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문제 정의
- 본 총설에서는 주요 연구그룹들에 의해 보고된 전기장을 이용한 생물막 제어 기술들을 소개하고, 제어기작 및 효과 그리고 실제 생물막 형성 환경에서의 적용 가능성에 대해서 살펴보고자 한다.
- 전도성 입자를 고압으로 표면에 코팅시키는 방법은 전도성 도료의 전도도 및 내구도 문제점들을 개선하기 위해 제안되었다. 이 방법으로 제작한 전극은 수지를 사용하지 않기 때문에 낮은 저항값과 전기화학적 안정성이 확보되고, 공정이 저온에서 이루어지기 때문에 기판의 손상이 적다.
대상 데이터
- 이 실험장치는 일반적인 전기화학셀과 동일하게 양극(anode), 음극(cathode), 그리고 전류공급원으로 구성되어있다. 음극으로는 스테인레스스틸 핀을 양극으로는 고리모양의 백금전극을 사용하였고, 9 V 고출력 전지를 전류 공급원으로 선택하였다. Busscher 그룹은 전기장을 이용한 제어기술의 적용 가능성을 확인하기 위하여 실제 염소의 경골에 장치를 삽입하였다(Fig.
- 8은 Busscher 그룹에서 전기장을 이용한 제어 기술을 동물 체내에 실제로 삽입한 실험 장치와 설계도이다. 이 실험장치는 일반적인 전기화학셀과 동일하게 양극(anode), 음극(cathode), 그리고 전류공급원으로 구성되어있다. 음극으로는 스테인레스스틸 핀을 양극으로는 고리모양의 백금전극을 사용하였고, 9 V 고출력 전지를 전류 공급원으로 선택하였다.
성능/효과
- (b)), 양전류를 인가했을 때는 약 4 µm 반경에서 상대적으로 크고 무질서한 형태의 운동성을 보이는 것을 확인할 수 있다(Fig.
- 4는 양전류 상에서 전단속도에 따른 부착 미생물의 탈착효과를 보여준다.16) 양전류 상에서 유체를 1.11 s-1의 전단속도로 흘렸을 때 초기 부착 수 대비 30%의 미생물이 탈착하였고, 2.22 s-1의 속도에서는 탈착률이 90% 이상까지 촉진되는 결과를 통해 양전류 상에서 미생물의 운동성을 활용한 미생물 부착 제어기술의 가능성을 확인할 수 있다.
- 초기부착단계를 거쳐 군집을 이룬 미생물들은 세포외 고분자 물질(EPS, Extracellular Polymeric Substance)을 분비하여 견고한 생물막을 형성한다.2) 수분이 있는 환경이라면 어떠한 고체표면에서도 쉽게 형성되는 생물막은 산업적, 공중보건적 측면에서 다양한 문제점들을 유발시킬 수 있다. 배․급수관망에서 형성된 생물막은 수인성 질병을 야기시킬 수 있고, 선체나 막(membrane) 표면에 생성되었을 때는 에너지 소비량을 증가시키는 것으로 보고되고 있다.
- 전도성 임플란트는 각각 양전극, 음전극으로 젤라틴 구조물 내에 삽입되었고, 전해질로는 젤라틴 구조물 사이에 존재하는 염분용액이 사용되었다. 2~10 mA 범위의 전류를 인가한 결과, 양극과 음극 모두에서 효과적인 미생물 불활성화 효과를 보였다.24) 하지만 본 연구에 사용된 전류범위는 인체에 적용하기에는 높은 전류세기이므로 기술의 적용 가능성은 추후에 좀더 면밀하게 검토되어야 한다.
- 또한, 정전류(-100 µA) 인가 조건에서 이온 농도가 증가할수록 초기탈착속도와 함께 총 탈착량이 급격하게 감소하는 것으로 나타나, 이온력의 영향이 상당한 것으로 밝혀진 바 있다(Fig.
- 이 방법으로 제작한 전극은 수지를 사용하지 않기 때문에 낮은 저항값과 전기화학적 안정성이 확보되고, 공정이 저온에서 이루어지기 때문에 기판의 손상이 적다. 미생물의 제어에 고압 코팅 전극을 사용한 예로 radio-frequency arc spraying (RFAS)을 이용하여 Ti 입자를 질소가스와 함께 고압으로 고체 표면에 분사하여 코팅한 TiN 전극은 0.8 V 정전압 조건에서 30분 동안 95% 가량의 미생물 불활성화 효과가 보였다. 또한, 해저에 설치한 TiN 전극에 -0.
- 한편, 전도성 도료의 성능은 첨가되는 전도성 물질 종류에 따라서 달라질 수도 있다. 실로콘 수지에 각각 In2O3/Sn, SnO2/Sb, TiO2/SnO2/Sb로 구성된 전도성 물질의 함유비율을 달리 하여 도료를 제조한 결과, 각 물질마다 친수성에 차이가 있기 때문에 함량에 따라 미생물의 초기 부착량에서 차이가 나타났다. TiO2/SnO2/Sb의 경우 세 가지 도료 중에서 미생물 부착제어 효과가 가장 우수하였고, 미생물 초기 부착량이 적게 나타난 이유는 TiO2의 소수성 때문인 것으로 해석되고 있다.
- 이는 미생물의 표면단백질이 직접전자전달(direct electron transfer)을 통해 비가역적으로 산화되는 것으로 해석할 수 있다. 실제로 다양한 세기의 정전압 조건에서 미생물 불활성화 정도를 살펴본 결과, 약 +0.7 V vs. SCE 지점에서 불활성화 효과가 현저하게 증가하였고(Fig. 5(b)), 이와 더불어 +0.
- 반면, 전류를 꾸준히 인가시켜 준 전극 근처의 경골에서는 9부분 중에 8부분이 감염이 일어나지 않았고, 한 부분만이 화농단계까지 발전하였다. 전류를 인가시킨 전극 표면에 존재하는 미생물이 대부분 불활성화되어 있었고, 음전류도 장시간 인가했을 때 양전류처럼 불활성화 효과를 가져오는 것을 확인하였다.37)
- 7은 생물막에 전류와 항생제를 각각 적용했을 때와 함께 처리했을 때 미생물 불활성화 효과를 비교한 결과이다. 전류만 인가하거나 항생제만 처리했을 때는 약 1 log~3 log가 불활성화되는 반면, 항생제와 전류를 함께 처리 했을 때는 6 log 이상까지 불활성화 되는 것을 확인할 수 있다.9)
- 9는 흑연과 카본블랙을 고분자 레진에 섞어서 만든 전도성 도료를 실에 코팅하여 각 시편에 장기간 전압을 인가했을 때와 안 했을 때의 표면 오염 정도를 보여주고 있다. 전압을 인가하지 않은 시편에서는 해양생물에 의한 오염이 상당히 진행된 반면에, 전압을 인가해준 시편 표면에서는 효과적인 방오성능이 확인되었다.21) 이와 같은 방오성능 외에도, 전도성 도료는 특별한 장치 없이 간편하게 도장할 수 있다는 장점이 있다.
- 양전류가 인가된 전극 표면에서의 미생물 부착거동을 동영상으로 관찰한 결과에 따르면, 양전류를 인가하는 동안에는 초기에 부착 미생물의 개체수가 계속적으로 증가하다가 특정 시점부터 부착해있던 모든 미생물이 운동성을 보이면서 전단력에 의해 전극표면으로부터 떨어져 나간다. 하지만 양전류가 끊어짐과 함께 많은 미생물이 전극표면에 순간적으로 부착하게 되고, 최종적으로 부착한 미생물 개체 수가 전류를 인가하지 않은 표면에 부착한 미생물 개체 수와 크게 다르지 않은 것으로 나타났다.33)이와 같은 현상으로 미루어 보아, 비록 양전류 인가를 통해 단기적인 측면에서는 미생물 부착을 효과적으로 억제할 순 없지만, 장기적인 측면에서는 지속적으로 양전류를 인가했을 때 생물막 단계까지 진행되는 것을 막을 수 있을 것으로 예상된다.
후속연구
- 34) del Pozo 등의 연구에 따르면, 미생물 종마다 항균제 종류와 전류에 반응하는 정도가 다르기 때문에 많은 종의 미생물이 섞여있는 복합배양생물막에서는 제어효과가 둔화되는 것으로 보여진다.13) 따라서 실제 환경에서 바이오일렉트릭 효과를 이용한 생물막 제어기술을 적용하기 위해서는 향후 적용 가능성이 보다 검토되어야 할 것이다.
- 2~10 mA 범위의 전류를 인가한 결과, 양극과 음극 모두에서 효과적인 미생물 불활성화 효과를 보였다.24) 하지만 본 연구에 사용된 전류범위는 인체에 적용하기에는 높은 전류세기이므로 기술의 적용 가능성은 추후에 좀더 면밀하게 검토되어야 한다.
- 전기장을 이용한 생물막 제어기술로는 (1) 음전류에서의 정전기적 반발작용을 통한 미생물 부착 제어, (2) 양전류 상에서의 미생물 거동을 이용한 미생물 부착 제어, (3) 직접산화반응에 의한 미생물 불활성화, (4) 바이오일렉트릭 효과에 의한 생물막 불활성화 등의 방법들을 적용할 수 있다. 본 기술은 상수관망, 식품공정, 냉각설비 등에서 발생할 수 있는 생물막 오염 방지 및 생물막으로 인한 부식 억제 등에 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 환경가전제품, 감염 방지용 생체재료에도 적용할 수 있을 것으로 보인다. 현재까지 보고된 전기장을 이용한 생물막 제어 기술은 전도성 표면이라면 어디에나 적용할 수 있는 특징을 가지고 있어, 향후 많은 분야에 폭 넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 하지만 충분한 전도도를 갖기 위해서는 전도성 물질을 충분히 첨가시키던지, 전도성 물질을 수지 내에 고르게 분산시켜야만 한다. 전도성 물질의 함량이 너무 커지면 전도도는 증가하나 도료의 내구도가 떨어져 도장 수명이 감소하기 때문에 실제 적용에 있어 한계가 있다. 한편, 전도성 도료의 성능은 첨가되는 전도성 물질 종류에 따라서 달라질 수도 있다.
- 본 기술은 상수관망, 식품공정, 냉각설비 등에서 발생할 수 있는 생물막 오염 방지 및 생물막으로 인한 부식 억제 등에 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 환경가전제품, 감염 방지용 생체재료에도 적용할 수 있을 것으로 보인다. 현재까지 보고된 전기장을 이용한 생물막 제어 기술은 전도성 표면이라면 어디에나 적용할 수 있는 특징을 가지고 있어, 향후 많은 분야에 폭 넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
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