본 연구는 기존 기초 연구를 통해 효과가 확인된 '광에너지유도 활성산소'를 이용하여 세척용수를 소독할 수 있는 신개념의 순환형 물 소독 시스템에 대해 실증하는 것이다. 다양한 형태의 감광제 이용 광유도 ROS 발생장치를 이용하여 여러 종류의 병원성 세균을 1시간안에 3 log CFU/mL 이상의 밀도를 감소시키는 조건을 탐구하였다. PS-bead이용 광유도 ROS 발생장치의 밀도 감소 효과에 미치는 주요 요인을 분석한 결과, 세균의 종류에 따라 ROS에 대한 밀도 감소효과가 서로 상이 하였다. B. cereus와 P. carotovorum subsp. carotovorum에 대한 밀도 감소효과는 높았으나 대장균 등 식중독 세균들에 대한 밀도 감소 효과는 상대적으로 낮았다. 순환형 물 소독시스템에서 유속은 유속이 빨라질 수록, 초기 세균밀도가 낮을수록 밀도 감소효과가 증가하는 경향을 보였다. bead의 양이 증가함에 따라 밀도 감소 효과는 일부 대상세균에서 지수적으로 증가함을 알 수 있었다. 싱글 유닛 두 개를 연결한 더블원통유닛3280은 B. cereus 나 P. carotovorum subsp. carotovorum에 대한 실험에서 30 분 안에 약 3 log CFU/mL 이상의 균을 완전히 살균할 수 있었다.
본 연구는 기존 기초 연구를 통해 효과가 확인된 '광에너지유도 활성산소'를 이용하여 세척용수를 소독할 수 있는 신개념의 순환형 물 소독 시스템에 대해 실증하는 것이다. 다양한 형태의 감광제 이용 광유도 ROS 발생장치를 이용하여 여러 종류의 병원성 세균을 1시간안에 3 log CFU/mL 이상의 밀도를 감소시키는 조건을 탐구하였다. PS-bead이용 광유도 ROS 발생장치의 밀도 감소 효과에 미치는 주요 요인을 분석한 결과, 세균의 종류에 따라 ROS에 대한 밀도 감소효과가 서로 상이 하였다. B. cereus와 P. carotovorum subsp. carotovorum에 대한 밀도 감소효과는 높았으나 대장균 등 식중독 세균들에 대한 밀도 감소 효과는 상대적으로 낮았다. 순환형 물 소독시스템에서 유속은 유속이 빨라질 수록, 초기 세균밀도가 낮을수록 밀도 감소효과가 증가하는 경향을 보였다. bead의 양이 증가함에 따라 밀도 감소 효과는 일부 대상세균에서 지수적으로 증가함을 알 수 있었다. 싱글 유닛 두 개를 연결한 더블원통유닛3280은 B. cereus 나 P. carotovorum subsp. carotovorum에 대한 실험에서 30 분 안에 약 3 log CFU/mL 이상의 균을 완전히 살균할 수 있었다.
As the consumption of fresh fruits and vegetables increases, food poisoning caused by foodborne pathogen contamination is not decreasing. To prevent the contamination of produce, a quick and easy, low-cost, environmentally-safe disinfection method that does not affect produce freshness or quality is...
As the consumption of fresh fruits and vegetables increases, food poisoning caused by foodborne pathogen contamination is not decreasing. To prevent the contamination of produce, a quick and easy, low-cost, environmentally-safe disinfection method that does not affect produce freshness or quality is needed. This study demonstrates a new-concept, circulating-water disinfection system that purifies water by using newly developed 'LED-PS (photosensitizer)-induced ROS generation unit'. Using various types of LED-PS induced ROS generation units, we investigated the conditions for reducing the density of various pathogenic bacteria by more than 3 log CFU / mL in 1 hour. The major operational factors affecting the density reduction of the LED-PS-induced ROS generation unit were analyzed. Depending on bacteria species, the density reduction rate was varied. The effect of the units on reducing the density of Bacillus cereus and Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum was high, but the effect on foodborne bacteria such as Escherichia coli was relatively low. In this circulating water disinfection system, the density reduction effect tended to increase as the flow rate increased and the initial bacterial density decreased. As the amount of PS absorbed beads increased, the density reduction effect increased exponentially in some bacteria. Model 3280, a double cylindrical unit connecting two single cylindrical units, could completely sterilize more than 3 log CFU/mL of B. cereus and P. carotovorum subsp. carotovorum in 30 minutes of LED irradiation.
As the consumption of fresh fruits and vegetables increases, food poisoning caused by foodborne pathogen contamination is not decreasing. To prevent the contamination of produce, a quick and easy, low-cost, environmentally-safe disinfection method that does not affect produce freshness or quality is needed. This study demonstrates a new-concept, circulating-water disinfection system that purifies water by using newly developed 'LED-PS (photosensitizer)-induced ROS generation unit'. Using various types of LED-PS induced ROS generation units, we investigated the conditions for reducing the density of various pathogenic bacteria by more than 3 log CFU / mL in 1 hour. The major operational factors affecting the density reduction of the LED-PS-induced ROS generation unit were analyzed. Depending on bacteria species, the density reduction rate was varied. The effect of the units on reducing the density of Bacillus cereus and Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum was high, but the effect on foodborne bacteria such as Escherichia coli was relatively low. In this circulating water disinfection system, the density reduction effect tended to increase as the flow rate increased and the initial bacterial density decreased. As the amount of PS absorbed beads increased, the density reduction effect increased exponentially in some bacteria. Model 3280, a double cylindrical unit connecting two single cylindrical units, could completely sterilize more than 3 log CFU/mL of B. cereus and P. carotovorum subsp. carotovorum in 30 minutes of LED irradiation.
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문제 정의
농업현장에서 광유도 감광제를 이용한 ROS 발생장치를 실용적으로 활용하기 위해서는 농업용수나 세척용수에 오염된 총 세균수, 식중독 세균의 밀도 감소효과와 살균효과 제고를 위한 유속, 살균효과가 있는 세균밀도 등 제반 조건을 구명하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구는 5종 이상의 식중독 세균을 선발하여 세척용수에 접종된 식중독 세균을 대상으로 기 개발된 광유도 감광제 기반 ROS 발생장치의 밀도 감소 효과를 구명하고 식중독 세균의 초기 밀도, 유속 등 감소효과에 영향을 주는 요인을 검정하여 농업현장에서 세척용수 중에 오염된 미생물의 밀도 감소효과를 실증하여 간편하고 저렴하게 세척용수를 비롯한 농업용수 소독방법을 개발하고자 하였다.
제안 방법
‘3 log CFU/mL 밀도 감소에 걸리는 시간’은 ‘시간(min)당 밀도 감소’ 효과와 반대로 초기 접종 밀도가 높을수록 짧아지는 경향이었으며, 초기 접종 밀도를 균일하게 하는 것이 필요하였으나 실제 실험에서는 초기 접종 밀도를 항상 일정하게 조정할 수 없어 두 가지 지표를 종합적으로 비교하여 살균효과를 보다 객관적으로 판단하였다.
7 mW/cm2 이었으며, 모든 실험은 최고 조도에서 수행하였다. 15 L 수조에 10 L의 세척용수를 사용하였으며 유속은 목적에 따라 5-34 mL/s 에서 세균 밀도 감소효과를 조사하였다.
일중항 산소의 생성은 spectrophotometer(410 nm)에서 초기 흡광도(OD)대비 시간경과에 따른 흡광도 감소와 비례하는 원리를 이용하여 ROS의 생성량을 측정하였다. DPBF 용액은 에탄올 500 mL에 DPBF 11 mg을 녹여 0.08 mM 용액을 제조하여 OD410nm = 0.8임을 확인한 다음, 작은 그린 고정 유닛을 이용하며, 50 mL conical tube에 15 mL working solution과 감광제를 코팅한 bead (50개)를 넣은 후 불을 키고 10 min, 30 min에서 각각 OD410 nm를 측정하여 ROS 생성 여부를 확인하였다.
ROS 발생장치의 유속을 10 mL/s으로 고정하고 밀도를 달리하여 세균을 물 (10 L)에 접종한 후 세균에 대한 살균 효과에 미치는 영향을 완전 살균에 소요된 시간, 시간 당 밀도 감소율을 조사하였다(Table 3).
carotovorum subsp. carotovorum P1, 그리고 E. coli ATCC 25922에 대한 시간(min) 당 밀도 감소율(log CFU/mL/min)을 비교하였다.
carotovorum subsp. carotovorum, B. cereus, 그리고 E. coli 각각 단일균을 대상으로 사각유닛1164와 원통유닛1640의 밀도 감소 효과를 비교하였다. 광 조사 시간(min)당 밀도 감소 효과는 P.
carotovorum subsp. carotovorum과 B. cereus 를 대상으로 유속의 변화에 따른 세균의 밀도감소효과를 조사하였다(Table 2).
광유도 ROS 발생장치의 식중독 세균의 살균 효과는 식중독 세균 5종과 신선 채소 부패세균 1종, 그리고 위생지표 세균인 대장균을 수중에 log 3-4 CFU/mL 밀도로 접종하여 수중모터를 이용하여 ROS 발생장치를 통과하도록 순환시켰다. 시간경과에 따른 15분 간격으로 120분까지 시간경과에 따른 물 1 mL당 세균 수를 조사하였다.
cereus 균은 그람 양성 세균에 속한 식중독 세균을 대표한다고 할 수 있다. 그러므로 시험에 사용한 두 세균의 ROS에 대한 불활성화 특성을 종합적으로 고려하여 적정 유속을 20 mL/sec 로 정하여 다른 식중독 세균에 대한 밀도 감소 효과 시험에 적용하였다.
세균 계수는 식품공전 방법에 의해 실시하였다9). 대상세균만을 검출할 수 있는 선택배지에 도말하여 24시간 배양한 후 전형적인 집락 (Bacillus cereus; MYP Agar, 분홍색 집락, Staphylococcus aureus; Baird-Parker Agar, 볼록한 흑색집락, Salmonella spp.; XLD agar, 흑색 중심의 적색집락, E. coli; Eosin Methylene Blue Agar, 녹색 금속광택, Listeria monocytogenes; Oxford Agar, 흑색 집락, Pectobacterium spp.; Tryptic Soy Agar, 크림색 집락)을 계수하였다.
각각의 대상 세균을 TSB(Tryptic Soy Broth)에 접종하여 37℃에서 24시간 진탕 배양한 후 새로운 TSB배지에 16시간 2차 진탕 배양하였다. 배양액은 살균증류수로 1/2 희석 시리즈를 만들어 분광광도계를 이용하여 흡광도(OD600=1.0)를 측정한 후 세균 밀도를 조정하여 사용하였다.
본 연구에 사용한 3가지 유닛의 살균효과를 ‘시간(min)당 밀도 감소’효과와 함께 ‘3 log CFU/mL 의 밀도 감소에 걸리는 시간’을 지표로 사용하여 비교하였다.
광유도 ROS 발생장치의 식중독 세균의 살균 효과는 식중독 세균 5종과 신선 채소 부패세균 1종, 그리고 위생지표 세균인 대장균을 수중에 log 3-4 CFU/mL 밀도로 접종하여 수중모터를 이용하여 ROS 발생장치를 통과하도록 순환시켰다. 시간경과에 따른 15분 간격으로 120분까지 시간경과에 따른 물 1 mL당 세균 수를 조사하였다. 세균 계수는 식품공전 방법에 의해 실시하였다9).
1,3-Diphenyliosobensofuran(DPBF)는 연노랑색을 띠고 있으며 일중항 산소에 의해 분해가 되며 탈색된다. 일중항 산소의 생성은 spectrophotometer(410 nm)에서 초기 흡광도(OD)대비 시간경과에 따른 흡광도 감소와 비례하는 원리를 이용하여 ROS의 생성량을 측정하였다. DPBF 용액은 에탄올 500 mL에 DPBF 11 mg을 녹여 0.
황녹색의 1,3-Diphenyliosobensofuran(DPBF) 용액에 제조한 감광제를 흡착시킨 bead를 넣은 후 녹색광을 내는 소형사각 LED 광원장치(조도 23.44 mW/cm2)로 조사한 후 시간경과에 따라 spectrophotometer (410 nm)로 흡광도를 측정함으로써 실제 ROS를 생성하는지 확인하였다. 조사시간에 따른 흡광도는 광 조사후 10분까지 흡광도가 감소함을 알 수 있었다(Fig.
대상 데이터
1개의 유수형 원통유닛이며 5 L 이상의 용량의 농업용수를 살균할 수 있고 원통형 투명 용기 (크기: 115 cm(l) × 4.5 cm (d), 전체 부피 1,828 mL, bead 사용 부피 1640 mL, bead 무게 940 g)에 들어 있는 bead를 방사형으로 조사하도록 6개의 백색광의 LED가 부착된 커버로 구성하였다(Fig. 1).
감광제는 410 nm의 광조사시 최대 흡광을 보이며 일중항 산소(singlet oxygen)를 가장 많이 생성하는 것으로 알려진 H2tetraphenylporpyrin (H2TPP; Sigma, St. Louis, MO, USA)을 사용하였다.
이러한 결과는 세균의 종류에 따라 ROS에 대한 반응이 달라질 수 있다는 것을 의미한다. 시험에 사용한 Pectobacterium 속 세균은 그람 음성균으로 Enterobacteriaceae (장내세균과)에 속한다. 또한 B.
유수형 원통유닛 (크기: 115 cm (l) × 4.5 cm (d), 전체 부피 1,828 mL, bead 사용 부피 1640 mL) 2개를 직렬로 연결한 것으로 전체 부피 3656 mL, bead 사용 부피 3280 mL)이며 실제로는 2870 mL 의 PS-bead를 충진하여 실험하였다.
이론/모형
시간경과에 따른 15분 간격으로 120분까지 시간경과에 따른 물 1 mL당 세균 수를 조사하였다. 세균 계수는 식품공전 방법에 의해 실시하였다9). 대상세균만을 검출할 수 있는 선택배지에 도말하여 24시간 배양한 후 전형적인 집락 (Bacillus cereus; MYP Agar, 분홍색 집락, Staphylococcus aureus; Baird-Parker Agar, 볼록한 흑색집락, Salmonella spp.
일중항 산소(singlet oxygen)의 발생량 측정법으로 ROS의 생성량을 측정하였다6). 1,3-Diphenyliosobensofuran(DPBF)는 연노랑색을 띠고 있으며 일중항 산소에 의해 분해가 되며 탈색된다.
성능/효과
B. cereus B87는 더블원통유닛3280에서 가장 높은 시간(min) 당 약 0.128 log CFU/mL 밀도 감소 효과를 보였으며, 원통유닛1640, 사각유닛1164 순으로 밀도 감소 효과가 높았다. 이러한 효과는 원통유닛1640에 비해 시간(min)당 밀도감소효과가 약 3.
L. monocytogenes ATCC19113은 그램 양성균으로 다른 그램 양성균에 비해 상대적으로 낮은 ROS에 대한 민감도를 보였다. PS-bead의 양이 1.
ROS (일중항 산소)에 대한 감수성이 균에 따라 다르지만 기본적으로 bead의 양을 늘리거나 접촉 시간을 늘려주는 방법에 의해 대부분 살균 효과의 제고가 가능함을 알 수 있었다.
S. aureus A1은 그람 양성균으로 사각유닛1164와 더블원통유닛3280의 시간(min) 당 밀도 감소와 3 log CFU/mL 밀도 감소에 소요되는 시간(min)은 각각 0.01과 0.034 log CFU/mL/min, 33.8과 9.6 분으로 더블원통유닛3280의 시간(min) 당 밀도감소효과가 사각유닛1164에 비해 약 3.4배 증가하였으며, 3 log CFU/mL 밀도 감소에 소요되는 시간(min) 또한 크게 단축되었다.
carotovorum subsp. carotovorum, 그리고 E. coli ATCC 25922 에 대한 시간(min) 당 평균 밀도 감소율이 각각 0.128, 0.058, 0.045 log CFU/mL/min 로 밀도 감소 효과가 월등히 높았다. 원통유닛1640의 시간(min) 당 평균 밀도 감소율을 1로 보았을 때, 싱글유닛 두 개가 합쳐진 더블원통유닛3280에 의한 살균 효율은 각각 3.
두 세균 모두 ROS 발생장치의 밀도감소효과는 초기 세균 밀도가 증가함에 따라 완전히 살균하는데 소요된 시간이 길어지고 분 (min) 당 밀도감소율이 낮아지는 경향을 보였다. P.
본 연구에서 그람 양성균은 감광제를 이용한 ROS에 대해 그람 음성균에 비해 효과적으로 불활성화 됨을 알 수 있었다. 그람 양성균은 세포막 외부에 두꺼운 펩티도그리칸 층이 있으나 상대적으로 다공질이어서 투과장벽으로서의 역할을 하지 못하여 광유도 감광제에 의해 생성된 활성산소를 쉽게 흡수하여 세포막과 상호작용을 통해 막으로서의 기능을 상실하는 것으로 알려져 있다.
은 수중에 존재하는 세균의 종류와 밀도가 높은 경우, 발생된 일중항 산소 (singlet oxygen)와 같은 ROS가 세균 유래 유기물과 반응하여 살균효과가 감소한다고보고하였다. 본 연구에서 초기 세균 밀도가 log 3 CFU/mL 수준으로 접종을 했을 때 광 조사 후 약 45분에 멸균이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
coli 균주나 다른 균에 비해 ROS에 대해 비교적 감수성이 낮았다. 사각유닛1164를 이용한 4회의 실험에서 2회는 균의 밀도 감소가 없었으며 위의 결과는 밀도 감소 효과를 보인 2회의 실험결과를 종합하였다. 사각유닛1164에서 밀도 감소효과가 비교적 낮았으나 더블원통유닛3280에서는 시간(min) 당 0.
수중에 접종된 식중독병원세균에 대한 LED-PS에 의해 유도된 ROS 발생장치 (더블 원통유닛 3280)의 살균효과를 조사한 결과, 세균 종류별 시간경과에 따른 밀도 감소 정도가 다양하였다(Fig. 3). Pectobacterium carotovorum subsp.
실험실에 분리 동정 보관중인 식중독 세균과 식물 부패세균 중에서 신선 채소류에서 문제가 되거나 문제가 될 수 있는 식물 부패균 1종과 식중독균 6 종을 선발 하여 ROS 처리에 따른 각 균의 밀도 감소 효과를 확인하였다(Table 1).
여러 번 제작한 감광제 흡착 bead를 조사한 결과 1년전에 제조한 bead 1과 최근에 새로 만든 bead 2 모두 비슷한 양의 ROS를 생성함을 확인할 수 있었다.
원통유닛1640과 더블 유닛의 bead량의 증가 비율은 1.75배이며, 살균 효율이 산술적으로 증가 된다고 봤을 때 살균 효율은 1.75 배 증가 하여야 하나 실제는 3.4-8.1배 증가하였다. 이러한 결과는 bead의 양이 증가함에 따라 밀도 감소 효과는 일부 대상세균에서 지수적으로 증가함을 알 수 있었다.
045 log CFU/mL/min 로 밀도 감소 효과가 월등히 높았다. 원통유닛1640의 시간(min) 당 평균 밀도 감소율을 1로 보았을 때, 싱글유닛 두 개가 합쳐진 더블원통유닛3280에 의한 살균 효율은 각각 3.4배, 3.9배, 8.1배 증가하였다.
1배 증가하였다. 이러한 결과는 bead의 양이 증가함에 따라 밀도 감소 효과는 일부 대상세균에서 지수적으로 증가함을 알 수 있었다.
44 mW/cm2)로 조사한 후 시간경과에 따라 spectrophotometer (410 nm)로 흡광도를 측정함으로써 실제 ROS를 생성하는지 확인하였다. 조사시간에 따른 흡광도는 광 조사후 10분까지 흡광도가 감소함을 알 수 있었다(Fig. 2). 흡광도의 감소는 DPBF (0.
지금까지의 결과를 종합하면 적정 파장의 LED 사용, 적정 유속, 2-4개의 다중 유닛을 조합이면 ‘1회 순환’로 다양한 균에 대한 충분한 밀도 감소효과를 얻을 수 있을 것이다.
후속연구
싱글유닛을 여러 개 직열로 연결하면 밀도 감소 효율이 높아져서 1회 순환으로 완전 살균이 가능한 유닛을 디자인 할 수 있을 것이다. 실제 유닛 수의 증가에 따른 밀도감소 효과는 지수적으로 증가한다는 결과로 볼 때, 실제 더 적은 수의 멀티 유닛이 필요할 수 있을 것이다. 지금까지의 결과를 종합하면 적정 파장의 LED 사용, 적정 유속, 2-4개의 다중 유닛을 조합이면 ‘1회 순환’로 다양한 균에 대한 충분한 밀도 감소효과를 얻을 수 있을 것이다.
6분 소요되었다. 이러한 정도의 시간(min) 당 밀도 감소 효과라면 저장된 농업용수의 살균 뿐만 아니라 지하수를 끌어 올리는 배관에 ROS 발생장치를 직접 연결하여오염된 미생물의 살균에 실용적으로 이용할 수 있을 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신선채소류에 오염된 식중독세균의 제어를 위하여 사용되는 방법은?
신선채소류에 오염된 식중독세균의 제어를 위하여 오존살균법 또는 염소 소독법 등이 가장 많이 사용되고 있으나, 살균 효과의 미흡, 처리비용의 부담, 추가적 환경오염 및 상품성 저하 등의 한계점이 있다2). 따라서 신선 농산물의 품질 변화와 추가적 환경오염이 발생되지 않으면서 비용부담이 적은 신속 간편한 소독 기술이 요구되고 있다.
오존살균법 또는 염소 소독법의 한계점은?
신선채소류에 오염된 식중독세균의 제어를 위하여 오존살균법 또는 염소 소독법 등이 가장 많이 사용되고 있으나, 살균 효과의 미흡, 처리비용의 부담, 추가적 환경오염 및 상품성 저하 등의 한계점이 있다2). 따라서 신선 농산물의 품질 변화와 추가적 환경오염이 발생되지 않으면서 비용부담이 적은 신속 간편한 소독 기술이 요구되고 있다.
순환형 물 소독 시스템에서 유속이 빨라질수록, 초기 세균밀도가 낮을수록 밀도 감소효과는 어떤 경향을 보이는가?
carotovorum에 대한 밀도 감소효과는 높았으나 대장균 등 식중독 세균들에 대한 밀도 감소 효과는 상대적으로 낮았다. 순환형 물 소독시스템에서 유속은 유속이 빨라질 수록, 초기 세균밀도가 낮을수록 밀도 감소효과가 증가하는 경향을 보였다. bead의 양이 증가함에 따라 밀도 감소 효과는 일부 대상세균에서 지수적으로 증가함을 알 수 있었다.
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