세균으로 콘크리트 균열을 메울 수 있을까? 스포로사르시나의 특별한 능력

 

콘크리트에 미세한 균열이 생기면 처음에는 표면의 작은 흠처럼 보인다. 그러나 균열을 통해 물과 산소, 염화 이온과 이산화탄소가 내부로 들어가면 상황이 달라진다. 철근의 부식이 시작될 수 있고, 부식 생성물의 부피가 커지면서 주변 콘크리트에 압력을 가하면 균열과 박리가 더욱 진행된다.

균열을 탄산칼슘으로 메우는 연구에서 자주 등장하는 세균이 Sporosarcina pasteurii다. 이 세균은 요소를 빠르게 분해하는 유레이스 효소의 활성이 높다. 요소가 분해되면서 주변 pH가 상승하고, 칼슘 이온이 존재하면 탄산칼슘 결정이 침전한다. 연구자는 이 반응을 이용해 콘크리트의 공극과 균열을 채우거나 느슨한 모래를 굳히는 방법을 개발하고 있다.

S. pasteurii는 과거 Bacillus pasteurii로 불렸으나 2001년 계통분류 연구를 통해 Sporosarcina속으로 옮겨졌다. 현재 학명은 국제세균명명규약에 따라 유효하게 인정된다. 알칼리성 환경에 비교적 잘 적응하고 내생포자를 만들며, 대표적인 표준 균주 DSM 33은 미생물 유도 탄산칼슘 침전을 연구하는 모델 균주로 널리 사용된다.

그렇다고 세균을 콘크리트에 넣기만 하면 건물이 스스로 복구되는 것은 아니다. 요소와 칼슘원이 필요하고, 세균이나 효소가 작동할 수 있는 수분과 온도 조건도 갖춰져야 한다. 탄산칼슘이 채울 수 있는 균열의 범위와 구조적 보강 효과에도 한계가 있다. 이 기술을 이해하려면 ‘살아 있는 콘크리트’라는 표현보다 요소의 가수분해와 탄산칼슘의 용해·침전 평형을 먼저 살펴봐야 한다.

요소 한 분자가 두 분자의 암모니아를 만든다

S. pasteurii가 만드는 유레이스는 니켈을 포함한 금속효소다. 유레이스의 활성 중심에는 니켈 이온이 자리하며 요소의 카보닐 탄소가 물과 반응할 수 있도록 돕는다. 세균은 UreA·UreB·UreC 단백질로 효소의 기본 구조를 만들고 UreD·UreE·UreF·UreG 같은 보조 단백질을 이용해 활성 중심에 니켈을 넣는다.

첫 단계에서 요소 CO(NH₂)₂와 물이 반응하면 암모니아 NH₃와 카바메이트 NH₂COO⁻가 생긴다. 카바메이트는 불안정하므로 물과 다시 반응해 두 번째 암모니아와 탄산을 만든다. 전체 반응을 단순화하면 CO(NH₂)₂ + 2H₂O → 2NH₃ + H₂CO₃로 나타낼 수 있다.

생성된 암모니아는 물에서 양성자를 받아 NH₃ + H₂O ⇌ NH₄⁺ + OH⁻의 평형을 이룬다. 이 과정에서 수산화 이온이 증가해 pH가 높아진다. 탄산도 H₂CO₃, HCO₃⁻, CO₃²⁻ 사이의 산·염기 평형을 이루는데, pH가 높아질수록 탄산 이온의 비율이 커진다.

용액에 칼슘 이온이 공급되면 Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃(s)의 침전반응이 일어난다. 세균의 세포 표면에는 음전하를 띠는 작용기가 있어 칼슘 이온이 모일 수 있다. 이곳에서 초기 결정핵이 만들어지고 주변 용액이 탄산칼슘에 대해 과포화 상태가 되면 결정이 계속 성장한다.

이를 미생물 유도 탄산칼슘 침전, 즉 MICP라고 한다. 형성되는 탄산칼슘은 방해석만으로 고정되지 않는다. 칼슘원의 종류와 농도, pH, 온도, 세균 밀도와 반응 속도에 따라 바테라이트 같은 준안정 결정형이 함께 만들어질 수 있다. 시간이 지나면서 상대적으로 안정한 방해석으로 바뀌기도 한다.

세균이 탄산칼슘을 직접 운반해 균열에 붙이는 것은 아니다. 세균의 효소가 요소를 분해해 용액의 산·염기 평형을 바꾸고, 그 결과 칼슘 이온과 탄산 이온의 이온곱이 탄산칼슘의 용해도곱보다 커지면서 고체가 침전한다. 생물학적 대사가 광물 생성에 필요한 화학적 조건을 만드는 것이다.

탄산칼슘 결정은 균열과 모래 사이를 어떻게 잇나

콘크리트 표면이나 균열에 S. pasteurii, 요소와 칼슘원을 공급하면 탄산칼슘 결정이 균열 벽과 세균 주변에서 성장할 수 있다. 결정들이 공극을 채우고 서로 맞물리면 물이 지나가는 통로가 좁아진다. 표면 처리 실험에서는 물 흡수와 투수성이 감소하고 염화 이온이 내부로 이동하는 속도가 늦어진 결과가 보고됐다.

다만 표면의 균열이 눈에 보이지 않게 막힌 것과 콘크리트의 구조적 강도가 완전히 회복된 것은 같은 의미가 아니다. 탄산칼슘은 물의 이동을 차단하고 미세한 틈을 채우는 데 도움이 될 수 있지만 끊어진 철근을 연결하거나 큰 하중을 받는 균열을 원래 상태로 되돌리지는 못한다. 균열 폐쇄율과 압축강도 또는 휨강도 회복률은 따로 측정해야 한다.

MICP를 이용한 콘크리트 보수 방식은 크게 외부 처리와 내부 자기치유 방식으로 나눌 수 있다. 외부 처리에서는 이미 생긴 균열에 세균액과 요소·칼슘 용액을 주입하거나 표면에 바른다. 필요한 위치를 확인한 뒤 처리할 수 있지만 용액이 균열 깊숙이 고르게 들어가야 하고 여러 차례 공급해야 할 수 있다.

내부 자기치유 방식은 콘크리트를 만들 때부터 포자와 영양분, 광물 형성 물질을 넣어 두는 방법이다. 균열이 발생해 물이 들어오면 휴면 상태였던 포자가 발아하고 탄산칼슘 침전이 시작되도록 설계한다. 그러나 굳지 않은 콘크리트의 혼합 과정과 높은 pH, 시멘트 수화 반응에서 발생하는 압력은 세균과 영양분을 손상시킬 수 있다.

이를 막기 위해 포자와 영양분을 다공성 경량골재, 하이드로젤, 실리카겔 또는 미세 캡슐에 넣는 방법이 연구된다. 보호체는 세균의 생존율을 높이지만 너무 많이 넣으면 콘크리트 내부에 약한 경계면과 빈 공간을 만들 수 있다. 캡슐의 크기와 양, 파괴 시점이 원래 콘크리트의 강도와 치유 효과 사이에서 조절돼야 한다.

여기서 구분할 점이 있다. 세균 자기치유 콘크리트의 초기 대표 연구가 모두 S. pasteurii를 사용한 것은 아니다. 2010년 Jonkers 연구에서는 콘크리트의 높은 알칼리성을 견디는 다른 포자 형성 세균을 사용했다. 이후 여러 연구에서 S. pasteurii의 세포와 포자, 유레이스가 적용됐지만 ‘세균 콘크리트’와 ‘S. pasteurii 콘크리트’를 같은 말처럼 사용하면 실제 실험 재료를 혼동하게 된다.

빠른 요소 분해는 많은 암모늄을 남긴다

요소 가수분해형 MICP의 가장 큰 장점은 반응이 빠르다는 것이다. 그러나 이 장점에는 질소 부산물 문제가 따라온다. 요소 1몰이 완전히 가수분해되면 탄산 계열 물질 1몰과 함께 암모니아 2몰이 생성된다. 물속에서는 pH에 따라 NH₃와 NH₄⁺가 함께 존재하므로 이를 합쳐 총암모니아성 질소로 관리한다.

pH가 높아지면 기체로 빠져나갈 수 있는 NH₃의 비율이 증가한다. 밀폐되지 않은 처리 현장에서는 냄새와 작업자의 노출 문제가 생길 수 있다. 물과 토양으로 빠져나간 암모늄은 미생물의 질산화 과정을 거쳐 아질산염과 질산염으로 바뀔 수 있으며, 과도한 질소 배출은 수질과 생태계에 부담을 줄 수 있다.

칼슘원으로 염화칼슘을 사용하면 반응에 참여하지 않은 염화 이온도 남는다. 콘크리트 보수에서 염화 이온을 과도하게 공급하면 철근 부식 위험과 연결될 수 있으므로 칼슘원의 종류와 잔류 염류를 함께 검토해야 한다. 칼슘 아세트산염과 칼슘 젖산염 등 다른 칼슘원을 사용하는 연구가 이루어지는 이유다.

침전이 지나치게 빠른 것도 항상 유리하지 않다. 주입구 가까이에서 탄산칼슘이 먼저 만들어지면 표면의 공극이 막혀 뒤에 공급한 용액이 깊은 부분으로 이동하지 못할 수 있다. 이 현상은 긴 균열과 지반 처리에서 침전 분포가 불균일해지는 원인이 된다. 세균 농도와 요소·칼슘 농도, 주입 속도와 휴지 시간을 조절해야 한다.

세균 배양액과 요소, 칼슘원 및 캡슐 재료도 비용을 높인다. 실험실의 작은 시편에서 균열이 막혔다는 결과만으로 대형 교량이나 터널에서 경제성이 확보됐다고 판단할 수 없다. 온도와 수분이 반복해서 변하는 현장에서도 장기간 효과가 유지되는지, 같은 위치에 다시 생긴 균열을 반복해서 치유할 수 있는지도 확인해야 한다.

암모늄 발생을 줄이기 위해 요소 농도를 낮추면서 침전 효율을 유지하거나 배출액에서 암모늄을 회수하는 방법이 연구되고 있다. 요소를 사용하지 않고 탄산무수화효소, 탈질, 광합성 또는 유기산 대사를 이용해 탄산칼슘을 만드는 경로도 검토된다. 어느 방식이 더 적합한지는 반응 속도만이 아니라 부산물과 에너지 사용, 현장 조건을 함께 비교해야 결정할 수 있다.

콘크리트 밖에서는 지반과 금속 오염을 다룬다

MICP가 많이 연구되는 또 다른 분야는 지반 보강이다. 느슨한 모래에 세균과 반응 용액을 주입하면 탄산칼슘 결정이 모래 입자의 접촉점에서 성장한다. 결정이 입자 사이를 다리처럼 연결하면 입자들이 쉽게 움직이지 못해 지반의 강성이 높아지고 물이 통과하는 공극이 줄어들 수 있다.

이 원리는 모래 지반의 액상화 위험 저감, 사면과 해안 침식 억제, 먼지 발생 감소와 지하 시설의 누수 차단 연구에 활용된다. 하지만 실험실의 작은 모래 기둥과 실제 지반은 조건이 다르다. 넓은 현장에서는 세균과 반응액이 지하수 흐름을 따라 한쪽으로 몰릴 수 있고, 먼저 생긴 침전물이 다음 주입을 막을 수 있다.

납과 카드뮴, 아연 같은 금속 이온의 이동성을 줄이는 연구도 이루어진다. 금속 이온이 탄산칼슘 결정 표면에 흡착되거나 칼슘을 대신해 결정 격자에 들어가고, 별도의 금속 탄산염으로 침전하면 물에 녹아 이동하는 비율이 감소할 수 있다. 처리 효과는 금속의 종류와 농도, pH 및 탄산칼슘의 결정형에 따라 크게 달라진다.

이것은 금속 원소를 분해하거나 없애는 기술이 아니다. 금속의 화학적 형태를 바꾸거나 고체 광물 안에 고정해 이동성을 낮추는 방법이다. 이후 토양이 산성화되거나 탄산염 광물이 녹으면 일부 금속이 다시 용출될 수 있으므로 장기 안정성과 용출 시험이 필요하다.

석회암으로 만든 문화재와 건축물의 표면을 보강하는 생물학적 처리도 연구된다. 탄산칼슘을 주성분으로 하는 석재에 새로운 방해석이 형성되면 입자 사이의 결합을 보완할 가능성이 있다. 반면 처리액이 색을 바꾸거나 표면의 기공을 지나치게 막고 기존 미생물 군집을 변화시킬 수 있으므로 문화재에는 작은 구역의 사전 시험과 장기 관찰이 필수적이다.

S. pasteurii를 이용한 기술의 중심은 살아 있는 세균이 접착제처럼 굳는 데 있지 않다. 유레이스가 요소를 분해해 pH와 탄산 평형을 바꾸고, 그 결과 탄산칼슘의 용해도곱을 넘어선 용액에서 결정이 석출되는 것이 핵심이다. 세균은 광물이 만들어질 화학 조건과 결정핵을 제공한다.

화학을 가르칠 때 침전반응은 두 이온을 섞어 앙금이 생기는 짧은 반응식으로 설명하는 경우가 많다. 이 세균을 살펴보면 그 반응식 앞에 효소반응과 산·염기 평형이 있고, 뒤에는 결정핵 형성과 광물의 성장, 공극의 변화가 이어진다는 것을 볼 수 있다. 저는 ‘스스로 상처를 치료하는 콘크리트’라는 표현보다 생물의 효소가 재료 내부의 화학 평형을 움직여 단단한 광물을 만든다는 설명이 이 기술의 실제 원리를 더 잘 보여준다고 생각한다.

참고자료

• Stocks-Fischer, S.·Galinat, J. K.·Bang, S. S., “Microbiological Precipitation of CaCO₃”, Soil Biology and Biochemistry, 1999.
• De Muynck, W.·De Belie, N.·Verstraete, W., “Microbial Carbonate Precipitation in Construction Materials: A Review”, Ecological Engineering, 2010.
• Jonkers, H. M. 외, “Application of Bacteria as Self-Healing Agent for the Development of Sustainable Concrete”, Ecological Engineering, 2010.
• Christoph, N. 외, “Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation by Sporosarcina pasteurii: A Case Study in Optimizing Biological CaCO₃ Precipitation”, Applied and Environmental Microbiology, 2023.
• Tuttle, M. J. 외, “Complete Genome Sequence of Sporosarcina pasteurii Type Strain DSM33”, Microbiology Resource Announcements, 2024.