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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.
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.