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[미국] 수중 센서로 수중 세균 오염을 신속하게 감지
2020년 03월 16일 (월) 09:38:57 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

[미국] 수중 센서로 수중 세균 오염을 신속하게 감지

미국 샌디에이고(San Diego)에 비가 오면 샌디에이고강(San Diego River)과 그 알바라도 크릭 지류(Alvarado Creek tributary)와 같은 수로는 결국 바다로 옮겨지는 박테리아 오염을 경험하는 경우가 많다.

이것은 수영자, 서퍼 및 수생생물에게 공중보건 위협이며, 폭우, 하천으로의 폐수 불법 유출, 정화조 탱크 누출로 인한 하수도 중단으로 인해 발생할 수 있다.

전형적으로 오염이 잦은 해안도시들은 물 샘플을 채취해 박테리아 오염이 의심될 경우 품질을 검사한 뒤 일반인에게 경고하고 해수욕장에 대한 접근을 차단한다.

그러나 이 반동적인 방법은 대중에게 위험할 수 있는 지연인 18시간에서 24시간의 대기 시간을 포함한다.

샌디에이고 주립대학의 환경공학자들은 형광물질을 검출할 수 있는 기존 센서 기술을 채택하고 이를 조정해 물 속 박테리아를 신속하게 검출할 수 있도록 했다.

그들은 이 기술을 원격 측정과 결합하여 오염 경보를 실시간으로 전송할 계획이며, 이는 물 감시 기관과 정부 당국에 유용한 영향을 미칠 수 있는 진전이다.

치아의 에나멜에서부터 우리가 입는 옷의 소재에 이르기까지 모든 물체는 육안으로는 보이지 않지만 특수 센서에 의해 감지될 수 있는 형광성을 가지고 있다.

박테리아는 또한 이 센서들이 감지할 수 있는 유사한 형광성을 가지고 있어, 연구자들이 오염을 빨리 알아내는 데 도움을 주었다.

샌디에이고 주립대학의 나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov) 수질연구소장 겸 부교수는 "말 그대로 몇 초 만에 박테리아 오염을 신속하게 규명하고, 손에 쥐는 기구처럼 사용하면서 강도가 높아지는 것을 실시간으로 관찰할 수 있기를 원했다"면서 "많은 물 관리자들이 알고 있는 한 가지 문제는 실시간 데이터를 가질 필요가 있다는 것이고, 이것이 해답일 수 있다"라고 강조했다.

나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov) 부교수는 오랫동안 센서를 지표수, 수처리 및 재사용 시설에서 예상치 못한 오염 사건에 대한 조기 경보 시스템으로 평가하는데 관심이 있었다.

나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov) 부교수는 이전에 형광 기반 센서가 어떻게 치료 시설에 오염물질의 존재를 나타낼 수 있는지를 보여주었고, 이번에는 그것들이 지표수의 하수 오염사고에 적응할 수 있는지 알아보기 시작했다.

믈라데노프는 또 "호수나 저수지와 같은 정수처리장의 원천수역도 하수 유출이나 다른 세균 오염을 경고하기 위해 이런 센서를 배치하기에 좋은 장소가 될 것"이라고 말했다.

이 목적으로 사용되는 대부분의 샘플링 장치는 결과가 나오기 전에 배양기간을 갖지만, 그녀가 테스트한 형광 기반 센서는 물 속의 박테리아와 유기물질 및 식물 폐기물을 구별할 수 있고, 그 데이터를 즉시 전달할 수 있다.

나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov) 부교수와 전 학부 공학자인 로렐레이 멘도자(Lorelay Mendoza)는 휴대용 잠수정 투시계를 사용했는데, 이 측정기에는 센서 선택이 포함되어 있다.

박테리아 폐수 추적을 위해, 그들은 칠면조 저녁 식사 후에 졸리게 만드는 것과 같은 아미노산인 트립토판용 센서와 배경 형광 추적용 유머 센서를 선택했다.

나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov)의 이전 연구는 트립토판 센서가 가장 유용할 것이라고 밝혔다. 그녀의 팀은 폭풍우 동안 배설물 박테리아 농도의 존재를 관찰했던 연구실과 알바라도 크릭(Alvarado Creek)에서 모두 그것을 실험했다.

로렐레이 멘도자(Lorelay Mendoza)는 기상 사건을 추적하고 폭우이 예보되기 전날 밤, 폭우 중의 박테리아 오염을 실시간으로 추적하면서 불소측정기를 강에 두곤 했다.

나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov)는 "이번 발견으로 폐수가 알바라도 크릭으로 배출된 것은 위생적인 하수도가 넘치거나 폭풍우가 몰아치는 동안 하수 시설의 유출로 인한 것"이라면서 "세어 라인은 오래되었고 많은 사람들이 유용한 삶의 끝에 다다르고 있다:고 말했다.

나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov)는 이어 "멘도자(Mendoza)는 높은 수치가 대장균 수치에서 뒷받침되고 있으며, 카페인 농도를 측정함으로써 인간이 초래한 오염이 확인되었다"고 말했다.

로렐레이 멘도자(Lorelay Mendoza)는 "우리는 이 연구가 데이터를 가지는 것이 힘이기 때문에 장기간 모니터링을 위해 물체에 형광 센서를 배치하는 것을 촉진하기를 바란다"면서 "도시와 수상 관리자들이 수질상의 취약성을 탐지하고 오염 사건이 발생할 때 영향을 줄이기 위해 수류에 센서를 배치하는 것을 보고 싶다. 조기 경보 신호가 없으면 초기 오염과 인식, 반응 사이의 시간이 더 길어지고 환경과 수생에 부정적인 영향을 미칠 것이다"라고 말했다.

폭풍우가 몰아칠 때 샘플을 채취하는 것은 어려울 수 있다. 거기서 대학원생인 페데릭 피농코스(Federick Pinongcos)와 동료인 앨리샤 키노시타(Alicia Kinoshita)가 샘플을 온전하게 수집하여 신속하게 실험실로 가져왔음을 확인하였다.

나탈리 믈라데노프(Natalie Mladenov)는 "이러한 유형의 여러 증거 연구는 이전에 수행되지 않았다"면서 "광학, 형광 기반의 접근 방식이 하수 누출 및 지표수의 기타 유출을 향후에 감지 할 수 있는 효과적인 방법임을 나타낸다"라고 말했다.

생물학적 및 화학적 자료를 뒷받침하기 위해 믈라데노프(Mladenov)는 SDSU 교수  매튜 버블라(Matthew Verbyla) 및  거즈버그(Rick Gersberg)와 협력했다. 다음으로 그녀와 지리학 교수인 트렌트 빅스(Trent Biggs)는 경보를 실시간으로 수신 할 수 있도록 원격 측정 시스템과 함께 형광 기반 센서를 배치하고 샌디에고 강을 포함한 더 큰 수역에서 연구를 수행 할 것입니다.

현장 배치를위한 자금은 샌디에이고강관리소(San Diego River Conservancy)에서 제공된다. 실험실 연구와 멘도사의 급여는 국립보건원(National Institutes of Health)의 지원금과 SDSU의 최대화 된 연구 경력 프로그램에 의해 지원되었다.

[원문보기]

Submersible Sensors Rapidly Detect Bacterial Pollution In Water

Fluorescence-based devices can alert authorities to contamination after a storm by looking for an improbable marker: tryptophan.

When it rains in San Diego, waterways such as the San Diego River and its Alvarado Creek tributary often experience bacterial pollution that is ultimately carried to the ocean.

This is a public health threat for swimmers, surfers and aquatic life, and it can stem from sewer line breaks during storms, illegal discharging of wastewater into rivers, or leaky septic tanks.

Typically, coastal cities that experience frequent contamination will collect water samples and test the quality if they suspect bacterial contamination, before issuing warnings to the public and closing access to beaches.

But this reactionary method involves wait times of to 18 to 24 hours, a potentially hazardous delay for the public.

Environmental engineers from San Diego State University have adapted existing sensor technology that can detect fluorescence and tweaked it to enable rapid detection of bacteria in the water.

They plan to combine this technology with telemetry to transmit contamination alerts in real time, an advance with useful implications for water monitoring agencies and government authorities.

From the enamel on our teeth, to material in the clothes we wear, every object has fluorescence that is invisible to the naked eye, but can be detected by special sensors.

Bacteria also have similar fluorescence these sensors can detect, which helped the researchers quickly identify contamination.

"We wanted to rapidly identify bacterial contamination, literally in seconds, and be able to watch the intensity increase in real time, using it much like a hand-held instrument," said Natalie Mladenov, water quality researcher and associate professor.

 "One problem many water managers are aware of is the need to have real time data, and this could be the answer."

She has long been interested in evaluating sensors as early warning alert systems for unanticipated pollution events, both in surface water and at water treatment and reuse facilities.

She has previously shown how fluorescence-based sensors can indicate the presence of pollutants in treatment facilities, and this time she set out to explore whether they could be adapted for sewage pollution incidents in surface water.

In addition, "source waters for drinking water treatment plants, like lakes or reservoirs, would also be an excellent place to deploy such a sensor to warn of sewage spills or other bacterial contamination," Mladenov said.

Most sampling devices being used for this purpose have an incubation period before results are available, but the fluorescence-based sensors she tested can distinguish between bacteria in the water and organic material and plant waste, and relay that data immediately. The study will be published March 11 in the Science of the Total Environment.

Mladenov and former undergraduate engineering student Lorelay Mendoza used a portable submersible fluorometer, which comes with a choice of sensors.

For bacterial wastewater tracking, they chose a sensor for tryptophan--the same amino acid that makes you sleepy after a turkey dinner--and a humic sensor for background fluorescence tracking.

Mladenov's previous research indicated the tryptophan sensor would be the most useful. For proof her team tested it both in the lab and in Alvarado Creek where they had observed the presence of fecal bacteria concentrations during storms.

Mendoza would track weather events and the night before a storm was predicted, she would place the fluorometer in the creek, tracking bacterial contamination during the storm in real time.

"The findings suggest that wastewater was discharged into Alvarado Creek because of a sanitary sewer overflow or some kind of leakage in sewer infrastructure during a storm," Mladenov said. "Sewer lines are old and many are reaching the end of their useful life.

"Mendoza said the high readings were supported by high E. coli counts, and human-derived pollution was confirmed by measuring caffeine concentrations.

"We hope this research propels the deployment of fluorescence sensors to water bodies for long-term monitoring, because having data is power," Mendoza said.

"I would like to see cities and water managers deploy sensors along water streams to detect vulnerabilities in water quality and to reduce the impacts of pollution events when they happen.

Without early warning signals, the time between initial contamination and awareness and reaction is longer and will have negative consequences for the environment and aquatic life."

Collecting samples during storms can be challenging. That's where grad student Federick Pinongcos and colleague Alicia Kinoshita came in, to ensure that samples were collected intact and quickly brought to the laboratory. Then each sample was analyzed for markers of wastewater contamination.

"This type of multiple lines of evidence-study had previously not been undertaken," Mladenov said. "It indicates that the optical, fluorescence based approach is an effective way for future detection of sewage leaks and other spills in surface waters."

To obtain supporting biological and chemical data, Mladenov collaborated with SDSU professors Matthew Verbyla and Rick Gersberg. Next, she and geography professor Trent Biggs, are teaming up to deploy the fluorescence-based sensor together with a telemetry system to ensure the alert can be received in real time, and will conduct studies in larger water bodies including the San Diego River.

Funding for the field deployments comes from the San Diego River Conservancy. The lab research and Mendoza's stipend were covered by grants from the National Institutes of Health and SDSU's Maximizing Access to Research Careers program.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/submersible-sensors-rapidly-detect-bacterial-pollution-in-water-0001) / 2020년 3월 12일]

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