[논문]UV-C 조사에 의한 음용수 살균 시스템의 미생물 저해 효과

김현중; 김윤재; 서세영; 이창주

doi:10.9721/kjfst.2021.53.2.218

UV-C 조사에 의한 음용수 살균 시스템의 미생물 저해 효과
Effect of UV-C irradiation for bacterial disinfection of drinking water 원문보기

한국식품과학회지 = Korean journal of food science and technology, v.53 no.2, 2021년, pp.218 - 222

김현중 (목포대학교 식품공학과) , 김윤재 (목포대학교 식품공학과) , 서세영 (목포대학교 식품공학과) , 이창주 (원광대학교 식품생명공학과)

초록
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본 연구는 그람 음성균과 양성균인 E. coli와 L. monocytogenes를 인위적으로 오염시킨 음용수를 대상으로 UV-C 정수기의 살균 가능성과 미생물의 생육 저해에 따른 형태학적 특성을 조사하였다. UV-C를 이용한 음용수 살균 능력은 그람 음성균 E. coli와 양성균 L. monocytogenes의 저농도부터 고농도(E. coli 3.2×103-3.2×107 CFU/2.8 L; L. monocytogenes 8.4×103-8.4×107 CFU/2.8 L) 세균 모두의 생육을 저해할 수 있는 효과가 나타났다. 따라서 UV를 이용한 음용수 살균은 유속 3.4 L/min에서 UV-C 파장 254 nm, 조사선량 40 mJ/㎠로 조사할 경우 E. coli 3.2×107 CFU/2.8 L와 L. monocytogenes 8.4×107 CFU/2.8 L 이하 농도의 오염된 음용수의 살균이 가능한 것으로 나타났다. 정수기에 UV-C 살균장치를 추가하는 것이 물의 미생물 안전성에 효율적이라고 사료되며, 이 연구결과는 UV살균 장치 활용의 기초자료로 제공되어 향후 연구 수행에 도움을 줄 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to investigate bacterial disinfection in drinking water using a water purifier. Water artificially inoculated with Escherichia coli and Listeria monocytogenes at various concentrations was irradiated using ultraviolet (UV)-C at a rate of 3.4 L/min in a water purifier, and the disinfection effects of UV-C were evaluated. Both E. coli and L. monocytogenes were disinfected up to 107 colony-forming units (CFU)/2.8 L by the UV-C irradiation. Additionally, morphological study using fluorescence microscopy in conjunction with live/dead staining revealed that both the bacteria species were disinfected by the UV-C irradiation. Therefore, UV-C in water purifiers can effectively kill high concentrations of bacteria in distilled water. UV irradiation (UV-C: 254 nm wavelength, irradiation dose: 40 mJ/㎠) at a flow rate of 3.4 L/min on drinking water has the potential to sterilize bacteria-contaminated drinking water, at least for 3.2×107 CFU/2.8 L of E. coli and 8.4×107 CFU/2.8 L of L. monocytogenes.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Culture images of filtered membranes on MacConkey agar from 4 liter of distilled water inoculated by various concentrations of Escherichia coli ATCC 8739. Panel (A): Control water samples. Panel (B): UV-treated water samples using water purifier.
그림 Fig. 2. Culture images of filtered membranes on modified Oxford medium agar from 4 liter of distilled water inoculated by various concentrations of Listeria monocytogenes KCTC 13064. Panel (A): Control water samples. Panel (B): UV-treated water samples using water purifier.
그림 Fig. 3. Fluorescence microscopic images with LIVE/DEAD staining of Escherichia coli ATCC 8739 and Listeria monocytogenes KCTC 13064.
표 Table 1. Injected bacterial concentration in water samples through the water purifier with/without UV-C irradiation condition and the numbers of survived bacteria (CFU) on selective medium after water-purifier were counted

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 물을 먹기 직전에 살균하는 것이 미생물로부터 효율적으로 안전을 보장받을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 UV-C 영역의 254nm 파장을 발광하는 UV를 정수기에 적용하여 그람 음성 세균 Escherichia coli와 그람 양성 세균 Listeria monocytogenes의 투입 농도에 따른 미생물 생육 저해 효과에 대해 연구하였다.
본 연구는 그람 음성균과 양성균인 E. coli와 L. monocytogenes 를 인위적으로 오염시킨 음용수를 대상으로 UV-C 정수기의 살 균 가능성과 미생물의 생육 저해에 따른 형태학적 특성을 조사 하였다. UV-C를 이용한 음용수 살균 능력은 그람 음성균 E.

제안 방법

4초로 물이 흐르는 동안만 UV-C가 조사되도록 하였다. UV 정수 장치 는 2.8 L의 용량의 원통 내부에 UV램프를 수직으로 결합하고, 입 ·출수관을 제외하고 밀봉이 되도록 하였다. 증류수는 유입펌프 (22R-3005, KOTEC, USA)를 이용하여 3.
UV 정수기에 의한 살균작용을 확인하기 위하여 고농도의 그 람 양성과 음성 세균(E. coli 3.2×107 CFU/2.8 L; L. monocytogenes 8.4×107 CFU/2.8 L)을 UV 조사한 뒤, LIVE/DEAD® BacLightTM Bacterial Viability Kit로 염색하여 세균의 생존/사멸을 형광현미경을 이용하여 관찰하였다. 살아있는 세균은 SYTO9 형 광 염색 시약에 의하여 초록의 형광을 나타내며 사멸한 세균(또는 세포벽이 손상된 세균)은 propidium iodide 형광 염색 시약에 의하여 빨간색의 형광이 나타난다.
UV-C 조사 정수 장치에 의한 세균(E. coli, L. monocytogenes) 의 사멸을 확인하기 위하여 형광현미경(NIB410-FL, Nexcope, Ningbo, China)과 LIVE/DEAD® BacLightTM Bacterial Viability Kit (L-13152, Invitrogen/Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)를 이용하여 관찰하였다. UV-C 조사한 107 CFU/mL의 균을 멤브레인 필터에 포집하고, 포집한 멤브레인 필터를 5 mL의 PBS 용액이 들어있는 50 mL의 conical tube에 넣고 5분간 혼합시켜 멤 브레인 필터에서 균들을 분리하였다.
monocytogenes KCTC 13064를 사용하였다. 각 미생물의 배 양은 Tryptic Soy Agar (TSA, Cat. No. 236950, BD)와 Brain Heart Infusion Agar (BHI agar, Cat. No. 211065, BD)에서 배양 한 뒤, colony를 Tryptic Soy Broth (TSB, Cat. No. 211825, BD) 또는 Brain Heart Infusion (BHI, Cat. No. 211059, BD) 액 체배지 5 mL에 접종하여 진탕배양기(shaking incubator, 37o C, 200 rpm)에서 12-16시간 배양하여 실험에 사용하였다. 각각의 UVC를 조사한 균은 선택배지를 사용하여 정치배양기 37o C에서 24시간 배양하였으며 E.
5로 맞춘 뒤, 10배씩 PBS 용액에 희석하였다. 각각의 균 10 , 10 , 10 , 10 CFU/mL를 3차 살균 증류수가 3.4L/min의 유속으로 흐르는 정수기에 주입하였다. 정수기 장치의 UV를 통과한 시료와 UV 장치를 통과하지 않은 대조구 시료 각각 4L를 멤브레인 필터(membrane disc filter, PES membrane, pore size: 0.
배양한 E. coli와 L. monocytogenes는 희석도말법(10-fold serial dilution)을 이용하여 10배씩 희석한 뒤, TSA, MacConkey agar, BHI agar, Oxford agar에 도말하여 각 배지에서 배양되는 colony 의 수를 확인하여 각 세균의 O.D.A600nm값과 CFU (colony forming unit)/mL의 상관관계를 확인하였다. 희석도말법으로 배양한 각 균 주의 CFU 결과에 따라 O.
UV-C 조사한 107 CFU/mL의 균을 멤브레인 필터에 포집하고, 포집한 멤브레인 필터를 5 mL의 PBS 용액이 들어있는 50 mL의 conical tube에 넣고 5분간 혼합시켜 멤 브레인 필터에서 균들을 분리하였다. 분리한 균을 LIVE/DEAD® BacLightTM Bacterial staining mixture로 염색하여 형광현미경으로 세균의 사멸과 형태학적 특징을 관찰하였으며, IMT iSolution Lite 프로그램(IMT i-solution Inc., Burnarby, BC, Canada)을 통하여 이 미지를 수집하였다.
, New York, USA)에 여과 시켜 세균을 포집 하였다. 여과시킨 membrane disc filter를 각각의 선택배지(MacConkey Agar, modified Oxford medium agar) 표면에 밀착시켜 37 C 배양기에서 24시간 동안 배양한 뒤, 생성된 colony 수를 계산하여 UV에 의한 각 세균의 생장 억제 능력을 확인하였다.
8 L의 용량의 원통 내부에 UV램프를 수직으로 결합하고, 입 ·출수관을 제외하고 밀봉이 되도록 하였다. 증류수는 유입펌프 (22R-3005, KOTEC, USA)를 이용하여 3.4 L/min 유량이 되도록 유량조절기로 조절하고, 디지털유량측정기(FLM-3, HM Digital Inc., Manhattan, CA, USA)로 유량과 유속을 확인하였다. 미생물 주입은 3-way val.

대상 데이터

본 연구에서 그람 음성균은 E. coli ATCC 8739, 그람 양성균 은 L. monocytogenes KCTC 13064를 사용하였다. 각 미생물의 배 양은 Tryptic Soy Agar (TSA, Cat.
UV-C램프는 수은 램프로 파 장 254 nm, 조사선량은 40 mJ/cm2 이며, 직경은 12 mm, 높이가 195 mm으로 2개의 관이 연결되어 있다. 석영관은 UV램프를 보 호하는 관으로서 직경 30 mm, 높이가 200 mm로 UV램프를 내부 에 부착시켜 사용하였으며, 스테인리스관(직경 50 mm, 높이 200 mm)을 UV램프 외부에 설치하여 아래에서 위로 물이 통과하여 외부로 방출되도록 하였다. 실제로 UV-C가 조사되는 영역은 스 테인리스관 크기와 같으며, 물이 관을 통과하는 시간은 4.

성능/효과

살아있는 세균은 SYTO9 형 광 염색 시약에 의하여 초록의 형광을 나타내며 사멸한 세균(또는 세포벽이 손상된 세균)은 propidium iodide 형광 염색 시약에 의하여 빨간색의 형광이 나타난다. E. coli와 L. monocytogenes는 UV를 조사하지 않은 경우, 대부분의 세균들이 생존(녹색, Fig. 3의 control)한 것으로 확인하였다. 반면 UV를 조사한 고농도의 E.
monocytogenes 를 인위적으로 오염시킨 음용수를 대상으로 UV-C 정수기의 살 균 가능성과 미생물의 생육 저해에 따른 형태학적 특성을 조사 하였다. UV-C를 이용한 음용수 살균 능력은 그람 음성균 E. coli 와 양성균 L. monocytogenes의 저농도부터 고농도(E. coli 3.2×103 -3.2×107 CFU/2.8 L; L. monocytogenes 8.4×103 -8.4×107 CFU/2.8 L) 세균 모두의 생육을 저해할 수 있는 효과가 나타났다. 따라서 UV를 이용한 음용수 살균은 유속 3.
2, Panel B; Table 1). 결과적으로 UV 정수기의 살균 능력은 유속 3.4 L/min일때 3.2×107 CFU/2.8 L 농도의 E. coli와 8.4×107 CFU/2.8 L 농도의 L. monocytogenes 각각을 사멸할 수 있는 능 력이 있는 것으로 사료된다.
자외선을 미생물에 조사하면 미생물의 DNA를 직접 파괴하거나 DNA를 구성하는 pyrimidine (cytosine, C; thymine, T)에 작용하여, pyrimidine이 위치한 DNA의 이중나선구조가 상실되며 인접한 pyrimidine간 화학적 결합에 따라 pyrimidine dimer를 형성하여 균이 사멸되는 것으로 알려져 있다(Goto 등, 2015; Sizer와 Balasubramaniam, 1999; Yokoyama와 Mizutani, 2014). 결과적으로 자외선 조사는 미생물 DNA의 물리적, 화학적 구조 특성을 상실하게 만들며, 생장을 위한 대사산물 생성을 억제시키고 DNA를 증폭하지 못하게 하여 결국 사멸에 이르게 한다. 일반적으로 물과 식품의 표면 살균을 위해 UV-C를 사용하고 있으며, UV-A와 UV-B는 건조 표면살균에 효과적이다.
8 L) 세균 모두의 생육을 저해할 수 있는 효과가 나타났다. 따라서 UV를 이용한 음용수 살균은 유속 3.4 L/min에서 UVC 파장 254 nm, 조사선량 40 mJ/cm2 로 조사할 경우 E. coli 3.2×107 CFU/2.8 L와 L. monocytogenes 8.4×107 CFU/2.8 L 이하 농도의 오염된 음용수의 살균이 가능한 것으로 나타났다. 정 수기에 UV-C 살균장치를 추가하는 것이 물의 미생물 안전성에 효율적이라고 사료되며, 이 연구결과는 UV살균 장치 활용의 기 초자료로 제공되어 향후 연구 수행에 도움을 줄 수 있을 것이다.
2, Panel A; Table 1). 반면, UV를 조사한 경우(8.4×103 -8.4×107 CFU 샘플)에서 colony 가 자라지 않는 결과를 나타내어 UV에 의하여 L. monocytogenes 의 성장이 저해되거나 사멸되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 2, Panel B; Table 1). 결과적으로 UV 정수기의 살균 능력은 유속 3.
세균의 구조에 따른 UV에 대한 내성은 일반적으로 그람 음성균보다 세포벽이 두터운 그람 양성균이 높은 것(Chai, 2018)으로 알려져 있다. 본 연구의 형광 현미경 관찰 결과에서도 E. coli는 대다수 사멸한 반면 L. monocyto- genes의 경우 상대적으로 살아있는 균이 많이 나타나(Fig. 3) 그람 양성균이 UV-C에 내성이 높은 것으로 추정할 수 있었다.
1, 2, Table 1)에서는 미생물의 성장이 억제되는 결과가 나타났다. 형광 현미경 관찰 결과가 미생물 최종 생육 결과와 일치하치 않는 이유는 UV 조사로 인하여 미생물의 DNA가붕괴되더라도 세포벽이 붕괴되어지지 않으면 세포벽에 녹색의 형광 염색 시약이 염색되는데 현미경 관찰은 UV 조사 후에 바로 염색하여 세포벽이 붕괴되지 않은 것으로 사료된다. 따라서 Fig.
A600nm값과 CFU (colony forming unit)/mL의 상관관계를 확인하였다. 희석도말법으로 배양한 각 균 주의 CFU 결과에 따라 O.D.A600 nm=0.5로 조절한 E. coli 용액은 TSA 배지에서 약 2.5×108 CFU/mL (MacConkey Agar의 경우, 약 3.2×108 CFU/mL)로 배양하는 것을 확인하였으며 L. monocytogenes의 경우 O.D.A600nm=0.5로 조절했을 때, BHI 배지에서 약 8.5×108 CFU/mL (Oxford Agar의 경우, 약 8.4×108 CFU/mL)로 배양되는 것을 확인하였다.

후속연구

8 L 이하 농도의 오염된 음용수의 살균이 가능한 것으로 나타났다. 정 수기에 UV-C 살균장치를 추가하는 것이 물의 미생물 안전성에 효율적이라고 사료되며, 이 연구결과는 UV살균 장치 활용의 기 초자료로 제공되어 향후 연구 수행에 도움을 줄 수 있을 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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