사이클론으로 공기 속 미생물 실시간 탐지
사이클론으로 공기 속 미생물 실시간 탐지
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.03 16:35
  • 조회수 542
  • 댓글 0
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요약

 

사이클론을 이용해 공기 중 부유미생물(세균, 곰팡이)을 실시간 탐지하는 기술이 등장했습니다. 바이오에어로졸의 집속 및 분류 기술이 적용된 사이클론 포집시스템은 다양한 검출장비 및 센서와 함께 활용할 경우 특정 병원성 부유미생물 검출시스템 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 생활공간 내 바이오에어로졸의 실시간 정보를 제공합니다.

공기 중 떠다니는 세균이나 곰팡이의 농도를 실시간으로 탐지할 수 있는 바이오에어로졸 모니터링 시스템 기술이 소개됐습니다. 바이오에어로졸은 생물학적 기원을 가진 공기 중 부유입자를 통칭합니다. 한국연구재단은 세종대학교 정재희 교수 및 KIST 환경복지연구센터장 김병찬 박사 연구팀이 공기 중 부유미생물이 가진 생체물질, ATP의 농도를 실시간으로 측정하는 시스템을 개발했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 < ACS Sensors>에 게재됐습니다. 

공기 중에 부유하는 미생물이 사이클론에 포집돼 부유미생물 내 ATP와 루시퍼린/루시퍼라아제 엔자임 효소의 반응으로부터 방출되는 생물발광을 측정하는 원리를 보여줌. 출처: 한국연구재단
공기 중에 부유하는 미생물이 사이클론에 포집돼 부유미생물 내 ATP와 루시퍼린/루시퍼라아제 엔자임 효소의 반응으로부터 방출되는 생물발광을 측정하는 원리를 보여줌. 출처: 한국연구재단

부유 미생물 포착하는 시스템

 

이 시스템은 환경성 질환이나 전염성 질병과 관련된 부유미생물을 포착, 안심할 수 있는 생활환경 조성을 위해 다양하게 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 그러나 숙주로부터 ATP를 빌려 쓰는 바이러스 탐지에는 적용할 수 없습니다. 영양액을 응고시킨 고체 배지에 시료를 배양, 증식한 미생물 집락을 세는콜로니계수법은 시료포집부터 결과 분석까지 하루 이상 소요되어 현장에서의 즉각적 확인을 통한 노출저감 관리에 어려움이 있을 수 있습니다. 

 

때문에 부유미생물을 액상으로 포집, 미생물이 가진 ATP와 반응해 빛을 내는 발광효소를 이용하려는 다양한 시도가 있었습니다. 하지만 극저농도(약 1억 개 입자 중 1개)로 존재하는 부유미생물을 센서가 읽어낼 수 있을 정도로 농축하는 데 한계가 있었고 시료 포집부터 분석까지 일련의 작업들이 연속적으로 자동화되지 못했습니다. 또 상온에서 활성이 저하되는 발광효소의 특성상 장시간 연속적 모니터링에 이용하기 어려웠습니다. 

  • ATP(Adenosine Triphosphate, 아데노신 삼인산)

생명체의 세포가 호흡, 대사 등을 위해 에너지로 사용하는 물질입니다. 인산기가 떨어지면서 에너지가 발생됩니다.

  • 콜로니계수법

박테리아 또는 곰팡이 같은 미생물을 고체 배지 상에 접종하고 배양함으로써 형성되는 미생물의 집락(콜로니, colony) 수를 측정(단위, CFU)합니다.
 

사이클론 이용했다

실시간 부유미생물 모니터링 장비(ABMS). 출처: 한국연구재단
실시간 부유미생물 모니터링 장비(ABMS). 출처: 한국연구재단

연구팀은 청소기부터 화력발전소에 이르기까지 공기에 섞여있는 먼지를 포집하는데 널리 쓰이는 사이클론을 개량해 부유미생물을 액상으로 100만 배 까지 농축하는 데 성공했습니다. 고속으로 유입되는 시료의 크기에 따라 벽에 부딪혀 가라앉는 속도가 다른 것을 이용해 물질을 분리하는 사이클론을 개량해 농축 성능을 높였는데요. 기존 미국 연구팀이 달성한 78만 배 보다 향상된 것으로 공기 1m3(액체로 환산시 1,000,000ml)당 100 CFU 정도로 존재하는 미생물을 100만분의 1인 단 1ml의 액상으로 포집할 수 있는 수준입니다. 

 

핵심은 시료와 닿는 사이클론 내부 표면을 균일한 액막이 형성되도록 초친수성 물질로 처리한 겁니다. 이를 통해 공기 중 시료를 액상 계면에 자연스럽게 액화 포집하는 동시에, 바로 탐지부로 이송되도록 자동화하는 데 성공했습니다. 또한 상온에서도 한 달 이상 활성을 유지할 수 있도록 발광효소와 기질을 디스크 형태의 종이에 동시에 고정화하여 탐지부를 구성함으로써 모니터링의 지속성을 보완했습니다.  

출처: 한국연구재단
실시간 부유미생물 모니터링 중. 출처: 한국연구재단

나아가 다중이용시설인 서울특별시 내 6개 지하철 역사에서 개발된 시스템에 대한 현장적용 평가를 실시한 결과 5분마다 연속적으로 부유미생물 농도 정보를 얻을 수 있었고 이 정보는 기존 콜로니 계수법으로 측정한 농도와 근사한 것으로 나타났습니다. 연구팀은 향후 현장의 특성을 고려한 다양한 실내외 대기환경을 모니터링할 수 있는 실용화 연구를 계속할 계획입니다. 

 


##참고자료##

 

 

 


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