항생제의 과다사용과 오남용으로 생물체 내에 분해되지 못한 잔류 항생물질들이 생성되면서 자체 방어 능력을 통한 병원균의 유전적 변이로 항생제에 스스로 저항하는 항생물질의 내성균의 수가 증가되고 있다. 이러한 항생제 내성균의 증가와 항생제 내성 유전자의 출현은 전 세계적으로 의학 및 사회적으로 큰 이슈로 자리 잡아 공중보건상의 문제가 되었으며, 영국의 경제 전문가 짐오닐(Jim O’neill)에 의한 ‘항생제 내성 보고서’에 따르면 매년 70만 명이 항생제 내성균에 의해 사망하며 이대로 항생제 내성의 확대를 해결하지 못한다면 2050년에는 슈퍼박테리아 감염 사망자가 세계적으로 연간 1천만 명씩 발생할 수 있다고 경고하였다.
항생제 내성균이 최종적으로 물 환경에 노출되는 것을 방지하기 위해 수많은 연구와 노력을 기울여야 한다. 실제로 환자의 몸에서 배출된 균들은 완전히 분해되지 않은 상태로 배출되어 하수처리장으로 유입되고 있다. 일반적으로 하수처리시설에서 기존 수처리 소독 공정에 따라 항생제 내성균은 대부분 사멸되지만, 완전히 제거되지 않은 일부 항생제 내성세균이 유출수 및 방류수로 배출되어 현실적으로 완전히 차단하기 어려운 실정이다.
최근에는 생물학적 처리요법인 박테리오파지를 이용한 연구가 활발히 되고 있다. 박테리오파지는 세균에 감염되는 바이러스로 생화학과 분자생물학의 연구 모델과 연구용 효소로 이미 잘 알려져 있다. 박테리오파지 기반 생물방제는 파지 특유의 살균 능력인 숙주 특이(host-specific) 감염을 이용하여 기존 소독 공정으로는 완전히 제거할 수 없는 항생제 내성세균을 줄이는 것을 목표로 깨끗한 물 환경을 유지하고자 한다.
본 연구는 심각한 공중보건상의 문제가 되는 항생제 내성균의 증가와 확산의 위험성을 인지하여 박테리오파지 요법을 이용한 항생제 내성균의 확산 방지에 대한 실험적인 연구를 수행하였다.
C 시의 하수처리장의 방류수에서 항생제 내성균 균주를 분리하여 DNA 분석을 통하여 Enterobacteriaceae 과에 속하는 그람음성 산소성 막대균으로 Raoultella ornithinolytica 라는 미생물로 밝혀졌으며, 광학현미경으로 관찰한 외관은 막대 모양의 길이로 4~8 μm 크기임을 확인하였다.
Raoultella ornithinolytica의 항생제 다제 내성을 확인하기 위해 4 ppm, 8 ppm, 16 ppm, 32 ppm, 64 ppm, 200 ppm의 농도에서 항생제 Ampicillin, Amoxicillin, Vancomycin, Tetracycline, Panicillin, Kanamycin, Streptomycin, Colistin을 사용하여 총 8개의 항생제를 파장 660 nm에서 흡광도를 측정한 결과 Tetracycline, Kanamycin은 감수성을 보이며 Penicillin, Ampicillin, Amoxicillin는 내성을 보이며 Colistin, Vancomycin, Streptomycin은 중간내성을 보이는 것을 확인하였다.
C 시의 하수처리장의 유입수에서 Raoultella ornithinolytica의 박테리오파지를 추출하였으며, 추출된 파지는 3시간 만에 Raoultella ornithinolytica를 사멸시키는 능력을 육안으로 관찰할 수 있었다. 또한, 에너지 여과형 투자전자 현미경으로 박테리오파지의 외형을 관찰한 결과 외피가 없고 긴 비 수축성 꼬리의 특징을 갖는 Siphoviridae과로 분류하였으며, 머리의 길이와 꼬리의 길이를 측정한 결과 각각 70.77 nm, 184.73 nm의 크기로 관찰되었다.
Raoultella ornithinolytica의 박테리오파지가 저장온도, 저장기간, pH, 독성물질에 따른 영향을 알아본 결과 저장온도, 저장기간에 따른 Raoultella ornithinolytica의 감염은 –80 ℃부터 40 ℃까지의 온도와 1년 이상의 보관에도 박테리오파지가 감염시키는 것을 확인할 수 있었으며 낮은 pH보다 높은 pH에서 박테리오파지의 감염이 잘 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 독성물질 시안(CN)과 크롬(Cr)에서의 박테리오파지의 감염은 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.
실험실 규모 SBR 반응조에서의 성상 비교 분석한 결과 Family에서 Raoultella ornithinolytica가 12시간 후에 35.39 %에서 20.45 %로 줄어들었으며 24시간 후에 3.7 %로 감소한 것을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 생물학적 방법 중 하나인 박테리오파지 요법을 이용한 항생제 내성균의 제어를 확인할 수 있었다. 박테리오파지는 인간과 동물세포에 무해하며, 의학, 수과학, 수의학 및 농업 분야에서도 많은 가능성을 가지고 있다. 본 연구를 통해 환경 분야 중 수처리 공법에 적용 가능성을 확인하였으며, 하수처리장에서 항생제 내성균의 저감을 위한 박테리오파지 요법의 적용은 안전하고 깨끗한 수자원 및 수생생태계의 보호뿐만 아니라 공중보건상의 문제를 해결할 수 있는 수단이 될 수 있을 것이다.