초등학교내 공기중 부유세균 및 바이러스 사멸방법에 대한 연구

A Study on How to Kill Airborne Bacteria and Viruses in Elementary Schools

Abstract

연구목적: 본 연구는 중동호흡기증후군(MERS) 및 코로나바이러스 감염증-19(코로나19)의 국내 유행 이후 늘어난 신종 감염병에 대한 두려움을 해소하기 위하여, 감염취약계층의 집단감염 위험이 있는 초등학교에서 공기살균기 적용에 따른 공기살균효과를 검증하고자 하였다. 연구방법: 서울시 소재의 초등학교의 교실 및 급식실, 화장실에 공기살균기를 각 1대씩 설치하고 공기살균기와 2m 떨어진 거리에서 표면 및 공기 시료를 채취하여 미설치 대조군과 비교하여 세균저감 효과를 분석하였다. 연구결과: 표면에서의 살균효과는 대조군 및 시험군 모두 2log CFU/cm²미만의 결과가 나왔으며, 대조군에 비해 시험군이 54~87% 저감효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 공기중에서의 살균효과는 공기살균기 설치 위치에 따라 살균능력이 차이 났으며, 벽면 설치는 대조군에 비해 최대 91%의 저감 효과를 보였으며, 중앙 설치는 최대 93%의 저감 효과를 보였다. 결론: 연구결과 상시적인 소독을 진행하는 초등학교에서 현재의 방역프로그램을 유지하는 한편 공기살균기의 적용하여 상시적인 공기살균을 병행하면 감염병 전파 방지에 상승효과를 볼 수 있을 것으로 보인다. 또한 공기살균기로의 공기유입이 원활할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.

Purpose: This study attempted to verify the effectiveness of the application of air sterilizers in elementary schools at risk of group infection among vulnerable groups in order to address fears of new infectious diseases that have increased since the outbreak of Middle East Respiratory Syndrome (MERS) and Coronavirus infection-19 (COVID-19). Method: One air sterilizer was installed in each classroom, cafeteria, and bathroom of an elementary school in Seoul, and surface and air samples were collected at a distance of 2m from the air sterilizer, and the bacterial reduction effect was analyzed compared to the uninstalled control group. Result: The sterilization effect on the surface was less than 2log CFU/cm² in both the control group and the test group, and the test group showed 54 to 87% less general bacterial colony formation than the control group. In addition, the sterilization effect in the air differed depending on the location of the air sterilizer, and the wall installation showed a reduction effect of up to 91% compared to the control group, and the central installation showed a reduction effect of up to 93%. Conclusion: As a result of the study, it is expected that the prevention of infectious diseases can be increased by maintaining the current quarantine program in elementary schools that conduct regular disinfection while applying air sterilizers. In addition, it is considered desirable to facilitate the inflow of air into the air sterilizer.

서론

지난 2019년 12월 중국 후베이 성 우한 시에서 발생한 신종 코로나바이러스 감염증-19(이하 코로나19)는 전 세계적으로 빠르게 확산되어 2020년 3월 세계보건기구(WHO)에서 팬데믹(Pandemic, 전 세계적인 유행병)을 선포하였다. 이는 세계보건기구의 팬데믹 선포 중 1968년 홍콩독감, 2009년 신종인플루엔자에 이은 세 번째 선포였다. 1943년 처음 페니실린이 상용화된 이래 새로이 개발되고 사용된 항생제는 감염병에 대한 두려움을 해소하였고 1970년대에 이르러서는 천연두마저 정복하였다. 이에 감염병에 대한 낙관적 전망이 쏟아졌다. 하지만 1980년대 후천성면역결핍증후군(일명 AIDS)의 범유행 이후 다제내성 결핵의 유행, 신종감염병의 출현 및 거의 사라진 감염병의 재출현으로 인해 감염질환에 의한 사망이 다시 증가하였다. 또한 신종감염병 발생주기가 점점 짧아지고 있다. 홍콩독감과 신종인플루엔자 사이에는 41년의 시차가 있으나, 신종인 플루엔자와 코로나19사이에는 11년의 시차가 있다. 이외 중증급성호흡기증후군(SARS), 중동호흡기증후군(MERS) 등 국지적으로 유행한 감염병들을 포함하면 2000년대에 들어서 4~6년 주기로 새로운 감염병이 발생하였다. 국내에서는 2015년 발생한 중동호흡기증후군(MERS)사태와 코로나19 발생 이후 감염병에 대한 국민적 관심과 또 다른 신종감염병의 출현에 대한 두려움이 더욱 늘어났다. 국내 코로나19의 발생양상을 살펴보면 연령별 확진자율이 0~9세는 약52%, 10~19세 약48%로 면역계 발달 미숙 및 집단생활을 많이 하게 되는 연령대의 감염률이 높은 것으로 확인되었다. 또한 0~9세의 경우 타 연령대에 비해 면역수준이 매우 낮아 감염취약계층이라고도 할 수 있다.

일반적인 감염병의 경우 감염자의 체액(비말), 감염자와의 접촉, 공기 등으로 인하여 전파된다. 그 중 비말에 의한 공기전파 감염이 가장 일반적이라 할 수 있다. 이로 인해 교육분야 코로나19관련 지침 등에서도 자연 환기를 수시로 하되, 감염원이 실내공기 중으로 빠르게 퍼질 수 있는 내부순환방식의 환기설비는 지양하도록 권고하고 있다. 또한 공기청정기로 인해 감염원이 더 전파될 수 있다는 연구결과가 있어 공기 중의 전파에 대한 두려움은 커지고 있는 실정이다.

이번 연구에서는 집단생활 중 직접적인 접촉 외, 공기 중으로의 감염원(세균 및 바이러스 등) 전파를 방지하기 위하여 공기 살균기의 공기살균효과를 검증하고자 하였다. 적용 장소로는 감염취약계층에 속하는 6~11세 학생들이 집단 생활하는 초등학교로 하였으며, 교내에 공기살균기를 적용하여 공기살균으로 인해 공기 중 감염원 저감에 얼마나 효과가 있는지 살펴보았다.

연구방법

공기살균기의 선정

초등학교에 설치할 공기살균기를 선정하기 위하여 시중의 공기살균기 중 필터를 사용하지 않고, 유전체장벽방전(Dielectric Barrier Discharge : DBD) 플라즈마를 이용하는 제품 2개(제품A, 제품B)를 먼저 선정하였다. 이 두 제품을 시험품으로 하여 살균력 비교시험을 진행하여 시험 결과가 더 좋은 제품 1개를 선정키로 하였다. 시험품의 살균력 비교시험은 동일부피의 시험 챔버에서 동일시간 작동시켜 살균력을 확인하였다. 시험품은 각각 시험 챔버의 가운데 설치하고 균이 접종된 배지를 시험 챔버 안의 각 위치에 두고 시험을 진행하였다. 시험품과 균이 접종된 배지의 배치는 Fig. 1과 같다. 접종된 균주는 E-Coli(KCTC2571)를 이용하였으며, 초기농도는 10⁴CFU/Plate로 접종하였다. 각 시험품을 1시간, 2시간 작동시킨 후 37±1℃에서 24±1시간 배양하여 균의 생장정도를 확인하였다. 이에 두 제품(제품A, 제품B) 중 살균효과가 더 좋은 제품으로 사료되는 제품A를 선정하였으며, 제품A는 울산소재의 주식회사 정록의 플라즈마 공기살균기인 JR-G2PV2C이다. 이는 유전체장벽방전을 이용하고 단계(3단계)조절이 가능한 공기살균기이다.

Fig. 1. Placement of test items and media

설치 및 운영

감염취약계층에 속하는 6~11세 학생들이 집단 생활하는 서울시 소재 초등학교를 대상으로 하여 공기살균기 적용에 따른 공기 및 기구 표면 내 살균효과를 검증하였다. 교육부의 ‘교육분야 코로나19관련 지침_유․초․중등 및 특수학교 코로나19 감염예방 관리 안내’에 따라 학교 전체 소독(교실의 경우 등·하교 시 알코올을 이용한 책상 및 기구 소독, 급식실의 경우 학생접촉이 빈번한 기구에 대해 희석한 차아염소산나트륨 등을 사용하여 소독 후 충분한 환기), 등교 전 발열체크, 모든 교직원 및 학생의 마스크착용, 교실 입장 전 손 소독 등 자체 방역프로그램을 진행하는 것에 더불어 공기살균기를 적용하여 시너지 효과를 얻을 수 있는 가에 대해 검증하고자 하였다. 이에 학생들이 가장 많은 시간 머무는 교실(29㎡), 다수의 학생이 공동으로 사용하는 급식실 및 화장실을 선택하여 공기살균기 살균력 비교시험에서 선정된 주식회사 정록의 공기살균기 JR-G2PV2C를 1대씩 설치하였다.

시료의 채취

기구 및 시설의 표면세균 감소를 확인하기 위하여 Fig. 2와 같이 공기살균기를 교실, 급식실, 화장실 벽면에 설치하여 계속 가동 후 3일에 걸쳐 교실의 학생책상, 급식실의 식탁, 화장실 변기손잡이의 표면을 표면검사용Swab Kit(ST-25 PBS, 주식회사 엘멕스)를 이용하여 15cm²범위를 문질러 시료를 채취하였다. 채취된 시료를 Swab Kit내 희석액에 충분히 희석한 다음, 희석액 1mL를 표준한천배지(Plate Count Agar, MB-P1040-P50, 기산바이오)에 분주하여 도말한 뒤, 35±1℃에서 48±1시간 배양한다. 배양된 균을 통하여 기구 및 시설의 표면세균을 계수한다.

Fig. 2. Installation of an air sterilizer in cafeteria

또한 실내공기 중 부유세균의 감소를 확인하기 위하여 교실의 벽면 및 중앙에 공기살균기를 설치하고 일과 중에는 청정모드(2단계)로 계속가동, 일과가 끝나고 난 뒤에는 방역모드(3단계)로 하여 10시간 가동 후 청정모드가 되도록 하여 계속 가동하여 학생들이 등교하기 전인 07:00AM~08:00AM과 수업시간 중인 12:00PM~13:00PM에 Fig. 3과 같이 공기살균기와의 2m 떨어진 거리에서 공기 중 부유세균 포집기(KAS-110, 켐익코퍼레이션)를 설치한다. 부유세균 포집기 내에는 표준한천배지를 삽입하여 공기시료의 세균이 부착될 수 있도록 한다. 공기시료는 25L/min의 속도로 10분간 채취하여 총 250L의 공기를 채취하였다. 이를 35±1℃에서 48±1시간 배양하여 총 부유세균수를 계수 한다.

Fig. 3. Collecting air samples in uninstalled classrooms

결과확인

공기살균기 살균력 비교시험 결과

공기살균기를 선정하기 위하여 살균력 비교시험의 배양 결과는 Fig. 4와 같았으며, 시험품을 1시간 작동시킨 시험군에서 A제품은 접종된 균이 일부 집락을 형성하였으며, B제품의 경우 대조군과 차이가 없었다. 또한 같은 시간 작동시킬때에 A제품은 2시간 이내 99.9%의 살균력을 보였으며 B제품의 경우 2시간 작동시킨 시험군에서 유의적인 감소는 보였으나 많은 수의 집락이 형성되어 살균력을 수치적으로 나타내는데 어려움이 있다. 배양 결과를 비교한 결과, 같은 시간 작동하였을 때의 살균력은 제품A가 제품B보다 높은 것으로 판단된다. 이는 표면 내 세균의 살균력에 관한 것이라 할 수 있다.

Fig. 4. Results of comparison of sterilization power between product A and product B

Fig. 4를 살펴보면 균이 접종된 배지 위치에 따라 균 사멸 정도가 다른 것으로 보인다. 가장 가까운 위치의 ①위치의 배지에서 제품A(1시간 처리구 비교_2시간 처리구 비교불가), 제품B(2시간 처리구 비교_1시간 처리구 비교 불가) 모두 가장 적게 균이 생장하였으며, 공기(플라즈마 활성종)가 배출되는 곳에서 가장 먼 ②위치의 균이 가장 많이 생장한 것을 볼 수 있다. 이는 공기 흐름과 위치에 따라 표면 내 일반세균의 사멸정도의 차이는 짧은 시간 안에서는 날 수 있다고 볼 수 있다. 이는 공기살균 외 기구 및 시설 표면 내 살균을 위해서는 공기 흐름이 중요하다는 증거가 된다.

교내 기구 및 시설표면 내 일반세균 저감 효과

표면에서의 살균효과는 소독제를 이용한 표면 소독을 진행하는 관계로 대조군 및 시험군 모두 2log CFU/㎠미만의 결과가 나왔으며, Table 1에 따르면 교실 내 책상에서 기구 및 시설 표면 내 세균은 공기살균기를 설치한 모든 표면에서 미설치 대조군(Control)과의 유의적인 차이를 보였다. 알코올과 차아염소산나트륨 등을 이용한 표면 살균과 공기살균의 효과가 중첩되어 시너지효과를 나타내는 것으로 보이며, 저감 효과의 평균은 교실 책상73%, 급식실 식탁80%, 화장실 변기손잡이 66%를 보이는 것으로 관찰된다. 화장실 변기 손잡이의 경우 대조군에서 집락을 계수할 수 없을 정도로 균이 많이 자란 경우도 있었으며, 이는 약품을 이용한 표면 소독을 진행할 때 경우에 따라 소독이 잘 이루어지지 않을 수도 있다는 가능성을 시사한다.

Table 1. Reduction of bacteria on the surface of instruments and facilities​​​​​​​

*Too Many To Count

공기 내 부유세균 저감 효과

이번 연구에서 공기살균기를 도입하여 기구 및 시설 표면 내 세균 저감 효과와 더불어 공기 중 부유미생물의 저감 효과를 알아보고자 하였다. Table 2에 따르면 시간대별로 비교하였을 때 대조군에서 아침시간(07:00~08:00)은 부유세균의 집락형성이 적지만, 점심시간(12:00~13:00)에는 부유세균 집락형성이 증가하였다. 시험군에서는 시간대별 부유세균 집락형성 변화가 어느 정도 있었지만 대조군에 비해서는 그 변화가 적다. 대조군의 부유세균 집락형성 변화는 부유세균 및 먼지의 침강으로 인한 현상으로 보인다. 아침시간에는 부유세균 및 먼지가 침강되어 공기 중 부유세균이 적어 부유세균 집락형성이 적었지만 점심시간에는 학생들의 활동 등에 의해 침강된 세균 및 먼지가 비산되어 공기 중 부유세균이 늘어난 것으로 보인다. 또한 공기살균기의 설치위치에 따라 부유세균 저감효과가 달랐다. 공기살균기를 교실중앙에 설치하였을 때에는 초기 10분, 5시간, 24시간 모든 시료 채취구간에서 35%, 93%, 93%로 벽면설치 20%, 91%, 76%보다 저감 효과가 높은 것으로 나타났다.

Table 2. Reduction of airborne bacteria according to the installation location

*After initial installation, sample collection after 10 minutes of operation in clean mode (07:00~08:00)

**Sample collection after 5 hours of operation in clean mode (12:00~13:00)

***Sample collection after 24 hours of installation (continued operation of quarantine mode and clean mode for 10 hours) (07:00~08:00)

결론

본 연구에서 대표적인 다중이용시설인 초등학교 내 시설에 공기살균기를 설치하고 적용효과를 분석하였다. 초등학교 내 시설은 매일 소독작업을 실시하고 있으나, 기구 및 시설에 대한 소독작업일 뿐임과 동시에 기구 및 시설에 대한 소독작업에도 미흡한 점이 있을 수 있음으로 소독작업의 보조수단으로도 공기살균기를 활용할 수 있을 것으로 보인다. 또한 공기 중 감염원 저감에 대해서는 대조군에 비해 최소 35%, 최대 93% 부유세균 저감효과가 있음으로 공기 중의 감염원 전파방지에 도움이 될 것으로 사료된다. 부유세균 저감 효과 결과를 종합하면 학생들이 활동하는 시간에 공기살균기를 중앙에 설치하였을 경우 가장 저감 효과가 큰 것으로 관찰되었다.

본 연구를 통하여 실제 초등학교 내 공기살균기를 적용하였을 경우 부유세균이 최대 93% 저감되며, 이는 공기살균기가 공기 중 감염원 전파를 줄이는 수단으로써 효과가 있는 것으로 확인되었다. 공기살균기의 설치 위치에 따른 부유세균 저감효과가 다름으로 실제 사용공간에서 공기살균기의 공기 유입과 설치위치 등에 따른 살균효과를 알아보기 위한 후속연구가 진행되어야 할 것이다.