자외선(ultraviolet, UV)은 파장에 따라 UVA (315∼400 nm), UVB (280∼315 nm), UVC (100∼280 nm)로 구분되며, 이 중 UVC는 강력한 살균력을 지닌 것으로 알려져 있다[1]. 특히 254 nm UVC는 세균, 바이러스, 곰팡이 등 다양한 병원성 미생물의 DNA와 RNA를 손상시켜 신속히 비활성화시키기 때문에 공기 및 물체 표면 소독, 정수 처리 등에서 널리 활용된다[2, 3]. 하지만 254 nm UVC는 미생물뿐만 아니라 포유류의 세포에도 유해하여, 피부와 눈에 손상을 초래할 수 있으므로 직접 노출을 피해야 하는 한계가 있다[4]. 이러한 이유로 인해 254 nm UVC는 인체가 있는 환경에서는 안전한 소독 도구로 사용하기 어려운 상황이다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 최근 222 nm UVC가 효과적인 대안으로 주목받고 있다. 연구에 따르면, 다양한 인체 병원성 세균에 대해 222 nm UVC는 기존의 254 nm UVC와 유사한 살균 효과를 보이지만, 피부 표면에서 흡수되고 깊숙이 침투하지 않기 때문에 인체와 동물에게 상대적으로 안전하다고 보고되고 있다[5-7]. 또한 222 nm UVC가 공기 중에 존재하는 인간 코로나바이러스[8] 및 H1N1 인플루엔자 바이러스[9]와 같은 병원체를 효과적으로 비활성화할 수 있는 항바이러스 효과도 보고되었다. 222 nm UVC는 짧은 파장으로 바이러스나 세균의 DNA와 RNA를 손상시켜 복제와 생존을 억제하도록 작용하지만, 인체의 피부 각질층이나 눈의 각막 표면층에서 대부분 흡수되어 살아 있는 세포에 도달하지 않음으로써 인체에 안전한 특성을 가진다[6, 8]. 이러한 특성 덕분에 222 nm UVC는 병원, 공공장소, 식품 제조 시설 등에서 실내 환경의 안전한 소독 방법으로 인정받고 있으며, 광범위한 항미생물 효과를 통해 다양한 분야에서의 적용 가능성이 확대되고 있다[6, 9]. 그러나 육계 농장과 같은 특수 환경에서 존재하는 병원성 세균에 대한 222 nm UVC의 살균 효과에 대한 연구는 아직 이루어지지 않은 실정이다.
국내 육계 사육 산업은 2018년 이후 매년 10억 마리 이상의 닭을 도축하는 대규모 시스템으로 운영되고 있다[10]. 그러나 대규모 밀집 사육 환경은 병원성 미생물의 확산을 촉진하여 감염 위험을 높인다. 이러한 감염을 억제하기 위해 항생제가 대량으로 사용되고 있으나, 그 결과 항생제 잔류물과 내성 세균 문제는 점차 심각해지고 있다[11, 12]. 이에 따라 소비자의 건강과 환경을 고려한 안전하고 효과적인 소독 시스템 개발이 절실한 상황이다.
본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 육계 농장에서 분리된 병원성 세균을 대상으로 222 nm UVC의 살균 효과를 실험적으로 검증하고자 하였다. 이를 통해 222 nm UVC가 육계 사육 환경에서 항생제를 대체할 수 있는 안전하고 효과적인 소독 시스템으로 활용될 가능성을 제시하고, 축산업 환경에서의 응용 가능성을 확장하는 데 기여하고자 한다.
충남 아산의 특정 대규모 육계 농장에서 닭의 분변과 깔짚에 존재하는 세균을 분리하기 위해, 약 35∼40일 자란 후 닭이 출하되기 직전에 분변이 충분히 포함된 깔짚 10 g을 2곳에서 멸균된 도구를 사용해 수집하였다. 수집된 시료는 4℃에서 보관하였으며, 시료 1 g을 thioglycollate 액체 배지(Oxoid) 10 mL에 넣어 37℃에서 6시간 동안 증균 배양하였다. 깔짚과 분변 같은 고형물이 포함된 배양액은 cell strainer (SPL)를 이용하여 고형물을 제거한 후 배양액만 4℃에 보관하였다. 증균 배양액 0.1 mL를 brain heart infusion broth (BHI, Oxoid) 배지 10 mL에 접종하여 37℃에서 24시간 배양하였다[11, 13].
BHI 배지에서 배양된 배양액 10 mL 중 0.1 mL를 blood agar plate (BAP, Asan), MacConkey (Oxoid), eosin methylene blue (EMB, Oxoid), mannitol salt agar (MSA, Oxoid) 평판배지에 도말한 후, 37℃에서 24∼48시간 동안 배양하였다[11]. 배양된 집락은 BAP 평판배지에서 계대 배양하여 순수하게 분리된 집락을 선택한 후, 그람염색과 현미경 관찰을 통해 그람염색성과 형태를 확인하였다. 이후, Sensititre (Thermo Scientific)와 matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS, bioMerieux)를 이용해 세균을 동정하였다. 육계 농장에서 시료 채취부터 세균 동정까지 모든 과정은 독립적으로 두 번 수행하였다.
순수 분리하고 동정이 끝난 세균 집락을 10 mL의 BHI 액체 배지에 접종한 뒤, 37℃에서 24시간 동안 배양하였다. 배양액은 8,000xg에서 10분간 원심분리하여 상층액을 제거하고, 세균 펠릿을 확보하였다. 확보한 펠릿은 phosphate-buffered saline (PBS, Gibco)로 3회 세척하여 배양액의 잔여물을 제거한 뒤, OD600값이 0.4가 되도록 희석하여 세균의 수가 대략 108 colony-forming units (CFU)/mL가 되도록 조정한 후 희석된 세균 현탁액은 ‒20℃에서 보관하였다. UVC 조사를 위해 희석된 세균 현탁액 0.1 mL를 96-well plate에 분주하고, 222 nm UVC (illuBio, MAPAL HiTECO)를 0, 10, 30, 60, 120초 동안 조사하였다. 222 nm UVC 램프 광원과 96-well plate 바닥의 세균 배양액까지 거리는 20 mm로 유지하였다[13].
222 nm UVC 조사가 끝난 세균 현탁액은 10배 단계 희석하였다. 희석된 샘플 0.1 mL를 plate count agar (PCA, Oxoid) 평판배지에 도말한 후, 37°C에서 24∼48시간 동안 배양하였다. 각 평판배지에서 형성된 집락을 CFU로 계수하였으며, 각 농도에서 확인된 집락 수는 평균값으로 계산하여 세균 생존율 평가에 사용하였다. 222 nm UVC의 살균 효과는 0초 조사 대조군과 비교하여 평가하였으며, 생존율은 다음의 공식으로 계산하였다[13].
% 생존율={(조사 후 CFU/mL)/(0초 조사 CFU/mL)}×100
모든 데이터는 4회 반복 실험의 결과를 평균±표준편차로 나타내었다. P값은 일원 분산 분석(ANOVA)을 사용하여 계산하였으며, Figure에 제시된 P값은 paired t test로 분석하였다. 모든 분석은 IBM Statistics SPSS 23.0 (IBM Co.)을 이용하였으며, 통계 분석의 유의 수준은 P<0.05로 설정하였다.
222 nm UVC를 육계 농장에 적용하기 위해 실제 농장에서 발생하는 세균에 대한 살균 효과를 평가할 필요가 있었다. 이를 위해 특정 육계 농장에서 닭의 분변이 포함된 깔짚 시료를 채취하고 세균을 순수 분리하였다. 집락 형태가 다른 12개의 집락을 선택해 배양한 후 Sensititre 장비로 1차 동정을 수행하였으며, 최종적으로 MALDI-TOF MS로 동정하였다. 중복된 세균을 제외하면 최종적으로 그람양성 2종과 그람음성 3종으로 총 5종이 분리되었다.
Sensititre와 MALDI-TOF MS 동정 결과를 비교한 결과, 그람음성 세균은 두 장비에서 모두 일치하였으나, 그람양성 세균의 경우 불일치하는 경우가 있었다. 예를 들어, Sensititre에서 Staphylococcus sciuri spp.로 동정된 균은 최종적으로 Mammaliicoccus lentus로, Staphylococcus saprophyticus spp.로 동정된 균은 Staphylococcus simulans로 확인되었다. 결과적으로, 그람양성 세균으로 M. lentus와 S. simulans, 그람음성 세균으로 Pseudomonas putida, Proteus mirabilis, Escherichia coli가 분리되었다(Table 1).
Bacterial species isolated from broiler farm litter and feces samples
Isolated bacteria | Sensititre | MALDI-TOF MS |
---|---|---|
1 | Staphylococcus sciuri spp. | Mammaliicoccus lentus |
2 | Staphylococcus saprophyticus spp. | Staphylococcus simulans |
3 | Pseudomonas putida | Pseudomonas putida |
4 | Proteus mirabilis | Proteus mirabilis |
5 | Escherichia coli | Escherichia coli |
Abbreviation: MALDI-TOF MS, matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry.
육계 농장에서 분리된 5종의 세균에 대해 222 nm UVC 조사를 0, 10, 30, 60, 120초로 설정하여 살균 효과를 평가하였다. 그람양성 세균인 M. lentus와 S. simulans의 경우 조사 시간이 증가할수록 세균 수가 유의미하게 감소하였다(Figure 1A). M. lentus의 경우, 세균 수가 0초 조사(대조군)에서 123.2±56.6×104 CFU/mL였으나, 10초 조사 후 38.6±26.8×104 CFU/mL로 유의미하게 감소하였고(P<0.01), 30초에서는 9.6±5.3×104 CFU/mL, 60초에서는 거의 모든 세균이 사멸되어 0.7±1.1×104 CFU/mL로 감소하였으며, 120초 조사 후에는 완전히 사멸하였다. S. simulans 또한 유사한 경향을 보였으며, 60초 조사 후 0 CFU/mL로 모든 세균이 사멸하였다(P<0.001; Figure 1A).
그람음성 세균인 P. mirabilis, E. coli, P. putida에 대해서도 조사 시간이 증가할수록 생존하는 세균의 수가 유의미하게 감소하였다(P<0.001; Figure 1B). P. mirabilis, E. coli, P. putida 모두 60초 조사 후 완전히 사멸하였으며, M. lentus를 제외한 모든 세균에서 60초 조사 후 0 CFU/mL로 측정되어 모든 세균이 사멸하는 것을 확인하였다(Figure 1).
육계 농장에서 분리된 5종의 세균에 대해 222 nm UVC 조사 시간이 증가함에 따라 세균의 생존율이 급격히 감소하고 살균 효과가 증가하는 것으로 나타났다(Table 2). M. lentus의 경우 10초 조사 후 생존율은 30.6%±15.6%, 30초 조사에서는 10.3%±8.1%로 감소하여 각각 69.4%±15.6%, 89.7%±8.1%의 살균 효과를 보였다. 60초 조사 시 생존율은 0.9%±1.5%로 낮아졌으며, 120초 조사 후 완전히 사멸하여 생존율이 0%로 확인되어 100% 살균 효과를 보였다(Table 2). S. simulans도 비슷한 경향을 보였으며, 10초 조사 시 세균의 생존율은 36.6%±3.8%, 30초 조사 시 생존율은 5.2%±2.0%까지 감소하여 94.8%±2.0%의 높은 살균 효과를 나타냈다. 60초 조사 시 세균의 생존율은 0%로 확인되어 100% 살균 효과를 보였다(P<0.001; Figure 2A).
Bactericidal effect of 222 nm UVC on bacteria isolated from broiler farm
Distance (mm) | Irradiation time (sec) | CFU/mL (×104) | Viability (%) | Bactericidal effect (%) | P-value | |
---|---|---|---|---|---|---|
Mammaliicoccus lentus | 20 | 0 | 123.2±56.6 | 100 | 0 | |
10 | 38.6±26.8 | 30.6±15.6 | 69.4±15.6 | <0.001 | ||
30 | 9.6±5.3 | 10.3±8.1 | 89.7±8.1 | |||
60 | 0.7±1.1 | 0.9±1.5 | 99.1±1.5 | |||
Staphylococcus simulans | 20 | 0 | 107.4±30.8 | 100 | 0 | |
10 | 38.7±9.3 | 36.6±3.8 | 63.4±3.8 | <0.001 | ||
30 | 5.5±2.7 | 5.2±2.0 | 94.8±2.0 | |||
60 | ND | 0 | 100 | |||
Pseudomonas putida | 20 | 0 | 86.3±30.5 | 100 | 0 | |
10 | 21.6±16.0 | 23.5±12.7 | 76.5±12.7 | <0.001 | ||
30 | 4.0±3.5 | 4.1±3.2 | 95.9±3.2 | |||
60 | ND | 0 | 100 | |||
Proteus mirabilis | 20 | 0 | 85.5±11.5 | 100 | 0 | |
10 | 10.4±3.9 | 12.1±3.9 | 87.9±3.9 | <0.001 | ||
30 | 2.1±1.5 | 2.4±1.8 | 97.6±1.8 | |||
60 | ND | 0 | 100 | |||
Escherichia coli | 20 | 0 | 59.2±13.8 | 100 | 0 | |
10 | 13.6±10.0 | 21.8±15.7 | 78.2±15.7 | <0.001 | ||
30 | 1.2±1.3 | 1.9±2.2 | 98.1±2.2 | |||
60 | ND | 0 | 100 | |||
All isolated bacteria species | 20 | 120 | 0 | 0 | 100 |
Statistical significance was determined using one-way ANOVA, with significance levels indicated as P<0.05, P<0.01, P<0.001.
Abbreviations: UVC, ultraviolet C; CFU, colony-forming units, ND, not detected.
그람음성 세균인 P. mirabilis, E. coli, P. putida 역시 조사 시간이 증가함에 따라 생존율이 유의미하게 감소하였다(P<0.001; Figure 2B). P. putida와 E. coli는 10초 조사 후 생존율이 각각 23.5%±12.7%, 21.8%±15.7%였으며, 30초 조사에서 5% 이하로 감소하였다. P. mirabilis는 10초 조사 후 12.1%±3.9%의 생존율을 보였으며, 30초 조사에서 95% 이상의 살균 효과를 나타냈다. 또한, 모든 그람음성 세균은 60초 조사 후 생존율이 0%로 완전한 살균 효과를 보였다(Table 2). 육계 농장에서 분리된 세균 중 M. lentus를 제외한 4종은 60초 조사 후 완전한 살균 효과를 보였으나, M. lentus는 120초 조사에서 완전한 살균 효과가 확인되었다(Table 2).
본 연구에서는 육계 농장에서 분리한 병원성 세균을 대상으로 222 nm UVC의 살균 효과를 평가하고, 이를 효과적인 소독 시스템으로 활용할 가능성을 검토하였다. 기존에 널리 사용되어 온 254 nm UVC는 강력한 살균력을 보유하고 있으나, 포유류 세포에 유해한 영향을 미쳐 사용이 제한적인 단점이 있다[2-4]. 이는 254 nm UVC가 DNA와 RNA와 같은 핵산 내 피리미딘 염기에 흡수되어 사이클로부탄 피리미딘 이합체(cyclobutane pyrimidine dimer, CPD)를 형성함으로써 DNA 복제와 전사를 방해하고, 이로 인해 직접적인 DNA 손상을 유발하기 때문이다. 또한, 254 nm UVC는 활성 산소종(reactive oxygen species, ROS)을 과도하게 생성하여, 세포 내에서 산화적 스트레스를 촉진하고 단백질 산화, 지질 과산화 및 추가적인 DNA 손상을 야기하여 항미생물 작용을 나타낸다[3, 4]. 그러나 254 nm UVC의 항미생물 작용 메커니즘은 포유류 세포에도 동일하게 작용하여 세포 손상을 초래할 수 있다. 이와 달리, 222 nm UVC는 254 nm UVC와 유사하게 미생물의 핵산을 직접적으로 손상시킬 수 있어 크기가 작고 구조가 단순한 미생물에 대해 효과적인 항미생물 작용을 보이지만, 짧은 파장으로 인해 각질층 및 표피 표면에서 대부분 흡수되어 세포 내부로 깊이 침투하지 않으며, 이로 인해 포유류 세포에서 DNA 손상을 유발하지 않는 특징이 있다[14]. 또한, 222 nm UVC는 세포막이나 표면 단백질에서 간접적으로 ROS를 생성하나, 그 양이 254 nm UVC에 비해 상대적으로 적고 깊은 조직으로 침투하지 못해 세포 내 산화적 스트레스로 인한 손상이 제한적이다[15]. 이러한 특성으로 인해 222 nm UVC는 인체에 상대적으로 안전하다는 평가를 받고 있으며, 다양한 환경에서 활용 가능성이 높아지고 있다.
222 nm UVC가 254 nm UVC와 비교해 상대적으로 안전하다고 평가되고 있지만, 일부 연구에서는 222 nm UVC도 피부에 홍반이나 DNA 손상을 유발할 가능성이 있다고 보고하고 있다[16]. Tavares 등[17]의 연구에 따르면, 인간 피부 모델(full-thickness reconstructed human skin, RHS)과 HRS/J 생쥐를 대상으로 222 nm UVC와 254 nm UVC를 하루 8시간 기준 25 mJ/cm2 (222 nm UVC의 직접 노출 허용치, threshold limit value [TLV])로 40일간 조사한 결과, 254 nm UVC는 ROS 생성과 염증 반응 관련 경로를 크게 변화시키고 심각한 손상을 유발하는 반면, 222 nm UVC는 이러한 변화가 상대적으로 적었다. 222 nm UVC 조사 시, 동물 피부에서 경미한 손상만 발생했지만, 피부 재생 및 조직 회복과 관련된 경로에서 변화가 관찰되어 장기간 사용 시 피부 재생이나 조직 변화 가능성을 시사하였다.
다만, 본 연구는 222 nm UVC를 육계 사육 농장에서 소독 시스템으로 활용할 가능성을 제시하고자 하였다. 닭과 같은 축산 동물의 경우 털로 인해 피부에 직접적인 UVC 노출 가능성이 낮아, 인체를 대상으로 설정된 TLV를 초과한 UVC 조사량을 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 이러한 조건에서 부작용이 거의 나타나지 않을 것으로 보이지만, 장기간 노출에 따른 생물학적 안전성을 평가하기 위한 추가 연구가 필요하다.
이전 연구들은 주로 인체 병원성 미생물을 대상으로 222 nm UVC의 항미생물 효과를 평가해 왔으나[5-9], 본 연구는 실제 육계 사육 환경에서 발생할 수 있는 병원성 세균에 대한 222 nm UVC의 살균 효과를 확인하였으며, 육계 농장에서 소독 방법으로 222 nm UVC의 적용 가능성을 검토했다는 점에서 기존 연구와 차별화될 수 있다. 이번 연구에서는 육계 농장에서 분리된 그람양성 세균인 M. lentus, S. simulans와 그람음성 세균인 P. putida, P. mirabilis, E. coli를 대상으로 222 nm UVC의 살균 효과를 분석하였다. 분석한 결과, 222 nm UVC 조사 시간이 증가할수록 모든 세균에서 생존율이 유의미하게 감소하였다(P<0.001; Figure 1). 특히 60초 이상의 조사에서는 M. lentus를 제외한 모든 세균이 완전히 사멸하여 100% 살균 효과를 나타냈다(Figure 2, Table 2). 또한, 그람양성 세균과 그람음성 세균 간 감수성 차이를 확인한 결과, 10초 조사 시 그람양성 세균의 생존율은 평균 33.6±11.4%인 반면 그람음성 세균은 19.1±12.4%로 나타나, 그람음성 세균이 더 민감하게 반응하였다(Figure 2). 기존 연구에서 222 nm UVC가 그람양성 세균과 그람음성 세균 모두에 효과적이라고 보고하였으며, 그람음성 세균이 세포벽 성분으로 외막을 가지고 있어 비교적 더 낮은 감수성을 보일 수 있다는 점을 언급하였으나[7], 본 연구에서는 그람음성 세균이 더 높은 감수성을 보였다. 하지만 기존의 연구와 마찬가지로 본 실험에서도 다양한 그람양성 세균과 그람음성 세균을 대상으로 한 연구 결과가 아니므로 일반화하는 데 한계가 존재하며, 향후 다양한 세균을 대상으로 한 연구가 필요하다.
본 연구에서 사용된 M. lentus와 S. simulans는 동물과 인간의 피부 및 점막에 서식하는 기회감염성 병원균으로, 면역력이 약화된 숙주에서 감염을 유발할 수 있다[18, 19]. S. simulans는 소의 유방염을 일으켜 경제적 손실을 초래하고, 반려동물의 피부 감염을 유발할 수 있는 수의학적으로 중요한 병원균이다[20]. P. putida는 환경 미생물로서 높은 생존력과 다양한 대사 능력 덕분에 육계 농장 환경에서도 발견될 수 있으며[21], P. mirabilis는 주로 요로 감염을 유발하지만, 가금류에서도 소화기 및 비뇨기 감염을 일으켜 생산성 저하의 원인이 될 수 있다[22]. E. coli는 닭에서 다양한 질병을 유발하는 병원성 세균으로, 전신 감염을 통해 육계 생산성에 부정적인 영향을 미친다[23], 본 연구에서 분리된 세균들은 P. putida를 제외하고 모두 기회감염성 병원균으로, 사람이나 동물 및 가금류에 질병을 유발하는 중요한 세균이다. 이들 세균 중 일부는 특정 항생제에 내성을 가지며 감염 관리에 어려움을 초래할 수 있다[24, 25]. 이번 연구에서 222 nm UVC는 이들 병원균에 대해 강력한 살균 효과를 나타냈으며, 이는 육계 농장 환경에서 감염 관리의 새로운 대안이 될 가능성을 시사한다.
그러나 본 연구는 특정 농장에서 채취한 시료에 기반하고 있어, 연구 결과를 일반화하는 데는 한계가 있다. 농장의 환경, 관리 수준, 시료 채취 시기에 따라 세균 분포가 달라질 수 있으며, 이는 향후 연구에서 추가로 고려되어야 한다.
결론적으로, 222 nm UVC는 육계 사육 환경에서 병원성 세균을 제거할 수 있는 효과적인 소독 방법으로, 항생제를 대체할 수 있는 가능성을 시사한다. 향후 222 nm UVC의 장기 노출이 동물 복지와 육계 품질에 미치는 영향을 검토하여 생물학적 안전성이 확보된다면, 222 nm UVC는 육계 농장뿐만 아니라 다양한 축산 환경에서도 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
자외선(ultraviolet, UV)은 파장에 따라 분류되며, 254 nm UVC는 병원성 미생물의 DNA와 RNA를 손상시켜 강력한 살균 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나 254 nm UVC는 인체 세포에 유해할 수 있어, 사람의 노출이 가능한 환경에서는 사용이 제한된다. 최근 222 nm UVC는 피부 표면을 통과하지 않아 인체에 대한 위험이 적으면서도 254 nm UVC와 유사한 항균 효과를 나타내어 기존 UVC보다 안전하게 활용할 수 있는 가능성이 제시되고 있다. 본 연구는 육계 농장의 깔짚과 분변에서 분리한 그람양성 세균으로 Mammaliicoccus lentus, Staphylococcus simulans와 그람음성 세균인 Pseudomonas putida, Proteus mirabilis, Escherichia coli에 대한 222 nm UVC의 살균 효과를 평가하였다. 222 nm UVC를 세균 현탁액에 0, 10, 30, 60, 120초 동안 조사한 결과, 모든 세균에서 생존율이 유의미하게 감소했으며, M. lentus를 제외한 모든 세균에서 60초 조사 후 완전히 사멸하였다. 이러한 결과는 222 nm UVC가 육계 농장과 같은 특수 환경에서 병원성 세균을 효과적으로 소독할 수 있음을 시사하며, 장기 노출의 안전성이 확인될 경우 다양한 축산 환경에서 소독 방법으로 활용될 가능성이 있다.
The author would like to thank MAPAL HiTECO for providing the 222 nm UVC lamp used in this study.
This research was funded by MAPAL HiTECO Co., Ltd. in 2023.
None
Jung S, Professor.
The article is prepared by a single author.
This article does not require IRB approval because there are no human and animal participants.