모델 상수관망에 형성된 초기 생물막에서 분리한 종속영양세균의 생장 동역학 및 염소 내성

Growth kinetics and chlorine resistance of heterotrophic bacteria isolated from young biofilms formed on a model drinking water distribution system

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.