Inactivation of bacteria and viruses by conventional disinfectant and high valent copper species in aqueous system: Efficacy and mechanism

Abstract

Recently, the need for disinfection is continuously increasing due to the outbreak of various pathogens and infection accidents. In particular, the possibility of transmission through water has been raised as the infection routes of specific virus species that spread through the air have diversified, and interest in the inactivation of pathogens in water has greatly increased worldwide. To control pathogens in water, chemical oxidation methods such as chlorine and ozone and photochemical disinfection systems can be applied. In this study, the inactivation efficiency of various disinfectants and microorganism pairs applied in the disinfection process was quantitatively analyzed, and the inactivation mechanism was investigated. As disinfectants, single anti-oxygen, which is a photochemical disinfectant, chlorine, ozone, and hydrogen peroxide, which are chemical disinfectants, and a copper-based disinfection system were applied. As microorganisms, 8 types of bacteria (including 2 pathogenic types) including E. coli, 4 types of bacteriophages, and 2 types of pathogenic viruses (airborne virus) were selected. compared. Additionally, for pathogenic viruses, a study to generalize the inactivation mechanism was additionally performed to show the contribution of inactivation. The main results are as follows. First, singlet oxygen generated by the photochemical disinfection system shows a linear correlation with the inactivation of microorganisms and shows high inactivation efficiency in viruses compared to bacteria. Second, it was confirmed that the similarity of the tendency of microbial inactivation was increased when classified by structural characteristics of microorganisms through the application of a copper-based disinfection system. etc. Third, it was confirmed that the inactivation of airborne pathogens is easily possible even with the use of existing disinfectants, but the inactivation efficiency is relatively low. In addition, it was confirmed that the inactivation efficiency of microorganisms should be predicted by simultaneously applying changes in the structure by pH, not simply determined by the type and concentration of the oxidant.

최근 다양한 병원균의 창궐과 감염사고로 인하여 소독에 대한 필요성이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 공기를 매개로 전파하는 특정 바이러스 종 들의 감염경로가 다양해지면서 물을 통해 전파될 가능성이 제기된 바 있어 물 속 병원균 불활성화에 관한 관심이 전세계적으로 크게 늘었다. 물 속 병원균을 제어하기 위해서는 염소, 오존 등의 화학적 산화방법과 광화학적 소독시스템을 적용할 수 있다. 본 연구에서는 소독공정에서 적용되는 다양한 소독제와 미생물 쌍의 불활성화 효율을 정량적으로 해석하고자 하였고, 그 불활성화 기작에 대해서 규명하고자 하였다. 소독제로는 광화학적 소독제인 단일항산소와 화학적 소독제인 염소, 오존 그리고 과산화수소, 그리고 구리계 소독시스템을 적용하였다. 미생물로는 대장균을 비롯한 박테리아 8종(병원성 2종 포함)과 박테리오 파지 4종, 병원성 바이러스(공기매개 전파) 2종을 선택하였으며 각 미생물 별로 한 종이상의 소독공정을 적용하여 각 소독공정의 효율을 비교하였다. 추가적으로 병원성 바이러스에 대해서는불활성화 기작을 일반화하는 연구를 추가적으로 수행하여 불활성화 기여도를 나타내었다. 주요 결과는 아래와 같다. 첫째, 광화학적 소독시스템에 의해 생성된 단일항산소는 미생물의 불활성화와 선형의 상관관계를 나타내며 박테리아에 비해 바이러스에서 높은 불활성화 효율을 나타낸다. 둘째, 구리계 소독시스템의 적용을 통해 미생물의 구조적 특징으로 분류하였을때, 미생물 불활성화의 경향성의 유사도가 높아진 다는 것을 확인하였으며, 이 구조적 특징은 펩티도글리칸 층의 두께, 유전물질의 가닥 수 등을 포함한다. 셋째, 기존 소독제를 활용하여도 공기매개 전염 병원균의 불활성화는 쉽게 가능하나, 상대적으로 불활성화 효율이 낮다는 점을 확인하였다. 추가적으로 미생물의 불활성화 효율은 단순히 산화제의 종류와 농도에 의하여 결정되는 것이 아닌 pH에 의한 구조체의 변화 등을 동시에 적용하여 예측하여야 한다는 점을 확인하였다.