생분해성 시험 방법과 난분해성 물질 구분 기준 완벽 정리

이 글의 목적은 수질오염 관리와 화학물질 환경위해 평가에서 핵심이 되는 생분해성·난분해성 구분 시험 방법을 체계적으로 정리하고, OECD 301·302·303 시험과 국내 수질 분석지표를 연계하여 실무자가 시험 전략을 설계할 수 있도록 돕는 것이다.

1. 생분해성·난분해성의 기본 개념

생분해성(biodegradable)이란 수계나 토양 등 환경 중에서 미생물의 대사작용에 의해 물질이 이산화탄소(CO₂), 물(H₂O), 질산염, 황산염 등 무기물 또는 단순한 저분자 물질로 분해되는 성질을 말한다.

난분해성(poorly biodegradable 또는 persistent)은 통상적인 환경 조건에서 미생물이 분해하기 어렵거나 분해 속도가 매우 느려 환경 중에서 장기간 잔류하는 성질을 말한다.

1.1 1차 생분해와 최종 생분해

1차 생분해(primary biodegradation) : 분자 구조의 일부가 변형되어 원래의 물질과 다른 물질로 전환되지만, 아직 완전한 무기화(mineralization)에 이르지 않은 상태를 말한다.
최종 생분해(ultimate biodegradation) : 유기탄소가 대부분 CO₂, CH₄(무산소 조건), 세포물질 등으로 전환되어 유기물의 탄소골격이 사실상 사라진 상태를 의미한다.

국제 시험지침에서는 일반적으로 최종 생분해율을 기준으로 생분해성·난분해성을 평가한다.

1.2 수질 지표와 생분해성의 관계

수질분석에서는 생분해성 유기물과 난분해성 유기물을 직접 나누어 측정하기보다는, 생물학적 산소요구량(BOD)과 화학적 산소요구량(COD), 총유기탄소(TOC), 용존유기탄소(DOC) 등의 지표를 통해 간접적으로 해석한다.

지표	의미	생분해성 관련 해석
BOD₅	5일간 미생물이 소비한 산소량	주로 생분해 가능한 유기물량을 반영하는 지표이다.
COD (COD_Mn, COD_Cr 등)	화학적 산화에 필요한 산소량	생분해성 + 난분해성 유기물을 모두 포함한 총 유기물 부하를 반영한다.
TOC	총유기탄소 농도	유기물 전체 량을 탄소 기준으로 표현한 값으로, 시험에서 분해율(%) 산정에 자주 사용한다.
DOC	용존 상태 유기탄소	OECD 301A, 302계열 등에서 분해율 산정에 직접 사용한다.

주의 : BOD, COD, TOC 값만으로 특정 물질 하나의 생분해성을 단정하는 것은 위험하며, 반드시 표준화된 생분해성 시험 결과와 함께 해석해야 한다.

2. 생분해성·난분해성 구분이 중요한 이유

환경규제 대응 : 난분해성·잔류성 유기물은 수계와 퇴적층에 축적되어 생태계에 장기적인 위해를 일으킬 수 있으므로, 허가·신고, 배출기준 설정, 물질등록에서 중요한 판단 기준이 된다.
폐수처리 공정 설계 : 생물학적 처리 공정을 설계·운영할 때 기질이 잘 분해되는지, 별도의 고도처리(활성탄, 산화공정, 막분리 등)가 필요한지 여부를 결정하는 핵심 정보이다.
제품 친환경성 평가 : 세제, 세정제, 첨가제 등은 생분해성 시험 결과를 통해 “환경친화적” 여부를 입증하며, 인증제도나 고객 요구사항 대응에 활용한다.
장기 위해성 평가 : 난분해성 물질은 생물농축, 지하수 오염, 퇴적물 축적 등 장기적인 위해 평가의 출발점이 된다.

3. 국제 표준 생분해성 시험법 개요

국제적으로 가장 널리 사용되는 생분해성 시험법은 경제협력개발기구(OECD)가 제정한 시험지침이다. 특히 OECD 301(Ready biodegradability), 302(Inherent biodegradability), 303(Simulation test)가 실무에서 핵심적으로 사용된다.

3.1 OECD 301 : Ready Biodegradability 시험

OECD 301 시리즈는 비교적 엄격한 조건에서 물질의 “준비 생분해성(ready biodegradability)” 여부를 평가하는 단기 스크리닝 시험이다. 일반적으로 28일 동안 시험을 수행하며, 이 기간 동안 일정 수준 이상의 최종 생분해율을 달성해야 “생분해성이 좋다”고 판정한다.

시험 코드	시험 명칭(요약)	주요 측정지표
301A	DOC Die-Away 시험	DOC 감소율
301B	CO₂ Evolution (Modified Sturm)	방출된 CO₂량
301C	MITI(I) 시험	BOD, DOC 등
301D	Closed Bottle 시험	BOD 증가율
301E	Modified OECD Screening	DOC 감소율
301F	Manometric Respirometry 시험	산소 소비량

일반적인 판정 기준은 다음과 같다.

28일 이내에 이론적 산소요구량(ThOD) 또는 이론적 CO₂ 발생량(ThCO₂)의 60% 이상을 달성해야 한다.
또한 시험 시작 후 분해가 본격적으로 진행되는 시점부터 10일 이내(10-day window)에 위의 기준을 충족해야 하는 조건을 부가하기도 한다.

<예시> 분해율(%) 계산 기본식 1) DOC 기반 분해율(%) = (DOC₀ - DOCₜ) / DOC₀ × 100 2) CO₂ 기반 분해율(%) = 누적 CO₂(시험구 - 공시험) / 이론적 CO₂ × 100 3) BOD 기반 분해율(%) = 누적 BOD(시험구 - 공시험) / ThOD × 100

주의 : 시험에 사용되는 접종원(하수처리장 활성슬러지 등)은 충분한 미생물 다양성을 확보해야 하며, 슬러지 농도, 사전순응 여부를 명확히 기록해야 한다.

3.2 OECD 302 : Inherent Biodegradability 시험

OECD 302 시험은 301 시험보다 완화된 조건에서 “잠재적 생분해능(inherent biodegradability)”을 평가한다. 미생물 농도를 높이고, 시험기간을 연장하여 물질이 시간이 충분히 주어졌을 때 분해 가능한지 확인하는 목적이다.

302A Modified SCAS 시험 : 반연속 활성슬러지 공정 모사, 반복적인 폭기와 상등액 제거를 통해 분해경향을 평가한다.
302B Zahn-Wellens/EMPA 시험 : DOC 또는 COD 감소율을 통해 분해율을 평가하며, 많은 실무 시험에서 표준으로 사용된다.
302C Modified MITI(II) 시험 : BOD 및 잔류물질 분석을 통해 잠재적 생분해성을 평가한다.

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대표적인 해석 기준은 다음과 같다.

DOC 기준 분해율이 20% 이상이면 “잠재적 생분해능 존재”로 간주할 수 있다.
DOC 기준 분해율이 70% 이상이면 최종 생분해에 상당하는 수준으로 본다.

주의 : 301에서 불합격한 물질이라도 302에서 높은 분해율을 보인다면, “준비 생분해성은 아니지만 충분한 시간과 적절한 조건에서는 분해 가능”하다는 의미가 되므로 규제·공정 설계 시 차별화하여 해석해야 한다.

3.3 OECD 303 : 하수처리 모사(Simulation) 시험

OECD 303 시험은 실제 활성슬러지 공정을 소규모로 모사하여, 하수처리장에서의 제거율과 생분해성을 평가하는 시험이다. 연속 운전되는 활성슬러지 유닛 또는 생물막 유닛에 시험물질을 주입하여 유출수에서의 농도 감소, DOC, COD, 특정 분석항목의 제거율을 측정한다.

일반적으로 수평균 체류시간(HRT)은 약 6시간, 슬러지 체류시간(SRT)은 6~10일 정도로 설정한다.
시험은 최소 수 주 이상 연속으로 운전하여 안정상태(steady state)를 확보한 후 제거율을 평가한다.
난분해성 물질의 경우, DOC 제거는 낮지만 슬러지 흡착, 스트리핑 등 다른 제거 메커니즘을 파악하는 데도 도움이 된다.

4. BOD·COD를 활용한 난분해성 유기물 해석

실무에서는 모든 물질에 대해 OECD 시험을 수행하기 어렵기 때문에, 방류수나 공공수역의 수질자료(BOD, COD)를 통해 생분해성·난분해성 유기물의 경향을 파악한다.

4.1 BOD와 COD의 관계

BOD는 생물학적 분해가 가능한 유기물량 중심의 지표이다.
COD는 강한 화학적 산화제를 사용하므로, 생분해성 + 난분해성 유기물을 모두 산화하여 총량을 나타낸다.
따라서 COD 값이 BOD에 비해 상대적으로 크면, 난분해성 유기물이 많이 포함되어 있다고 해석할 수 있다.

COD/BOD 비	환경수 예시 범위	해석(참고용)
< 2	생활하수, 일부 식품공장 폐수	대부분이 생분해성 유기물로 구성된 경우가 많다.
2 ~ 3	일반 산업폐수	생분해성 + 난분해성 유기물이 혼재된 상태로 해석한다.
> 3 ~ 4 이상	유기용제, 난분해성 유기물 다량 포함 폐수	난분해성 또는 비생물학적 분해성 유기물이 상당량 포함된 것으로 볼 수 있다.

주의 : 위 COD/BOD 기준은 경험적 참고지표일 뿐, 법적 또는 국제적 공식 기준은 아니므로 설계·규제 판단 시에는 반드시 개별 물질 또는 혼합물에 대한 생분해성 시험 결과를 병행해야 한다.

5. 생분해성 시험 설계 절차

실무에서 생분해성·난분해성 구분 시험을 계획할 때는 다음과 같은 순서로 접근하는 것이 효율적이다.

5.1 단계 1 – 물질 특성 파악

분자식, 분자량, 구조, 작용기, logK_ow, 수용해도, 증기압 등 기본 물성 확인
수계에서의 이온화 여부(pK_a), 흡착 가능성, 독성 정보 확인
유사 구조 물질의 생분해성 데이터(문헌, 데이터베이스) 조사

5.2 단계 2 – 시험법 선택 전략

규제·인증에서 ready biodegradability 요구 시 → OECD 301 또는 이에 상응하는 시험 선택
기본적인 분해 가능성 파악이 목적일 때 → OECD 302(특히 302B) 고려
하수처리장에서 실제 제거율 평가가 핵심일 때 → OECD 303 사용
시험 비용·기간·시료 특성(휘발성, 난용해성 등)을 종합적으로 고려하여 결정한다.

5.3 단계 3 – 시료 및 접종원 준비

시료는 가능한 한 용해된 상태로 시험에 투입하되, 난용해성 물질은 보조용매(예: 소량의 유기용제)나 분산제를 사용한다.
보조용매 사용 시 공시험(blank)에도 동일 농도로 투입하여 배경 영향을 제거한다.
접종원은 하수처리장 활성슬러지, 하천수, 토양 슬러리 등 시험 목적에 맞게 선정한다.
슬러지 농도, 미생물 활성, 사전순응(pre-adaptation) 여부를 명확히 기록한다.

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5.4 단계 4 – 시험 조건 설정

온도 : 통상 20 ± 2 ℃ 범위에서 유지한다.
pH : 일반적으로 7.0 ± 0.5, 필요에 따라 완충용액 사용
용존산소(DO) : 호기성 조건 유지(> 2 mg/L 이상 권장)
시험기간 : ready 시험은 28일, inherent·simulation 시험은 수 주 이상 설정

5.5 단계 5 – 분석 및 분해율 계산

DOC, TOC, BOD, CO₂, 특정 분석법(HPLC, GC-MS 등)을 활용한다.
공시험, 독성대조구, 양성대조구(참고물질)를 반드시 포함한다.
시간에 따른 분해율 곡선을 작성하여 lag phase, log phase, plateau를 평가한다.

<예시> 시간 경과에 따른 분해율 데이터 처리 절차(개요) 1) t = 0, 3, 7, 14, 21, 28일에서 DOC, CO₂ 또는 BOD 측정 2) 각 시점별 분해율(%) 계산 3) 분해율-시간 그래프 작성 4) 10-day window 판정 (준비 생분해성 시험일 경우) 5) 최종 분해율, lag time, t₁/₂(반감기) 추정

6. OECD 301 시험 실무 포인트

6.1 독성·용해도 이슈 관리

시험물질이 미생물에 독성을 가질 경우, 낮은 농도로 여러 농도구를 설정하여 독성 영향과 생분해성을 구분해야 한다.
휘발성이 높은 물질은 밀폐계 시험법(예: 301D, 301F)을 우선 고려한다.
난용해성 물질은 실질적인 수상 농도가 매우 낮을 수 있으므로, 이론적 농도와 실제 용해 농도를 모두 기술해야 한다.

산업안전보건 시행규칙 개정령안, 조문별 제개정이유 분석 및 적용 방안 →

주의 : 독성이 강한 물질을 높은 농도로 투입하면 미생물이 사멸하여 분해율이 0%로 나타날 수 있다. 이 경우 “난분해성”이라기보다는 “시험 조건에서 독성 영향으로 분해가 관찰되지 않음”으로 해석해야 하며, 농도 조정 또는 독성 제어시험이 필요하다.

6.2 대조구 및 품질관리(QA/QC)

공시험(blank) : 접종원과 배지만 포함하여 시스템의 기본 산소소비·CO₂ 발생을 평가한다.
양성대조구(reference) : 잘 알려진 생분해성 물질(예: 아세트산나트륨, 아니스알데하이드 등)을 사용하여 미생물 활성과 시험의 유효성을 검증한다.
독성대조구(toxicity control) : 시험물질 + 양성대조물질을 함께 넣어 시험물질의 독성 여부를 확인한다.
양성대조구는 일반적으로 14일 이내에 60% 이상 분해율을 보여야 시험이 유효한 것으로 판단한다.

7. 난분해성 판단과 후속 전략

7.1 시험 결과에 따른 분류 예시

실무에서 자주 사용하는 분류 흐름은 다음과 같다.

1단계: OECD 301 (ready) 시험 - 28일 이내 분해율 ≥ 60% (& 10-day window 충족) → "준비 생분해성" - 그 외 → 2단계로 이동 2단계: OECD 302 (inherent) 시험 - DOC 기준 분해율 ≥ 70% → "잠재적 생분해능 높음" - 20% ≤ 분해율 < 70% → "일정 수준 생분해 가능" - 분해율 < 20% → 3단계 또는 난분해성 의심 3단계: OECD 303 (simulation) 또는 장기 시뮬레이션 시험 - 실제 하수처리 공정에서 의미 있는 제거율 확보 시 → "처리공정에서 상당 부분 제거 가능"으로 평가 - 제거율이 매우 낮고 잔류 시간이 길 경우 → "난분해성·잔류성 물질"로 분류

주의 : “난분해성” 판정은 단일 시험 결과만으로 확정하기보다, 여러 시험(301, 302, 303), 문헌자료, 구조-활성 상관(Q)SAR 분석 등을 종합하여 신중히 내리는 것이 바람직하다.

7.2 난분해성 물질에 대한 대응방안

물질 대체 : 가능하다면 분해성이 더 좋은 대체물질 선정
공정 개선 : 반응조건 조정, 폐수 전처리(가수분해, 산·알칼리 분해 등)를 통해 생분해성을 높이는 방안 검토
고도처리 도입 : 오존, 고도산화공정(AOP), 활성탄 흡착, 막여과 등 비생물학적 처리 적용
저감계획 수립 : 배출량 관리, 원단위 개선, 누출·유출 방지대책 강화

8. 생분해성 시험 결과의 보고서 작성 포인트

규제기관 제출용 또는 내부 기술자료용 보고서를 작성할 때 다음 항목을 필수로 포함하는 것이 좋다.

8.1 시험 개요

시험 목적(규제 대응, 제품평가, 공정설계 등)
시험지침(OECD 코드, 기타 국제·국내 기준)
시험기관, 시험기간, 시험 책임자 등 기본 정보

8.2 시험물질 및 접종원 정보

시험물질명, CAS 번호, 순도, 제조사
물성자료(수용해도, logK_ow, pK_a 등)
접종원 종류, 채취 위치, 전처리 방법, MLSS 농도 등

8.3 시험조건 및 분석방법

시험 농도, 배양조건(온도, pH, 교반, 조도)
사용한 분석법(DOC, TOC, BOD, CO₂, 특수 분석법 등)
기기, 검량선, 검출한계, 정확도·정밀도 등 정도관리(QC) 내용

8.4 결과 및 해석

시간-분해율 곡선, 최종 분해율(%), lag time, 10-day window 충족 여부
공시험, 양성대조구, 독성대조구 결과 및 유효성 판단
생분해성·난분해성 분류 결과와 규제·공정 설계에 대한 시사점

9. 생분해성·난분해성 구분 사례(가상 예시)

물질	시험유형	28일 분해율(%)	COD/BOD(폐수 기준)	해석
물질 A	OECD 301B	78%	1.8	준비 생분해성. 일반 생물학적 처리로도 충분히 제거 가능하다.
물질 B	OECD 301D, 302B	301D: 35%, 302B: 80%	2.5	준비 생분해성은 아니지만 잠재적 생분해능이 높아 적절한 조건에서 분해 가능하다.
물질 C	OECD 301F, 302B, 303A	301F: 5%, 302B: 12%, 303A 제거율: 15%	4.1	여러 시험에서 분해율이 낮고, COD/BOD 비도 높아 난분해성·잔류성 물질로 분류하는 것이 타당하다.

주의 : 위 표는 이해를 돕기 위한 가상 예시이다. 실제 물질에 대한 분류는 공인 시험결과와 규제기관 가이드라인을 근거로 별도 검토해야 한다.

FAQ

Q1. 생분해성 시험은 반드시 OECD 301 시험으로만 해야 하나?

반드시 그렇지는 않다. 규제나 인증에서 OECD 301 또는 동등 시험을 지정하는 경우에는 해당 시험을 따라야 하지만, 공정설계나 내부 평가 목적이라면 OECD 302나 303 시험을 우선 적용하는 것도 가능하다. 중요한 것은 시험 목적(스크리닝, 잠재적 분해능 평가, 실제 하수처리 모사 등)에 맞는 시험을 선택하고, 시험지침과 조건을 보고서에 명확히 기술하는 것이다.

Q2. BOD와 COD 값만으로 생분해성·난분해성을 구분할 수 있나?

BOD와 COD의 상대적인 크기를 통해 생분해성·난분해성 유기물의 비율을 추정할 수는 있지만, 특정 물질 하나의 생분해성 여부를 단정할 수는 없다. COD/BOD 비가 높으면 난분해성 유기물이 많이 포함되었다고 판단할 수 있으나, 정확한 분류를 위해서는 OECD 생분해성 시험 또는 동등한 실험자료가 필요하다.

Q3. 시험물질이 미생물에 독성이 강한 경우 어떻게 해야 하나?

우선 낮은 농도에서 시험을 수행하여 독성 영향을 최소화하고, 독성대조구를 포함하여 독성 여부를 확인해야 한다. 필요하다면 접종량을 조정하거나, 독성 완화 전처리(중화, 희석 등)를 통해 생분해성 자체를 평가할 수 있는 조건을 찾아야 한다. 독성으로 인해 분해가 관찰되지 않는 경우를 단순히 “난분해성”으로 판단해서는 안 된다.

Q4. 고형제품·혼합물도 생분해성 시험이 가능한가?

가능하다. 다만 고형제품은 실제 사용 조건에서 용출되는 부분을 모사하여 시험용 액상 시료를 만드는 절차가 필요하다. 혼합물의 경우 주요 유효성분별 생분해성을 별도로 평가할 수도 있고, 혼합물 자체에 대해 총 DOC·TOC 기반으로 시험할 수도 있다. 시험 설계 시 실제 환경에 노출되는 형태와 농도를 최대한 반영하는 것이 중요하다.

Q5. 생분해성 시험기관을 선택할 때 어떤 점을 확인해야 하나?

우선 OECD 301·302·303 등 필요한 시험지침에 대한 시험 경험과 인증 여부를 확인해야 한다. 또한 정도관리(QA/QC) 체계, 분석기기 보유 현황, 접종원 관리 수준, 보고서 포맷과 데이터 제공 방식 등을 종합적으로 검토하는 것이 좋다. 규제 제출용 자료라면 GLP 인증 여부도 중요한 선택 기준이 된다.

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