웨스트버지니아 대학교(West Virginia University ; WVU)의 한 엔지니어는 가정과 기업에 식수를 공급하는 수도관 내부에서 자라는 미생물에 대한 알려지지 않은 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다.

WVU(웨스트버지니아 대학)의 벤자민 M 스태틀러 공학 및 광물자원 대학(Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources)의 워즈워스(Wadsworth) 토목환경공학과 에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 미국 국립과학재단(National Science Foundation) 커리어 상(CAREER award)에서 50만5천784달러를 지원받아 생물막(biofilms)에 대해 더 많은 것을 배우기 위해 5년간의 연구를 시작했다.

‘미생물의 도시(cities of microbes)’로 알려진 생물막은 곰팡이, 조류, 박테리아 및 기타 단세포 유기체가 서로 달라붙고 수도관 내부와 같은 표면에 달라붙어 보호 점액으로 코팅되는 집합체이다.

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 “물 화학, 염소와 같은 소독제의 존재, 그리고 물이 수도관을 통해 흐를 때 발휘되는 힘 등 많은 것들이 식수 분배 시스템에서 생물막이 어떻게 자라는지에 영향을 미친다”고 말했다.

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 그러나, “생물막에 대한 과거의 연구는 물 분배 시스템의 다른 부분에서 다양한 흐름 조건의 복잡성을 설명하지 않는다”라면서 “이러한 시스템은 수백 마일의 매설된 수도관으로 구성될 수 있으므로 시스템의 모든 부분에 도달할 때까지 염소 소독제가 부패하지 않도록 하는 것이 어려울 수 있다”고 경고했다.

가너의 연구실은 이러한 복잡한 인프라 전반에 걸쳐 수질을 유지하기 위한 전략을 개발하고 식수 분배 시스템 관리자들에게 권장사항을 제공할 계획이다.

이 연구에는 웨스트버지니아 전역의 K-12(유치원부터 고3까지 한 학교에서 모든학년이 다 있는 경우) 학생들에게 수처리 및 문 분야 직업에 대한 정보에 대한 실습활동을 제공할 봉사활동 및 교육 구성 요소도 포함한다.

물을 시험하는 연구

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 “생물막이 모든 음용수 수도관 내부에 형성되는 것은 정상이며 예상되는 일이다. 인간에게 무해한 유기체가 풍부한 생물막은 경쟁을 통해 유해한 병원균의 성장을 줄이는 데에도 효과적일 수 있다”고 말했다.

가너 조교수는 하지만, “생물막은 식수 품질에도 해로울 수 있다. 그들이 만드는 보호환경은 살모넬라 또는 대장균과 같은 위험한 미생물을 품을 수 있으며 수돗물의 맛, 냄새 및 탁도에 영향을 미치는 입자 또는 화합물을 방출할 수 있다. 또한 ‘소독부산물(disinfection byproducts)’이라고 하는 유해 화합물의 형성을 촉진할 수 있다“고 경고했다.

가너 조교수는 “공공 상수도 사업자들이 염소와 같은 소량의 소독제를 물에 첨가하여 미생물의 성장을 제어한다”고 설명했다.

그녀는 “충분히 낮은 수준에서 이러한 소독제는 인간에게 해롭지 않지만 생물막과 같은 미생물의 성장을 방한다”라면서 “이것은 정수장에서 수 마일을 먼 거리를 이동하더라도 가정에 도착하는 물이 고품질이고 안전한지 확인하는 데 정말 중요하다”고 강조했다.

잠재적인 안전 위험을 최소화하는 방법을 평가하기 위해 가너 조교수는 “실험실 실험을 지역사회마다 수질이 크게 다를 수 있는 웨스트 버지니아(West Virginia) 전역의 물 시스템에서 현장 샘플링과 결합할 것”이라면서 “자신의 고향의 수질이 좋다는 것을 알고 있기 때문에 수돗물을 많이 마신다”고 말했다.

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 특히 “여기 모건타운(Morgantown)에서 우리 물은 모든 연방 식수기준을 지속적으로 준수하고 있으며 매일 마신다”라면서 “모든 사람은 공공 상수도 시스템이 수질과 식수 품질에 대한 규제 요건 위반을 설명하는 연례 소비자 신뢰 보고서를 작성해야 한다는 사실을 알고 있어야 한다. 우편으로 받거나 온라인에서 자주 찾거나 식수 공급업체에 연락하여 요청할 수 있다. 식수가 연방 규정을 준수하는지 이해하려면 이 보고서를 검토하는 것이 좋다”라고 강조했다.

물을 지도로 그리는 학생들

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수의 프로젝트 ‘식수 분배 시스템에서 미생물 수질의 유체 역학 동인 설명(Elucidating hydrodynamic drivers of microbial water quality in drinking water distribution systems)’은 연구뿐만 아니라 교육 및 훈련도 우선 시 한다.

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 웨스트 버지니아의 K-12 교실에 ‘농촌 지역사회에서 물이 중요한 이유(Why Water Matters in Rural Communities)’라는 교육 모듈을 제공할 예정이다. 

그녀의 목표는 아이들이 건강하고 번영하는 지역사회를 지원하는 데 있어 물의 필수적인 역할을 인식하도록 도울 뿐만 아니라 물 직업에 대한 인식을 높이고 지역 수도시설의 견습 프로그램에 새로운 인력을 모집하도록 촉진하는 것이다.

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 “안전한 식수에 대한 지역사회의 접근을 보장하려면 잘 훈련된 물 전문가를 확보하는 것이 중요하다. 그러나 미국 물 부문은 임박한 노동력 위기에 직면해 있다. 기존 인력의 정년이 가까워지면서 물 부문 일자리에 대한 관심을 높여야 한다”고 강조했다.

그녀는 특히, 자신의 연구를 지역사회 지원에 활용한 이력이 있으며, 특히 소규모 공공 사업체가 효과적이고 지속가능한 관리 관행을 수립하도록 지원하는 애팔래치아 커뮤니티 기술 지원 및 교육 프로그램(Appalachian Community Technical Assistance and Training Program)을 통해 이를 활용했다.

에밀리 가너(Emily Garner) 조교수는 “우리는 농촌 유틸리티에서 자주 발생하는 문제에 대해 기술지원을 제공한다”라고 “예를 들어, 국경 없는 엔지니어의 WVU 학생 지부와 협력하여 인프라 위치에 대한 디지털 기록이 없는 농촌 시스템의 지하수 인프라를 매핑했다."

Garner는 또한 농촌 지역 사회의 상하수도 시스템에 대한 중요한 주제를 WVU의 공학 학부 과정에 통합하여 분산 하·폐수 처리 기술 및 공중 보건 공학과 같은 주제를 다룰 계획이다.

[원문보기]

To make drinking water safer, WVU researcher investigates microbial communities living in pipes

A West Virginia University engineer is working to solve the unknowns about microorganisms growing inside pipes that bring drinking water to homes and businesses.

Supported by $505,784 from a National Science Foundation CAREER award, researcher Emily Garner has launched a five-year study to learn more about biofilms. 

Known as “cities of microbes,” biofilms are conglomerations of fungi, algae, bacteria and other single-celled organisms that cling to each other and to surfaces like the insides of water pipes, where they become coated in protective slime.

“Many things influence how biofilms grow in drinking water distribution systems: water chemistry, the presence of disinfectants like chlorine and the forces exerted as water flows through pipes,” said Garner, an assistant professor in the Wadsworth Department of Civil and Environmental Engineering at the Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources.

“But past research about biofilms doesn’t account for the complexities of varied flow conditions in different parts of a water distribution system. These systems can consist of hundreds of miles of buried pipes, so ensuring the chlorine disinfectant hasn’t decayed by the time it reaches all parts of the system can be a challenge.”

Garner’s lab will develop strategies for maintaining water quality throughout these complex infrastructures and offer recommendations to managers of drinking water distribution systems.

The research also includes an outreach and educational component that will bring K-12 students across West Virginia hands-on activities about water treatment and information about water sector careers.

Research that tests the waters

Rest assured, Garner said, “it’s normal and expected for biofilms to form on the inside of all drinking water pipes. Biofilms rich in organisms that are harmless to humans may even be effective at reducing the growth of harmful pathogens through competition.”

But biofilms can be also detrimental to drinking water quality. The protective environment they create can harbor dangerous microorganisms like salmonella or E. coli, and they can release particles or compounds that affect the taste, odor and color of tap water. They can also facilitate formation of harmful compounds called “disinfection byproducts.”

Garner explained water utilities control the growth of microorganisms by adding small amounts of a disinfectant like chlorine into the water.

“At low enough levels, these disinfectants are not harmful to humans but prevent growth of microorganisms like those in biofilms,” she said. “This is really important for making sure the water that arrives at your home is high-quality and safe, even though it has made a long journey of many miles from the treatment plant.”

To evaluate ways to minimize potential safety hazards, Garner will combine lab experiments with field sampling from water systems throughout West Virginia, where water quality can vary dramatically between communities.

Garner said she drinks plenty of tap water because she knows water quality is high in her home city.

“Here in Morgantown, our water is consistently compliant with all federal drinking water standards, and I drink it daily,” Garner said. “Everyone should be aware that public water systems must create an annual Consumer Confidence Report that describes their water quality and any violations of regulatory requirements for drinking water quality. You probably receive it in the mail, you can often find it online or you can contact your drinking water utility to request it. It’s a good idea to review this report to understand if your drinking water is in compliance with federal regulations.”

Students who chart the waters

Garner’s project, “Elucidating hydrodynamic drivers of microbial water quality in drinking water distribution systems,” prioritizes not only research but also education and training.

Garner will deliver an educational module, “Why Water Matters in Rural Communities,” to K-12 classrooms in West Virginia. Her goal is not only to help kids recognize water’s essential role in supporting healthy, prosperous communities, but also to increase awareness about water careers and promote recruitment of an emerging workforce into apprenticeship programs with local water utilities.

“Having well-trained water professionals is critical for ensuring community access to safe drinking water. Yet the U.S. water sector is facing an imminent workforce crisis. As the existing workforce nears retirement age, we have to raise interest in water sector jobs,” she said.

Garner has a history of leveraging her research to support local communities, especially through the Appalachian Community Technical Assistance and Training Program, in which she assists small utilities in establishing effective, sustainable management practices.

“We provide technical assistance on challenges that often arise among rural utilities,” she explained. “For example, I have partnered with the WVU student chapter of Engineers Without Borders to map the buried water infrastructure of a rural system that had no digital records of where their infrastructure was located.”

Garner will also integrate important topics for rural communities’ water and wastewater systems into courses for engineering undergraduates at WVU, addressing topics such as decentralized wastewater treatment technologies and public health engineering.

[출처=WVU(웨스트버지니아 대학교)(https://wvutoday.wvu.edu/stories/2023/07/05/to-make-drinking-water-safer-wvu-researcher-investigates-microbial-communities-living-in-pipes) / 2023년 7월 5일]

[번역 = 배철민 편집국장]