Tetracycline계 항생물질들의 활성탄 흡착 및 생물여과 공정에 의한 생분해 특성 Characteristics of Adsorption and Biodegradation of Tetracycline Antibiotics by Granular Activated Carbon and Biofiltration Process원문보기
Adsorption and biodegradation performance of tetracycline antibiotic compounds such as ttetracycline (TC), oxytetracycline (OTC), minocycline (MNC), chlortetracycline (CTC), doxycycline (DXC), meclocycline (MCC), demeclocycline (DMC) on granular activated carbon (GAC) and anthracite-biofilter were e...
Adsorption and biodegradation performance of tetracycline antibiotic compounds such as ttetracycline (TC), oxytetracycline (OTC), minocycline (MNC), chlortetracycline (CTC), doxycycline (DXC), meclocycline (MCC), demeclocycline (DMC) on granular activated carbon (GAC) and anthracite-biofilter were evaluated in this study. Removal efficiency of seven tetracycline antibiotic compounds showed 54%~97% by GAC adsorption process (EBCT: 5~30 min). The orders of removal efficiency by GAC adsorption were tetracycline, demeclocycline, oxytetracycline, chlortetracycline, doxytetracycline, meclocycline and minocycline. Removal efficiencies of seven tetracycline antibiotic compounds showed 1%~61% by anthracite biofiltration process (EBCT: 5~30 min). The highest biodegradable tetracycline antibiotic compound was minocycline, and the worst biodegradable tetracycline antibiotic compounds were oxytetracycline and demeclocycline.
Adsorption and biodegradation performance of tetracycline antibiotic compounds such as ttetracycline (TC), oxytetracycline (OTC), minocycline (MNC), chlortetracycline (CTC), doxycycline (DXC), meclocycline (MCC), demeclocycline (DMC) on granular activated carbon (GAC) and anthracite-biofilter were evaluated in this study. Removal efficiency of seven tetracycline antibiotic compounds showed 54%~97% by GAC adsorption process (EBCT: 5~30 min). The orders of removal efficiency by GAC adsorption were tetracycline, demeclocycline, oxytetracycline, chlortetracycline, doxytetracycline, meclocycline and minocycline. Removal efficiencies of seven tetracycline antibiotic compounds showed 1%~61% by anthracite biofiltration process (EBCT: 5~30 min). The highest biodegradable tetracycline antibiotic compound was minocycline, and the worst biodegradable tetracycline antibiotic compounds were oxytetracycline and demeclocycline.
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문제 정의
본 연구에서는 tetracycline계 항생물질 7종에 대해 석탄계 및 야자계 재질의 활성탄을 이용하여 이들의 흡착 특성을 평가하였으며, 또한, 활성이 있는 박테리아들이 부착된 안트라사이트 biofilter를 이용하여 이들의 생물분해능도 함께 평가하여 이들 물질들이 정수처리 공정으로 유입되었을 경우 입상활성탄(granular activated carbon) 공정과 생물활성탄(biological activated carbon) 공정에서의 이들 물질들의 제어를 위한 기초 운영자료로 활용하고자 하였다.
제안 방법
GAC 및 biofilter 컬럼의 유입수는 300 m3/일 규모의 고도 정수처리용 파일롯트 플랜트의 후오존 처리수를 사용하였다. 고도 정수처리 공정의 후오존 처리수에 tetracycline계 항생물질 7종을 각각 투입하여 유입되는 각각의 성분 농도가 5 μg/L가 되도록 하였다.
2 mL 첨가하였다(Yang과 Carlson, 2003). Na2EDTA 첨가 후 40% 황산을 사용하여 시료수의 pH를 3 이하로 조절한 후 on-line용 SPE (solid phase extraction)와 LC/MSD 시스템을 이용하여 분석하였다. On-line용 SPE (Spark Holland, Netherlands)와 LC/MSD (Agilent 1100 SL, Agilent, USA)는 on-line으로 연결되어 있어 SPE에서 시료의 농축 및 추출이 끝난 target 물질들은 자동적으로 LC/MSD로 유입되는 시스템이다(Son 등, 2013).
고도 정수처리 공정의 후오존 처리수에 tetracycline계 항생물질 7종을 각각 투입하여 유입되는 각각의 성분 농도가 5 μg/L가 되도록 하였다.
본 실험에 사용된 입상활성탄 및 생물여과 컬럼은 아크릴 재질로 내경 5 cm, 총 길이 200 cm, 층고 100 cm이며, 각각의 컬럼 세트에 고농도 tetracycline계 7종의 조제수가 유입되어 혼화조에서 300 m3/일 처리 규모의 pilot-plant 최종처리수와 혼합된 후 각각의 컬럼으로 유입되도록 설계하였다. 컬럼은 하향류식으로 운전하였으며, 공탑체류시간(empty bed contact time, EBCT)은 각각의 컬럼들의 중층부에서 하층부까지 설치되어 있는 sampling 지점에 따라 EBCT가 5분에서 30분이 되도록 설정하여 운전하였다.
시료수는 50 mL를 채수하여 입자성 물질의 제거를 위하여 0.2 μm 멤브레인 필터(Millipore, USA)로 여과한 후 5% Na2EDTA를 0.2 mL 첨가하였다(Yang과 Carlson, 2003).
또한, Biofilter의 여재로 사용된 안트라사이트(한국 안트라사이트)는 biofilteration 공정에서 1년 정도 운전한 것을 초순수로 깨끗이 세척한 후 실험에 사용하였다. 실험에 사용된 입상활성탄의 세공용적, 비표면적, 세공크기 분포 및 평균 세공크기는 활성탄 세공용적 측정기(AUTOSORB-1 MP, Quantachrome, USA)로 측정하였다.
컬럼은 하향류식으로 운전하였으며, 공탑체류시간(empty bed contact time, EBCT)은 각각의 컬럼들의 중층부에서 하층부까지 설치되어 있는 sampling 지점에 따라 EBCT가 5분에서 30분이 되도록 설정하여 운전하였다. 역세척은 잔류염소가 존재하지 않는 처리수로 주 1회 실시하였으며, 입상활성탄 및 생물여과 컬럼의 상세한 설계인자를 Fig. 2에 나타내었다.
/일 처리 규모의 pilot-plant 최종처리수와 혼합된 후 각각의 컬럼으로 유입되도록 설계하였다. 컬럼은 하향류식으로 운전하였으며, 공탑체류시간(empty bed contact time, EBCT)은 각각의 컬럼들의 중층부에서 하층부까지 설치되어 있는 sampling 지점에 따라 EBCT가 5분에서 30분이 되도록 설정하여 운전하였다. 역세척은 잔류염소가 존재하지 않는 처리수로 주 1회 실시하였으며, 입상활성탄 및 생물여과 컬럼의 상세한 설계인자를 Fig.
대상 데이터
On-line용 SPE 카트리지는 ProspektTM oasis HLB 카트리지(10 mm × 2 mm, Waters, USA)를 이용하였다.
본 실험에서는 입상활성탄은 석탄계 재질의 활성탄(F400, Calgon, USA)과 야자계 재질의 활성탄(1급, Samchully, Korea)으로 신탄을 충진한 후 2주일 정도 사용한 후 실험을 진행하였다. 또한, Biofilter의 여재로 사용된 안트라사이트(한국 안트라사이트)는 biofilteration 공정에서 1년 정도 운전한 것을 초순수로 깨끗이 세척한 후 실험에 사용하였다. 실험에 사용된 입상활성탄의 세공용적, 비표면적, 세공크기 분포 및 평균 세공크기는 활성탄 세공용적 측정기(AUTOSORB-1 MP, Quantachrome, USA)로 측정하였다.
본 실험에 사용된 항생물질은 tetracycline계 7종으로 tetracycline (TC), oxytetracycline (OTC), minocycline (MNC), chlortetracycline (CTC), doxycycline (DXC), meclocycline (MCC), demeclocycline (DMC) 7종이며, sigma-aldrich사(USA)에서 제조한 순도 99% 이상의 특급물질을 사용하였다. 실험에 사용된 tetracycline 계 항생물질 7종에 대한 물리 · 화학적인 특성들을 Table 1에 나타내었다.
본 실험에서는 입상활성탄은 석탄계 재질의 활성탄(F400, Calgon, USA)과 야자계 재질의 활성탄(1급, Samchully, Korea)으로 신탄을 충진한 후 2주일 정도 사용한 후 실험을 진행하였다. 또한, Biofilter의 여재로 사용된 안트라사이트(한국 안트라사이트)는 biofilteration 공정에서 1년 정도 운전한 것을 초순수로 깨끗이 세척한 후 실험에 사용하였다.
분석에 사용된 LC용 컬럼은 충진물의 충진물 내경 및 길이가 2.1 mm×50 mm인 AtlantisⓇ dC18 column(Waters, USA)을 사용하였다.
성능/효과
1. 입상활성탄 흡착 공정에서 tetracycline계 항생물질들은 EBCT 5분∼30분에서 54%∼97%의 제거율을 나타내었으며, tetracycline이 가장 제거율이 높았으며, 다음으로 demeclocycline, oxytetracycline, chlortetracycline, doxytetracycline, meclocycline, minocycline 순으로 나타났다.
2. 활성탄 재질에 따른 흡착능 평가에서 50 Å 이상의 중간세공들이 발달한 석탄계 재질의 활성탄이 tetracycline계 항생물질들의 흡착 제거에 유리하였다.
3. 안트라사이트 biofilter를 이용한 생물분해 공정에서 tetracycline계 항생물질들은 EBCT 5분∼30분에서 1%∼61% 제거율을 나타내었으며, minocycline 이 가장 높은 생분해율을 나타낸 반면 oxytetracycline 과 demeclocycline이 가장 생분해율이 낮았다.
4. Tetracycline계 항생물질들의 효과적인 제거를 위해서는 흡착 공정과 생물분해 공정을 병행하여 운전하는 것이 효과적일 것으로 나타났다.
3(g)에 나타낸 tetracycline (TC)의 경우는 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 흡착 제거율도 92%에서 97%로 나타나 실험에 사용된 7종의 tetracycline계 항생물질들 중 가장 높은 흡착 제거율을 보였다. 7종의 tetracycline계 항생물질들의 흡착 제거율은 tetracycline (TC)가 가장 높게 나타났으며, 다음으로 demeclocycline (DMC), oxytetracycline (OCT), chlortetracycline (CTC), doxytetracycline (DXC), meclocycline (MCC), minocycline (MNC) 순으로 나타났다. 일반적으로 활성탄에서의 피흡착 물질의 흡착능은 Log Kow 값과 높은 상관성을 가진다(Westerhoff 등, 2005).
3에 나타내었다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 7종의 tetracycline계 항생물질들은 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 제거율은 모두 증가하였으며 특히, Fig. 3(a)에 나타낸 minocycline (MNC)의 경우는 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 흡착 제거율은 54%에서 85%로 나타난 반면 Fig. 3(g)에 나타낸 tetracycline (TC)의 경우는 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 흡착 제거율도 92%에서 97%로 나타나 실험에 사용된 7종의 tetracycline계 항생물질들 중 가장 높은 흡착 제거율을 보였다. 7종의 tetracycline계 항생물질들의 흡착 제거율은 tetracycline (TC)가 가장 높게 나타났으며, 다음으로 demeclocycline (DMC), oxytetracycline (OCT), chlortetracycline (CTC), doxytetracycline (DXC), meclocycline (MCC), minocycline (MNC) 순으로 나타났다.
5에 나타내었다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 7종의 tetracycline계 항생물질들은 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 생물분해에 의한 제거율은 모두 증가하였다. 가장 높은 생분해율을 보인 물질은 minocycline으로 EBCT 5분∼30분에서의 제거율이 23%∼61%로 나타났다.
MNC와 TC에 대해 야자계와 석탄계 활성탄에서의 흡착 제거능을 비교한 Fig. 4를 보면 MNC의 경우 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 석탄계 및 야자계 재질의 활성탄에서의 흡착 제거율은 각각 54% ∼ 85% 및 40%∼68%로 나타나 석탄계 재질의 활성탄에서 14%∼17% 정도 높은 흡착 제거율을 나타내었다.
가장 높은 생분해율을 보인 물질은 minocycline으로 EBCT 5분∼30분에서의 제거율이 23%∼61%로 나타났다.
05 (Son 등, 2008)로 보고되어 MNC의 소수도(hydrophobicity)가 가장 높은 것으로 나타났고, TC의 소수도가 가장 낮았다. 그러나 본 연구에서 이들의 흡착 제거능의 경우는 가장 큰 소수성을 가지는 MNC가 활성탄에서의 흡착 제거능은 가장 낮았으며, TC가 가장 높은 흡착 제거능을 보여 tetracycline계 항생물질들의 Log Kow 값은 활성탄에서의 흡착 제거능에 영향을 주지 않는 것으로 나타나 tetracycline계 항생물질들이 공통적으로 가지고 있는 작용기외에 개별 고리에 붙은 산소, 질소 혹은 메틸기의 전기 음성도 등의 반응성 차이가 활성탄의 흡착능에 영향을 미친 것으로 판단된다.
또한, TC의 경우는 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 석탄계 및 야자계 재질의 활성탄에서의 흡착 제거율은 각각 92%∼97% 및 90%∼94%로 나타나 석탄계 재질의 활성탄에서 2%∼3% 정도 높은 흡착 제거율을 나타내어 MNC에 비해 활성탄 재질의 차이에 따른 흡착 제거율의 차이가 많이 감소하였다.
일반적으로 20 Å 이하의 미세세공은 저분자 물질의 흡착에 관여하며(Son 등, 2005), 중간세공의 경우는 tetracycline계 항생물질들과 같은 중·고분자 물질들의 흡착에 관여한다(Son 등, 2010). 또한, Table 2에 나타낸 세공용적(total pore volume) 결과를 보면 석탄계 재질의 활성탄이 0.548 cm3/g으로 야자계 재질의 활성탄 0.495 cm3/g에 비해 10% 정도 높은 결과를 나타내었다. 세공용적의 경우도 활성탄의 흡착능에 많은 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다(Choi 등, 2005)
또한, 가장 낮은 생물분해율을 나타낸 물질은 oxytetracycline과 demeclocycline으로 EBCT 5분∼30분에서의 제거율이 약 1%∼39% 정도로 나타났다.
본 연구에 사용된 7종의 tetracycline계 항생물질들의 분자량은 444∼479의 범위로 큰 차이를 보이지는 않았고, 앞에서도 언급하였듯이 Log Kow 값은 – 1.19∼0.05의 범위로 나타나 친수성 특성이 강한 것으로 평가된다.
또한, TC의 경우는 EBCT가 5분에서 30분으로 증가할수록 석탄계 및 야자계 재질의 활성탄에서의 흡착 제거율은 각각 92%∼97% 및 90%∼94%로 나타나 석탄계 재질의 활성탄에서 2%∼3% 정도 높은 흡착 제거율을 나타내어 MNC에 비해 활성탄 재질의 차이에 따른 흡착 제거율의 차이가 많이 감소하였다. 활성탄 재질의 차이에 따른 MNC와 TC의 흡착 제거율의 차이는 Fig. 1에 나타낸 세공크기 분포도에서 알 수 있듯이 야자계 재질의 활성탄의 경우는 20 Å 이하의 미세세공(micro pore)이 발달한 반면, 석탄계 재질의 활성탄은 50 Å 이상의 중간세공(meso pore)이 발달해 있는 것으로 나타났다. 일반적으로 20 Å 이하의 미세세공은 저분자 물질의 흡착에 관여하며(Son 등, 2005), 중간세공의 경우는 tetracycline계 항생물질들과 같은 중·고분자 물질들의 흡착에 관여한다(Son 등, 2010).
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
항생물질의 과다한 남용은 어떤 결과에 기여하였는가?
인간이 제조하여 사용하는 항생물질은 수십 년 동안 인간, 가축 및 양식어류의 질병 예방과 구제에 이용되어오고 있다. 하지만 인간의 질병예방과 치료 목적으로 항생물질의 과다한 남용과 가축, 양식어류의 질병구제 및 성장촉진 목적으로 사료에 넣어 남용한 결과로 이러한 항생물질은 가정과 병원을 비롯한 도시하수, 축산폐수 및 다양한 경로를 통하여 자연환경으로 유입되어 항생물질 자체의 독성뿐만 아니라 인간과 환경을 위협하는 항생물질에 강한 내성을 가진 병원균들의 출현에 기여하였다(Boxall 등, 2003; CheeSanford 등, 2001; Daughton과 Ternes, 1999; HallingSorensen 등, 1998; Heberer, 2002; Hileman, 2001; Wollenberger 등, 2000).
입상활성탄 흡착 및 biofilter 생물분해 공정에서 tetracycline계 항생물질 7종에 대한 흡착 및 생물분해능을 조사한 결과, 얻을 수 있는 결론은 무엇인가?
1. 입상활성탄 흡착 공정에서 tetracycline계 항생물질들은 EBCT 5분∼30분에서 54%∼97%의 제거율을 나타내었으며, tetracycline이 가장 제거율이 높았으며, 다음으로 demeclocycline, oxytetracycline, chlortetracycline, doxytetracycline, meclocycline, minocycline 순으로 나타났다.
2. 활성탄 재질에 따른 흡착능 평가에서 50 Å 이상의 중간세공들이 발달한 석탄계 재질의 활성탄이 tetracycline계 항생물질들의 흡착 제거에 유리하였다.
3. 안트라사이트 biofilter를 이용한 생물분해 공정에서 tetracycline계 항생물질들은 EBCT 5분∼30분에서 1%∼61% 제거율을 나타내었으며, minocycline 이 가장 높은 생분해율을 나타낸 반면 oxytetracycline 과 demeclocycline이 가장 생분해율이 낮았다.
4. Tetracycline계 항생물질들의 효과적인 제거를 위해서는 흡착 공정과 생물분해 공정을 병행하여 운전하는 것이 효과적일 것으로 나타났다.
안트라사이트 biofilter에는 무엇이 부착되어 있는가?
본 연구에서는 tetracycline계 항생물질 7종에 대해 석탄계 및 야자계 재질의 활성탄을 이용하여 이들의 흡착 특성을 평가하였으며, 또한, 활성이 있는 박테리아들이 부착된 안트라사이트 biofilter를 이용하여 이들의 생물분해능도 함께 평가하여 이들 물질들이 정수처리 공정으로 유입되었을 경우 입상활성탄(granular activated carbon) 공정과 생물활성탄(biological activated carbon) 공정에서의 이들 물질들의 제어를 위한 기초 운영자료로 활용하고자 하였다.
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