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(고려대학교, 고려대학교 대학원)

지도교수
김성표
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이 논문은 수계에서 발생된 과산화수소가 수생태계 및 공중보건에 미치는 영향성에 대해 조사하고, 안전한 물 공급을 위한 항생제 내성 위협 변화를 확인하여, 공중보건 위해성 저감을 목표로 한다. 활성산소종 (Reactive oxygen species)의 대표적 물질인 과산화수소 (Hydrogen peroxide, H2O2)를 선택하여 본 연구에 적용하였다.
호소수 내 과산화수소를 직접 측정하여, 수계에서 발생되는 과산화수소 농도 범위를 시간적 및 공간적으로 구분하여 분석하였다. 연구 대상 지역은 한국의 금강 유역에서 대청호 유역을 선정하였다. 대청호 지역은 수질 오염 문제가 빈번하게 발생하는 곳으로써, 특히, 조류 대발생 문제 및 비점오염원 유입 문제가 빈번히 발생하는 곳이다.
모니터링 기간 (2017.06 ~ 2020.02) 동안, 수계에서 관찰된 과산화수소 농도는 평균 553 nM로 분석되었다. 최저 104 nM에서 최고 1460 nM까지 측정되었다. 일조량이 풍부한 낮(명조건)의 과산화수소 발생률이 밤(암조건)보다 높게 나타났다. 여름철 조류 대발생시 변화되는 과산화수소 농도는 유해 남조류 3종과 미세조류 1종을 통해 확인하였다. 과산화수소 발생 경향은 조류 세포의 성장 상태와 동일하게 변하였으며, 유해 남조류가 미세조류보다 더 많은 과산화수소를 생성하였다.
유해 남조류에서 발생되는 조류 독소 (algal toxin)가 산화스트레스를 유도하여, 과산화수소 생성이 증가하게 되었다. 이전 연구에서 수계로 유입되는 중금속과 항생제는 활성산소를 유발하는 물질로 알려져 왔다. 따라서 조류 배양조에 중금속과 항생제를 노출하여, 시간에 따른 과산화수소 발생 변화가 최대 8,000 nM까지 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 현장 모니터링 연구를 통해서 과산화수소를 발생시킬 수 있는 요인인 조류, 중금속, 항생제등은 여름철 환경에서 수계로 유입되었을 경우, 과산화수소 농도가 폭발적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
산화력을 보유하고 있는 과산화수소가 수계에서 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구는 아직 미흡한 상황이다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 측정된 과산화수소 농도 범위에서 수생태계 (zebrafish)와 공중보건성 (antibiotic resistance)에 어떠한 변화가 발생하는지를 확인하였다. 노출되는 과산화수소 농도와 시간이 증가할수록 인지 기능은 대조군에 비해 69% 저하되었으며, 인지 회복능력도 지연되었다.
과산화수소에 대한 노출 빈도 증가는 체내 지질을 산화하여 질병 및 장애를 유도하는 것을 확인 할 수 있었다. 공중보건의 위협은 항생제 내성 박테리아의 바이오필름 바이오매스량 변화와, 항생제 내성 유전자의 전달률을 통해 확인 하였다. 증가된 바이오필름 바이오매스로 인하여 (최대 68%), 항생제 내성 유전자의 전달률은 30%까지 증가하였다. 아치사 농도의 과산화수소는 유기체와 미생물에 악영향을 미치므로 수계 내 과산화수소 관리의 중요성을 강조 할 수 있는 연구가 되었다.
소독 공정을 적용하여, 수계에서 과산화수소에 사전 노출된 항생제 내성 박테리아와 항생제 내성 유전자의 제거율 변화 관찰을 수행하였다. 일반적으로, 물리적 처리 (혼화-응집-침전-여과)에 의해서 대부분의 미생물이 저감되지만, 완전히 제거되지 못한 미생물은 소독 공정을 통해 안정성을 확보한다. 그러나 항생제 내성박테리아는 소독제에 내성을 보유하고 있으며, 또한 유전자가 여과공정에 존재하는 생물막에서 다른 미생물에 유전자를 전달 할 수 있는 잠재적 가능성이 존재한다. 과산화수소의 사전 노출로 인해 산화스트레스 대응 능력 (항산화효소 발현량 증가)이 향상되어, 낮은 농도 (5 mg/L)에서는 제거율이 감소되어, 적절한 소독 공정 유지를 위해서는 고농도 소독제를 투입하거나, 고도산화공정을 이용한 복합적 소독이 필요하다.
직접적인 치사유발은 없으나 수중생물의 활동변화나 세균의 내성유발은 인체에도 해로운 영향을 미칠 수 있다. 인간에게 물이 안정적으로 공급될 수 있도록 수질 관리 방법과 시스템, 소독 과정에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
#활성산소종 #생태영향평가

목차

  1. CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
    1.1 Overview 1
    1.2 Objectives 4
    1.3 Structure of the dissertation 5
    CHAPTER 2. BACKGROUND 6
    2.1 Reactive oxygen species 6
    2.1.1 Types of species 7
    2.1.2 Mechanisms of ROS sources 14
    2.1.3 ROS generation in the environmental system 23
    2.2 Algal Bloom 27
    2.2.1 Algal bloom in the water system 27
    2.2.2 Algal bloom factors 28
    2.2.3 Treatment and control methods 31
    2.3 Ecological toxicity test 33
    2.3.1 Organisms change 34
    2.3.2 Microorganisms change 39
    2.4 Disinfection 45
    2.4.1 Disinfection system 45
    2.4.2 Chlorination disinfection 47
    2.4.3 Advanced oxidation process 50
    2.4.4 Other disinfection techniques 52
    CHAPTER 3. APPROACH AND METHODS 54
    3.1 Experimental Approach 54
    3.2 Methods 59
    3.2.1 On-site monitoring 59
    3.2.2 Toxicity assessment 65
    3.2.3 Disinfection system 71
    References 75
    CHAPTER 4. LONG-TERM SEASONAL AND TEMPORAL CHANGES OF HYDROGEN PEROXIDE FROM CYANOBACTERIAL BLOOMS IN FRESH WATER 90
    Abstract 90
    4.1 Introduction 92
    4.2 Material and Methods 97
    4.2.1 Site description, sample collection, and water quality analysis 97
    4.2.2 Hydrogen peroxide detection 99
    4.2.3 Preparation of algal strains and culture 99
    4.2.4 Heavy metal and antibiotic solutions 100
    4.2.5 Statistics and data analysis 101
    4.3 Results and Discussion 103
    4.3.1 Hydrogen peroxide concentration in monitoring sites 103
    4.3.2 Correlation between hydrogen peroxide concentration and waterquality parameters 105
    4.3.3 Biological production of hydrogen peroxide by harmful algal bloom 109
    4.4 Conclusion 115
    References 117
    CHAPTER 5. ECOLOGICAL TOXICITY ASSESSMENT OF HYDROGEN PEROXIDE BY MONITORING CHANGES IN ZEBRAFISH AND ANTIBIOTIC RESISTANT BACTERIA 124
    Abstract 124
    5.1 Introduction 126
    5.2 Material and Methods 129
    5.2.1 Hydrogen peroxide detection and addition 129
    5.2.2 Ecological toxicity assessment (Organism) 129
    5.2.3 Ecological toxicity assessment (Microorganism) 133
    5.2.4 Statistics and data analysis 135
    5.3 Results and Discussion 136
    5.3.1 Assessment of hydrogen peroxide impact on organisms 136
    5.3.2 Assessment of hydrogen peroxide impact on microorganism 148
    5.4 Conclusion 152
    References 154
    CHAPTER 6. EVALUATION OF DISINFECTION CONTROL OFANTIBIOTIC RESISTANT BACTERIA AND pB10 PLASMID TRANSFER FOLLOWING PRE-EXPOSURE OF HYDROGEN PEROXIDE 162
    Abstract 162
    6.1 Introduction 163
    6.2 Material and Methods 167
    6.2.1 Bacterial culture preparation 167
    6.2.2 Minimum inhibition concentration (MIC) experiment andpre-exposure preparation 167
    6.2.3 Disinfection experiments 168
    6.2.4 Required disinfection time analysis 170
    6.2.5 ARB and pB10 plasmid transfer removal efficiency evaluation 171
    6.2.6 Bacterial reactive oxygen species and antioxidant systemsmeasurements 172
    6.2.7 Statistical analysis 173
    6.3 Results and Discussion 174
    6.3.1 Minimum inhibitory concentration experiments 174
    6.3.2 Disinfection efficiency evaluation of single process 176
    6.3.3 Disinfection efficiency evaluation of sequential process 182
    6.3.4 Oxidative stress-responses 185
    6.4 Conclusion 188
    References 191
    CHAPTER 7. CONCLUSION AND ENGINEERING SIGNIFICANCE 195
    7.1 Conclusion 195
    7.2 Engineering significance 199
    7.3 Future study 202
    APPENDIX. Raw data of on-site monitoring 203

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