Nanotechnology is the applied science which develops new materials and systems sized within 1 to 100 nanometer, and improves their physical, chemical, and biological characteristics by manipulating on an atomic and molecular scale. This nanotechnology has been applied to wide spectrum of industries ...
Nanotechnology is the applied science which develops new materials and systems sized within 1 to 100 nanometer, and improves their physical, chemical, and biological characteristics by manipulating on an atomic and molecular scale. This nanotechnology has been applied to wide spectrum of industries resulting in production of various nanoparticles. It is expected that more nanoparticles will be generated and enter to natural water bodies, imposing great threat to potable water resources. However their toxicity and treatment options have not been throughly investigated, despite the significant growth of nanotechnology-based industries. The objective of this study is to provide fundamental information for the management of nanoparticles in water supply systems through extensive literature survey. More specifically, two types of nanoparticles are selected to be a potential problem for drinking water treatment. They are carbon nanoparticles such as carbon nanotube and fullerene, and metal nanoparticles including silver, gold, silica and titanium oxide. In this study, basic characteristics and toxicity of these nanoparticles were first investigated systematically. Their monitoring techniques and treatment efficiencies in conventional water treatment plants were also studied to examine our capability to mitigate the risk associated with nanoparticles. This study suggests that the technologies monitoring nanopartilces need to be greatly improved in water supply systems, and more advanced water treatment processes should be adopted for better control of these nanoparticles.
Nanotechnology is the applied science which develops new materials and systems sized within 1 to 100 nanometer, and improves their physical, chemical, and biological characteristics by manipulating on an atomic and molecular scale. This nanotechnology has been applied to wide spectrum of industries resulting in production of various nanoparticles. It is expected that more nanoparticles will be generated and enter to natural water bodies, imposing great threat to potable water resources. However their toxicity and treatment options have not been throughly investigated, despite the significant growth of nanotechnology-based industries. The objective of this study is to provide fundamental information for the management of nanoparticles in water supply systems through extensive literature survey. More specifically, two types of nanoparticles are selected to be a potential problem for drinking water treatment. They are carbon nanoparticles such as carbon nanotube and fullerene, and metal nanoparticles including silver, gold, silica and titanium oxide. In this study, basic characteristics and toxicity of these nanoparticles were first investigated systematically. Their monitoring techniques and treatment efficiencies in conventional water treatment plants were also studied to examine our capability to mitigate the risk associated with nanoparticles. This study suggests that the technologies monitoring nanopartilces need to be greatly improved in water supply systems, and more advanced water treatment processes should be adopted for better control of these nanoparticles.
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문제 정의
따라서 최근 선진국을 중심으로 나노입자의 환경 및 인체에 대한 유해성에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 글에서는 현재까지 보고된 물질별 나노입자의 독성과 독성을 평가하는 방법을 정리하였다.
본 연구에서는 수돗물에서 문제가 될 가능성이 높은 나노입자를 대상으로 그들의 위해성 및 정수처리에 대한 문헌 조사를 수행하여, 향후 환경관련 연구기관 혹은 정수장 등에서 나노입자의 관리를 위한 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위하여 탄소계 나노입자로는 탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube, CNT) 와 플러렌 (Fullerene), 금속계 나노입자로는 은나노와 금나노, 그리고 산화 금속 입자인 이산화 티타늄 (Titanium dioxide, TiG) 나노입자를 연구대상으로 선정하였다.
일부 나노물질에 대해서는 처리성능이 일부나마 밝혀져 있으나, 아직 많은 나노물질의 처리성능을 거의 밝혀져 있지 않다. 이 조사에서는 처리방법이 일부 알려진 카본나노물질과 금속류 나노물질에 대한 처리성 및 영향인자를 중심으로 조사하였다. 상수처리공정에서 원수에서 나노입자의 처리에 영향을 미치는 인자는 나노입자가 수중에서 표면전하 및 친수성/소수성 특성에 의한 콜로이드적 안정성, 나노입자 및 응집체의 크기, 유입되는 나노입자의 농도, 용존유기물의 영향, 타 이온의 농도, pH 등이 있다.
가설 설정
두 번째, 화학적 반응성과 전기전도도가 높아지며, 입자의 크기와 형태에 따라 물리, 화학, 광학적 특성이 민감하게 변화한다. 세 번째, 같은 나노입자임에도 그 형태에 따라 위해성에 차이를 보인다. 나노입자의 위해성에 관한 연구결과를 살펴본 결과, 같은 물질로 이루어진 나노입자인데 그 크기와 형태에 따라 위해성 영향의 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
하였다. 이를 위하여 탄소계 나노입자로는 탄소나노튜브 (Carbon Nano Tube, CNT) 와 플러렌 (Fullerene), 금속계 나노입자로는 은나노와 금나노, 그리고 산화 금속 입자인 이산화 티타늄 (Titanium dioxide, TiG) 나노입자를 연구대상으로 선정하였다.
이론/모형
노란색 Tetrazolium salt MTT 는 살아있는 세포의 미토콘드리아의 Reductase 에 의해 환원되어 물에 녹지 않는 Formazan 크리스탈로환원된다. 환원된 크리스탈의 양은 DMSO 에 녹여 분광학적 방법으로 측정하여 세포의 성장 정도를 평가한다. MTT 의 변형물질인 XTT 또한 많이 이용되고 있는데, 물에 녹아 크리스탈 용해단계를 생략할 수 있어 간편하나 배경 값이 높고 값이 비싸다는 단점이 있다(Suh et al.
성능/효과
7 〃m 이하 크기의 나노입자가 대부분을 차지하였다. TiO2 나노입자의 처리효율을 보면, 1차 처리에 의한 제거율은 50~60%, 2차 처리에 의한 제거율은 60~85%로 나타나서, 전체적인 평균 제거율은 80%이었다. 이때, TiO2 나노입자의 상당량이 부유고형물에 결합되어 제거되는 것으로 분석되었다.
, 2005). 그러나 세포의 미세구조를 살펴보았을 때, 플러렌은 세포막을 따라 응집되고, 리소좀, 세포질, 핵막 및 핵 내에서 축척되는 것이 확인되었다. 반면, 인간 피부 섬유아세포(Human Dermal Fibroblast) 와 간 종양세포(Liver Carcinoma cell)에서는 플러렌이 48시간 노출 후에 농도 의존적 독성을 나타낸다고 보고되었다(Sayes et al.
세 번째, 같은 나노입자임에도 그 형태에 따라 위해성에 차이를 보인다. 나노입자의 위해성에 관한 연구결과를 살펴본 결과, 같은 물질로 이루어진 나노입자인데 그 크기와 형태에 따라 위해성 영향의 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 가늘고 긴 형태의 다중층 탄소나노튜브가 기관지를 통해 폐에 유입될 경우, 세포사이에 파고들어서 배출이 되지 않고 발암성을 띄게 된다는 연구결과가 있었다(Poland et al.
다중벽 탄소나노튜브 또한 다양한 세포에 대해 독성을 나타내는 것이 확인되었다. Monterio -Riviere 등의 논문에서는 다중벽 탄소나노튜브가 세포질과 핵 근처에서 관찰되어 세포막이나 세포 내부에 부착하여 독성을 띌 수 있다고 보고하고 있는데 (Monterio-Riviere et al.
, 2005). 단일 벽 탄소나노튜브에서는 표면 기능화가 독성 감소 효과를 나타냈지만 다중벽 탄소나노 튜브에서는 반대로 독성 증가 효과가 나타났다. Bottini 등은 소수성 표면을 가지는 다중 벽 탄소나노튜브와 수산기나 카르복실기와 같은 친수성 작용기를 코팅한 다중벽 탄소나노튜브의 독성을 비교하였는데, 친수성기로 코팅한 다중벽 탄소나노튜브에서 더 높은 독성을 띠는 것이 관찰되었다(Bottini et al.
, 2008). 단일벽 탄소나노튜브가 다중벽탄소나노튜브 보다 더 높은 독성을 나타내는 것을 관찰하였다.
첫 번째, 물질의 작은 나노크기로 인해 표면적과 집적도가 높아진다. 두 번째, 화학적 반응성과 전기전도도가 높아지며, 입자의 크기와 형태에 따라 물리, 화학, 광학적 특성이 민감하게 변화한다. 세 번째, 같은 나노입자임에도 그 형태에 따라 위해성에 차이를 보인다.
, 2005). 또한, 포도당과 시스테인을 코팅한 경우 독성 저감 효과가 비교적 덜 나타났으며, 금나노 입자는 매우 빠른 속도로 세포 내로 흡입됨을 확인하였다. Shukla 등은 흡입된 금나노 입자가 리소좀에 존재하고 시간이 흐름에 따라 핵쪽으로 이동하지만 핵 안으로 들어가지는 못하는 것을 확인하였다(Shukla et al.
본 방법 역시 유도결합 플라즈마 분광법처럼 질량추산을 통한 나노입자의 정량분석이 가능하고, 형광현미경 (Fluorescence Microscopy) 을 이용한 이미지화를 통하여 세포 내 나노입자의 분포 특성도 분석 가능하다. 또한, 유세포 분석기(Flow Cytometry)를 이용하여 나노입자가 유입된 세포의 분리 및 계수도 가능하다(Pan et al.
둘째, 실제 정수장에서 나노입자들의 수중 거동현상을 조사하고 응집, 침전, 여과 등 각 공정별 평가 방안을 마련하여야 한다. 셋째, 나노입자의 제거율을향상시키기 위해 첨단 고도처리 공정인 오존, 막여과 공정 등을 적용하여야 한다.
, 2009). 이 연구에서 사용한 하수유입수에서는 0.1 ~ 3 mg/L 의 Ti가 검출되었으며 0.7 〃m 이하 크기의 나노입자가 대부분을 차지하였다. TiO2 나노입자의 처리효율을 보면, 1차 처리에 의한 제거율은 50~60%, 2차 처리에 의한 제거율은 60~85%로 나타나서, 전체적인 평균 제거율은 80%이었다.
특정 활성 산소종과 반응하는 소모제 (Scavenger)를 사용한 연구를 통하여 플러 렌이 미생물 외부에는 활성 산소종을 생성시키지 않는 것을 확인하였다. 전기화학적 방법으로 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential., ORP)를 측정한 결과, 플러 렌은 다른 산화제들과 마찬가지로 ‘+’ 값을 나타내어 산화력을 가지는 것으로 확인되었다. 또한, 미생물에서도 플러렌의 표면화학에 따라 다른 독성 영향을 나타내었고(Lee et al.
나노입자는 다음과 같은 특성을 갖고 있다. 첫 번째, 물질의 작은 나노크기로 인해 표면적과 집적도가 높아진다. 두 번째, 화학적 반응성과 전기전도도가 높아지며, 입자의 크기와 형태에 따라 물리, 화학, 광학적 특성이 민감하게 변화한다.
, 2008). 특정 활성 산소종과 반응하는 소모제 (Scavenger)를 사용한 연구를 통하여 플러 렌이 미생물 외부에는 활성 산소종을 생성시키지 않는 것을 확인하였다. 전기화학적 방법으로 산화환원전위(Oxidation-Reduction Potential.
후속연구
물론 이들 나노입자는 자연계에 존재하는 물질도 포함되어 있으며 위해성에 대한 분석도 진행된 바 없기 때문에, 반드시 수돗물의 수질에 악영향을 미친다고 단정할 수는 없다. 그러나 이에 대한 추가적인 연구가 계속 필요할 것으로 사료된다.
첫째, 취수원의 원수나 정수, 수돗물 중에 극미량의 농도로 존재할 수 있는 나노입자의 거동을 모니터링 할 수 있도록 분석 역량을 강화해야 한다. 둘째, 실제 정수장에서 나노입자들의 수중 거동현상을 조사하고 응집, 침전, 여과 등 각 공정별 평가 방안을 마련하여야 한다. 셋째, 나노입자의 제거율을향상시키기 위해 첨단 고도처리 공정인 오존, 막여과 공정 등을 적용하여야 한다.
현재 연구자들이 개별적 나노입자를 분석할 수 있는 방법을 독립적으로 개발하고 있는데, 통일된 분석방법이 필요하다. 또한 원수에는 나노입자가 개별적으로 존재하기 보다는 혼합한 형태로 존재할 가능성이 높으므로, 여러 종류의 나노입자를 동시에 분석할 수 있는 방법의 개발도 필요하다. 그리고 수돗물에 존재할 수 있는 나노입자의 목표농도를 정하기 위해서는 독성자료가 우선적으로 취합되어야 한다.
, 2006). 이러한 상반되는 결과는 실험 대상세포가 다른 것에 기인했을 가능성도 있지만, 정확한 메커니즘을 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.
및 처리 방안에 대해 다음과 같이 제언한다. 첫째, 취수원의 원수나 정수, 수돗물 중에 극미량의 농도로 존재할 수 있는 나노입자의 거동을 모니터링 할 수 있도록 분석 역량을 강화해야 한다. 둘째, 실제 정수장에서 나노입자들의 수중 거동현상을 조사하고 응집, 침전, 여과 등 각 공정별 평가 방안을 마련하여야 한다.
한편 기존의 응집공정에서 잘 제거되지 않는 나노입자를 제거하기 위한 방법으로 전기적인 방법을 결합한 응집공정이 적용된 연구사례가 있다(Zhang et al., 2008) 아직까지이러한 방법은 널리 실용화되지는 못하고 있으나, 정수처리에서 나노물질에 의한 오염이 향후 중요한 문제로 인식된다면 보다 많은 연구개발이 진행될 것으로 예상된다.
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