 비가 내릴 때 발생하는 에어로졸을 통해 지표면에 존재하는 박테리아가 얼마나 많이 대기 중으로 이동할 수 있는지 정량적으로 밝혔다. 고속 촬영 기법 대신 형광 물질을 이용해 작은 에어로졸과 그 속에 포함된 박테리아를 시각화하여 비의 강도, 흙의 특성, 그리고 대기 환경을 고려하여 대기 중으로 이동할 수 있는 박테리아의 양을 측정하였다.

 빗방울이 지표면에 떨어질 때 발생하는 바이오 에어로졸이 공기 중으로 확산되는 모습을 시각화한 이미지

연구팀은 또한 에어로졸에 포함된 박테리아가 공기 중에 얼마나 오래 생존해 있을 수 있는지를 파악할 수 있는 바이오 에어로졸 생존율 파악 기법을 개발했다. 이 방법을 통해 일반적인 대기 조건에서 지표면에 발생하는 에어로졸 속에서 토양 박테리아가 1시간 이상 살아 있음을 확인했으며, 그 결과 비가 내릴 때 바이오 에어로졸을 통해 미생물을 멀리 떨어진 곳까지 효과적으로 이동시킬 수 있다는 것을 확인했다. 이는 동식물의 건강에 영향을 주는 세균성 질병이 어떻게 빠른 속도로 멀리 확산 될 수 있는지 알 수 있는 연구결과다.

정 교수는 “실험을 통해 비가 내릴 때 발생하는 바이오에어로졸이 지구 대기에 존재하는 바이오 에어로졸 총량의 1~20%에 해당될 수 있으며, 이에 따라 대기 중 바이오 에어로졸 공급의 원리를 상당 부분 확인하게 됐다”며 “향후 의료기기, 헬스케어 시스템 개발은 물론 기후변화 연구에까지 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다.