Microcystis aeruginosa에 대한 hydrotrope-combined copper의 생장억제 및 독성 평가

박세근,지준구,장희정,김영관,오영숙,최성찬,Park, Se-Keun,Ji, Jun-Gu,Jang, Hee Jung,Kim, Yeong-Kwan,Oh, Young-Sook,Choi, Sung-Chan 한국미생물학회 2015 미생물학회지 Vol.51 No.1

Hydrotrope-combined copper (HCC) is a copper ($Cu^{2+}$)-based algicide, which is combined with a hydrotrope that keeps copper ion in solution to improve performance. This study assessed the growth inhibition effect of HCC against Microcystis aeruginosa which is one of the most common toxic cyanobacterium in eutrophic freshwater environment. Various HCC doses, ranging from 5.5 to $550{\mu}g/L$ as $Cu^{2+}$, were applied to either BG-11 or 1/4 diluted medium with low- or high-inoculum density of M. aeruginosa. Growth inhibition was monitored based on a decrease in chlorophyll-a content in culture medium during the incubation. Results showed that HCC significantly inhibited the growth of M. aeruginosa in a dose-dependent manner. In case of 1/4 diluted BG-11 medium, HCC dose as low as $5.5{\mu}g$ $Cu^{2+}/L$ completely inhibited the production of chlorophyll-a by M. aeruginosa. It was found that HCC did not induce any significant release of microcystin-LR from M. aeruginosa. Acute toxicity of HCC was tested using Daphnia magna, and the 24-h $EC_{50}$ value was 0.30 mg/L as $Cu^{2+}$ which was much higher than the actual inhibition dose. Ames test was performed using Salmonella enterica serovar Typhimurium TA100, and HCC showed no increase in the number of revertant colonies. The result suggested that HCC does not have any mutagenic potential in the aquatic environment. In addition, no genotoxic effect of HCC was also confirmed based on the SOS ChromoTest using Escherichia coli PQ37. Therefore, HCC could be used as a relatively safe and effective pre- and post-treatment agent to control hazardous algal blooming in aquatic environments. Hydrotrope-combined copper (HCC)는 구리의 용존성을 유지하기 위해 황산구리와 친수성 작용기를 결합시켜 제조한 구리 이온($Cu^{2+}$) 기반의 조류생장 억제제이다. 본 연구는 부영양성 담수에 분포하는 대표적인 남조세균 Microcystis aeruginosa에 대한 HCC의 생장 저해효과를 평가하였다. 이를 위하여 M. aeruginosa의 접종 농도 또는 생장배지인 BG-11의 희석 정도를 달리하면서 구리 이온 농도 기준 $5.5-550{\mu}g/L$의 범위에서 HCC를 첨가하고 생장저해효과를 chlorophyll-a 농도의 변화로 측정하였다. HCC는 M. aeruginosa의 생장을 현저히 저해하였으며 특히 1/4로 희석한 BG-11 액체배지에서는 구리 이온의 농도로 환산했을 때 $5.5{\mu}g/L$가 되는 HCC 첨가만으로도 생장을 완전히 억제하는 것으로 나타났다. HCC의 첨가로 인해 세포로부터 microcystin-LR 독소가 용출되는지 확인한 실험에서 HCC는 M. aeruginosa의 생장을 억제하는 유효 농도뿐만 아니라 그 이상의 농도($550{\mu}g/L$)에서도 독소를 용출시키지 않는 것으로 확인되었다. 한편 물벼룩(Daphnia magna)에 대한 HCC의 급성독성시험에서 50% 유영저해를 일으킨 시료에 함유된 구리의 농도는 약 0.30 mg/L로서 생장억제 유효농도를 훨씬 상회하였다. 추가로 HCC의 돌연변이원성과 유전독성을 평가하기 위해서 수행한 Ames test 및 SOS ChromoTest에서도 HCC는 M. aeruginosa의 생장억제 유효농도를 상회하는 농도 수준에서도 독성물질로 작용하지 않는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 기존 구리 기반 조류생장 억제제의 한계를 개선한 HCC가 상습적으로 조류 대번식이 발생하는 수계에서 사전 또는 사후처리제로서 비교적 안전하고 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

Growth kinetics and chlorine resistance of heterotrophic bacteria isolated from young biofilms formed on a model drinking water distribution system

박세근,김영관,오영숙,최성찬,Park, Se-Keun,Kim, Yeong-Kwan,Oh, Young-Sook,Choi, Sung-Chan The Microbiological Society of Korea 2015 미생물학회지 Vol.51 No.4

본 연구에서는 염소 소독제를 함유한 수돗물을 수리학적 체류시간 2시간 수준으로 공급한 모델 상수관망에서 형성된 초기 생물막의 생장에 대해 연구하였다. PVC slide 표면에 형성된 세균 생물막의 비생장률(specific growth rate, ${\mu}$)은 총세균수와 종속영양세균수 기준으로 각각 $0.14{\pm}0.09day^{-1}$와 $0.16{\pm}0.08day^{-1}$로 측정되었으며, 생물막 형성 정도는 실험 개시 10일 후에 각각 $3.1{\times}10^4cells/cm^2$와 $6.6{\times}10^3CFU/cm^2$에 이르렀다. Bulk-phase 세균에 비해 훨씬 높은 생물막 형성 세균의 비생장률(${\mu}$)은 관망내에서 생물막 세균의 증식이 세균 재생장의 주된 요인으로 작용함을 의미하였다. 분리 배양된 생물막 균주들은 acetate 농도를 달리한 생장배지에서 얻어진 Monod 모델에서 특징적인 ${\mu}_{max}$와 $K_S$값을 보여주었다. 가장 낮은 ${\mu}_{max}$값을 보여준 Methylobacterium 균주는 느린 생장을 통해 염소 소독제 처리(0.5 mg/L, 10분간)에 대해 높은 내성을 나타내었다. 반포화상수(half-saturation constant) $K_S$값은 Sphingomonas 균주에서 다른 분리 균주들에 비해 100배 정도 낮게 측정되어 기질친화도가 매우 높게 나타났다. 이는 수돗물과 같이 영양물질의 농도가 매우 낮은 조건에서 생존할 수 있도록 적응된 절대 빈영양성 세균의 특징으로 판단된다. 비록 특징적인 ${\mu}_{max}$와 $K_S$값을 보이는 균주 만을 대상으로 수행되었지만, 이상의 결과는 상수관망에서 초기에 형성되는 복합 세균종으로 구성된 생물막에 대한 이해와 조절에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. The present work quantified the growth of young biofilm in a model distribution system that was fed with chlorinated drinking water at a hydraulic retention time of 2 h. Bacterial biofilms grew on the surface of polyvinyl chloride (PVC) slides at a specific growth rate of $0.14{\pm}0.09day^{-1}$ for total bacteria and $0.16{\pm}0.08day^{-1}$ for heterotrophic bacteria, reaching $3.1{\times}10^4cells/cm^2$ and $6.6{\times}10^3CFU/cm^2$ after 10 days, respectively. The specific growth rates of biofilm-forming bacteria were found to be much higher than those of bulk-phase bacteria, suggesting that biofilm bacteria account for a major part of the bacterial production in this model system. Biofilm isolates exhibited characteristic kinetic properties, as determined by ${\mu}_{max}$ and $K_S$ values using the Monod model, in a defined growth medium containing various amounts of acetate. The lowest ${\mu}_{max}$ value was observed in bacterial species belonging to the genus Methylobacterium, and their slow growth seemed to confer high resistance to chlorine treatment (0.5 mg/L for 10 min). $K_S$ values (inversely related to substrate affinity) of Sphingomonas were two orders of magnitude lower for acetate carbon than those of other isolates. The Sphingomonas isolates may have obligate-oligotrophic characteristics, since the lower $K_S$ values allow them to thrive under nutrient-deficient conditions. These results provide a better understanding and control of multi-species bacterial biofilms that develop within days in a drinking water distribution system.

Combined Chlorite-Monochloramine Application for Controlling Nitrifying and Heterotrophic Bacteria in Drinking Water Distribution System

박세근,김영관,최성찬,Park, Se-Keun,Kim, Yeong-Kwan,Choi, Sung-Chan The Microbiological Society of Korea 2013 미생물학회지 Vol.49 No.4

In the present work, the reactors that harbor bacterial biofilms including ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and heterotrophic bacteria were treated with a continuous dose of chlorite ($0.66{\pm}0.01mg/L$) either with or without monochloramine at $1.77{\pm}0.03mg/L$. Both chlorite alone and combined chlorite-monochloramine applications effectively reduced biofilm and bulk AOB levels to near or below the detection limit ($0.6MPN/cm^2$ and 0.2 MPN/ml). The combined chlorite-monochloramine application exhibited greater AOB inactivation than chlorite alone. Unlike AOB, heterotrophic plate count (HPC) was unaffected by chlorite alone. In contrast to chlorite-only application, a combination of chlorite and monochloramine resulted in a significant reduction in HPC levels with log reductions of 3.1 and 3.0 for biofilm and bulk water, respectively. The results demonstrate that the combined chlorite-monochloramine application can provide an effective treatment for the inhibition of AOB and heterotrophic bacteria in a drinking water distribution system. 본 연구에서는 암모니아 산화세균과 종속영양세균을 포함한 세균 생물막에 대한 chlorite ($0.66{\pm}0.01mg/L$)의 영향을 monochloramine ($1.77{\pm}0.03mg/L$)의 존재 유무에 따른 조건에서 알아보았다. Chlorite 단독 또는 monochloramine과 함께 적용한 경우에서 공히 생물막과 물 시료에 존재하는 암모니아 산화세균은 검출한계($0.6MPN/cm^2$ and 0.2 MPN/ml)에 근접한 수준으로 감소되는 것으로 나타났지만, chlorite/monochloramine으로 함께 첨가했을 때의 저해효과가 더욱 크게 나타났다. 종속영양세균의 경우 암모니아 산화세균과 달리 chlorite에 의한 저해가 거의 나타나지 않았다. 하지만 chlorite/monochloramine으로 적용한 경우 생물막과 물 시료에서 종속영양세균의 개체 수는 대조군 대비 각각 3.1 log와 3.0 log 감소하는 상당한 저해 효과를 보여주었다. 이러한 결과는 상수관망에 형성된 생물막에 존재하는 질산화 세균과 종속영양세균에 대한 효과적 제어방법중의 하나로 chlorite와 monochloramine 혼합사용의 성공적 가능성을 제시해 준다.

감광제 건식제거공정의 최적화

박세근,이종근 ( Se Geun Park,Jong Keun Lee ) 한국전기전자재료학회 1996 전기전자재료학회논문지 Vol.9 No.9

Pinus densiflora 목질을 이용한 수용액 중의 Cu(II) 흡착

박세근,김하나,김영관,Park, Se-Keun,Kim, Ha-Na,Kim, Yeong-Kwan 대한상하수도학회 2007 상하수도학회지 Vol.21 No.1

Milled Korean pine (Pinus densiflora) wood was used to evaluate its adsorption capacity of Cu(II) ions from aqueous solution by running a series of batch experiments. Prior to the tests, the milled woods were pretreated with 1N NaOH, 1N $NHO_3$, and distilled water, respectively, to examine the effect of pretreatment. Within the tested pH range in this study between 3 and 6, copper adsorption efficiency of NaOH-treated wood(96~99%) was superior than $NHO_3$-treated wood(19~31%) and distilled water-treated wood(18~35%). Adsorption behavior of copper onto both raw and $NHO_3$-treated woods was mainly attributed to interaction with carboxylic acid group. For NaOH-treated wood, carboxylate ion produced by hydrolysis was a major functional group responsible for Cu sorption. NaOH treatment of wood changed the ester and carboxylic acid groups into carboxylate group, whereas $NHO_3$ treatment did not affect the production of functional groups which could bind copper. A pseudo second-order kinetic model fitted well for the sorption of copper ion onto NaOH-treated wood. A batch isotherm test using NaOH-treated wood showed that equilibrium sorption data were better represented by the Langmuir model than the Freundlich model.

모형 수도관에서 유속 변화에 따른 생물막 형성 미생물의 기능적 특성

박세근(Se Keun Park),박재우(Jae Woo Park),최성찬(Sung Chan Choi),김영관(Yeong Kwan Kim) 大韓環境工學會 2004 대한환경공학회지 Vol.26 No.11

가상현실 환경에서 감각 정보에 관한 연구

박세근(Se-keun Park),박길철(Gil-Cheol Park) 한국멀티미디어학회 2001 한국멀티미디어학회 학술발표논문집 Vol.2001 No.1

모형 수도관에서 염소와 모노클로라민에 의한 생물막 제거 특성 비교

박세근(Se Keun Park),최성찬(Sung Chan Choi),김영관(Yeong Kwan Kim) 大韓環境工學會 2006 대한환경공학회지 Vol.28 No.1

소나무 수피의 화학적 처리에 의한 Cu(2) 흡착 효과

박세근(Se Keun Park),김하나(Ha Na Kim),김영관(Yeong Kwan Kim) 大韓環境工學會 2007 대한환경공학회지 Vol.29 No.8

본 연구에서는 소나무 종류인 Pinus densiflora로부터 채취한 수피를 이용하여 수용액으로부터 구리 제거를 위한 회분식 흡착실험을 수행하였다. 구리 흡착에 수피의 화학적 처리가 미치는 효과를 알아보기 위해 1 N 수산화나트륨(NaOH)과 1 N 염산(HCl)을 이용하여 전처리하였다. 구리 농도가 100 mg/L이고 pH가 3∼6인 수용액에서 수산화나트륨(NaOH)을 이용한 수피의 화학적 전처리는 구리의 흡착량을 139∼184% 정도 증가시키는 효과를 나타냈으나, 염산(HCl)을 이용한 수피의 전처리는 구리의 흡착량을 37∼42% 정도 감소시키는 효과를 나타냈다. 대체적으로 수피에 의한 구리 흡착은 pH 5∼6에서 최대 흡착량을 나타내기는 하였으나, 주어진 pH 범위내에서 수용액의 pH가 구리 흡착에 미치는 효과는 크지 않았다. 수피의 구리 흡착은 유사 2차 동역학 모델로 설명이 가능하였으며, 수산화나트륨(NaOH)으로 전처리한 수피의 경우 초기 농도가 100 mg/L에서 2배로 증가함에 따라 유사 2차 동역학 모델식으로부터 계산된 흡착량(qe)은 6.58 mg/g에서 12.77 mg/g로 증가한 반면에 속도 상수(k2)는 0.284 g/mg/min에서 0.014 g/mg/min으로 감소하였다. 수피의 구리 흡착특성은 Langmuir와 Freundlich 등온식에 의해 모두 잘 표현되는 것으로 나타났다. 수피에 존재하는 카르복실산(carboxylic acid, RCOOH)이 구리 이온의 흡착에 관여하는 것이 확인되었으며, 특히 수산화나트륨을 이용하여 전처리한 수피에서 나타나는 구리의 높은 흡착효율은 수피에 존재한 에스테르(ester) 화합물과 카르복실산(carboxylic acid) 화합물이 가수분해되어 생성된 카르복실산 염(sodium carboxylate) 때문인 것으로 판단되었다. Korean pine(Pinus densiflora) bark was evaluated for its adsorption capacity of Cu(II) ions from aqueous solution by running a series of batch experiments. Prior to the tests, the milled barks were treated with 1 N NaOH or 1 N HCl to examine the effect of surface modification. For comparison, untreated bark was tested under same condition. Within the tested pH range between 3 and 6, NaOH treatment increased Cu(II) adsorption capacity by 139∼184%, while HCl treatment decreased it by 37∼42%. Maximum copper ion uptake by bark was observed at pH 5∼6, but pH of solution was not a potent influence. A pseudo second-order kinetic model fitted well for the sorption of copper ion onto bark. For NaOH-treated bark, the calculated sorption capacity(qe) increased from 6.58 to 12.77 mg/g, while the equilibrium rate constant(k2) decreased from 0.284 to 0.014 g/mg/min as initial Cu(II) concentration doubled from 100 mg/L. A batch isotherm test using NaOH-treated bark showed that equilibrium sorption data were represented by both the Langmuir model and the Freundlich model. It was confirmed that carboxylic acid of bark was involved in the Cu(II) adsorption. For NaOH-treated bark, in particular, carboxylate ion produced by hydrolysis or saponification appeared to be a major functional group responsible for the enhanced Cu(II) sorption.

논문 : Pinus densiflora 목질을 이용한 수용액 중의 Cu(2) 흡착

박세근 ( Se Keun Park ),김하나 ( Ha Na Kim ),김영관 ( Yeong Kwan Kim ) 대한상하수도학회 2007 상하수도학회지 Vol.21 No.1