Elucidating Virus Disinfection Mechanism for Future Water Management: Comparison of Whole Viral Genome Damage with Nucleotide Reactivity for Free Chlorine and Ozone

Abstract

아데노바이러스를 포함한 수인성바이러스는 인간에게 전염되어 폐렴 등의 호흡기 질환을 일으키기도 한다. 바이러스는 적은 개체수에서도 빠르게 전파할 수 있다. 수처리되지 않은 물은 수인성 바이러스 발병의 원인이 되기도 한다. 물 속에 존재하는 바이러스는 수처리 중 소독 과정을 통해 비활성되어 처리된다. 바이러스는 여러 항원형이 존재하기 때문에, 바이러스들의 CT 값은 상이하며 이러한 값은 같은 종의 바이러스에서도 다른 값을 가지기도 한다. 바이러스 소독 기작에 대한 선행연구는 많은 연구자들에 의해 수행되었다. 선행 연구에서는 소독에 의해 바이러스 단백질의 변형이 바이러스 비활성화에 크게 기여했음을 밝혀냈다. 하지만, 소독과정에서 바이러스 유전자의 반응에 대한 연구는 충분히 밝혀지지 않았으며, 그 기작에 대한 연구도 부족하다. 본 연구는 단일 뉴클레오티드와 유리 염소 및 오존과의 반응성 실험을 통해 유리 염소에 대한 CT 값을 구하였다. 유전자의 구성물질인 뉴클레오티드(Adenosine 5-monophosphate, Thymidine 5-monophosphate, Guanosine 5-monophosphate, Cytidine 5-monophosphate )는 유리 염소에 대해서 각각 다른 CT 값을 가지고 있었다(0.6 to 8.175 M-1s-1). 하지만 Thymidine 5-monophosphate는 유리 염소와 거의 반응하지 않았다. 바이러스 유전자는 종과 항원형에 따라 다른 유전자 서열과 뉴클레오티드 함량을 가지고 있다. 이러한 특성을 통해 바이러스 유전자는 유전 서열 속 특정 지점에서 소독에 취약한 점이 있을 것으로 기대된다. 아데노바이러스 타입2 DNA를 이용하여 유전체 속 특정 유전자(L4, L5)를 선정하여 유전서열 및 뉴클레오티드 함량의 영향에 대해 알아보고자 한다. 본 연구에서 소독을 통한 바이러스 유전자의 손상은 qPCR 분석기법을 통해 정량 하였다. 또한, 소독된 바이러스 유전자는 제한효소를 통해 단일 뉴클레오사이드로 분리되어 HPLC-UV를 통해 각각의 염기를 정량 하였다. 소독에 의한 감소한 유전자 속 염기들은 대체로 뉴클레오티드와 소독제의 반응 속도 상수 값을 따랐다. 본 연구를 통해 소독처리과정에서 사용되는 유리 염소와 오존이 바이러스 유전자를 손상시킬 수 있음을 알 수 있었으며, 염기의 손상 또한 관찰하였다. 바이러스 유전자 손상과 유전자 속 염기의 감소 비교를 통해 유전자 속 염기의 손상이 전체 유전자 손상의 주된 원인이 될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 신종 바이러스에 대한 소독 연구에서 서열을 모르는 바이러스 유전자와 소독물질과의 반응성에 대한 예측에 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다. 바이러스 유전자 손상과 뉴클레오티드에 대한 손상 기작에 대한 데이터가 충분히 모인다면, 데이터 기반의 미래형 스마트 도시에서의 수처리에도 사용될 것으로 기대한다. 하지만 데이터를 수집하는 데 필요한 비용이 비싸고 유전자 데이터 수집이 실시간으로 이루어지기 어렵다는 한계점이 있다. 또한, 유전자 손상의 기작에 대한 전반적인 연구는 향후 더 필요하며, 유전자 손상과 염기 손상의 상관관계에 대한 연구가 더 필요할 것으로 보인다.

Waterborne viruses transmitted to human and caused respiratory diseases like pneumonia. Viruses are easily spread even with the small amounts. Untreated water could be the source of viruses. Viruses in water source can be inactivated in disinfection process in water treatment. Since there are various serotypes in the virus, CT values of virus were different even when their shapes were similar. Mechanisms of virus disinfection were studied by many researchers. They elucidated that viral protein was modified by disinfection and this type of modification caused virus inactivation. However, the effect of disinfection to viral genome was not fully investigated yet. This study focused on the reactivity of single nucleotide with free chlorine and ozone to quantify the CT values of nucleotide. Nucleotides (Adenosine 5-monophosphate, Thymidine 5-monophosphate, Guanosine 5-monophosphate, Cytidine 5-monophosphate) had different CT values with disinfectants (0.6 to 8.175 M-1s-1). Thymidine 5-monophosphate was not reacted during free chlorine disinfection. As sequence of viral genome had different nucleotides property, viral genome was expected to have vulnerable site during disinfection. L4 gene and L5 gene in adenovirus type 2 DNA was selected to identify the sequence and base property effect. In this study, viral genome damage during disinfection was analyzed by qPCR analysis. Disinfected viral genome was digested to single nucleosides to quantify base degradation in viral genome. Base degradation was analyzed by HPLC-UV. Degradation of nucleotide in viral genome followed the tendency of nucleotide disinfection kinetics. This study had environmental implications of waterborne virus treatment. Free chlorine and ozone could damage the viral genome during disinfection process. Base degradation in viral genome was occurred in free chlorine disinfection and ozone disinfection. Compared with viral genome damage analysis and viral genome digestion analysis, base degradation during disinfection process should be major source of genome damage. Virus disinfection study helps to understand the optimization of disinfection process during water treatment. Also, elucidating genome damage in virus helps to treat emerging virus in the future. Smart city is controlled by data to make city more efficiently. In the future, water treatment in smart city will be controlled by data from water source. Viral genome data measured by molecular methods also has possibility to predict emerging virus viability or disinfection efficiency in future water management.