TiO2/UV 광촉매 산화반응에 의한 Escherichia coli 살균

채용석, 안진영, 차재민, 김종연 ,김병우

성균관대학교 화학공학과

Disinfection of Escherichia coli by TiO2/UV Photocatalyic

Oxidation

Yong Seok Chae, Jin Young An, Jae Min Cha, Jong Yeon Kim,

Byung Woo Kim

Dept. of Chem. Eng., Sung Kyun Kwan Univ.

서론

상수의 소독을 위해  염소 소독법이 널리 사용되는데, 다른 소독공정보다 매우 경제적이며 일정한 잔류농도가 유지되므로 미생물의 재성장이나 재증식에 의한 2차 오염을 억제하는데 효과적인 장점 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나 발암물질인 THMs(trihalomethanes)등의 부생성물들이 배출되는 등의 문제점이 있고, 배관이 길어지거나 여름의 높은 수온의 영향 등으로 잔류염소의 감소가 일어나, 미생물에 의한 2차오염이 일어나는 것으로 보고되고 있다1,2).

이런 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 방법들이 시도되고 있으며 특히 고급산화법(AOP)을 이용해 2차오염을 처리하는 방법이 주목받고 있다. 고급산화법은 강력한 산화력을 가진 hydroxyl radical(OH□)을 생성시키는 방법으로 미생물의 살균이외에도 난분해성 물질을 처리할 수 있고, THMs등 염소소독의 부산물들을 효과적으로 처리할 수 있는 장점이 있다3). 고급산화법 중 광에너지를 이용한 광촉매반응을 살펴보면 광촉매로 쓰이는 금속산화물에는 TiO2, ZnO, WO3, CdS, ZnS등이 널리 쓰이며 그 중 TiO2는 독성이 적고, 물에 용해되지 않으며, 광에 의한 자체 분해반응이 일어나지 않고, 또한 비교적 값이 저렴한 장점으로 인해 환경정화용 촉매로 매우 적합하다4,5). 광촉매는 박테리아 세포의 호흡활성(respiratory activity)을 감소시켜서 미생물을 사멸시키는 것으로 알려져 있으며 특히 광촉매 TiO2 이용한 미생물 살균에 관한 연구들이 시도되고 있다3,6,7). 본 연구에서는 E. coli(MG-1655)를 배양조건을 변화시키면서 배양하여 최적 성장조건을 구하였고, UV의 조사를 통한 E. coli에 대한 살균성능을 조사하였다. 또 E. coli와 함께 TiO2 입자를 여러 가지 농도로 수중에 현탁시키고, UV 조사하여 E. coli에 대한 살균성능을 비교함으로써 TiO2/UV 공정의 최적화에 대한 기초적인 자료를 제시하였다.

실험

E. coli MG-1655(wild type)를 20 ml의 Luria-Bertani medium(1% Bacto tryptone, 0.5% Bacto yeast extract, and 1% NaCl)을 사용하여 250 rpm으로 12시간동안 shaking incubator에서 배양하였다. 최적 성장 pH를 구하기 위해 0.1N HCl, 0.1N NaOH로 pH를 조절하여 pH 6, 7, 8, 9의 배지를 만들어 각각을 배양하였다. 1시간 간격으로 0.1 ml sample을 채취하여 한천배지(한천 1.5%)에 도포하고 37 oC incubator에서 10 시간 배양하였다. 이때 형성된 colony를  CFU(col- ony forming unit)의 단위로 측정하여 각각의 pH에서의 비성장속도를 결정하였다. 같은 방식으로  pH 7에서 각각의 온도가 20, 25, 30, 35, 37, 40 oC인 조건에서 MG-1655를 배양하고 1시간 간격으로 0.1 ml sample을 채취한 후 한천 배지에 도포 하여 각각의 온도에서 비성장속도를 측정하였다.

살균실험에 쓰인 광원으로는 100W 고압수은램프(동서조명공업)를 이용하여 UV를 조사하였고, radio meter(VLS3W, Cole-Parmer, Illinois, US)를 이용하여 UV의 복사조도(irradiance)를 측정하였다. 또 MG-1655를 pH 7, 37 oC에서 12시간 배양하고, 배양액을 15,000rpm에서 10분 동안 원심분리한 후 증류수에 재현탁시켜 원심분리하는 과정을 3회 반복하여 세척하였다. 그 후  0.85% 식염수에 1 ml당 104마리 정도로 희석시켜서 사용하였다. 복사조도별 살균능력을 평가하기 위해 복사조도를 각각 10, 20, 30, 40, 50, 70 W/m2에 조절한 후 MG-1655의 희석용액에 조사하여 시간대별로 sample을 채취하여 농도(CFU)의 변화를 측정하므로써 각각의 살균 능력을 비교하였다. TiO2의 농도별 살균능력 비교를 위해 이미 MG-1655가 접종되어 있는 용액에 TiO2를 첨가하여 10, 1, 0.1, 0.01 g/L의 농도를 만든 후 UV 조사 하에서 살균실험을 하였다.  TiO2는 물에 용해되지 않으므로 stirrer를 사용하여 침전을 막고 균일하게 혼합한 상태를 유지하도록 하였다. UV 조사상태의 TiO2 현탁액의 수위는 2 cm를 유지했다. 사용한 TiO2(P-25, Degussa,  Hanau, Germany)는  평균 입자크기는 21 nm이고 BET surface area는 50±15 m2/g이다.

결과 및 고찰

최적 성장조건

MG-1655를 배양한 결과 최대 1.22 × 109 CFU/ml의 농도를 얻을 수 있었다. 온도에 따른 성장속도는 온도가 상승함에 비례하여 증가하다가 37oC 이후  감소함을 알 수 있다(Fig. 1). 최적온도인 37oC에서 pH별로 배양한 결과 pH 7이 최적임을 알 수 있으며, 이때 최대 비성장속도는 1.36(h-1)이다(Fig. 2).

UV 조사 하에서의 살균 실험

UV의 복사조도가 증가에 따라 살균능력이 강해진다. 그러나 40 W/m2를 전후로 해서 복사조도의 증가에 비해 살균능력의 증가비율은 감소됨을 알 수 있다. 살균능력을 초기 값에 대한 생존비율(survival ratio)로 나타내면 일정한 선형성을 가짐을 알 수 있었다. 이 선형성을 바탕으로 복사조도에 따른 사멸시간(dead time)으로 살균능력을 비교하였다(Fig. 3).

TiO2 농도별 살균 실험

UV 조사 하에서 TiO2를 사용하는 살균은 UV 단독에 비해 뛰어난 살균효과를 보였다. 살균능력을 보면 0.1 g/L에서 가장 효율적으로 살균함을 알 수 있다(Fig. 4). 즉 0.1 g/L에서 최대살균력을 보이다 그 농도 이상이 되면서 살균능력이 감소하고 있다. TiO2가 물에 용해되지 않고 빛을 흡수 및 산란시키므로 농도가 높아질수록 수중의 복사강도가 급격히 떨어지기 때문이다3).

이러한 문제점을 해결하기 위해 효율적으로 광에너지를 공급하는 방식이 연구되어야 할 것으로 보인다. 또 TiO2로 인한 오염을 막기 위해 물과 TiO2를 효과적으로

분리하는 공정에 대한 연구나 TiO2를 고정화시키는 연구가 필요할 것이다.

참고문헌

1. G. A. Mcfeters, J. S. Kippin, and M. W. Lechevalier, Injured Coliforms in Drinking Water, Appl. Environ. Microbiol., 51: 1-5, 1986

2. M. W. Lechevallier, N. J. Welch, and D. B. Smith, Full-Scale Studies of Factors Related to Coliform Regrowth in Drinking Water, Appl. Environ. Microbiol., 62: 2201-2211, 1996

3. T. Matsunaga and M. Okochi, TiO2-Mediated Photochemical Disinfection of Escherichia coli Using Optical Fiber, Environ. Sci. Technol., 29: 501-505, 1995

4. H. Y. Ha and M. A. Anderson, Photodegration of Organic Pollutants in Water Using Metal-Supported TiO2 Catalysts Prepared by Sol-Gel techniques,

J. KIchE, 34: No 3, 356-362, 1996

5. I. S. Lee, J. W. Kim, C. J. Youn, S. K. Park, and Y. B. Hahn, Preparation and Charcteration of TiO2 Thin Films by PECVD on Si Substrate, Korean J. chem. Eng., 13: No 5, 473-477, 1996

6. J. C. Ireland, P. Klostermann, E. W. Rice, and R. M. Clark, Inactivation of Escherichia Coli by Titanium Dioxide Photocatalytic Oxidation, Appl. Environ. Microbiol., 59: 1668-1670, 1993

7. S. S. Block, V. P. Seng, and D. W. Goswami, Chemically Enhanced Sunlight for Killing Bacteria., J. Solar Energy Engineering., 199: 85-90, 1997