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문제 정의
- 이러한 전극 상이 방식은 대기압 상태의 공기 또는 특정 기체를 통과시키면서 글로우 방전하여 플라즈마를 생성하며, 전류를 차단함과 동시에 플라즈마 생성이 중지되고 활성상태의 입자들이 곧바로 사라지기 때문에 제어가 간단하고 잔류물질이 남지 않기 때문에 대상물체의 성질에 영향을 주지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 연구에서는 플라즈마 수방전 장치를 이용하여 관상어를 취미로 갖는 주요 사용자의 요구사항인 녹조를 효율적으로 억제하고 병원균 제거에 따른 살균 효과를 검증하였다.
- 본 연구에서 적용한 플라즈마 수방전 장치는 미세기포와 함께 발생되는 강력한 살균력을 가진 라디칼이 녹조류의 세포를 파괴하여 녹조발생을 억제하는 개념으로 제작되었으며 대조구와 비교하여 녹조발생의 억제 정도를 검증하였다.
제안 방법
- 85% 염화나트륨 용액) 900ml에 섞어 10배 희석시켜 저온 일반세균을 선택적으로 배양할 수 있는 R2A배지에 100ml 도말하였다. R2A배지는 채수에 포함된 저온 일반세균을 배양하기 위해 비교적 영양분이 부족한 빈영양배지를 사용하여 배양하며, 도말한 R2A 한천배지를 25℃에서 3일간 배양하여 생성된 콜로니의 수를 계수하였다.
- 따라서, 살균 효과를 갖는 각종 장치가 호기성 세균의 밀도를 급격하게 감소시키면 수족관내 생태계가 무너지기 때문에 호기성 세균의 밀도에 비교적 영향을 적게 미치면서 녹조류와 병원성 세균을 제어하는 알고리즘 적용이 필요하므로, 대조구를 포함한 실험수조 (W900×D450×H450) 2곳으로부터 5ml를 채수하고 100ml를 식염수용액 (0.85% 염화나트륨 용액) 900ml에 섞어 10배 희석시켜 저온 일반세균을 선택적으로 배양할 수 있는 R2A배지에 100ml 도말하였다.
- 또한, 실험에 사용한 녹조억제장치의 성능은 전극 코팅 두께 및 형상, 케이스 크기 및 형상 등에 대해 영향을 받기 때문에, 센서의 조건은 Table 1과 같이 설정하였고 플라즈마를 생성하는 전원은 전력계 (GP-1305TP, EZ Co., Ltd., Korea)를 사용하여 전류와 전압을 설정하여 실험하였다.
- 그러나, 녹조억제장치가 설치된 좌측 수조에서는 녹조류의 발생이 단 1회 포화되었으며, 트리밍을 완료한 후발생된 녹조류는 극히 제한적으로 성장하였다. 또한, 후경수초인 로탈라인디카는 총 4회의 트리밍 과정을 수행하였다. 이러한 결과는 녹조억제장치가 강력한 살균 라디칼을 발생시켜 식물성 조류의 성장을 억제하며, 특히 수조 내에서 가장 빈번하게 발생하는 조류 (Actinastrum fluviatile)에 효과적인 것으로 판단된다.
- 본 실험 결과를 정량적으로 표현하기 위하여, 각각의 수조로부터 채수하여 1리터 내에 포함된 조류의 종류를 동정하고, 각 종류의 조류 세포를 계수한 결과는 아래와 같다 (Table 1). 녹조억제 장치를 설치한 수조와 설치하지 않은 대조구 수조에 비교하였을 때, 실험수조는 대조구에 비해, 전체 조류 세포의 수가 1.
- 본 실험에 적용된 수방전 플라즈마 살균의 원리는 직접적 살균 작용과 간접적 살균 작용으로 2가지로 분류된다. 직접적 살균 작용은 균 등의 미생물에 고전압을 인가함으로써 세포막 내외의 전위차를 발생시켜 세포막을 파괴하며, 플라즈마에 의하여 생성된 이온의 직접적 충돌에 의해 세포가 파괴된다.
- 본 실험에서는 60일 동안 우측 대조구 수조에서는 녹조류의 발생이 4회 포화되었고, 로탈라 인디카는 총 2회 트리밍하였다. 그러나, 녹조억제장치가 설치된 좌측 수조에서는 녹조류의 발생이 단 1회 포화되었으며, 트리밍을 완료한 후발생된 녹조류는 극히 제한적으로 성장하였다.
- 본 장치에서 발생되는 라디칼은 세균의 세포막과 반응하여 세포막을 파괴하여 세균을 사멸시키는 과정을 확인하기 위하여, 대조구를 포함한 실험수조 (W900×D450×H450) 2곳에 테트라계열의 관상어 100마리를 각각 사육시키고, 솔방울병 원인균 (Aeromonas hydrophila)를 투입 하여 시간 경과에 따라 관상어의 발병률과 폐사율을 확인하였으며, 각 수조로부터 표본수 5ml 을 채수하여 TSA (Tryptone Soy Agar)배지에 10배 희석하여 도말한 배지를 37℃에서 1일간 배양한 후 콜로니를 계수하여 A. hydrophila의 생존율도 확인하였다.
- 간접적 살균 작용은 OH 라디칼 등이 활성종을 생성시켜 세포막을 파괴하는 방식을 말한다. 본 제작품은 생물체를 적용하는 제품 특성상 직접적 방식에 의한 살균은 배제하며, 다량의 각종 라디칼을 발생시켜 병원균을 살균하는 방식을 선택하였다.
- 전경수초는 코브라글라스 (Lilaeopsis brasiliensis)를, 후경수초는 로탈라 인디카 (Rotala indica)를 이식하였으며, 수온은 24－26℃를 유지하도록 하였다. 세팅이 완료된 5일 경과하였을 때 본 장치를 설치하였으며, 인가시간 3분, 비인가시간 1시간으로 설정하여 대조구와 비교 실험을 수행하였다.
- 수족관의 대표적인 어병균의 사멸과정을 확인하기 위하여, 대조구를 포함한 실험수조2곳에 테트라계열의 관상어 100마리를 각각 사육시키고, 솔방울병 원인균 (Aeromonas hydrophila)를 투입하여 시간 경과에 따라 관상어의 발병률과 폐사율을 확인한 결과는 Figs.
- 실험에 사용한 수조 (W900×D450×H450)는 여과기, 히터, 조명시간, 수초, 소일 등을 동일한 조건으로 세팅하였다.
- 실험에 사용한 수조 (W900×D450×H450)는 여과기, 히터, 조명시간, 수초, 소일 등을 동일한 조건으로 세팅하였다. 전경수초는 코브라글라스 (Lilaeopsis brasiliensis)를, 후경수초는 로탈라 인디카 (Rotala indica)를 이식하였으며, 수온은 24－26℃를 유지하도록 하였다. 세팅이 완료된 5일 경과하였을 때 본 장치를 설치하였으며, 인가시간 3분, 비인가시간 1시간으로 설정하여 대조구와 비교 실험을 수행하였다.
- 전경수초와 후경수초를 동일한 수초량으로 이식하고 수족관이 안정된 10일 이후에 녹조억 제장치를 대조구와 함께 좌측편에 설치하여 12일이 경과할 시기에 수초의 성장을 촉진하기 위하여 이산화탄소를 투입하였다. 그 결과, 15일이 경과하면서 대조구의 코브라글라스에 녹조류가 발생하기 시작하였으나, 녹조억제장치가 설치된 실험수조에서는 녹조류가 관찰되지 않았으며, 20일이 경과하는 시기에 대조구의 수조에서는 녹조류 성장이 포화상태에 도달하여 더 이상 성장이 되지 않았으며, 좌측편 녹조억제장치 실험수조에서도 코브라글라스에 녹조류가 서서히 발생하기 시작하였다 (Fig.
성능/효과
- 전경수초와 후경수초를 동일한 수초량으로 이식하고 수족관이 안정된 10일 이후에 녹조억 제장치를 대조구와 함께 좌측편에 설치하여 12일이 경과할 시기에 수초의 성장을 촉진하기 위하여 이산화탄소를 투입하였다. 그 결과, 15일이 경과하면서 대조구의 코브라글라스에 녹조류가 발생하기 시작하였으나, 녹조억제장치가 설치된 실험수조에서는 녹조류가 관찰되지 않았으며, 20일이 경과하는 시기에 대조구의 수조에서는 녹조류 성장이 포화상태에 도달하여 더 이상 성장이 되지 않았으며, 좌측편 녹조억제장치 실험수조에서도 코브라글라스에 녹조류가 서서히 발생하기 시작하였다 (Fig. 3).
- 본 실험 결과를 정량적으로 표현하기 위하여, 각각의 수조로부터 채수하여 1리터 내에 포함된 조류의 종류를 동정하고, 각 종류의 조류 세포를 계수한 결과는 아래와 같다 (Table 1). 녹조억제 장치를 설치한 수조와 설치하지 않은 대조구 수조에 비교하였을 때, 실험수조는 대조구에 비해, 전체 조류 세포의 수가 1.4% 정도가 관찰되었으며, 특히 녹조의 원인인 녹조류 (Actinastrum fluviatile)와 황녹조류 (Tribonema minus)에 대한 제어 효과가 뛰어남을 확인하였다. 또한, 엽록소-a의 측정 결과, 대조구에서는 Chlorophyll-a 농도가 1.
- 다양한 크기와 색을 가진 콜로니가 생성되었으며, 콜로니의 형태, 크기, 색깔 등을 고려하였을 때 호기성 세균의 다양성에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 정량적인 값으로는 3일간 배양한 콜로니의 수를 계측한 결과, 플라즈마 수방전 장치의 실험수조와 대조구는 각각 90.
- 또한, 48시간 내에 98% 이상의 사멸 성능을 가지며, 수족관내 호기성 세균의 영향을 최소화하여 안전하게 아쿠아리움을 관리할 수 있는 차별화된 기술로 평가할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발된 플라즈마 수방전 장치의 살균인자는 잔류 독성이 없어 관상용 수족관내 호기성 세균이 밀집해 있는 여과기나 소일 내에 존재하는 토양 세균에 거의 영향을 미치지 않으며, UV 살균기와 같이 지속적으로 작동되지 않고 수조의 크기에 맞춰 설정된 최적 알고리즘으로 작동하여 안전하고 건강한 수조환경을 형성할 수 있다는 장점이 있는 것으로 판단된다.
- 본 실험에서 사용한 플라즈마 수방전 장치는 수처리 (water process) 공학의 최신 기술로 플라즈마 방전을 통해 OH 라디칼을 생성하여 오염 물질인 유기물을 산화 처리하는 기술로서, 본 기술은 기존 양극 방식에서 탈피하여 단일 plate 방전기술을 구현하므로 구조를 단순화 할 수 있고, 소형화가 가능하여 소형의 가정용 제품에 적합하다는 장점이 있다. 따라서, 수방전 기술을 가정용 수족관에 적용시켜 병원성 바이러스 및 유해 생물을 제거하여 관상생물이 안전하게 수족관 환경에 적응하며, 녹조, 갈조, 붓이끼 등 미소 생물을 효과적으로 제거하므로 수조관리에 편리함을 부여할 수 있는 기술로 제시되었다.
- 본 연구에서 개발된 플라즈마 수방전 기술은 강력한 살균 라디칼을 발생시켜 한정된 양분을 수초에 집중시킬 있도록 수족관 내에서 가장 빈번하게 발생하는 녹조류를 억제하는 것은 물론, 물 속의 미량원소를 활성시켜 수초의 성장을 성장시키는 것을 확인하였다. 또한, 48시간 내에 98% 이상의 사멸 성능을 가지며, 수족관내 호기성 세균의 영향을 최소화하여 안전하게 아쿠아리움을 관리할 수 있는 차별화된 기술로 평가할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발된 플라즈마 수방전 장치의 살균인자는 잔류 독성이 없어 관상용 수족관내 호기성 세균이 밀집해 있는 여과기나 소일 내에 존재하는 토양 세균에 거의 영향을 미치지 않으며, UV 살균기와 같이 지속적으로 작동되지 않고 수조의 크기에 맞춰 설정된 최적 알고리즘으로 작동하여 안전하고 건강한 수조환경을 형성할 수 있다는 장점이 있는 것으로 판단된다.
- 또한, 솔방울병 원인균인 “Aeromonas hydrophila” 및 대장균은 1회 작동만으로 99.9% 효율로 균을 사멸시키는 것으로 확인되었다.
- 또한, 엽록소-a의 측정 결과, 대조구에서는 Chlorophyll-a 농도가 1.6 (μg/l)에 비해 녹조억제장치를 설치한 수조는 0.9 (μg/l)로 낮게 나타났다.
- 한편, 플라즈마 수방전 장치를 설치하지 않은 수조에서는 투입된 어병균의 약 30% 내외가 수족관 환경에 적응하여 생존하였으며, 생존한 30% 내외의 병원균에 의해 관상어는 계속해서 감염되어 실험 경과 22일만에 100% 폐사하였다. 본 실험 결과에 따라, 병원성 어병균인 솔방울병을 비롯한 대장균의 검증에서도 5분이내에 99.9%의 살균효율을 확인할 있었으며, 1억마리 이상의 균을 투입한 극한 조건에서도 48시간 내에 98% 이상의 어병균을 사멸시킬 수 있으므로 수족관 내의 관상어가 활동할 수 있는 안전하고 건강한 수조 환경을 조성할 수 있다.
- 본 연구에서 개발된 저온 플라즈마 수방전 장치는 강력한 살균 라디칼을 발생시켜 식물성 조류의 성장을 억제하며, 수조 내에서 가장 빈번하게 발생하는 조류 “Actinastrum fluviatile”에 효과적이며, 물 속 미량원소를 활성화시켜 수초 성장을 촉진하는 것으로 판단된다.
- , 1999). 본 연구에서 개발된 플라즈마 수방전 기술은 강력한 살균 라디칼을 발생시켜 한정된 양분을 수초에 집중시킬 있도록 수족관 내에서 가장 빈번하게 발생하는 녹조류를 억제하는 것은 물론, 물 속의 미량원소를 활성시켜 수초의 성장을 성장시키는 것을 확인하였다. 또한, 48시간 내에 98% 이상의 사멸 성능을 가지며, 수족관내 호기성 세균의 영향을 최소화하여 안전하게 아쿠아리움을 관리할 수 있는 차별화된 기술로 평가할 수 있다.
- 4 및 5와 같다. 아래 Fig. 4와 같이, 플라즈마 수방전 장치를 설치 하지 않은 수조에서는 병원균 투입 2일 후 수조내 환경에 적응하지 못한 절반 가량의 어병균이 자연 사멸되어 54%의 균이 존재하는 것으로 나타났으며, 약 20일을 경과하는 시기부터 29%의어병균이 일정하게 존재하는 것으로 나타났다. 그러나, 플라즈마 수방전 장치를 설치한 수조에 서는 병원균 투입 2일 만에 약 2%만이 존재하였으며, 약 14일이 경과하는 시점부터 99.
- 또한, 후경수초인 로탈라인디카는 총 4회의 트리밍 과정을 수행하였다. 이러한 결과는 녹조억제장치가 강력한 살균 라디칼을 발생시켜 식물성 조류의 성장을 억제하며, 특히 수조 내에서 가장 빈번하게 발생하는 조류 (Actinastrum fluviatile)에 효과적인 것으로 판단된다. 이러한 원인으로는 수족관 내의 한정된 양분을 수초에 집중시키는 것은 물론, 저온 플라즈마 장치가 물속 미량원소를 활성화시켜 수초의 초기 성장 및 뿌리내림 현상을 촉진시키는데 영향을 주는 것으로 사료된다.
- 정량적인 값으로는 3일간 배양한 콜로니의 수를 계측한 결과, 플라즈마 수방전 장치의 실험수조와 대조구는 각각 90.0±13.1 (Avg.±SD, cells/ml)와 100.3±15.2 (cells/ml)로 나타났는데, 이러한 결과는 양적인 영향을 거의 미치지 않는 것으로서, 호기성 세균에는 영향을 미치지 않으면서 녹조 제어와 병원균 사멸에 효과가 있는 것으로 확인되었다.
- 9% 효율로 균을 사멸시키는 것으로 확인되었다. 특히, 1억 마리 이상의 어병 균을 투입한 극한의 조건에서도 48시간 내에 98% 이상을 사멸시키므로 관상어가 활동할 수 있는 안전하고 건강한 아쿠아리움 환경을 유지 시켜주며, 잔류독성이 없어 수조 내 호기성 세균이 밀집해 있는 여과기나 소일 내에 존재하는 토양세균에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 검증되었다. 본 연구에서 개발된 장치는 UV 살균기와 같이 지속적으로 작동되지 않고 수조 크기에 맞게 설정된 최적 알고리즘으로 작동되기 때문에 에너지 절약과 안정성 측면에서도 효과적인 기술로 사료되며, 생물체가 존재하는 수족관을 포함한 여타 산업의 살균 기술에 비해서 적용 범위가 넓을 것으로 판단된다.
- 한편, Fig. 5와 같이 수조 내에 투입된 테트라계열 관상어는 병원균이 투입된 초기 감염에 의해 일정하게 발병을 진행하였으며 최종적으로 28%의 누적 폐사율을 나타내었고, 추가적인 전염이나 감염은 없는 것으로 확인되었다. 한편, 플라즈마 수방전 장치를 설치하지 않은 수조에서는 투입된 어병균의 약 30% 내외가 수족관 환경에 적응하여 생존하였으며, 생존한 30% 내외의 병원균에 의해 관상어는 계속해서 감염되어 실험 경과 22일만에 100% 폐사하였다.
- 5와 같이 수조 내에 투입된 테트라계열 관상어는 병원균이 투입된 초기 감염에 의해 일정하게 발병을 진행하였으며 최종적으로 28%의 누적 폐사율을 나타내었고, 추가적인 전염이나 감염은 없는 것으로 확인되었다. 한편, 플라즈마 수방전 장치를 설치하지 않은 수조에서는 투입된 어병균의 약 30% 내외가 수족관 환경에 적응하여 생존하였으며, 생존한 30% 내외의 병원균에 의해 관상어는 계속해서 감염되어 실험 경과 22일만에 100% 폐사하였다. 본 실험 결과에 따라, 병원성 어병균인 솔방울병을 비롯한 대장균의 검증에서도 5분이내에 99.
후속연구
- 특히, 1억 마리 이상의 어병 균을 투입한 극한의 조건에서도 48시간 내에 98% 이상을 사멸시키므로 관상어가 활동할 수 있는 안전하고 건강한 아쿠아리움 환경을 유지 시켜주며, 잔류독성이 없어 수조 내 호기성 세균이 밀집해 있는 여과기나 소일 내에 존재하는 토양세균에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 검증되었다. 본 연구에서 개발된 장치는 UV 살균기와 같이 지속적으로 작동되지 않고 수조 크기에 맞게 설정된 최적 알고리즘으로 작동되기 때문에 에너지 절약과 안정성 측면에서도 효과적인 기술로 사료되며, 생물체가 존재하는 수족관을 포함한 여타 산업의 살균 기술에 비해서 적용 범위가 넓을 것으로 판단된다.
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