2.1 WBE 정의 및 적용사례

WBE는 지역주민들이 사용한 물(하수)에서 여러 생물학적 및 화학적 데이터를 수집ㆍ종합 분석하여, 지역인들의 삶의 질과 건강 상태를 분석하는 방법을 의미한다. 이러한 기법이 주로 적용되어 적극적으로 활용되고 있는 분야는 마약류, 향정신성 의약품의 사용량 파악하는 분야이다. 미국에서는 2001년 마약 사용량 모니터링을 위해 WBE 개념을 도입하였고, 유럽연합 역시 하수 분석 네트워크를 설립하고 이를 통해 마약류 사용을 관찰하고 있다. 우리나라 역시 2013년 여름철 해수욕장에 필로폰 검출량 증가를 확인한 연구를 시작으로 WBE를 활용한 연구들이 지속적으로 수행되고 있다. Table 1에서는 WBE의 적용 분야에 대해서 정리하였다. 앞서 서술한 바와 같이 주로 마약류, 향정신성 의약품을 모니터링을 위해서 활용되고 있는 것으로 조사되었다. 이 외에도 노로바이러스, A형 감염 바이러스 등과 같은 감염병의 조기 대응을 위해서 WBE를 활용하는 연구사례도 조사되었다(^{Asghar et al. 2014}; ^{Hellmér et al. 2014}). 최근에는 하수에서 COVID-19의 확진을 확인할 수 있는 바이러스(SARS- CoV-2)가 검출되고 있으며, 이를 활용하여 COVID-19 확산 규모를 파악하고 이에 맞추어 방역체계를 구축하는 연구들이 수행되고 있다.

이처럼 마약류나 향정신성 물질 사용량의 모니터링, 감염병 규모를 예측이 하수 샘플 조사를 통해서 가능한 이유는 하수에서 지역사회 구성원들이 사용한 물, 배설물 등이 축적되어 구성원들이 노출된 환경을 간접적으로 확인할 수 있기 때문이다(Fig. 2). 특히나 하수처리장으로 유입되는 하수는 별도의 처리 없이 지역사회 구성원들을 통해 사용된 물, 배설물 등의 정보가 축적되기 때문에 많은 양의 정보들이 포함되어 있다고 할 수 있다. 이를 위해서는 단순히 기본 수질 항목(BOD, COD, TOC, 총대장균군수 등)을 하는 것이 아니라 목적으로 하는 물질을 검출할 수 있는 지표설정이 필요하다. 지표로 활용될 수 있는 항목은 크게 두 가지로 생물학적 지표(Biological Marker)와 화학적 지표(Chemical Marker)로 구분될 수 있다. COVID-19와 같은 감염병의 확산 및 전파양성을 파악하기 위해서는 생물학적 지표를 활용하게 된다.

Fig. 2. Concept of WBE application.

3.1 WBE를 활용한 감염병 관련 국내외 적용사례

감염병과 관련하여 WBE를 활용한 연구는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 감염병 방역대책을 수립하는데 WBE를 활용할 수 있는 방법론과 관련한 연구이다. ^{Gibas et al. (2021)}은 대학캠퍼스 내 기숙사 동 별로 하수를 분석하여 기숙사 동별로 COVID-19 확산을 방지하기 위한 격리 조치계획이나 방역체계를 수립하는데 적용성을 평가하는 연구를 수행하였다(Fig. 3). 이러한 연구는 감염병 확산 속도 및 규모를 제어하기 위해 건물 단위별 격리 조치를 계획하는데 과학적인 근거를 제공할 수 있다.

Fig. 3. A research example for COVID-19 surveillance(Gibas et al., 2021).

^{Larson et al. (2020)}은 도시 특성을 활용하여 감염병 확진자가 급증하는 지역(Hot spot)을 구획할 수 있는 방법론을 제시하였다. 해당 연구에서는 도시를 구성하는 인프라 중 하수관거의 특성을 이용한 연구로써 맨홀로 유입되는 하수 배수구역은 정해져 있어 맨홀에서 샘플링한 하수를 이용한다면 COVID-19 확진자가 밀집한 지역을 구획해 낼 수 있다는 컨셉의 연구이다(Fig. 4). 감염병 발생지역이나 감염병 확진자가 밀집한 지역을 제공할 수 있어 방역 대책을 수립하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것이나 해당 기술을 상용화하기 위해서는 먼저 하수에서 방역대책을 수립하고자 하는 감염병의 확진 유무를 확인할 수 있는 지표를 실시간으로 검출할 수 있는 기법 개발과 모니터링 최적지점을 선정하는 연구가 추가적으로 수행되어야 한다.

Fig. 4. WBE concept by spatial information-based analysis.

WBE를 활용한 두 번째 연구 분야는 얼마나 빠르고 정확하게 목표로 하는 감염병 유발 바이러스, 병원균을 하수에서 검출하는 방법이다. 하수에는 다양한 오염물질들이 혼합되어 있어 목표로 하는 감염병 유발 바이러스, 병원균을 보다 정확하게 검출을 위한 기법이 개발되고 표준화될 필요가 있다.

호주에서는 2020년 1월에 처음 COVID-19에 의한 감염이 시작되어 4월에는 6,300명의 확진자가 발생하였고, 호주 연방과학산업연구기관(CSIRO)에서는 SARS-CoV-2의 검출 기반의 WBE의 적용성 연구결과를 보고하였다(^{Ahmed et al., 2020}). 호주 지역사회로부터 발생된 미처리 하수로부터 코로나 바이러스의 RNA 검출법을 개발하였고 보다 효과적인 WBE와의 연계를 위해서는 유용한 샘플링 기법 및 보존 방법, 데이터 해석, 강력한 RT-qPCR 기법 등에 이르기까지 체계적인 연구의 필요성을 강조하였다(Fig. 5). 또한 바이러스 부하가 낮은 검체에서 검출이 더 민감하고 적합한 방안으로 디지털 RT-PCR(RT-dPCR) 방안을 제안하였다(^{Ahmed et al., 2022}).

Fig. 5. A proof of concept for the wastewater surveillance of COVID-19(Ahmed et al., 2020).

일본 교토대학교 환경질 연구센터(Research Center for Environmental Quality Management, RCEQM)에서는 하수 내 SARS-CoV-2 바이러스 검출감도를 높일 수 있는 샘플러를 개발하였다(^{Ihara and Yasojima, 2021}). 해당 연구를 통해서 개발된 샘플러는 기존의 Moore Swab을 변형한 것으로서 염가로 제작할 수 있으며, 사이즈 변경이 용이하기 때문에 다양한 모니터링 지점에 적용할 수 있어 범용성이 주목받고 있다(Fig. 6).

Fig. 6. Development sampler for SARS-CoV-2 RNA(Ihara and Yasojima, 2021).

이처럼 전 세계적으로 감염병(특히, COVID-19)과 관련한 WBE 연구들이 다양하게 진행되고 있으며, 우리나라 역시 관련 연구사례들이 증가하고 있다. 국가과학기술지식정보서비스에 따르면 2015년 이후 직접적으로 WBE 개념을 적용한 연구가 등장하기 시작하였으며, COVID-19 팬데믹(2020년) 이후에는 감염병과 관련한 WBE 연구들이 증가하고 있는 것으로 조사되었다(Fig. 7). 현재 우리나라에서 진행되고 있는 WBE 연구는 대부분의 하수에서 목표로 하고자 하는 물질을 얼마나 정확하게 검출해 내는가에 관련한 연구들이 수행되고 있다. COVID-19와 관련해서는 하수에서 SARS-CoV-2 RNA를 검출하는 기법의 연구와 더불어 앞으로 발생할 수 있는 팬데믹 사태를 대비하기 위한 방법론 개발에 중점을 맞추고 있다.

Fig. 7. WBE research trend in South Korea.

하수 샘플에서 감염성 병원균 등 유해 물질을 감식하기 위해서는 하수 채취방법, 채취된 하수의 전처리, 대상물질의 신속한 검출기술의 개발이 필요하다. ^{Lee et al. (2023)}은 우리나라에 WBE를 성공적으로 도입하기 위해 필요한 시료 전처리 기술 및 신속검출기술을 검토하였다. 시료 전처리 기술 중에서 SARS-CoV-2 바이러스를 검출하는데 유효한 검출법은 폴리에틸렌글리콜(PEG) 침전법인 것으로 확인하였다. PEG 침전법은 수용성 폴리머 물질인 PEG와 시료 중 바이러스를 포함한 단백성분을 결합하여 원심분리 후 침전물을 완충액으로 재부유시켜 농축시키는 방법이다. 또한 ^{Lee et al. (2023)}은 4가지 신속검출기술을 검토한 결과, 조사된 기술은 목적물질의 특정인식요소에 대한 생화학적 친화성이나 반응기작을 통해 분석, 검출, 정량하는 접근에 기반하는 것으로 확인되었다. 즉, 복잡한 하수 샘플에서 목적물질을 빠르게 검출하기 위해서는 대상물질의 선택적 추출, 배경물질이나 환경변화를 고려한 다중 스캔, 샘플의 전처리가 필수적으로 필요하며, 중첩된 정보를 배제할 수 있는 전문적인 해석 기술이 필요함을 시사하였다.

3.2 WBE를 활용하기 위한 공공하수처리시설의 개선 방향

3.2.1 현재 우리나라 감염병 역학조사

우리나라의 감염병 감시체계 및 역학조사는 의료기관 신고에 기반하고 있다(Fig. 8). 질병관리청으로 보고 또는 신고되는 법정 감염병은 치명률, 전파성 등을 고려하여 4개 등급으로 구분하고 있으며 COVID-19는 제2급 감염병으로서 발생 또는 유행 시 24시간 이내에 신고 및 격리가 필요한 감염병으로 구분되고 있다. 따라서 의료기관에서 COVID-19를 환자를 대상으로 확진 여부를 확인하고 이를 중앙정부가 이를 인식하기까지 공백이 발생하게 된다. 확진자가 기하급수적으로 증가하는 경우 방역 대책을 마련하는데 치명적인 요인으로 작용할 수 있다. 기존 감염병 감시체계의 한계점을 개선하기 위해 WBE가 도입될 수 있으며, 질병관리청에서는 지역사회에서 발생하는 감염병의 조기인지를 위해 세종특별자치시에 시범적으로 WBE를 도입하고, 이를 전국으로 확대할 예정에 이라고 발표하였다.

Fig. 8. The infectious disease surveillance system in South Korea.

실제로 세종시를 대상으로 WBE를 활용한 COVID-19 역학조사가 가능함을 실험을 통해서 증명했으며, 현재 17개 지자체 보건환경연구원, 학계와 질병관리청이 협업하여 국가 감시체계를 구축하기 위한 시범 사업을 진행 중이다. 시범 사업을 통해 WBE 기술 고도화 및 WBE의 제도화를 위한 방안 마련 등의 연구가 점진적으로 진행될 것으로 예상된다.

3.2.2 공공하수처리시설 현황 및 WBE 도입을 위한 개선사항

감염병 감시체계로서 새롭게 주목받고 있는 WBE를 우리나라에 적용하기에 앞서 우리나라에 구축된 하수도 관련 인프라에 대해서 확인할 필요가 있다. 이를 위해 2020년 하수도 통계를 활용하였다. 그 결과, 우리나라 전국 하수도 보급률은 지역적으로는 차이를 보이고 있지만 평균 95.5%로 높게 조사되었다(Fig. 9a). 서울시는 하수도 보급률이 100%로 조사되었는데, 이는 곧 서울에 거주하고 있는 전체 지역주민에 의해 발생하는 하수가 하수관거를 통해 차집되고 있다는 것을 의미한다. Fig. 9b에서는 처리용량에 상관없이 시설 위치가 파악되는 4,209개 공공하수처리시설의 위치를 나타내었다. 이를 통해 감염병 감시체계에 있어 WBE를 도입하기 위한 기본적인 하수도 인프라는 충분히 갖추어져 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 9. Sewerage status.

그에 반해 감염병 등을 감시하기 위한 모니터링에 대한 부분에 대해서 추가적인 연구 및 지원이 필요하다. 첫째, WBE를 위한 모니터링 항목의 도출이 필요하다. 기존 공공하수처리시설에서는 시설의 성능평가 및 방류수 수질기준을 맞추기 위해 필요한 항목에 대해서 모니터링이 수행되고 있다. 경기도의 A시는 총 4개의 공공하수처리시설이 운영되고 있으며, 제공되고 있는 수질 항목은 시설로의 유입량, 방류량, pH, BOD, COD, TOC, SS, TN, TP, 총대장균군수가 일별로 측정되어 제공되고 있는데, 해당 항목으로는 감염병이나 마약류 등과 같은 특정 물질에 대한 감시체계를 구축하기에는 한계가 존재한다. 따라서 WBE를 위해서는 감시 및 검출을 목표로 하고자 하는 모니터링 항목을 도출하고 검출하기 위한 기법 연구가 필요하다. 둘째, 모니터링 지점의 최적 위치 선정이 필요하다. 서울은 하수도 보급률이 100%인데 반해 공공하수처리시설이 4개가 존재한다. 다시 말해 단일 공공하수처리시설이 관리하는 배수구역의 인구밀도가 높다는 것을 의미한다. 공간적인 관점에서 WBE를 도입하기에는 적절하지 않은 구조이기 때문에 모니터링 지점을 확대가 필요하다. 맨홀이 대표적으로 도심지 내에서 하수를 모니터링할 수 있는 장소이나 서울시 맨홀의 개수는 총 276,923개로 파악되는데(2020년 하수도 통계), 그중에서 유효한 데이터를 획득할 수 있는 맨홀을 선정하는 것이 중요하다.