초록 ▼

개발 목적 및 필요성
항생제 내성 미생물들이 검출될 수 있는 다양한 환경 조건에서 비교적 간단한 항생제 내성 미생물의 모니터링 database를 구축하고, 인간환경 또는 자연환경에 문제가 될 수 있는 항생제 내성 미생물과 항생제 내성 유전자를 제어하기 위해 다양한 소독 기법들을 적용하고자 하는데 목적이 있다. 또한, 항생제 내성 미생물이나 항생제 내성 유전자를 제어하는데 정량적 소독기준이 제시되어 있지 않기 때문에 이들을 제어하기 위한 연구는 필수적이다.

따라서 본 연구를 통해 개발된 소독기법과 해당 소독기법에 대

개발 목적 및 필요성
항생제 내성 미생물들이 검출될 수 있는 다양한 환경 조건에서 비교적 간단한 항생제 내성 미생물의 모니터링 database를 구축하고, 인간환경 또는 자연환경에 문제가 될 수 있는 항생제 내성 미생물과 항생제 내성 유전자를 제어하기 위해 다양한 소독 기법들을 적용하고자 하는데 목적이 있다. 또한, 항생제 내성 미생물이나 항생제 내성 유전자를 제어하는데 정량적 소독기준이 제시되어 있지 않기 때문에 이들을 제어하기 위한 연구는 필수적이다.

따라서 본 연구를 통해 개발된 소독기법과 해당 소독기법에 대한 정량적인 해석을 제시함으로써 항생제 내성 미생물 또는 항생제 내성 유전자 저감 연구의 활용 자료로 기여하고자 한다.

연구개발결과
항생제 내성 미생물의 모니터링을 실시하기 위해 축산분뇨가 유출되는 지점을 선정하여 분석을 실시하였다. 분석결과, 모든 지점에서 상당수의 항생제 내성 미생물이 검출되었으며, 계절적인 변화 요인 등 크게 고려하지 않고 지속적인 검출빈도를 나타내었다. 검출된 항생제 내성균의 대부분은 ampicillin > sulfamethoxazole > kanamycin > tetracycline 순으로 저항성이 높게 나타났다.

단일 소독 또는 복합 소독 공정을 평가하기 위해 표준 미생물로 S.typhimurium을 선정하였고, 내성 유전자는 pFLAG (Ampicillin 내성 plasmid)로 표준 미생물에 인위적으로 전이시킴으로써 ARB와 ARG로 연구를 진행하였다. 2log 불활성화 기준으로 오존이 ARB와 ARG 모두 낮은 CT값으로 제어가 가능하였고 (오존: 0.013 mg/L. min (ARB), 0.041 mg/L. min (ARG)), 염소와 UV의 경우 낮은 IT 또는 CT값에서 ARB의 제거가 가능하였지만, ARG의 경우 상대적으로 높은 IT 또는 CT값을 요구하는 것으로 나타났다 (염소: 0.034 mg/L. min(ARB), 32 mg/L. min (ARG); UV: 2.4 mJ/cm² (ARB), 38.7 mJ/cm² (ARG)).

복합소독 공정은 Chlorine/UV와 Cu(II)/H₂O₂ 공정을 적용하여 연구를 진행하였다. Chlorine/UV 공정에서 ARG를 대상으로 1 mg/L의 HOCl 첨가시 2 log 불활성화 기준으로 22 mJ/cm²이면 제어가 가능하였고, 이는 UV 공정 보다 약 1.8배 빠른 것을 확인하였다. 오직 pFLAG만 존재하는 조건에서 실험을 실시한 결과, HOCl의 농도가 높을수록, pH가 낮을수록 효율이 상승하는 것을 확인하였다. Cu(II)/H₂O₂ 공정에서, Cu(II)의 단독처리의 경우 (5 μM), ARB의 불활성화는 가능하였으나 (20분 이내 1.5 log), ARG의 제거효율은 급격히 낮았다 (20분 이내 5.5%). 반면 2.0 mM의 H₂O₂를 첨가해줌에 따라, ARB의 불활성화 효율은 상승하였고 (20분 이내 3.5 log), ARG의 제거 또한 가능하였다(20분 이내 85%).

HOCl, O₃ 및 UV의 단독처리와 AOP인 O₃/H₂O₂와 UV/H₂O₂를 적용하여 유해물질인 endotoxin의 제거 실험을 진행하였고, 그 결과, 각각의 개별 소독제에서는 제거가 힘들었지만 AOP로 처리하였을 때 효과적으로 산화/분해가 가능하였다. 이는 OH radical이 생성됨에 따라 endotoxin의 제거가 가능함을 OH radical scavenger의 존재 유무로 확인하였고, TNF-α에 의한 염증활성을 확인한 결과, endotoxin의 제거되는 수준이 높을수록 TNF-α에 의한 염증활성의 손실이 일치하는 것으로 나타났다.

염소 소독 반응기는 용량 12 L, 유속 1 L/min, 이론적 체류시간 12분으로 설계해 평가를 실시하였다. T10은 8.5분이였고, T10/T값은 0.71로 나타났다.
간이상수도 여과수를 대상으로 염소 소독 반응기에서 ARB와 ARG를 spiking하여 제거 효율을 평가한 결과, ARB는 4 log 이상, ARG는 2 log 이상의 높은 제거 효율을 만족하는 것으로 나타났다. 자외선 소독 반응기는 사용원수에 따라 LP (간이상수도 여과수 용도)와 LPHO (가축분뇨 처리수 용도)램프를 장착한 반응기를 사용하여 ARB와 ARG의 제거 효율을 평가하였다. LP가 장착된 반응기의 UV dose는 40 mJ/cm², LPHO가 장착된 반응기는 48 mJ/cm²으로 측정되었고, 두가지 형태의 반응기 모두 ARB는 4 log 이상, ARG는 2 log 이상의 높은 제거 효율을 만족하는 것으로 나타났다.

성능사양 및 기술개발 수준
항생제 내성 미생물과 내성 유전자의 제어를 위한 각 소독기술 요소별 CT값을 산출하였고, 복합소독기술을 적용함으로써 상대적으로 제어가 힘든 항생제내성 유전자까지 제어가 가능하였다 (ARB: 4 log 이상, ARG: 2 log 이상).실험적 근거를 바탕으로 염소와 자외선 소독 반응기를 설계/제작하여 평가한 결과, ARB의 4 log 이상, ARG의 2 log 이상의 제거 수준을 만족하였다.

활용계획
국내 병원의 방류수, 동물사체의 침출수(AI, 구제역 매몰지), 가축분뇨는 특정 항생제에 대한 내성균을 발생 및 확산 시키는데, 근원지의 적절한 소독기초자료를 확보함으로써 추후 항생제·항균제에 대한 내성균 저감 연구의 기반으로 활용될 수 있다.

본 연구의 수행은 항생제 내성균을 환경유입 단계에서 근본적인 차단함과 동시에 유전체 전이를 완벽히 제어할 수 있는 소독 모델링을 구축함으로써,소독 부산물의 저감 효과로 인한 환경오염의 저감효과 및 국민의 보건증진에도 크게 기여 할 것으로 기대한다.

연구의 성공적인 수행은 향후 국내뿐만 아니라 외국의 항생제 내성 연구결과를 비교 분석하여 우리나라 환경정책에 반영함으로써 더욱 효과적인 대책 방안을 모색 할 수 있을 것으로 예상한다.

( 출처: 요약서 5p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
In order to monitor antimicrobial resistance microorganisms, we select the site where livestock wastewater was leaked. Overall analysis results for each sampling site showed that many antibiotic resistant microorganisms were detected compared to the results of monitoring the antibiotic

Ⅳ. Results
In order to monitor antimicrobial resistance microorganisms, we select the site where livestock wastewater was leaked. Overall analysis results for each sampling site showed that many antibiotic resistant microorganisms were detected compared to the results of monitoring the antibiotic resistant microorganisms performed by the existing research team. It seems to have been influenced by the dense cattle shed and pigsty in the nearby area. The overall tendency of the observed antibiotic resistance microorganisms was detected as the number of antibiotic resistant microorganisms increased as the number of controls (Number of colony of media without antibiotics) increased. Also, the resistance of antibiotic resistant microorganisms showed different depending on the type of antibiotics. Most of the detected antibiotic resistant microorganisms were high resistance in the order of ampicillin> sulfamethoxazole> kanamycin> tetracycline.

S. typhimurium was selected as a indicator microorganism for the evaluation of single disinfection or complex disinfection process and resistance gene was studied by ARB and ARG by artificially transferring pFLAG (Ampicillin resistant plasmid) to indicator microorganisms. UV, chlorine and ozone disinfection were applied to control ARB and ARG to deduce IT (UV dose) abd CT values.

The 2 log inactivation level was able to control O₃ with low CT values in both ARB and ARG (O₃: 0.013 mg/L. min (ARB), 0.041 mg/L. min (ARG)). In the case of chlorine and UV, it was possible th remove ARB from low IT or CT values whereas ARG required relatively high IT or CT values (Chlorine: 0.034 mg/L. min(ARB), 32 mg/L. min (ARG); UV: 2.4 mJ/cm² (ARB), 38.7 mJ/cm² (ARG)).

The combined disinfection processes were studied and applied the Chlorine/UV process and Cu(II)/H₂O₂ process, respectively. For the ARG in the Chlorine/UV precess, it is possible to control at 22 mJ/cm² for the 2 log inactivation when adding HOCl at 1 mg/L, which is about 1.8 times faster than the UV process. As a result of the experiment under conditions in which only pFLAG was present, it was confirmed that the higher the concentration of HOCl and the lower the pH value, the higher the efficiency. The addition of nitrobenzene and benzoic acid, a radical scavenger, showed ·OH as a major effect and Cl· as a minor effect.

In the Cu(II)/H₂O₂ process, in the case of Cu(II) alone (5 μM), inactivation of ARB was possible (1.5 log within 20 min), but the removal efficiency of ARG was rapidly low (5.5 % within 20 min). On the other hand, with the addition of 2.0 mM H₂O₂, the inactivation efficiency of ARB was increased (3.5 log within 20 min) and removal of ARG was also possible (85 % within 20 min). The inactivation/removal mechanism of ARB and ARG was proved by PI staining and cell permeability test to be direct oxidative damage to the intracellular or extracellular by Cu(III). It was also confirmed that the production of Cu(III) depends on the concentration of H₂O₂, and the production of Cu(III) can be increased as the production of Cu(I) is increased.

Endotoxin is one of the harmful substances produced in Gram-negative bacteria and algae, and it has a disadvantage that it is can cause human health problem because it is emitted even when it is treated by general water treatment process (HOCl, UV, O₃ etc). In this study, the endotoxin removal experiments were carried out by applying HOCl, O₃ and UV alone, and O₃/H₂O₂ and UV/H₂O₂ of AOP. As a result, it was difficult to remove each individual disinfectant, but oxidation/decomposition was effective when treated with AOP.
This mechanism is confirmed that OH radicals produced by AOP remove endotoxin through the addition of OH radical scavenger. In addition, as a result of confirming inflammatory activity by TNF-α, the higher endotoxin removal levels more consistent with the higher inflammatory activity by TNF-α.

The chlorine disinfection reactor was designed with a capacity of 12 L, a flow rate of 1 L/min, and a theoretical residence time of 12 minutes and evaluation was performed. As a result, T₁₀ was 8.5 minutes, and T₁₀/T value was 0.71. As a result of evaluating the efficiency of ARB and ARB using the small-scale water supply system filtration water in the chlorination disinfection reactor (Chlorine concentration at the time of ARB removal: 1 mg/L, and at the time of ARG removal: 3 mg/L), removal efficiency of ARB showed more than 4 log and ARG had more than 2 log.

The ultraviolet disinfection reactor was evaluated for the removal efficiency of ARB and ARG by using a equipped reactor with LP (for small-scale water supply system filtration water) and LPHO (for livestock excretions treatment) lamps according to the used water. The UV dose of the LP reactor was 40 mJ/cm² and the LPHO reactor was 48 mJ/cm². Both types of reactors had a high removal efficiency of 4 log or more for ARB and 2 log or more for ARG respectively.

( 출처 : SUMMARY 13p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 5
• 요 약 문 ... 8
• SUMMARY ... 12
• 목차 ... 16
• 표목차 ... 17
• 그림목차 ... 18
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 22
• 1-1. 연구개발 목적 ... 24
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 24
• 1-3. 연구개발 범위 ... 43
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 44
• 2-1. 국내 현황 ... 46
• 2-2. 국외 현황 ... 52
• 3. 연구수행내용 및 결과 ... 58
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 60
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 64
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 127
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 130
• 4-1. 목표달성도 ... 132
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 135
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 136
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 142
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 152
• 8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 156
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 160
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 168
• 11. 기타사항 ... 172
• 12. 참고문헌 ... 176
• 끝페이지 ... 185