브라질 상파울루대(USP ; University of Sao Paulo) 연구진이 하수처리 후 하·폐수 분석을 자동화하는 로봇을 개발하여 결과의 정밀도를 높이고 비용이 많이 들고 독성이 강한 용매 사용을 줄였다.

이번 연구는 마르치오 다비드 보첼리(Marcio David Bocelli) 박사 학위 기간 동안 상카를로스 화학연구소(Sao Carlos Institute of Chemistry ; IQSC-USP)에서 진행됐으며, 알바로 호세 산토스-네토(Alvaro Jose Santos-Neto) 교수가 상파울 아젠시아 파페스프(Agencia FAPESP)의 지원과 감독을 맡았다. 

아젠시아 파페스프(Agencia FAPESP)는 상파울루 주에 있는 민간 및 공공기관을 비롯해 기업의 연구, 교육 및 혁신을 지원하기 위한 보조금, 기금 및 프로그램을 제공하는 것을 목표로 브라질 상파울루에 위치한 공공 재단이다. 연구 결과는 『일렉트릭포레시스(Electrophoresis)』 저널에 게재되었다.

연구의 목적은 처리된 하·폐수의 샘플에서 파라벤(paraben)의 존재를 감지하는 것이었다. 파라벤은 예를 들어 유해한 박테리아와 곰팡이의 성장을 방지하기 위해 다양한 화장품, 개인 위생 제품, 식품 및 의약품에서 방부제로 사용되는 합성 화학물질이다.

이같은 화학물질들은 어떤 사람들에게 알레르기를 유발하고, 그것들이 호르몬을 교란시키고, 생식 능력과 생식기관을 해치고, 출산 결과에 영향을 미치고, 암 유발 위험을 증가시킬 수 있다는 증거가 있다. 그들은 또한 수생동물들에게도 해롭다.

알바로 호세 산토스-네토(Alvaro Jose Santos-Neto) 교수는 “파라벤에 오염된 물은 하수처리장을 통과하지만 처리가 제거하지 않으면 하천과 상수원으로 흘러가 오염된다. 기존 하·폐수 분석 기법은 수동적이며 분석가의 기술에 크게 의존한다. 우리 학생들 중 일부는 그것을 마스터하는 데 거의 1년이 걸린다. 이것이 우리가 프로세스를 자동화하기 시작한 이유이다”라고 아젠시아 파페스프(Agencia FAPESP)에 말했다.

이 그룹은 ‘동적 싱글 드롭 마이크로 추출(dynamic single-drop microextraction)’이라고 불리는 잘 알려진 기술을 사용했지만 추출 과정을 수행하는 주사기를 자동화했다. 로봇과 드롭을 안정화하고 삽입하는 장치가 특허를 받고 있다. 분석할 때마다 용매 한 방울이면 충분하다. 이 시스템은 비용 절감 외에도 실험실 근로자들의 안전성을 높인다.

마르치오 다비드 보첼리(Marcio David Bocelli) 박사는 “이러한 유형의 분석은 거의 항상 수 리터의 독성과 값비싼 용매를 사용하는 전통적인 방법으로 수행된다”라면서 “이 프로젝트가 현실화되려면 패러다임의 변화가 있어야 하는데, 그것은 기관과 민간 기업이 취하는 입장에 달려 있다. 그들은 소형화와 로봇화, 특히 비용 절감과 환경 보호와 관련된 이점을 이해할 필요가 있다”고 강조했다.

분석 과정(Process of analysis)

이 연구는 ‘단일 드롭 크로마토그래피와 질량 분석법과의 결합 : 도구 전략, 재료 개발, 자동화 및 분석 응용(Single-drop chromatography and its coupling to mass spectrometry : instrumental strategies, development of materials, automation and analytical applications)’이라는 주제 프로젝트의 일환으로 수행되었으며, 주요 연구자는 페르난도 마우로 랭카스(Fernando Mauro Lancas)이다.

이 기사의 다른 저자들은 역시 FAPESP의 자금 지원을 받는 데이버 아리 바르가스 메디나(Deyber Arley Vargas Medina)와 줄리아 폴린 가르시아 로드리게스(Julie Paulin Garcia Rodriguez)이다. 다섯 명의 공동 저자들은 모두 상카를로스 화학연구소(IQSC-USP)에 소속되어 있다.

알바로 호세 산토스-네토(Alvaro Jose Santos-Neto) 교수에 따르면, 이 그룹의 주요 목표 중 하나는 일상적인 화학 분석을 도울 새로운 장비를 개발하는 것이다. 이 연구에서 파라벤에 초점을 맞춘 이유는 파라벤이 사람과 동물의 건강에 해로울 수 있기 때문이다.

그는 “파라벤과 암의 연관성을 입증하기 위해서는 서로 다른 과학 분야에서 발전이 필요하다”고 말했지만, 사실은 파라벤이 오염 물질로 작용할 수 있다는 것이며, 환경보호 서비스에서 대안을 찾아야 한다.

산토스-네토 교수는 “처리를 통해 이러한 오염물질을 제거하는 경우가 있다. 하·폐수는 여러 미세 오염물질로 정화될 수 있으며, 특정 화합물은 부분적으로 제거된다. 우리의 연구는 그들의 실제 영향을 결정하는 것을 목표로 한다. 처리된 하·폐수가 강으로 방류되면 상당히 희석되지만, 매우 낮은 수준에서도 만성적인 노출은 문제를 일으킬 수 있다”라고 그는 말했다.

자동화의 장점(Advantages of automation)

이 장비는 처리 후 남은 오염물질의 양을 파악해 분석한 시료에서 추출하는 등 수질 모니터링을 돕기 위해 만들어졌다. 이 자동화는 오픈 소스 전자 프로토타입 생성 플랫폼인 아두이노(Arduino)에 기반을 두었다. 산토스-네토에 따르면, 다른 오염물질을 분석하는 데에도 동일한 접근법이 사용될 수 있다.

파라벤 등을 실험실 규모로 추출하는 로봇 시제품이 준비돼 있지만 특허가 승인되면 상용화에 대한 투자가 필요할 것으로 보인다.

산토스-네토 교수는 “개념 증명 단계를 완료했다. 그 로봇은 성능이 좋다. 우리는 이제 관심 있는 기업들이 나서야 한다”라고 역설했다.

‘로봇 지원 동적 단일 드롭 마이크로 추출 및 액체 크로마토그래피-탄뎀 질량 분석을 통한 하·폐수 샘플의 파라벤 결정(Determination of parabens in wastewater samples via robot-assisted dynamic single-drop microextraction and liquid chromatography-tandem mass spectrometry)’기사는 analyticalsciencejournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elps.202100390에 게재되었다.

[원문보기]

Robot helps detect contaminants in water after sewage treatment

Researchers at the University of Sao Paulo (USP) in Brazil have developed a robot to automate the analysis of wastewater after sewage treatment, enhancing the precision of the results and reducing the use of costly and toxic solvents.

The research was conducted at the Sao Carlos Institute of Chemistry (IQSC-USP) during the doctorate of Marcio David Bocelli, with FAPESP’s support and supervision by Professor Alvaro Jose Santos-Neto. The results are reported in an article published in the journal Electrophoresis.

The purpose of the research was to detect the presence of parabens in samples of treated wastewater. Parabens are synthetic chemicals used as preservatives in a wide array of cosmetics, personal hygiene products, food products and pharmaceuticals, to prevent the growth of harmful bacteria and mold, for example. 

They cause allergies in some people, and there is evidence that they can disrupt hormones, harm fertility and reproductive organs, affect birth outcomes, and increase the risk of cancer. They are also harmful to aquatic animals.

“Water contaminated by parabens goes through the sewage plant, but unless the treatment removes them, they pass along to rivers and water sources, which they pollute. The existing wastewater analysis technique is manual and depends a great deal on the skill of the analyst. Some of our students take almost a year to master it. This is why we set out to automate the process,” Santos-Neto told Agencia FAPESP.

The group used a well-known technique called dynamic single-drop microextraction but automated the syringe that performs the extraction process. The robot and the device that stabilizes and inserts the drops are being patented. 

A single droplet of solvent is sufficient for each analysis. In addition to reducing costs, the system increases the safety of laboratory workers.

“This type of analysis is almost always performed by traditional methods, using many liters of toxic and expensive solvents,” Bocelli said. “There has to be a paradigm shift if this project is to become a reality, and that depends on the stance taken by institutions and private enterprise. They need to understand the benefits associated with miniaturization and robotization, especially cost reduction and environmental protection.” 

Process of analysis

The research was conducted as part of the Thematic Project “Single-drop chromatography and its coupling to mass spectrometry: instrumental strategies, development of materials, automation and analytical applications”, for which the principal investigator is Fernando Mauro Lancas. 

The other authors of the article are Deyber Arley Vargas Medina, who is also funded by FAPESP, and Julie Paulin Garcia Rodriguez. All five co-authors are affiliated with IQSC-USP.

According to Santos-Neto, one of the group’s primary aims is to develop novel equipment that will assist routine chemical analysis. The reason for focusing on parabens in this study was that they can be a human and animal health hazard.

Advances are needed in different scientific areas to demonstrate the link between parabens and cancer, he said, but the fact is that they can behave as pollutants, and alternatives should be found in the service of environmental protection.

“There are cases where treatment does actually remove these contaminants. Wastewater can be cleansed of several micropollutants, and certain compounds are partially removed. Our research aims to determine their real impact. They’re considerably diluted when the treated wastewater is discharged into rivers, but chronic exposure, even at very low levels, can also cause problems,” he said.

Advantages of automation

The equipment was created to help monitor water quality by determining the amounts of contaminants left after treatment and extracting them from the samples analyzed. The automation was based on Arduino, an open-source electronics prototype creation platform. According to Santos-Neto, the same approach can be used to analyze other pollutants.

A prototype of the robot that extracts parabens and other components on a laboratory scale is ready, but investment in commercialization will be required once the patents are approved. “We’ve completed the proof-of-concept stage. The robot performs well. We now need interested companies to come forward,” Santos-Neto said.

The article “Determination of parabens in wastewater samples via robot-assisted dynamic single-drop microextraction and liquid chromatography-tandem mass spectrometry” is at: analyticalsciencejournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elps.202100390. 

This text was originally published by FAPESP Agency according to Creative Commons license CC-BY-NC-ND. Read the original here

[출처=아젠시아파페스프(Agencia FAPESP)(https://agencia.fapesp.br/robot-helps-detect-contaminants-in-water-after-sewage-treatment/40732/) / 2023년 2월 22일]