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COVID-19의 유행에 비추어 본 폐수의 위험요소 및 모니터링에 대한 재고
COVID-19의 유행에 비추어 본 폐수의 위험요소 및 모니터링에 대한 재고 저자 이재철 (전북대학교)
등록일 2021.03.18
자료번호 BRIC VIEW 2021-R08
조회 726  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
COVID-19의 유행은 공중 보건과 세계 경제에 심각한 영향을 끼쳤다. 과거 사례 또는 실험들은 SARS-CoV가 폐수 내 며칠간 머물면서 수계에 직접적 또는 에어로졸화 되어 간접적으로 퍼짐으로써 건강에 유해한 영향을 미칠 가능성이 있다고 보고하였다. 전통적인 폐수처리 방법들은 SARS-CoV에 대해 부분적인 제거만이 가능함을 보여주었기 때문에 결국 안전한 방류나 재사용은 최종 소독 공정의 효율에 달려있다고 볼 수 있다. 즉, 폐수를 통한 SARS-CoV-2의 전파에 맞춰진 관리 체계와 위해성 평가에 대한 수립이 동반되어야 하며 COVID-19와 관련된 모든 오염물질에 대한 충분한 소독 효율을 보장할 수 있는 환경적 감시를 위한 새로운 수단이 필요할 것이다.
키워드: Wastewater treatment, SARS-CoVs, COVID-19, waterborne, Risk and monitoring
분야: Environmental_Biology, Ecology

본 자료는 Rethinking wastewater risks and monitoring in light of the COVID-19 pandemic. Nat. Sustain. 3, 981–990 (2020). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 서론
2. 코로나 바이러스(SARS-CoVs)
   2.1. 폐수에서의 SARS-CoVs
   2.2. SARS-CoVs의 검출 및 전염성
   2.3. 수계에서의 SARS-CoVs의 생존
3. 하수 시스템으로부터 SARS-CoVs의 전파
   3.1. 관개 농업(irrigated agriculture)에서의 SARS-CoVs의 확산
   3.2. 폐수 에어로졸과 SARS-CoVs의 노출
   3.3. 지표수와 지하수를 통한 전파
4. 바이러스 전파를 막기 위한 폐수 처리
   4.1. 바이러스 전파 방지를 위한 막여과 기술
5. 결론: 주요 지식 격차 및 권고 사항


1. 서론

현재(역: 20년 12월 기준.) 진행되고 있는 COVID-19의 유행은 신규 코로나바이러스(SARS-CoV-2)에 의한 것이다. 이와 함께 중증 급성 호흡기 증후군(SARS; Severe Acute Respiratory Syndrome)의 감염에 의한 세계적인 전염병의 유행은 7개월만에 60만 명이 넘는 사람의 목숨을 앗아갔다. 지난 몇 세기 간 바이러스에 의한 발병은 꾸준히 증가해 왔으며 세계 대유행의 비율이 점차 높아졌다.

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그림 1. 감염병 유행의 과거와 현재(붉은 선 안은 최근 COVID-19 유행 기간).
(참조: https://doi.org/10.1038/s41893-020-00605-2)

 

지난 20년간 호흡기 증후군의 감염은 2003년의 SARS-CoV-1, 2012년의 중동호흡기증후군 코로나바이러스(MERS-CoV; Middle East respiratory syndrome coronavirus) 두 종류의 코로나바이러스로부터 발생하였다.

SARS-CoV-2는 SARS-CoV-1과 같이 전염성이 매우 높아 쉽게 전파되는데 주로 가까운 사람 간 비말, 상호 접촉 또는 에어로졸에 의해 전파된다. 과거 2003년 SARS-CoV-1이 한 아파트 내에서 전파된 사례에 의하면, 바이러스는 하폐수에서의 전파 또한 가능하다고 확인되었다. 특히, 바이러스의 감염이 화장실 물 내림, 손상된 배관에 의한 에어로졸의 유입을 통해 일어남을 보고하였다. 유사하게도, 배설물과 폐수의 RNA 시료에서 SARS-CoV-2가 검출되었으며 이에 따라 지속가능한 수자원이 되어야 할 폐수 또한 SARS-CoV 전파 경로로 이용될 수 있음은 분명해졌다.

 

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그림 2. 산업화된 도시에서 물을 통한 SARS-CoV-2 전파 경로.

 

바이러스가 하수 시스템으로 유입된다는 것은 잠재적인 전파 경로가 더 다양해짐을 의미하며 배변-구강 전파(faecal-oral transmission)의 맥락에서 고려되어져야 함을 나타낸다. 대부분의 산업화된 도시에서 발생하는 생활하수는 하수관을 통해 폐수처리장으로 모아 처리한다. 그러나, 일반적인 폐수처리 공정은 바이러스 입자를 완벽하게 처리하지 못한다. 따라서, 전염병이 유행하는 기간에 폐수로 유입되는 유입수 내 높은 바이러스성 물질이 미처 처리되지 못한 채 방류될 수 있다. 게다가 담수가 부족할 경우 지하수 보충, 여가활동, 작물 경작을 위한 관개 등 다양한 목적을 위해 처리된 폐수를 사용할 수 있는데 이 경우 또한 또 다른 바이러스 전파 경로가 될 수 있다. 전반적으로, 폐수에 의해 SARS-CoV-2가 전파될 잠재성을 평가하는 것은 중요하다. 일반적으로 외피 바이러스, 특히 폐수가 모이고 처리되고 재사용 되는 동안 SARS-CoV-2의 생존, 전파에 대한 정보는 제한적이다.

따라서, 본 리뷰는 전염병이 유행하는 동안 건강에 대한 유해성과 여러 경로(물, 에어로졸, 음식 등)를 통해 SARS-CoV가 전파될 수 있는 잠재성들에 대해 비판적으로 검토하고 현존하는 지식들을 종합해 전하고자 한다. 특히, COVID-19의 사례가 다양하게 나타나는 지역을 포함한 사회 경제적 능력이 중상 정도 되는 지역에서 일반적으로 적용하고 있는 중앙 집중형 폐수처리 시스템에 초점을 맞추었다. 이러한 조건은 폐수에 존재하는 SARS-CoV-2에 맞는 모니터링 프로그램과 위해성 평가 기술이 급히 마련되어야 함을 나타내며 이는 향후 바이러스에 의한 질병이 발생할 때 빠르게 발견하는데 도움이 될 수 있다.

2. 코로나 바이러스(SARS-CoVs)

바이러스는 나노 사이즈의 흔히 어디서나 볼 수 있는 전염성이 있는 감염체로써, 세포 내 생식 주기 사이에 세포 외부에 존재해 숙주 세포를 감염시킨다. 바이러스는 구조, 크기(20-300 nm), 복제 메커니즘(replication mechanism), 생존 기간 등이 매우 다양하다. 몇몇 바이러스들은 숙주 세포에 부착하는데 중요한 역할을 하는 단백질이 이중 지질층으로 이루어진 세포막으로 둘러 쌓여 있어져 있다. 세포막으로 둘러 쌓인 바이러스는 세포막이 없는 바이러스에 비해 저항성이 낮기 때문에 환경 조건이나 소독제들에 의해 쉽게 비활성화된다. 바이러스의 유전체는 DNA 또는 RNA로 존재하게 되는데 RNA 바이러스들은 돌연변이를 일으키려는 성향이 있다.

코로나 바이러스(CoVs)는 외피에 의해 둘러 쌓인 단일 가닥(single-stranded), 양성(positive-sense)의 RNA 바이러스로써, 60에서 220 nm의 크기를 가진다. "코로나”라는 명칭은 표면의 스파이크 단백질 구조(the spike glycoproteins)가 마치 바이러스를 둘러싸고 있는 왕관 모양(역; 라틴어로 corona는 “왕관”이라는 뜻)을 연상시킨다 하여 이를 바탕으로 이름이 지어졌다. 스파이크 형태의 단백질은 수용체를 인식하고 막 융합에 관여하는데 특히, SARS-CoV-2는 과거 SARS-CoV-1에 비해 인간의 수용체에 더 친화력이 높기 때문에 전염성이 높다고 알려져 있다. SARS-CoV-1과 SARS-CoV-2 모두 베타코로나바이러스 속(Betacoronavirus)에 속하는데 이들은 다양한 생태 조건에서도 적응력이 강하고 인간 조직을 비롯한 새로운 숙주로 빠르게 이동해 간다.

2.1. 폐수에서의 SARS-CoVs

SARS-CoVs는 주로 호흡기 계통 바이러스 임에도 불구하고 SARS-CoV-2는 위장관 계통에서의 감염과 복제를 일으킬 수 있다. 게다가, 역전사 중합효소 연쇄반응(RT-qPCR; reverse transcription quantitative polymerase chain reaction)으로 검출된 데이터에 의하면 SARS-CoV-2는 인간의 배설(분뇨)을 통해 폐수 시설로 유입된다. 설사나 구토를 동반한 위장 질환의 경우, 확진자의 약 2-80%의 빈도로 발생한다. SARS-CoV-2의 RNA는 대변, 가래 등에서 검출되었는데 대변에서는 무증상 환자뿐만 아니라 질환이 멈춘 뒤 최대 4주까지도 방출이 관찰되었다. 흥미롭게도, SARS-CoV-2의 RNA는 종종 호흡기에 의한 감염 증상이 호전되었거나 호흡기 검사에서 음성이 나온 환자의 대변 샘플에서도 검출되었다.

대변 및 소변 샘플에서 감염성 SARS-CoV-2를 직접 분리한 사례는 드물지만, SARS-CoV-2의 RNA를 검출한 사례는 다수 존재한다. 현재까지 대변에 있는 SARS-CoV-2의 RNA가 삼킨 가래나 위장관 내의 복제에 의한 것인지는 불분명하나 만일 섭취에 의한 바이러스가 인간의 소화계를 무사히 통과할 수 있다면, 폐수에 의한 감염성 바이러스의 확산에 큰 영향을 줄 것임은 분명하다. 생물 정보학 모델링과 실험 연구 결과들은 위장관에서 바이러스 입자들이 감염과 복제를 일으킴을 보여주었다. 게다가 중국 우한의 역학조사 모델의 결과는 바이러스의 전파에 대변-구강 경로가 중요한 역할을 하며 장에서 바이러스의 복제가 일어났을 가능성이 높음을 시사하였다. 그렇기 때문에 폐수 내에는 상당수의 감염성 바이러스가 포함되어 있다고 보아도 무방하다.

대변 및 폐수의 샘플에서 감염성 SARS-CoV-2를 성공적으로 분리해 내지 못한 것은 바이러스가 없기 때문이 아니라 온전한 외피 바이러스를 분리하는 것이 어렵기 때문이라고 볼 수 있다. 가정의 싱크대나 샤워기, 배수구 등에서 배출되는 물인 생활하수(gray water, 역: 가정 내 분뇨를 제외한 일반 생활 하수를 편의상 칭함)는 바이러스 농도가 높아 전파 잠재성이 높은 침, 가래와 같은 타액을 포함하고 있지만, 세제나 비누, 소독제 등이 포함되어 있기 때문에 주요 SARS-CoV-2의 전파 경로로 여겨지지 않는다.

2.2. SARS-CoVs의 검출 및 전염성

현재 폐수에서 SARS-CoVs를 검출하고 모니터링하는 기술은 크게 (1) 정성 분석, (2) 분자 정량 분석, (3) in vitro 계수법(plaque forming unit; PFU)의 세 종류로 나뉜다. 분자생물학적 접근법은 SARS-CoVs의 RNA를 표적으로 하여 물 샘플로부터 RNA 카피수 또는 조각/ 가닥의 존재 유무와 풍부도를 추정할 수 있지만, 바이러스의 감염을 측정하지는 않는다. PFU 방법은 감염성 바이러스의 입자를 정량적으로 추정할 수는 있지만, 배양을 위한 적절한 숙주가 필요하기 때문에 분석이 오래 걸리며 까다롭다. 뿐만 아니라 폐수 내 독성물질에 의한 세포독성으로 인해 분석 민감도가 떨어질 수 있으며 검출을 위해 더 높은 농도가 요구된다.

분석 방법과 상관없이, 폐수 내 SARS-Cov를 검출하고, 계수하는 것은 인간의 배설물을 직접 분석하는 것에 비해 희석에 따른 풍부도가 매우 낮아지기 때문에 매우 어렵다. 따라서 높은 회수율을 확보하기 위해 시료의 농축이 요구되며 최근에는 효율적인 농축을 위해 다양한 기술들이 검토되고 있다.

효소처리를 통해 손상된 바이러스 입자를 제거하고 수용체에 결합된 바이러스를 RT-qPCR로 정량한다. 이 방법은 기존 추출 방법 이후 최근 폐수에서 SARS-CoV-2를 정량 및 검출하는데 사용된다. 활성슬러지의 전사체(RNA)를 이용한 분석은 기존 분자생물학적 방법에서는 발견되지 않은 다양한 미배양 세균 바이러스를 발견할 수 있었다. 낮은 바이러스의 농도는 다양한 농축 방법이 적용되어야 하지만, 이 기술은 메타지놈 바이러스 연구와 더불어 폐수 내 SARS-CoV-2와 같은 단일가닥(single-stranded) RNA 바이러스의 검출을 위한 새로운 템플릿이 될 수 있다. 또한 낮은 회수율로 인해 바이러스 감염성을 판단하기에 한계가 있기 때문에 폐수의 감염성을 판단하기 위해서는 다른 접근법들이 개발되어야 한다. 현재, 인간에 대한 SARS-CoV-2의 최소 감염량(MID, minimal infectious dose, 감염을 일으키기 위한 바이러스 입자 수)은 알려져 있지 않다.

2.3. 수계에서의 SARS-CoVs의 생존

 

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그림 3. 여러 물 시료에서 다양한 온도 범위에 따른 SARS-CoVs 및 외피 바이러스들의 생존 시간.
SARS-CoVs의 생존시간을 하트, 기타 외피 바이러스의 생존시간을 별로 표시하였으며 90%가 비활성화될 때까지 소요되는 시간을 T90으로 나타내었음. (참조: https://doi.org/10.1038/s41893-020-00605-2)

 

바이러스의 생존 시간 분포는 종종 기하급수적(exponential)이며 반감기, 로그제거 수(number of log removal) 또는 90% 비활성화까지 필요한 시간(T90, 그림 3) 등으로 표시된다.

여러 환경 조건에서, SARS-CoV와 기타 외피 바이러스는 전염성이 있는 형태로 며칠 동안 잔류할 가능성이 있다. 수계에서 온도, 유기물 함량, pH 등이 SARS-CoV의 감염에 영향을 미치는 것으로 알려졌으나, 어떤 방식으로 이루어지는지는 원인이 다양하기 때문에 명확히 알려지지 않았다.

온도는 일반적인 바이러스 입자, 특히 SARS-CoV들의 생존과 관련된 중요한 변수이다. 일반적으로 더 낮은 온도에서 SARS-CoV 감염이 유지되는데 예를 들면 25℃에는 2일간 지속되는 반면 4℃로 내려가면 14일까지 지속된다. 이는 추운 계절과 온대 기후 지역의 환경에서 SARS-CoV-2의 생존이 증가할 수 있음을 의미한다. 56℃ 이상의 온도에서 SARS-CoV-1과 SARS-CoV-2가 각각 90분, 30분 이후 비활성화되었는데, 이는 높은 온도에서 단백질과 지질 이중층이 변성되었기 때문이다.

다양한 물 시료에서 유기물 농도의 증가는 붙어있는 코로나바이러스(CoV)의 생존시간을 감소시키는 것으로 보고되었다 (그림 3을 예로 들면 호수 내에서는 생존 시간이 10일인 반면 폐수 원수에서는 2일간 생존하였음). 이것은 세포 외 효소의 활성을 통해 바이러스를 비활성화할 수 있는 길항 세균(antagonist bacteria)의 존재 때문일 수 있다. 이와는 다르게, 폐수처리의 맥락에서 유기물은 SARS-CoV 바이러스 입자의 외피에 불특정하게 흡착되어 산화적 손상, 염소화, 자외선(UV) 조사, 원생동물이나 후생동물의 포식으로부터 보호되는 효과를 일으킬 수 있다. 게다가, 감염된 환자로부터 유출된 바이러스는 이미 대변이나 가래 같은 유기물질과 관련이 있기 때문에 일부 비활성 메커니즘으로부터 보호될 수 있다.

대변의 pH는 SARS-CoV-1 생존에 상당한 영향을 미치는데 약산성의 신생아 대변에서는 3시간 생존하는 반면 pH 9 정도 약염기를 가지는 성인의 설사에서는 4일 정도 생존하였다. 이는 조건이 바이러스 생존의 모니터링을 위해서는 변의 형태나 pH 등의 고려가 필요함을 사사한다. 하지만 대조적으로, 현탁액 내 SARS-CoV-2는 pH 3에서 10까지의 범위에서 60분 후에도 감염 역가(infective titre)의 실질적인 감소를 보이지 않았다.

3. 하수 시스템으로부터 SARS-CoVs의 전파

사회-경제적 능력이 중상층인 지역에서 발생하는 폐수는 주로 큰 도시 지역에서 수집된다. 하수도 시스템에 연결된 인구의 수는 폐수 내 SARS-CoV 농도에 직접적인 영향을 미치기 때문에 확산의 잠재성을 가지고 있다. 대도시의 광범위한 하수 시스템은 넓은 지역의 폐수를 효과적으로 혼합하기 때문에 바이러스가 균일하게 분산되어 농도가 점차 낮아진다. 그러나, 인구가 많을수록 본질적으로 바이러스의 유입 가능성이 더 높아지며, 특히, 인구 밀집 지역에서의 COVID-19의 발생은 바이러스 농도가 높아지게 되어 전염 위험을 증가시키게 된다. 폐수 내 SARS-CoV의 생존 시간은 감염성 바이러스가 폐수처리 공정에 도달해 여러 전송 경로로 추가 전파되기에 충분히 긴 시간을 가지고 있다. SARS-CoVs는 다른 미생물 병원체와 유사하게 태풍/ 장마 기간의 하수 범람 또는 유출을 통해 강, 호수, 연못과 같은 자연 수역에 유입될 수 있다. SARS-CoV-2의 높은 감염성은 이러한 환경에서 COVID-19의 전파로 이어질 수 있다. 이러한 역학 모델은 바이러스의 대유행이 지났더라도 이런 환경적 영향으로 인해 재전파될 우려가 있기 때문에 유행 후(post-epidemic) 관리 또한 엄격하게 수행 되어야 함을 사사한다.

폐수의 모니터링을 통한 SARS-CoV-2의 감시는 최근 기존 방법과의 상호보완적 적용을 위한 강력한 도구로 주목을 받고 있다. 중앙 하수 시스템으로부터 수집된 데이터는 SARS-CoV-2 분포에 대한 실시간 정보를 개별 테스트에 비해 저렴한 비용으로 제공될 수 있다. 또한, 이 정보는 감염 전(pre-) 및 무증상 감염자(asymptomatic infected)가 있는 특정 지역에서 COVID-19 발생에 대한 조기 경보 신호로 활용될 수 있다. 폐수 내 SARS-CoV-2의 농도 변화 관측을 통해 발견한 초기 신호는 COVID-19 확진 판정 대비 최소 며칠 전에 확인이 가능하다. 폐수 모니터링은 초기 발병을 포함해 이후 완화조치를 시행한 지역에서 SARS-CoV-2의 재발을 조기에 확인하는데 특히 유용하다. 이 정보는 COVID-19 감염이 특정 지역 사회에 퍼지기 전에 방지 시스템을 가동하고 의료 자원을 미리 분배할 수 있는 기능을 제공한다. 봉쇄 조치를 완화해 시장 경제를 복구하고 지속적인 감시를 시행하는 방식은 유행 방지에 있어 비용 효율적인 수단으로 작용한다.

저소득 지역은 종종 하수 시스템이 없거나, 부분적으로 존재하기 때문에 폐수 위생이 취약하다. 전 세계 인구 가운데 5억 명이 넘는 사람들이 여전히 노상 배변(open defaecation)을 하고 있는 반면, 그 외 35억 명이 위생에 취약한 환경에 놓여있다. 이러한 상황은 사람들이 감염된 폐기물 또는 폐수와 접촉할 가능성이 높기 때문에 배변-구강 경로를 통해 SARS-CoV와 같은 바이러스성 질병의 전파를 촉진시킬 수 있다. 안전하지 않은 위생 시설은 종종 부족한 식수 인프라(예: 수원을 오염시키는 하수도 시스템), 손 씻기, 비누 사용과 같은 기본 위생 부족과 함께 다루어 진다. 저소득 국가에서의 전염병 확산은 COVID-19 통제 조치의 제한된 시행과 함께 도시의 높은 인구밀도로 인해 점차 가속화된다. 또한, 비가 많이 내리는 지역에서는 빗물이 전파의 매개체로 작용할 수 있어 수계 바이러스 농도 증가를 더 가중시킬 수 있다. COVID-19 대유행은 안전한 위생에 대한 접근성이 부족하고, 종종 대변으로 오염된 물과 직접 접촉하거나, 오염된 폐수로 관개된 농작물을 소비하는 40억 명의 사람들에게 특히 위험할 수 있다. 이러한 감염 경로가 다른 바이러스성 질환에 대해서는 확인되었지만, 현재까지 COVID-19에 대해서는 특별히 연구되지 않았다. 따라서, 저소득 지역에서 SARS-CoV-2의 배변-구강 경로를 통한 경로 조사가 시급하다.

3.1. 관개농업(irrigated agriculture)에서의 SARS-CoV의 확산

최근 처리된 폐수 내 SARS-CoV-2의 RNA의 발견은 농업용수로의 재사용에 잠재적 위험이 있음을 나타낸다. 오염된 폐수를 이용해 과일 및 채소를 관개할 경우 오염된 식품의 취급, 소비로 SARS-CoV의 간접적 전달 경로가 될 수 있다. 이것은 뿌리에 직접 관개하지 않는 급수나 스프링클러 같은 적용과 연관이 있을 수 있다. SARS-CoV-2의 음식을 통한 전파가 보고되지 않았지만, 유사한 바이러스가 처리된 폐수의 관개 및 음식을 통해 전파됨이 보고되었다. Bovine-CoV는 SARS-CoV와 매우 유사한데, 상추(lettuce)의 유통기한(최소 14일) 내내 상추 잎 표면에 감염성을 유지한 채 존재하였으며 세척을 통해 완전히 제거되지 않았다. 따라서, 적절한 위생이 확보되지 않은 지역에서 대규모 SARS-CoV가 발생할 때, 대변-수인성-음식 전파의 연결에 폐수가 하나의 중요한 매개가 될 수 있다. 또한, 스프링클러를 이용해 폐수를 관개하고 비옥화(fertilization) 시킬 때 많은 양의 에어로졸이 생성될 수 있다. 이러한 에어로졸은 지역 규모로 분산될 수 있는데 특히 농장 근로자나 가까운 곳에 생활하는 사람들에게 영향을 준다. 바이러스가 유행하는 동안 SARS-CoV-2의 수인성-음식 또는 수인성-에어로졸 경로를 통한 전파는 폐수 사용 전 소독 공정을 강화하거나 재이용 폐수에 대한 기준 강화를 통해 감소시킬 수 있다.

3.2. 폐수 에어로졸과 SARS-CoV의 노출

에어로졸화된 바이러스는 폐수 처리 과정이나 처리된 폐수가 공급되는 곳, 폐수의 관개 시비 과정에서 바람에 의해 건물 또는 여러 지역으로 대규모로 이동될 수 있다. 폐수 에어로졸과 방울의 형성은 SARS-CoV-1 발병 기간 동안에 대변-방울-호흡 전파의 핵심 메커니즘으로 확인되었으며 현재 SARS-CoV-2 발병 및 전파 원인의 하나로 추정되고 있다. SARS-CoV-2 바이러스는 약 1시간의 중간 반감기(median half-life)를 가지고 최대 16시간 동안이나 에어로졸에서 생존한다. 더 큰 방울의 이동은 제한적이지만, 병원체 운반 능력이 향상되어 표면의 국소 오염을 유발할 수 있다.

폐수처리 시설의 운영자는 표준 절차를 따라 폐수나 오염된 표면의 노출을 제한해 SARS-CoV-2와 같은 병원체에 대한 노출 위험을 반드시 줄여야 한다. 폐수처리공정 내에서 에어로졸화된 SARS-CoV-2에 대한 분석은 보고되지 않았지만, 처리 과정 중의 에어로졸의 형성은 폐수처리 운영자나 시설을 통한 확산의 잠재성이 있어 위험할 수 있으며, 특히 인구 밀집 지역에서 그 우려는 더욱 높아진다. 이 경로는 다양한 장 바이러스와 박테리아에서 관찰된 바 있다. 에어로졸을 생성할 가능성이 있는 폐수 재이용(또는 중수도) 시설은 기존의 폐수처리 공정 외 감염을 피하기 위한 충분한 처리를 보장해야만 한다.

3.3. 지표수와 지하수를 통한 전파

SARS-CoVs는 유행 기간 동안 하수도의 누출이나 폐수처리 과정에서 충분히 제거되지 않았을 경우 수생태계로 전파될 우려가 있다. 정화조의 폐수 누출, 파이프의 고장 등 인프라의 부족은 SARS-CoV가 수역(하천, 강, 연못, 호수 및 지하수 등)으로 직접 배출되게 하는 원인이 된다. 게다가, 2차 처리수와 같은 처리된 폐수일지라도 바이러스를 환경으로 유출하는 매개가 될 수 있다.

지하 환경에서 바이러스는 구조와 환경적 특징으로 인해 매우 이동성이 높아진다. SARS-CoV-2의 크기(~100 nm)와 상대적으로 긴 생존 기간 (그림 3)으로 인해 SARS-CoV-2는 잠재적으로 지하에서 상당한 거리로 전파되어 식수원의 오염을 일으킬 수 있다. 그러나, 최근 연구에 따르면 2차 처리수 내 존재하는 많은 장내 바이러스가 지표면 아래 30-40 m에 존재하는 불포화대(vadose zone)를 침투하며 완전히 제거되어 지하수 우물에서 검출되지 않았다. 이는 긴 침투 시간이 SARS-CoV-2를 포함한 바이러스의 지하수 오염 위험을 감소시킬 수 있음을 의미한다.

4. 바이러스 전파를 막기 위한 폐수 처리

폐수처리 공정에서 바이러스 입자는 잠재적으로 물리· 화학 및 생물학적 처리를 통해 제거될 수 있다 (그림 4).

 

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그림 4. 일반적인 폐수처리 공정의 구조도.

 

폐수는 먼저 침강을 주요 메커니즘으로 하는 1차 처리는 거치지만, 바이러스의 제거는 낮다. 2차 생물학적 처리는 포기조와 2차 침전조가 결합된 형태로 활성 슬러지를 유지한다. 바이러스가 유기물 입자에 결합하는 것과 침전에 의해 제거되는 것은 이런 2차 처리 공정에서 중요한 역할을 하는 것으로 여겨진다. 고형물의 제거와 체류를 최대화 하는 것에 집중된 폐수처리(예: 분리막 생물반응조; membrane bioreactor)는 폐수 내 바이러스 부하를 제거하기 위해 효과적으로 적용될 수 있는 수단으로써 제안되었다. 아직 SARS-CoV-2에 특정해 이용할 만한 데이터는 없지만, 외피바이러스는 비 외피 바이러스보다 입자와 함께 제거될 가능성이 높다. 또한, 2차생물 반응기의 농축된 세균 군집에 존재하는 가수분해 효소(hydrolases), 단백질 분해효소(protease)와 같은 세포 외 효소들은 다른 바이러스와 유사하게 SARS-CoV를 비활성화할 가능성이 있다.

슬러지에 SARS-CoVs를 농축하게 되면 슬러지 처리 및 폐기 시 후속 처리의 문제가 발생할 수 있다. 폐수처리 공정에서 발생하는 슬러지에 대한 메타유전체 연구에서 호흡기 질환과 관련된 바이러스를 포함한 매우 다양한 종류의 바이러스들이 발견되었다. 가장 흔하게 발견되는 바이러스 유전자는 CoV에 속한 유전자로 미처리된 폐수 슬러지 시료의 80%에서 발견되었으며, 두 번째로 흔하게 발견된 바이러스는 CoV HKU1이다. 슬러지 처리 과정에서 외피 바이러스의 생존에 관한 자료는 거의 찾아보기 힘들며 SARS-CoV에 대해서는 존재하지 않는다. 외피가 없는 바이러스의 거동을 바탕으로 고온성 소화(thermophilic digestion), 석회 첨가(lime addition), 건조와 퇴비화에 의한 슬러지 처리는 SARS-CoVs의 비활성화에 유망한 기술들임이 확인되었다. 그러나, 농업환경에서 슬러지로 시비하게 될 경우 에어로졸 제어 기술들은 여전히 적용되어야 한다.

1차, 2차 처리 중 SARS-CoV의 비활성화나 제거에 대한 연구들은 자세히 이루어지지 않았다. SARS-CoV-2의 RNA는 한 연구에서는 2-log만큼 제거된 반면 다른 연구에서는 2차 처리 후 완전히 제거되었다. 이러한 결과들은 다른 바이러스와 마찬가지로 기존 폐수처리 기술들이 SARS-CoV-2의 충분한 비활성화를 보장하지 않음을 나타낸다. 이스라엘과 같은 국가들은 바이러스 전파를 최소화하기 위해 2차 폐수를 이용 또는 방류하기 전 추가 소독을 실시한다 (그림 4). 그 외 여러 국가에서는 추가 소독을 의무화하지 않기 때문에 SARS-CoV-2의 전파 가능성은 더 높다고 볼 수 있다. 처리된 폐수의 추가적인 소독은 SARS-CoV-2의 비활성화의 신뢰도 향상을 위한 가장 중요한 단계일 수 있다. SARS-CoV와 같은 외피 바이러스는 비 외피 바이러스보다 염소 기반의 소독제들에 더 취약한 경향을 보이나 메커니즘은 명확하지 않다. 실제 폐수에서 테스트 되지는 않았지만, SARS-CoV-2와 같은 외피 바이러스는 종종 소독에 저항하는 물리적 장벽이 될 수 있는 유기물에 의해 둘러 쌓여 있다는 사실이 발견되었다. 이 때문에 유기물량이 많은 폐수의 경우 SARS-CoV-2는 소독제에 덜 민감하게 반응할 수 있다. 또한, 유기물, 질소화합물은 화학적 소독제에 스캐빈저(Scavenger)로 작용할 수 있기 때문에 활성 염소의 농도를 감소시키는 결과를 낳을 수 있다. 따라서, 바이러스가 유행하는 동안 폐수 내 바이러스의 제거가 소독제 효과의 부족으로 불충분해 질 경우 재사용을 통해 바이러스가 전파될 수 있다.

많은 산업화된 도시들에서는 폐수의 재이용 이전 3차 처리(고도화된 입자 제거 및 소독 공정)를 도입하고 있다. 3차 처리는 강화된 미생물 병원체의 제거를 위해 모래 여과, 대수층 재충전(managed aquifer recharge), UV 조사, 고도 산화 공정(AOP; advanced oxidation process), 막 공정 기술들을 포함된다 (그림 4). 254 nm에서의 UV조사는 바이러스 유전체와의 반응을 통해 효과적으로 SARS-CoV-1에 대항할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, UV의 요구량(조사량 및 시간에 대한 함수)은 많은 바이러스나 매체와 연관된 인자들(예: 유기물 농도)에 매우 의존적이므로 범위가 매우 넓다. 오존을 이용한 2차 폐수의 처리는 생성된 오존 또는 자유 라디칼(free radical)에 의해 DNA 또는 RNA가 공격받아 효과적으로 비활성화된다. 염소 소독과 유사하게 다른 구성성분들의 스캐빈저(Scavenger) 작용에 따라 산화 능력이 감소될 수 있으며 소독 후 유해한 소독 부산물이 생성될 가능성이 있다. 현재까지 SARS-CoV-2를 비활성화하기 위한 이러한 소독 공정들의 효과는 알려져 있지 않았고, 시급히 연구되어야 한다.

4.1. 바이러스 전파 방지를 위한 막여과 기술

미세여과(MF; microfiltration) 및 한외여과(UF; ultrafiltration)를 포함하는 저압 막여과는 폐수처리에 사용되는 고급기술로써 SARS-CoV-2 전파에 대해 완전히 방어할 수 있는 능력이 있다. 게다가, 막 시스템의 모듈형 구조는 기존에 존재하는 폐수처리 공정에서 SARS-CoV-2의 농도를 줄이기 위한 시설 개선을 용이하게 한다. 이러한 다공성 막(MF>50 nm, UF 2~50 nm)에 의한 바이러스 입자의 제거는 실현 가능하지만 대상으로 하는 바이러스의 입자 크기로 인해 공극 크기 분포(pore size distribution)에 매우 의존적이다. 따라서, SARS-CoV-2 (직경 약 100 nm)의 확실한 처리를 위해서는 UF막이 적용되어야 한다. 바이러스의 제거는 여과막 및 바이러스의 표면 특성에 따라 더 향상될 수 있는데 이는 단순한 크기에 따른 분리가 아닌 완전한 제거로 이어질 수 있다. 한외여과막을 막여과 생물 반응조(MBR; membrane bioreactor)에 적용할 때 생물학적 처리 중 바이러스(SARS-CoV에 국한되지 않음) 제거의 효과가 더욱 증진될 수 있는데 이 때의 메커니즘은 입체 분해(steric removal), 흡착, 비활성화의 세 가지로 알려져 있다. 결과적으로, MBR은 기존 폐수처리 공정에 비해 장내바이러스 제거에 효과가 있음을 보여주었다. 폐수처리에서 흔하게 이용되지는 않지만, 나노 여과(NF; nanofiltration), 역삼투(RO; reverse osmosis), 정삼투(FO; Forward osmosis) 여과막과 같이 더 조밀하고 단단한 막(공극 크기 2nm 이하)을 사용하는 고압 여과 시스템은 SARS-CoV를 완벽하게 제거할 수 있다.

5. 결론: 주요 지식 격차 및 권고 사항

물에 의해 전파되는 CoVID-19의 건강상 위험은 초기 예상보다 클 수 있기에 폐수를 COVID-19의 잠재적 전파 경로로써 추가 연구되어야 한다. 폐수 시스템에 SARS-CoV-2의 RNA에 존재한다는 증거가 전 세계적으로 나타나고 있다. SARS-CoV-2의 높은 감염성과 더불어 수많은 감염 사례는 폐수처리 및 폐수 재사용에 새로운 과제를 제시한다. 이러한 위험은 인구 밀도가 높고 에어로졸화된 폐수에 직접 노출되는 지역뿐만이 아니라 적절한 폐수의 수집과 처리, 소독이 부족한 지역에서 가장 높게 나타날 것으로 예상된다.

폐수 내 감염성 SARS-CoV-2의 검출 빈도에 대해 광범위한 연구가 시급하며 그 내용은 다음과 같다. (1) 정량적 위해성 평가를 수행하는데 사용 가능한 원폐수, 처리된 폐수와 수용 환경(receiving environment)에 존재하는 바이러스의 풍부도와 관련된 중요한 정보, (2) 폐수처리 공정을 통한 처리 효율에 대한 정보, (3) 폐수 재사용을 위해 SARS-CoV-2를 완전히 제거하기 위한 폐수처리 공정에서 바이러스 부하(loading)와 전파에 따른 소독 조건, (4) 지역 사회 내 정책 입안자(policymakers)를 위한 COVID-19 유행과 관련된 발생, 범위에 대한 전염병 감시.

물에 의해 전파되는 SARS-CoV-2의 확인된 위험에 대한 특성을 조사하고 완화시키기 위해서는 다음과 같은 지식 격차의 해결이 필요하다. (1) 폐수 내 존재하는 SARS-CoV-2의 농도는 현재 감염성 바이러스 입자가 아닌 바이러스 자체의 RNA를 정량화하는 분자 접근법에 의해 추정되고 있다. 이러한 접근 방식이 바이러스 RNA 조각보다는 정상적으로 활동하는 바이러스 입자들 대부분의 정량이 가능한지에 대해서는 더 다루어 져야 할 것이다. (2) 물과 에어로졸에 의한 SARS-CoV-2의 최소 감염 용량은 현재 알려지지 않았다. (3) 물에 의한 SARS-CoV-2의 전파 범위, 담수 환경 및 물 재사용 시스템에서의 SARS-CoV-2의 부하는 명확하지 않다.

종합적으로, 본 리뷰는 폐수 내 COVID-19에 대한 강화된 모니터링, 위해성 평가, 새로운 위험 관리 전략에 대한 수립이 긴급히 필요함을 강조하고 있다. 환경 모니터링을 위한 혁신적인 도구를 개발하는 것은 정책 입안자에게 필요한 과학적 정보를 제공할 수 있으며 최적화된 소독 전략들은 폐수 재사용과 연관된 COVID-19의 전파를 완화할 것이다. COVID-19에 더 나아가 이러한 접근 방식은 이후 바이러스 질병 발생의 감지와 대응, 방지의 개선에 도움이 될 것으로 전망한다.

 

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이재철(2021). COVID-19의 유행에 비추어 본 폐수의 위험요소 및 모니터링에 대한 재고. BRIC View 2021-R08. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3724 (Mar 18, 2021)
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