the different inactivation behaviors of e. coli and ms-2 phage by photocatalytic tio 2 reaction...

The different inactivation behaviors of E. coli and MS-2 phage by Photocatalytic TiO2 reaction

서울대학교 응용화학부

윤 제 용

TiO2 광촉매 반응에서 미생물 불활성화에 작용하는 반응성 물질의 규명

서울대학교 응용화학부

윤 제 용

O2- + H+ HO2

O2

OH2+O-

OH

OH- (or H2O)

•OH

h

ecb-

hvb+

H2O2

e-/H+

x2

e-

A

A•-

D

D•+

O2

O2

Reactive Oxygen Species ( Reactive Oxygen Species ( •OH, O2-•, H2O2) Generated Generated

on Illuminated TiO on Illuminated TiO2 2 ParticlesParticles

Photocatalytic TiO2 chemistry (1)


cathodic process

anodic process

)(22 cbvbh ehTiOTiO

22 OeO cb

222 OHHeO cb

2222 OOHOHOHO

OHOHOHe cb 22

OHOHh vb

OHHOHh vb 2

222 22 OHHOHh vb (8)

(7)

(6)

(5)

(4)

(3)

(2)

(1)

연구 배경 I

ROS

Hydrogen Peroxide ( H2O2 )

Hydroxyl Radical ( •OH )

Superoxide Radical ( O2-• )

(Maness et al. 1999)

TiO2 광촉매 반응에서 생성되는 ROS(Reactive Oxygen Species) 가 미생물 불활성화에 미치는 메커니즘 연구 미비

미생물 불활성화: surface-bound • OH vs free •OH 의 역할 불확실

Role of •OH

Free •OH in bulk phase

Surface-bound •OH in surface phase

연구 배경 II

TiO2 광촉매 반응에 의한 바이러스의 불활성화 연구 미비

- Inactivation of MS-2 phage (Sjogren and Sierka, 1994)

- Inactivation of Qß phage (Lee et al., 1997)

연구 배경 III

연구 목적

•OH probe compound 의 감소 패턴과 미생물의 불활성화와 비교

미생물 불활성화에 관여하는 ROS (•OH, O2-•, H2O

2) 파악 : E. coli ( 박테리아 ) 와 MS-2 phage ( 바이러스 )

연구 방법 (1) - 광촉매 반응 조건

온도 : 6oC, 20oC, 33oC

pH = 5.6, 7.1, 8.2 (phosphate buffer (10 mM))

TiO2 농도 (Degussa P-25) : 0.1 ~ 2 g/L

광원 : - 16W BLB (Black Light Blue) lamp ( x 1~4)

(300~400 nm), 3.1 ~ 7.9×10-6 Einstein L-1 s-1

pCBA (para-chlorobenzoic acid) (2.43 μM)

- •OH probe compound

- Analysis: HPLC/UV detector

연구 방법 (2) - •OH 농도의 결정

][]][[][

, pCBAkOHpCBAkdt

pCBAdsspCBAOH

ktpCBA

pCBA

0][

][ln

pCBAOHss k

kOH

,

][

119, 105

sMk pCBAOH

Effect of Scavenger

- MeOH (30mM) : scavenge all of •OH (surface-bound & free)

and h+ (Sun & Pignettelo, 1995)

- t-BuOH (30mM) : scavenge all of free •OH and some of

surface-bound •OH (Sun & Pignettelo, 1995)

연구 방법 (3) - •OH scavenger

Microbial Inactivation Curves (1)

(b) : Exponential(a) : Tailing off

(c) : Shoulder + Exponential

Sur

viva

l Rat

io. L

og

(N/N

o)

Contact Time

(a)

(b)(c)

실험 방법 (4)- 모델 적용 I

N : number of microorganisms, C : disinfectant concentration

NCkdt

dN ]['

0

tCkN

NLog

CT concept

Limitation - shoulder, tailing off - decay of disinfectant residuals

실험 방법 (4)- 모델 적용 II

Chick-Watson Model

Delayed Chick-Watson Model

• CT concept is valid • Effective to explain inactivation with shoulder

)log(1

)log(1

1)(

0

0

0

N

N

kCtCtifCtkCtk

N

N

kCtCtif

N

NLog

laglagii

lag

ssOHC ][

실험 방법 (4)- 모델 적용 III

- Spreading plate method

- Pour plate method

- Host : E. coli C 3000 or E. coli Famp

2) MS-2

1) E. coli (ATCC strain 8739)

(F-specific RNA bacteriophage, ATCC 15597)

연구 방법 (5)- 미생물

Thermostated container O2 or N2

Sparging

Pyrex reactor(cutoff, ~300nm)

Black light lamp (20W) X 1~4

TiO2

powder

Stirrer

연구 방법 (6)- 실험 장치

결과 및 토의

Part 2. 미생물간의 불활성화 메커니즘 연구 : E.coli ( 박테리아 ) & MS-2 phage ( 바이러스 )

Part 1. •OH 이 미생물 불활성화 (E. coli)에 미치는 영향

Part 1. •OH 이 미생물 불활성화 (E. coli)에 미치는 영향

1. TiO2 Concentration

Time(sec)0 20 40 60 80 100 120 140 160

Ln(

C/C

0)

-1.2

-0.8

-0.4

0.00.1 g/L (k=0.0097 s-1)0.5 g/L (k=0.0136 s-1)1.0 g/L (k=0.0200 s-1)2.0 g/L (k=0.0207 s-1)

Time(min)

0 50 100 150 200 250 300

Log

(N/N

0)

-5

-4

-3

-2

-1

0

0.1g/L 0.5g/L 1.0g/L 2.0g/L

E. coli 불활성화 pCBA degradation

0.1 ~ 1.0 g/L : 농도가 높을 수록 빠른 미생물의 불활성화 1.0 ~ 2.0 g/L : 농도에 의한 차이 없음

pCBA 와 미생물이 유사한 감소 패턴을 보임 : •OH 농도와 상관성

2. 빛의 세기


Time(min)

0 50 100 150 200 250 300

Log

(N/N

0)

-3

-2

-1

00.25 I0.50 I1.00 I

Time(sec)0 60 120 180 240

Ln(

C/C

0)

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0.00.25 I (k=0.0120 s-1)0.50 I (k=0.0148 s-1)1.00 I (k=0.0200 s-1)

1.00 I (intensity) = 7.9×10-6 Einstein L-1 s-1

0.5 0.75 1

180

240

I

t (min

)*

the levels of E. coli inactivation and pCBA degradation increased with square-root dependence with an increase light intensity (R2=0.99).

* : 2 log removal

3. pH E. coli 불활성화 pCBA degradation

Time(min)0 30 60 90 120 150 180

Log

(N/N

0)

-5

-4

-3

-2

-1

0

pH 5.6pH 7.1pH 8.2

Time(sec)

0 10 20 30 40 50 60

Ln(

C/C

0)

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

pH 5.7 (k=0.0210 s-1)pH 7.1 (k=0.0200 s-1)pH 8.2 (k=0.0210 s-1)

1) High pH :

2) Low pH :

1) & 2) 의 상호 작용에 의해 pH effect 나타나지 않음( 미생물 불활성화 & pCBA 감소 )

OHOHh vb

222 OHHeO cb

4. 온도


Time(sec)0 20 40 60 80

Ln(

C/C

0)

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0.0

6 oC (k=0.0150 s-1)20 oC (k=0.0200 s-1)33 oC (k=0.0237 s-1)

Time (min)0 30 60 90 120 150 180

Log

(N

/No)

-3

-2

-1

0

6oC

20oC

33oC

온도 effectTiO2 (•OH)

미생물 ( 화학 소독제 )

온도가 높을 수록 빠른 미생물의 불활성화

5. OH 농도와 E. coli 불활성화의 상관관계

Log ( )-7.8 -7.6 -7.4 -7.2

Log

( t

)

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

Overall slope

(R2=0.99)

6 oC

20 oC

33 oC

: CT concept 이 적용됨

•OH 이 E. coli 의 불활성화를 일으키는 Major Oxidant

온도 증가에 따라 • OH 과 미생물의 반응 속도 또한 빨라진다 .

•OH

Delayed Chick Watson Model

lagii CtkCtkN

N)log(

0

)/)2(( ikaLogLogTLogC

C : [•OH]ss

t : 2 log 제거 시간

a

• OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L

6. • OH CT evaluation (20 oC) L

og(N

/N0)

1.51.20.90.60.30

5

4

3

2

1

0

).min.( 1LmgCT

96.02 R

( x 10-5 )

7. Comparison with chemical disinfectants

Disinfectants Ozone Free chlorine Chlorine dioxide •OH

CT (mg.min/L)

4.0x10-2 1.3x10-1 8.0x10-2 0.8x10-5

•OH is 103 ~ 104 times more effective

2 log removal

E. coli & MS-2 phage

Part 2. 미생물의 불활성화 메커니즘

Time(min)0 30 60 90 120 150 180 210

Log

(N/N

0)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

with scavenger (MeOH)without scavenger

•OH

,22OH 2O

The inactivation of E. coli is related with not only •OH (75%) but also other ROS (25%)

ROS 와 • OH 의 역할 (1) - E. coli

MeOH : scavenge all of •OH (surface-bound & free) and h+

Enhanced production of •OH increase the inactivation of E. coli

Time (min)0 30 60 90 120 150 180

Log

(N/N

0)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

Time(sec)0 20 40 60 80

Ln(

C/C

0)

-2.0

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0.0pCBA degradation

with O2

no O2

ROS 와 • OH 의 역할 (2 )- E. coli 산소 effect

O2 saturation

no O2

No Sparging

22 OeO cb

)(22 cbvb ehTiOTiO

)(22 cbvb ehTiOTiO

Time(min)0 30 60 90 120 150 180 210

Log

(N/N

0)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

t-BuOHwithout ScavengerMeOH

Surface •OH

Free & surface •OH

22OH 2O

Time(min)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Ln(

C/C

0)

-1.2

-0.8

-0.4

0.0pCBA degradation

E. coli is mainly inactivated by surface •OH

Scavenger 에 의한 영향 – E. coli

t-BuOH : scavenge all of free •OH and some of surface-bound •OH

Time(min)0 30 60 90 120 150 180 210

Log

(N/N

0)

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

t-BuOHwithout ScavengerMeOH

Only free •OH

Inactivated by

ROS 와 • OH 의 역할 (3)– MS-2 phage

t-BuOH : scavenge all of free •OH and some of surface-bound •OH

MeOH : scavenge all of •OH (surface-bound & free) and h+

2D Graph 1

Time(min)0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Ln(

C/C

0)

-2.0

-1.6

-1.2

-0.8

-0.4

0.0E.coli inactivation pCBA degradation

Time(min)0 30 60 90 120 150 180

Log

(N/N

0)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

Free •OH 의 생성이 증가했음에도

Fe2+, no t-BuOH

no Fe2+, no t-BuOH

Fe2+, t-BuOH

no Fe2+, t-BuOH

Role of •OH (I), Fe2+ Aided, E. coli

미생물의 불활성화는 빨라지지 않았음 .

Effect of Fe2+

(11)

(9)

(10) 23 FeeFe eb

22

23 OFeOFe

OHOHFeOHFe 322

2


(Free)

Time(min)0 30 60 90 120 150 180

Log

(N/N

0)

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

without Fe2+

with Fe2+

Enhancement of inactivation was observed as MS-2 was inactivated by free •OH

confirm the role of ROS in inactivating MS-2 phage

Role of •OH (II), Fe2+ Aided, MS-2 phage

결론

-E. coli : major: surface-bound •OH minor : free •OH, H2O2, O2

-•

-MS-2 : Only free •OH in bulk phase

1. 광촉매 미생물의 불활성화에 관여하는 ROS 의 종류가

E. coli 와 MS-2 에서 상이하다 .

: • OH CT = 0.8 x 10-5 mg min /L (2 log E. coli removal )

2. TIO2 광촉매 반응에서 미생물의 불활성화에 관여하는

ROS 중 • OH 이 주요 물질이다 .

the different inactivation behaviors of e. coli and ms-2 phage by photocatalytic tio 2 reaction...

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