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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 농약 대체제로 사용할 수 있고 살균이나 소독제를 대체하고 소독 부산물이 없는 새로운 농업용 소독제를 개발하기 위하여 새로운 소독 공정인 플라즈마를 이용한 방전수를 제조하였다. 소독능을 나타낼 수 있는 방전수의 특성을 고찰하고, 고추 역병균을 대상으로 방전 시간과 보관 시간에 따른 소독 성능과 살균 지속성을 고찰하여 플라즈마 방전수의 농업 분야 적용가능성에 대한 기초 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 기존의 농약 대체제로 사용할 수 있고 살균이나 소독제를 대체하고 소독 부산물이 없는 새로운 농업용 소독제를 개발하기 위하여 새로운 소독 공정인 플라즈마를 이용한 방전수를 제조하였다. 소독능을 나타낼 수 있는 방전수의 특성을 고찰하고, 고추 역병균을 대상으로 방전 시간과 보관 시간에 따른 소독 성능과 살균 지속성을 고찰하여 플라즈마 방전수의 농업 분야 적용가능성에 대한 기초 연구를 수행하였다.
제안 방법
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1. 실험 재료 및 실험 방법
실험에 사용한 반응기는 회분식으로 제작하였으며 반응 부피는 1 l이었고, Fig. 1에 개요도를 나타내었다. 유전체 방전 플라즈마 반응기 시스템은 방전 전극, 유전체인 석영관, 접지 전극 및 산기관으로 이루어진 플라즈마 반응기, 슬라이닥스와 네온트랜스로 이루어진 전원 공급장치 및 공기 펌프와 유량조절장치로 이루어진 공기 공급장치로 이루어져 있다.
- 15 kV의 네온트랜스를 이용하여 4 l/min의 공기를 공급하여 1 l의 물에 플라즈마를 방전시켜 시간에 따른 RNO 분해, pH, ORP 및 전기전도도의 변화를 Fig. 2에 나타내었다.
- 9) pH와 ORP 및 전기전도도는 각각 pH 미터(420A+, Orion, Research Inc.,Cambridge, Mass.), ORP 미터(Terminal Level3, Wissenschaftlich-Technische-Werkstätten Company, Weilheim, Germany) 및 전기전도도 미터(CyberscanPC300,Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham MA)로 측정하였다.
- 방전수의 ·OH은 생성량을 직접적으로 측정하기 어려워 ·OH과 선택적으로 반응하는 것으로 알려진RNO의 분해를 통하여 간접적으로 측정하였다.
- capsici의 소독 효과를 같이 고찰하였다. 방전수의 pH가 3.2로 낮기 때문에 pH로 인한 소독 효과도 같이 관찰하기 위하여 pH를 3으로 조절한 후 P. capsici의 집락수 변화를 나타내었다. 그림에서 보듯이 pH가 3인 경우 소독 효과는 있지만 그 효과는 적은 것으로 나타났고, 방전 30분의 방전수의 경우 300초의 소독시간에서 2.
- 방전수의 특성을 파악하기 위하여 30분의 방전시간을 통하여 방전수의 pH, ORP 및 전기전도도를 측정하였다. 방전수의 산화 특성을 고찰하기 위하여 OH 라디칼과 선택적으로 반응하는 것으로 알려진 RNO(N, N-Dimethyl-4-nitrosoaniline)의 분해도 측정하였다. 실험에 사용한 미생물은 고추 역병균인 Phytophthora capsici (KACC 40483)로 농촌진흥청미생물은행으로부터 분양받아 실험에 사용하였다.
- 7) 1차 전압을 220 V, 2차 전압을 15 kV로 유지한 조건에서 공기를 4 l/min의 속도로 유전체로 공급하여 방전수를 생성시켜 방전수 특성과 소독에 사용하였다. 방전수의 특성을 파악하기 위하여 30분의 방전시간을 통하여 방전수의 pH, ORP 및 전기전도도를 측정하였다. 방전수의 산화 특성을 고찰하기 위하여 OH 라디칼과 선택적으로 반응하는 것으로 알려진 RNO(N, N-Dimethyl-4-nitrosoaniline)의 분해도 측정하였다.
- 수중 플라즈마 방전 시스템에서 생산된 대체 소독제로 방전수를 제조하였다. 방전수의 특성과 소독능을 고찰하여 다음의 결과를 얻었다.
- 실험방법으로는 균 stock 용액 1ml를 1 l의 반응기에 넣고 초기 미생물 농도를 3.64×103 CFU/ml로 설정한 다음, 소독 실험을 수행하여 일정 시간 간격으로 시료 1ml를 채취하였다.
- 실험오차를 줄이기 위해 1개의 시료당 5개의 평판을 만들어 사용하였으며, 시료 채취 후에는 수중에 잔존하는 산화제에 의해 계속적인 소독이 진행되는 것을 막기 위해 중화제(neutralizer, 14.6% sodium thiosulphate와 10% sodium thioglycolate) 10 µl를 투입하여 연속적으로 희석하여 PDA 배지에 투입한 다음 25oC로 유지되는 BOD 배양기에서 96시간동안 배양한 뒤 형성된 집락을 colony counter를 이용하여 계수하였다.
대상 데이터
- capsici는 PDA 배지(Potato dextrose agar, Merck, Darmstadt, Germany)에 접종하여 3일 동안 배양시킨 뒤 균 총의 선단에서 직경 5 mm의 균사조각을 떼어 내어 V8 juice agar에서 접종한 뒤 25oC의 암상태에서 1주일간 배양한 후 공중균사를 제거하고,25oC의 광 상태에서 3일간 배양하였다. 멸균증류수를 부어 배지 상에 형성된 P. capsici의 유주포자낭을 수확하여 현탁액을 확보한 후 실험에 사용하였다.
- 방전수의 산화 특성을 고찰하기 위하여 OH 라디칼과 선택적으로 반응하는 것으로 알려진 RNO(N, N-Dimethyl-4-nitrosoaniline)의 분해도 측정하였다. 실험에 사용한 미생물은 고추 역병균인 Phytophthora capsici (KACC 40483)로 농촌진흥청미생물은행으로부터 분양받아 실험에 사용하였다. P.
- 유전체 방전 플라즈마 반응기 시스템은 방전 전극, 유전체인 석영관, 접지 전극 및 산기관으로 이루어진 플라즈마 반응기, 슬라이닥스와 네온트랜스로 이루어진 전원 공급장치 및 공기 펌프와 유량조절장치로 이루어진 공기 공급장치로 이루어져 있다. 유전체는 두께가 1 mm, 내경이 7 mm인 석영관을 사용하였으며, 방전 전극과 접지 전극은 티타늄을 사용하였다. 전원 장치로 2차 전압이 15 kV이고 주파주가 20 kHz인 네온트랜스를 이용하였다.
- 유전체는 두께가 1 mm, 내경이 7 mm인 석영관을 사용하였으며, 방전 전극과 접지 전극은 티타늄을 사용하였다. 전원 장치로 2차 전압이 15 kV이고 주파주가 20 kHz인 네온트랜스를 이용하였다.7) 1차 전압을 220 V, 2차 전압을 15 kV로 유지한 조건에서 공기를 4 l/min의 속도로 유전체로 공급하여 방전수를 생성시켜 방전수 특성과 소독에 사용하였다.
이론/모형
- 64×103 CFU/ml로 설정한 다음, 소독 실험을 수행하여 일정 시간 간격으로 시료 1ml를 채취하였다. 균의 접종은 pour plate method에 의해 무균실에서 이루어졌다. 실험오차를 줄이기 위해 1개의 시료당 5개의 평판을 만들어 사용하였으며, 시료 채취 후에는 수중에 잔존하는 산화제에 의해 계속적인 소독이 진행되는 것을 막기 위해 중화제(neutralizer, 14.
성능/효과
- 1) 증류수에서 30분 간 방전한 방전수는 pH 3.3부근, ORP는 약 400 mV, 전기전도도는 약 350 µS/cm로 나타났으며, pH는 감소, ORP와 전기전도도는 증가하는 것으로 나타났다.
- 플라즈마반응에 따라 pH가 감소하는 이유는 유전체의 전기적 절연을 위해 공급하는 공기 중의 질소가 플라즈마 에너지에 의해 산소와 결합하여 질산의 형태로 물속에 용해되기 때문인 것으로 사료되었다.12) 방전전의 ORP보다 30분 방전 후의 ORP가 2배까지 증가하여 방전수의 살균력 중 일부가 상대적으로 높은 산화환원전위에 기인한다는 점을 고려할 때 방전에 따라 살균력이 증가하는 것으로 사료되었다.5,13) 각종 라디칼 및 산화제 등이 플라즈마 반응에 의해 생성됨에 따라 수중의 전기전도도가 증가하는 것으로 사료되었다.
- 13) OH 라디칼 외 ·H, ·O, ·O2−,·HO2와 같은 생성 라디칼들의 반감기도 짧기 때문에 보관기간동안 라디칼들은 거의 없는 것으로 판단되었다.
- 2) 방전시간이 길수록 소독효과는 높은 것으로 나타났고 방전 30분의 방전수의 경우 300초의 소독시간에서 2.94 log의 미생물이 사멸되는 것으로 나타났다. 보관 방전수는 보관기일 3일까지 소독능을 유지하다 4일 이후부터 감소하였으며 5일 이후는 소독능을 나타내지 않았다.
- 3) 방전수에 P. capsici를 투입한 경우 하루가 지난 후 0.6 log까지 감소하였으나 2일 후부터 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 방전수에 P.
- capsici의 소독 효과를 고찰한 결과 pH 3에서의 소독 효과는 적은 것으로 나타났다. 30분 방전한 방전수의 소독 효과가 15분방전한 방전수의 소독 효과보다 높은 것으로 나타났다. 이 등2)은 산성 전해수와 pH 2.
- Fig. 3에서 보듯이 방전시간을 15, 30분으로 한 경우와 pH를 3으로 유지한 경우 방전 직후의 방전수를 이용한 방전수에서의 P. capsici의 소독 효과를 고찰한 결과 pH 3에서의 소독 효과는 적은 것으로 나타났다. 30분 방전한 방전수의 소독 효과가 15분방전한 방전수의 소독 효과보다 높은 것으로 나타났다.
- capsici 소독에 영향을 미칠 수 있는 pH도 증가하고, ORP도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 플라즈마를 방전하는 동안은 OH 라디칼을 비롯한 각종 라디칼과 자외선, shockwave 및 각종 화학적 활성종들이 소독에 영향을 미치지만 방전 후의 보관 방전수는 주로 화학적 활성종 등과 ORP 등의 인자가 소독에 영향을 미치기 때문에 소독 잔류는 3일 정도인 것으로 사료되었다.
- 반면 pH는 방전 직후 3.28에서 6일 후 3.67로 증가하였으며, 또한 전기전도도도 350 µS/cm에서 390 µS/cm로 증가하였다.
- 5(c)에 나타내었다. 방전수에 투입한 P. capsici는 하루가 지난 후 0.6 log까지 감소하였으나 2일 후부터 다시 증가하는 경향을 나타내었다. pH 3 용액에 투입한 P.
- 방전수와 pH 3용액에 P. capsici를 투입하여 시간경과에 따른 소독능과 방전수 변화를 고찰한 결과pH 3에서는 2일에서 가장 높은 소독능을 나타내었으나 그 효과는 적은 것으로 나타났다. 3일부터 미생물이 회복되는 경향을 나타내었다.
- capsici 집락수가 2 log 이하였으나 4일 이후부터는 효과가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 방전수의 보관하여 살균에 이용할 경우 3일까지만 소독 성능을 발휘할 수 있는 것으로 사료되었다. 보관한 방전수의 특성을 고찰하기 위하여 RNO 제거율을 고찰한 결과 RNO는 3일 정도까지 2~3 mg/l가 제거되었으며, 그 이후에서는 거의 제거되지 않는 것으로 나타났다.
- 방전수의 산화력을 간접적으로 확인하기 위하여 RNO 분해능을 측정한 결과 반응 10분까지 빠른 RNO 분해율을 보인 후 시간에 따라 서서히 분해되는 경향을 나타내었다. 이는 boron doping diamond(BDD 전극)을 이용한 전기분해 반응에서 50 mg/l의 초기 RNO 농도에서 1A의 전류를 통전하였을 때 50분의 반응시간에서 최종 RNO 농도가 10 mg/l이었다고 보고한 박과 김11)의 보고와 비교할 때 방전수의 방전에 소요된 총 전력은 54.
- 플라즈마 방전시 발생하는 H2O2와 O3등의 화학적 활성종들의 농도를 보관 방전수에서 직접 측정하지는 않았지만 보관 방전수에 존재하다 보관시간의 경과됨에 따라 감소하는 것으로 사료되었다. 보관시간이 오래될수록 P. capsici 소독에 영향을 미칠 수 있는 pH도 증가하고, ORP도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 플라즈마를 방전하는 동안은 OH 라디칼을 비롯한 각종 라디칼과 자외선, shockwave 및 각종 화학적 활성종들이 소독에 영향을 미치지만 방전 후의 보관 방전수는 주로 화학적 활성종 등과 ORP 등의 인자가 소독에 영향을 미치기 때문에 소독 잔류는 3일 정도인 것으로 사료되었다.
- 방전수의 보관하여 살균에 이용할 경우 3일까지만 소독 성능을 발휘할 수 있는 것으로 사료되었다. 보관한 방전수의 특성을 고찰하기 위하여 RNO 제거율을 고찰한 결과 RNO는 3일 정도까지 2~3 mg/l가 제거되었으며, 그 이후에서는 거의 제거되지 않는 것으로 나타났다. 반면 pH는 방전 직후 3.
- 9log 까지 증가하였다. 이것으로 볼 때 방전수에 P.capsici를 투입하였을 때 소독효과를 발휘하지만 지속적으로 소독 효과를 발휘하지 못하는 것은 P.capsici가 유주자포자낭을 형성하는 곰팡이기 때문에 완전 사멸되지 않은 조건에서 생존하다 수중의 산화제가 서서히 감소하면서 회복되기 때문인 것으로 사료되었다. 시간에 따른 전기전도도의 증가, OPR의증가 및 pH 증가는 보관 방전수와 같은 경향을 나타내었다.
- 7% 높기 때문에. 플라즈마 방전수에서의 OH 라디칼이 생성능이전기 분해보다 다소 우수한 것으로 사료되었다.
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