Journal Search Engine

to

Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citation Korean Bibliography PMC Previewer
ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.20 No.2 pp.156-165
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2021.20.2.156

Investigation of virus filtration performance of air purifier filters and virus survival in filters

Yeeun Kim1, Minyeong Kang1, Seokhun Lee1, Chaeyoung Hong1, Seong Hwan Kim1,2*, Kye-Seung Chang3, Jung-Min Lee3, Yoon Shin Kim4
1Department of Microbiology, Life Science Division, Dankook University, Korea
2Institute of Biodiverstiy, Dankook University, Korea
3Microbe Analysis Center, Korea Conformity Laboratories, Korea
4Department of Environmental Engineering, Kunkuk University, Korea
*Corresponding Author: Tel: +82-41-550-3454 E-mail: piceae@dankook.ac.kr
25/05/2021 18/06/2021 22/06/2021

Abstract


This study was undertaken to investigate whether HEPA filter-equipped air purifiers can remove aerosolized virus, whether the removed virus can re-scatter through the filter, and how long the removed virus keeps its infectivity in the filter. For this investigation, six HEPA filter-equipped air purifiers produced by different companies were tested against PhiX174 and MS2 phages aerosolized by nebulizers. For viral detection from the air, LB agar plates covered with Escherichia coli hosts and an Andersen air sampler were used, and from the surface, the swab method was used. Both the aerosolized PhiX174 and MS2 viruses absorbed by the HEPA filters in the air purifiers were not detected from the air through filters or the surface of the outlet of the air purifiers. During the operation of the air purifiers at medium mode, the infectious viral concentration of these viruses in the HEPA filters decreased to 0%~12.3% as the time period passed. These results regarding infectious viral concentration differences were assumed to be due to the different wind speed and air volume among the six air purifiers. Based on observations over 5 days, the infectious viral concentration of the PhiX174 phage was 8,600 times lower when the air purifier was operated than when it was not operated. Overall, our results demonstrate that HEPA filter-equipped air purifiers can efficiently remove the two aerosolized viruses and the removed viruses in the HEPA filter could not re-spread and maintain their infectivity.


Aerosolized virus , Air purifiers , HEPA filter , Infectivity

공기청정기 필터의 바이러스 여과 성능 및 필터에서의 바이러스 생존 조사

김예은1, 강민영1, 이석훈1, 홍채영1, 김성환1,2*, 장계승3, 이정민3, 김윤신4
1단국대학교 생명과학부 미생물학전공
2단국대학교 생물다양성연구소
3한국건설생활환경시험연구원 미생물분석센터
4건국대학교 환경공학과

초록

    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    2019년 중국의 우한에서 “원인불명 폐렴”이 발생하 였고 그 원인이 신종 코로나바이러스감염증-19 (COVID-19)에 의한 것임이 알려지게 되었다(Wu et al., 2020). 코로나바이러스감염증-19의 원인 바이러스는 분류학적으로Severe Acute Respiratory Syndrome- Coronavirus-2 (SARS-CoV-2) 이다. 이 바이러스는 사 람 간 빠른 전파력, 고령자에서 높은 치명율, 잠복기 중 전염, 그리고 항바이러스제와 백신 개발이 늦어졌 다는 점 등에서 전 세계에 공포를 주고 있다 (Coronaviridae Study Group of the International Committee on Taxonomy of Viruses, 2020;Hu et al., 2021). 감염력이 큰 이 바이러스는 항공이용 여행객 을 매개로 5 대륙에 빠르게 확산하였고 World Health Organization (WHO)는 2020년 팬데믹(pandemic)을 선언하기에 이르렀다(WHO, 2020). 그 후 10개월이 경 과된 시점에서 코로나바이러스감염증-19 유행이 시 작된 중국에서는 감염자 증가추세가 한동안 감소됐 으나, 유럽과 북미에서는 지속적으로 커다란 증가추 세를 보이고 2020년 10월까지 216 개국에서 발생이 보 고되었다(Wölfel et al., 2020;Dong et al., 2020).

    코로나바이러스감염증-19의 높은 감염성은 바이러 스학적 특성일수 있는데 병증이 나타나는 초기 1주 간 안에 감염자의 상부 호흡기에서 바이러스 농도가 빠르게 최고조에 달하기 때문에 감염초기부터 인두 에서 바이러스가 유출할 위험성이 높기 때문이다(Wölfel et al., 2020). 더불어 무증상 감염으로 인한 경증과 무 증상 기간 동안 바이러스의 높은 전파율이 기여할 것 으로 가정되고 있다(Li et al., 2020). 코로나바이러스 감염증-19 감염자가 말하는 중에 비말(droplet)로 바 이러스를 전파한다. 그러나 더 작고 훨씬 더 많은 입 자인 에어로졸 입자로도 바이러스가 분출될 수 있으 며 이 입자는 오랫동안 공기중에 떠 돌다 다른 사람 이 호흡하면 폐에 깊숙하게 침투할 수 있다(Stadnytskyi et al., 2020;Meselson, 2020;van Doremalen et al., 2020). 앵무새를 통한 실험에서 SARS-CoV-2의 공기 전파 가능성이 보고되었으며(Kutter et al., 2021), 코로 나바이러스가 무생물 표면에서 몇 일 동안 감염력을 유지하기 때문에 SARS-CoV-2의 경우도 그럴 수 있어 서 감염위험이 지속될 수 있는 것으로 추정되고 있다 (Kampf et al., 2020).

    하루의 24시간 중 80% 이상의 시간을 실내에서 보 내는 현대의 일상을 고려할 때 실내공간에서의 활동 은 코로나바이러스감염증-19 감염자가 있는 경우에 감염 확산의 가능성이 매우 크게 존재한다. 실내에서 코로나바이러스감염증-19 감염자가 기침을 하거나 대 화를 하는 중에 배출되는 바이러스는 감염자가 그 공 간에서 없어지지 않는 한 계속해서 공기 중으로 배출 되어 그 농도가 증가하게 된다. 배출된 바이러스는 짧 게는 3시간 길게는 수일 동안 공기 중에 생존할 수 있 는 것으로 알려져 있기 때문에 같은 공간에 있는 사람들에게 바이러스 노출 위험이 존재한다(van Doremalen et al., 2020). 노출 위험은 바이러스의 농도, 가까이 있는 정도, 같이 머무르는 시간, 그리고 환기 정도에 따라 달라질 수 있다. 특히 환기가 불량한 밀 폐된 공간에서는 공기 중에 증가된 바이러스 농도가 더 커다란 위험 요소이다(Goldman, 2020). 이에 따라 실내공간에서 바이러스 농도를 빠르게 저감 할 수 있 는 기술이 요구되고 있다.

    일반적으로 가정에서 쉽게 활용할 수 있는 예방기 술로서 가전제품인 공기청정기를 고려해 볼 수 있다. 공기청정기의 원초적 기능은 실내공간에 존재하는 공기를 흡입하여 공기청정기 내부에 장착된 필터를 통과시켜서 공기에 존재하는 부유 입자들을 걸러 청 정한 공기를 다시 실내공간으로 내보내는 것이다. 따 라서 공기청정기의 기능은 부유하는 입자성 먼지를 비롯하여 세균, 진균, 바이러스, 꽃가루 등 생물학적 부유물질도 제거함으로써 쾌적하고 건강에 좋은 실 내공기의 질을 조성하는데 기여한다(Housh, 2017). 특 히 단시간에 부유 입자의 농도를 신속히 저감 시킬 수 있는 장점을 지니고 있기 때문에 공기청정기의 가동 은 고농도의 바이러스로 오염된 공기를 정화하여 보 다 안전한 실내환경을 조성하는데 유용한 보조 수단 으로 활용될 수 있다(EPA). 2020년 4월에 발표된 한 연 구 논문에서 ‘바닥에 설치된 공기청정기의 높이에 따 라 비말의 이동방향이 달라질 수 있어서 설치 위치가 적절하지 않으면 코로나바이러스감염증-19 바이러스 가 확산될 수 있다’는 보고가 있으면서, 공기청정기 성 능에 대한 의구심이 불거졌으며 언론을 통한 위해소 통의 문제점이 제기되었다(Ham, 2020). 더불어 공기 청정기의 유해물질 제거 기능보다는 공기청정기 방 출 기류로 인한 바이러스 확산 가능성에 대한 부분을 부각한 대중 보도로 인하여 공기청정기 생산업체는 물론 일반 소비자들에게 잘못된 정보가 전달될 수 있 다는 우려가 제기되었다. 이 같은 의구심과 우려는 공 기청정기가 바이러스를 실내공간에서 실제로 저감시 키는가, 실제로 바이러스를 거르는가, 걸러진 바이러 스는 다시 비산하는가, 걸러진 바이러스는 공기청정 기에서 얼마나 오랜 기간 감염력을 유지하는가(생존 하는가), 등에 대한 것이다. 실제 이러한 의구심에 직 접적으로 답해줄 과학적 자료가 아직 충분치 않은 실 정이다.

    그러나 실내환경과 관련된 제품에 대해 BL3급에 해 당하는 인체에 유해한 바이러스를 직접 시험하는 것 은 실험자의 감염우려가 커서 국내외적으로 일반화 되어 있지 않은 현실이다. 이에 따라 병원성 바이러 스를 대체하여 모사할 수 있는 바이러스(surrogate)로 서 비병원성 대장균인 E. coli를 기주로 하여 감염하고 증식하는 특성을 가진 PhiX174와 MS2 등의 바이러스 를 일반적으로 사용하고 있다. MS2 바이러스는 23~ 28 nm 크기의 ssRNA 바이러스로서 외피가 없는 정20 면체의 모형을 하고 있고 감기바이러스인 Rhinovirus, 식중독을 일으키는 Norovirus와 유사하여 여러가지 시험에 사용되어 왔다(Dubovi and Akers, 1970;Trouwborst and de Jong, 1973;Barker and Jones, 2005;Griffiths et al., 2005;Burton et al., 2007). PhiX174 바이러스는 25~32 nm 크기의 ssDNA 바이러 스로서 이 또한 외피가 없으며 20면체로서 MS2 바이 러스와 유사한 형태를 가지고 있어서 여러 살균, 공 기 여과 및 에어로졸화 연구에서 병원성 바이러스의 대리 바이러스로 사용되어 왔다(Mik et al., 1977;Tseng and Li, 2005;Tseng and Li, 2006).

    본 연구는 공기청정기가 공기 중 바이러스입자를 효과적으로 제거할 수 있는지에 대한 과학적 기초 자 료를 얻고자 수행되었다. 이에 따라 국내에서 판매되 는 6개 공기청정기 제품을 대상으로 1) 공기청정기 가 동모드에서 장착된 헤파필터(HEPA filter)의 바이러 스의 여과기능, 2)여과 후 헤파필터로부터 바이러스 누출여부, 3) 헤파필터에서 얼마 동안 바이러스가 감 염활성을 유지하는지 등을 조사하였다.

    2. 재료 및 방법

    2.1 공기청정기

    국내에서 판매되는 6개 회사의 제품을 각각 1대씩 택하여 사용하였으며 각 제품은 A~F로 알파벳 코드 를 부여하여 사용하였다. 해당제품 모두 헤파필터를 장착하고 있으며 생물안전작업대 내부에서 무균 조 작이 가능한 크기의 것(높이 650 mm 이하)를 선정하 여 시험에 사용하였다. 각 제품의 사양과 규격은 Table 1에 제시하였다.

    2.2 공시 바이러스와 기주세균

    박테리오파지인 Escherichia coli bacteriophage PhiX174 (ATCC® 13706-B1TM)와 Escherichia coli bacteriophage MS2 (ATCC® 15597-B1TM) 등 2종류의 바이러스를 사 용하였다. 이들 바이러스의 기주세포로는 E. coli strain C (ATCC 13706)와 E. coli strain C-3000 (ATCC 15597)를 각각 사용하였다.

    2.3 기주세균 배양

    PhiX174 바이러스의 기주인 E. coli strain C 배양은 9 cm 플라스틱 페트리 접시에 조제한 Luria-Bertani (LB) agar, Miller 에 획선 접종 후 37°C 배양기에서 24 시간 배양하였다. 자라난 세균 콜로니(colony) 중 단 일 콜로니를 취하여 다시 새 LB agar에 획선 접종하고 37°C 배양기에서 24시간 배양하여 균의 활성을 제고 한 후 후속 실험에 사용하였다. 증균을 위해서는 50 mL Conical tube에 20 mL LB media를 담고 활성이 제고된 배지에 형성된 단일 콜로니를 따서 접종하고 회전 인 큐베이터에 200 rpm 속도로 37°C에서 16시간~18시간 동안 배양하였다. LB top agar는 LB agar에 agar 가 0.7%되게 조제하여 멸균 후 굳지 않도록 65°C water bath에 담가 두고 사용하였다. MS2 바이러스의 기주 인 E. coli strain C-3000 배양은 준비된 LB agar에 멸균 루프를 사용하여 획선 접종한 후 37°C 에서 24 시간 동 안 배양하였다. 배양된 균체 중 단일 colony를 따서 20 mL의 ATCC Medium 271 broth에 접종하고 37°C 진탕 배양기에서 16 시간 동안 배양하였다. 세균의 증식 모 니터링은 배양액 1 mL 취하여 분광광도계로 600 nm 에서 흡광도를 측정하여 추적하였다. 세균의 농도 측 정은 희석법을 사용하여 LB media에 배양된 배양액 을 LB agar에 100 uL씩 3반복으로 도말 접종하고 37°C 배양기에서 24시간 배양 후 자라난 콜로니를 계수하 여 CFU/mL을 구하였다. 콜로니 계수는 콜로니 카운 터를 사용하였다. LB 와 LB agar 배지 재료는 BD Corp. (Franklin Lakes, NJ, USA) 제품을 구매하여 사용하였 고 나머지 시약은 Sigma-Aldrich Inc. (St. Louis, MI, USA)에서 구입하여 사용하였다.

    2.4 바이러스 분사 용액 조제

    PhiX174 바이러스 배양을 위해서는 E. coli strain C 배양액 0.1 mL를 20 mL의 LB media에 접종하고 37°C 에서 진탕 배양하여 사용하였다. MS2 바이러스 배양 을 위해서는 배양된 E. coli strain C-3000의 배양액 0.1 mL를 20 mL의 ATCC Medium 271 broth에 접종하여 37°C 진탕 배양기에서 약 3시간 동안 배양하였다. 이 때 기주 세균의 농도는 1.0 ~ 9.0 × 108 CFU/mL가 되도 록 배양하였다. 동결 보존된 바이러스를 실온에서 녹 인 후 최종 농도가 1.0 ~ 9.0 × 107 PFU/mL 이상이 되 도록 기주 세균 배양액에 접종한 후 37°C 진탕 배양 기에서 4시간 동안 배양한 후 4°C 냉장고에서 하룻밤 보존하였다. 배양액을 8,000 rpm에서 5분 동안 원심 분리하여 기주 세균을 침전시킨 후 상등액을 멸균 튜 브로 옮긴 다음 0.2 μm의 필터로 여과 정제하여 바이 러스 분사 용액을 준비하였다. 분사용액의 바이러스 농도는 연속 희석법으로 희석한 분사액을 기주세균 에 접종하여 배양 후 배지에 형성된 용균반(plaque)를 계수하여 바이러스 농도(PFU/mL)를 구하였다.

    2.5 공기청정기 필터에 바이러스의 분사

    70% 알콜로 세척 소독하고 UV로 살균한 네블라이 저에 조제된 바이러스 용액을 주입하여 분사 준비를 하였다. 바이러스 용액의 농도는 1 × 108 PFU/mL 이 상 수준으로 준비하여 사용하였다. 4 LPM 조건에서 예비시험을 통해 분사량을 조정하였다. 공기청정기 필터로의 분사는 예비시험을 통해 분사되는 거리를 3cm 간격으로 조정하였고 분사된 바이러스가 표적하 는 필터에 정확하게 포집이 되도록 높이와 위치를 조 정하였다. 바이러스 분사는 BL2 실험실로 허가 받은 생물안전실험실에서 BL2급 생물안전작업대 내부에 네블라이저 장치를 거치하여 수행하였다. 바이러스 분사 30분 전 생물안전작업대 내부 표면은 70% 알콜 로 표면을 닦아낸 후 UV를 조사하여 소독을 실시하 였고 동시에 가동을 시켜 청정 상태를 유지하였다. 공 기청정기는 표면을 깨끗이 닦은 후 BL2급 생물안전 작업대 내부에 거치하고 뒷면을 열어서 바이러스가 필터에 바로 흡수될 수 있도록 배치하고 10분 간 미 리 가동시켜 실시하였다. 각 공기청정기 제품마다 장 착된 필터와 동일한 제품의 필터를 3 × 3 cm 크기로 자 른 후 9개 필터 조각을 취하여 공기청정기에 장착되 어 있는 필터 위에 정확히 겹치게 맞추어 배치하였다. 공기청정기를 가동하면서 배치시킨 필터에 대해 하 나하나씩 바이러스를 10분간 4 LPM으로 분사하였다. 분사되는 노즐은 모두 3 × 3 cm 크기 필터에 집중되어 바이러스가 흡수되도록 하였다. 공기청정기 가동모 드는 제품별로 중간 정도의 가동모드에서 진행하였다.

    2.6 바이러스의 공기청정기 필터 유출 여부 조사

    공기청정기를 가동하면서 3 × 3 cm 크기 필터에 10 분씩 분사하는 동안 공기청정기 토출구에 PhiX174 기 주세균이 배양된 배지를 3개씩 배치하여 필터를 통 과하여 토출구로부터 나오는 공기가 배치된 배지에 노출되도록 하였다. MS2 경우는 MS2 기주 세균이 배 양된 배지를 사용하였다. 토출구 표면에 바이러스 오 염이 있는지 여부는 swab 후 필터에서 바이러스 추출 하는 방법으로 동일하게 진행하여 용균반 수를 조사 하였다. 공기 중 오염도는 기주 대장균을 도말 접종 하여 18시간 배양한 배지를 충돌법으로 노출시켜 m3 당 용균반 수를 조사하였다. 이 경우는 바이러스가 포 집된 필터가 있는 공기청정기를 아크릴 챔버로 이동 시켜 비치 후 공기청정기를 5일간 연속적으로 가동 시키고 난 후 챔버내 공기로부터 공기청정기로부터 누출된 바이러스가 존재하는지를 Andersen sampler (Microbial Air Sampler, Model KAS-110, KEMIK Corp., South Korea, MAS300N )를 사용하여 조사하였 다(Andersen, 1958;Ahn et al., 2017).

    2.7 가동하는 공기청정기 필터에 존재하는 바이러스 감염력(생존) 조사

    생물안전작업대에서 공기청정기를 가동시키면서 각 조각 필터마다 독립적으로 바이러스를 분사하여 바이러스가 포집된 필터를 장착한 공기청정기를 4.5 m3 아크릴 챔버에서 비치하고 연속 가동시켰다. 아크 릴 챔버에 공기청정기를 비치하기 전에 대조편 필터 시료로서 바이러스를 노출시킨 조각필터 일부를 수 거하였다. 공기청정기 가동 2일째, 5일째, 7일째, 8일 째, 10일째, 30일째 조각 필터를 각각 수거하여 바이 러스 감염력(생존)을 조사하였다. 아크릴 챔버는 사 용 전 내부를 닦아내고 UV등을 조사하여 표면과 내 부 공기를 사전 소독함으로써 공기 중 부유 미생물로 인한 간섭을 최소화한 후에 사용하였다. 동시에 실험 을 진행하는 BL2 생물안전실험실도 사전에 미리 UV 등을 조사하여 내부 소독을 실시하여 공기 중 부유 미 생물로 인한 간섭을 최소화한 조건에서 사용하였다. 실내온도는 주야간 21 ± 2°C 조건과 습도 40 ± 2% 조 건에서 수행하였다.

    바이러스 감염력 여부 분석을 위해서는 수거한 필 터를 50mL 멸균 tube에 담은 뒤, 멸균 PBS (pH 7.0)를 20 mL 첨가하였다. 20분간 방치하였다가 5분간 vortex 한 다음 3,000 rpm으로 원심분리하여 상층액을 채취 하였다. 상층액 원액과 연차적으로 희석액을 조제 후 각각 100 ul씩 취하여 흡광도 값이 O.D (A600) 0.8 정도 되게 맞춘 E. coli 배양액 100 ul와 혼합 후 10초간 vortex한 뒤 5분간 상온에 처리하였다. 65°C 항온 수조 에 분주해 둔 0.7% LB top agar와 섞어주고 LB agar media 표면에 부어 굳힌 다음 37°C 배양기에서 24시 간 배양 후 생겨난 용균반 수를 계수하였다. 필터에 포집되어 있던 바이러스가 공기청정기 가동하면서 일자가 지나면 대장균 감염활성을 얼마나 유지하는 지(감염활성율 infectious viral concentration)에 대한 평가는 아래와 같이 수행하였다.

    • Ma : 바이러스 노출 직후 접촉시간 ‘0’ 시점에서의 필터 검출 바이러스 수(대조구)

    • Mb : 바이러스 노출 후 공기청정기 ‘X’ 일 가동 후 필 터 시편 검출 바이러스 수

    • 조건 : 추출된 대조편 필터로부터 바이러스가 일정 수준(~104 PFU/mL) 이상으로 존재하는 뚜렷 한 증거가 있어야 한다.

    • X일 가동 후 바이러스 감소율(%) = (Ma - Mb)/ Ma × 100

    감염활성율(%) =초기 감염활성율 100(%) - 감소율(%)

    필터를 통해 공기중으로 유출될 가능성을 두고 공 기중으로부터 부유바이러스 채집은 충돌법에 기반한 Andersen sampler를 사용하였다. 설치요건은 종합적 으로 환경부 ‘실내공기질공정시험법’ 기준에 명시된 부유세균 측정 방법에 따라 수행하였다(Andersen, 1958). 챔버 상부 70 ~ 80 cm 높이에서 수평을 유지해 각각 3반복으로 측정을 진행하였다. 세균 배양은 37°C incubator에서 2일간 배양하였고 자라나온 용균반을 콜로니 카운터로 계수한 뒤 포집된 총 공기유량을 고 려하여 단위 체적 당 용균반수 PFU/m3를 구하였다. 측정 자료 분석은 SPSS Statistics 19.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, U.S.) 통계프로그램을 이용하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 시험 바이러스 검출 비교

    공기청정기가 바이러스를 실내공간에서 실제로 저 감 시키는지에 대한 표준화된 시험방법은 국제적으 로도 현재 부재한 실정이나 국외에서 수행된 공기청 정기의 바이러스 제거 모사 시험 자료를 찾아보면 미 국 FDA 방법에 준용하여 라이브 COVID-19 모사 바 이러스로서 MS2 bacteriophage를 이용한 사례를 볼 수 있다. 1,050 CuFt 테스트 챔버에서 Alen BreatheSmart 75i 제품을 가동한 결과 20분 이내에 99% 이상의 바이 러스 입자가 제거되었다(Mottola, 2021). 또 다른 ActivePure® Technology 제품의 경우도 30분 이내에 MS2와 PhiX174 바이러스를 99.999% 제거한 자료를 볼 수 있다(Vollara, 2021).

    본 연구에서도 공기여과와 에어로졸 시험 방법이 준용되는 바 MS2와 PhiX174 바이러스가 적합한 시험 재료로 판단되었다. 이 두 바이러스를 키우고 배양하 면서 나타나는 특징으로 볼 때 같은 기간 동안 배양 하거나 동일 농도를 접종해도 PhiX174 바이러스가 MS2 바이러스 보다 좀 더 증식이 좋았으며 생성하는 용균 반의 모양도 더 크고 뚜렷하게 나타내는 특성을 보였 다(Fig. 1). 이에따라 본 연구의 대부분의 단계에서 실 험 조건은 PhiX174 바이러스를 중심으로 조사하였고 조사된 실험 조건을 바탕으로 아크릴 챔버와 한국건 설생활환경시험연구원의 규격 챔버 실험에서 PhiX174 바이러스와 MS2 바이러스 생존 시험을 동일하게 진 행하였다(ISO, 2018).

    3.2 공기청정기 가동시 고농도의 바이러스를 분사할 경우 바이러스가 모두 공기청정기 헤파필터에 여과 되는지 및 여과된 바이러스가 헤파필터를 통과하여 유출되는지 여부 조사

    6개 회사의 공기청정기 제품 모두에서 ~108 PFU/mL 이상 고농도의 PhiX174 바이러스를 3 × 3 cm 크기의 필터에 노출시키면서 아크릴 챔버내에서 공기청정기 를 가동하였지만 공기청정기의 바람이 빠져나가는 구멍이 있는 토출구에 배치한 기주세균인 E. coli를 도 말한 LB배지에서 바이러스 용균반은 하나도 생겨나 지 않았다[Table 2, Fig. 2]. 또한 토출구 표면을 살균 면 봉으로 닦아서 누출된 바이러스가 토출구 표면에 부 착되어 존재할 가능성을 조사하였지만 6개 제품 모 두에서 공기청정기 토출구 표면에서 바이러스가 검 출되지 않았다(Table 2). 이는 에어로졸로 분사한 바 이러스가 헤파필터에 여과된 후 누출하지 않는다는 것을 보여준다. 또한 혹시라도 헤파필터에 여과된 바 이러스가 단시간에 나오지 않지만 공기청정기를 지 속적으로 가동하면 나올 가능성이 있는지 알아보고 자 하였다. 이를 위해서 바이러스를 분사 후 바이러 스가 포집된 필터를 장착하고 있는 공기청정기를 아 크릴 챔버로 이동시켜 10일 간 공기청정기를 연속 가 동하면서 분사 초기에 필터에서 나오지 않고 있던 바 이러스가 천천히 공기중으로 유출되어 존재할 수 있 는지 조사하였다. 공기청정기 가동 5일 차에 아크릴 챔버 내에 필터로부터 유출된 바이러스가 공기중에 있을지 여부를 위해 Andersen sampler에 기주 세균을 배양한 배지를 장착하여 5분간 공기를 빨아드려 배 지에 충돌시켜 조사하였으나 바이러스 용균반은 하 나도 검출되지 않았다(Table 2). 이결과는 공기청정기 를 가동하는 동안 공기청정기에 포집된 바이러스는 필터를 통과해서 공기 중으로 유출되지 않음을 시사 한다. 이러한 결과를 바탕으로 한국건설생활환경시 험연구원의 30 m3 규격 챔버 내에서 PhiX174 바이러 스를 대상으로 수행한 실험과 동일하게 PhiX174 바이 러스와 MS2 바이러스 대상으로 실시하였다. 6개 제 품 중 A 제품을 선정하여 실험한 결과 두 바이러스 모 두 아크릴 챔버 시험과 동일하게 토출구 표면과 토출 구에서 배출된 공기와 규격 챔버 내 공기에서 검출되 지 않았다(Table 3). 이상의 결과를 볼 때 공기청정기 가동시 고농도의 바이러스를 분사하더라도 바이러스 는 모두 공기청정기 필터에 걸리고 필터에 걸러진 바 이러스는 필터를 통과하여 유출되지 않는 것으로 사 료된다.

    3.3 헤파필터에 여과된 바이러스가 필터에서 얼마나 오랜 기간 감염력을 유지하는지 조사

    바이러스 유출 여부 평가 방법과 동일하게 공기청 정기 필터에 PhiX174 바이러스를 흡착시킨 후 중간모 드(일부제품은 표준모드) 가동조건에서 생존 여부를 조사하였다. 세균의 생리적 특성이 배양 차수에 따라 다를 수 있고 이에 따라 바이러스 감염율이 달라질 수 있기 때문에 1차와 2차에 걸쳐 수행하였으며 2차 시 험 때는 세균을 새로이 배양하여 실시하였다. 6개 제 품 중 E, F 등 2개 제품은 사양이 다소 달라 1차 시험 만 진행하였다. 1차 시험에서 2일간 공기청정기를 가 동한 필터로부터 바이러스를 분리하여 바이러스의 기주 세균 감염 활성을 조사하였을 때 감염활성율은 A 제품에서는 20.1%를 보였지만 다른 제품에서는 33.4%~77.3% 감염활성율을 보였다(Table 4). 제품 간 에 차이가 있음을 볼 수 있었다. 5일간 가동한 필터로 부터 분리된 바이러스의 감염활성율은 최저 0.0003% 에서 최대 64.7971%를 나타내었다. 2개 제품 E와 F에 서는 17.2477%와 64.7971% 감염활성율을 각각 보였다. 그러나 A, B, C, D 등 4개 제품에서는 0.01% 이하의 감 염활성율을 보였다. 10일 가동한 공기청정기의 필터 에서는 이들 4개 제품에서 바이러스가 생존하지 못 하였고 E와 F 제품에서는 12.29%와 7.7%의 감염활성 율을 보였다. 10일 차까지 바이러스가 생존한 이 2개 제품의 경우 20일 가동 후 조사한 결과 E 제품에서는 감염활성율 0.1101%를 F 제품에서는 감염활성율 0.044% 을 각각 나타내어 감염활성율 저감은 거의 99.9%에 이 르렀다. 30일 차에는 E 제품에서는 감염활성율 0%를 F 제품에서는 감염활성율 0.0037%로서 기일이 지남 에 따라 바이러스 감염활성율이 거의 줄어들었다. 1 차 실험 결과로 볼 때 공기청정기에 따라 바이러스 생 존 저감효과는 5일 후면 최대 99.999%까지 저감될 수 있음을 알 수 있었다. 2차 실험에서는 A, B, C, D 4가 지 제품에 대해서만 실시하였다. 1차 실험 때와 비교 하여 동일한 효과를 보인 제품도 있지만 1차 시험 때 보다 저감율이 다소 낮은 제품도 있었다. 5일 후 감염 활성율 범위는 0.0008% ~ 2.74% 였고 10일 후에는 0% ~ 0.027% 이었다. A 제품은 7일차 감염활성율이 0%를 보였다. 이러한 1, 2차에 걸친 실험 결과에서 공기청 정기를 가동하면 에어로졸화 되어 필터에 포집된 바 이러스는 감염활성이 급격히 감소하는것을 알 수 있 었다. 이는 공기청정기 가동시간이 경과함에 따라 포 집된 바이러스의 활성이 계속 감소한다는 증거를 제 시한다.

    한편 2차에 걸친 실험에서 공기청정기 가동시 A제 품에서 바이러스 감염활성율이 낮았기 때문에 이 제 품을 대상으로 공기청정기 가동조건과 비가동 조건 에서 감염활성율을 조사하여 보았다. 방법은 앞서 실 험과 동일하게 PhiX174 바이러스를 에어로졸로 분사 시키고 공기청정기의 필터에 포집한 후 공기청정기 를 아크릴 챔버에 배치하여 5일 동안 가동한 다음 필 터를 수거하여 조사하였다. 대조군 처리는 비가동한 조건에서 5일 간 방치하였다가 필터를 수거하여 조 사하였다. 조사 결과 Table 5에서 보는 바와 같이 가동 5일 후 감염활성율은 0.0008% 이었다. 반면 비가동 조 건 처리 필터에서의 감염활성율 6.9355% 이었다. 감 염활성율을 비교하면 그 차이는 약 8,600배이었다. 이 는 바이러스가 자연적으로도 감염활성율이 줄어들지 만 공기청정기를 가동하면 같은 기간 동안 생존을 낮 추는 기능을 8,600배 잘 할 수 있음을 보여준다.

    2단계 실험을 마치고 아크릴 챔버 시험과 동일한 방 법으로 3단계 실험으로 한국건설생활환경시험연구원 의 규격 챔버에서 PhiX174 바이러스와 MS2 바이러스 에 대하여 A 제품 가동 후 바이러스 생존 검출시험을 한 결과 MS2 바이러스는 7일 가동 후 검출되지 않아 감염활성율이 0% 이었다(Table 6). PhiX174 바이러스 경우는 8일 가동 후 바이러스가 검출되지 않아 감염 활성율이 0% 이었다. 이상의 결과는 2단계 A 제품 이 용 아크릴 챔버 시험의 결과와 유사한 결과이다. 따 라서 공기청정기가 가동되고 있으면 필터에 포집된 바이러스는 10일 이내에 기주 세포인 E. coli에 감염을 할 수 있는 능력을 거의 상실함을 보여준다.

    현재 공기청정기의 바이러스 저감에 대한 연구 자 료가 매우 부재한 상황이다. 이런 상황속에서 본 연 구는 공기청정기가 고농도의 바이러스를 여과하는 동시에 여과된 바이러스의 누출을 억제하고 바이러 스 감염활성을 급속히 낮추는 기능을 보유하고 있음 을 보여주는 결과를 도출하였다. 특히 본 연구에 사 용한 ssRNA 바이러스인 MS2의 경우 쥐에 감염하는 ssRNA 바이러스인 MHV 코로나바이러스에 비하여 에어로졸화 과정, 샘플링 과정 및 자외선에 대해 7배 ~ 10배 더 내성이 있는 것으로 알려져 있다(Walker and Ko, 2007). 이러한 보고에 비추어 볼 때, 실제 같은 ssRNA 바이러스인 COVID-19 같은 코로나 바이러스 가 공기청정기 필터에 포집 되었을 경우 바람이 지속 적으로 세차게 불어대는 공기청정기 가동조건에서 견디는 능력은 본 연구에서 MS2 바이러스가 보여준 감염활성율(생존율) 보다 더 낮을 것으로 추정된다. 따라서 본 연구 결과는 공기청정기에 대한 소비자의 의구심에 대응하는 아주 기초적이지만 중요한 단서 가 되는 기반자료라고 판단된다. 특히 최근 바이러스 가 크고 작은 물방울로 공기를 통해 전파된다는 것을 국제적으로 동의하고 있는 바 확산을 방지하기위한 노력은 환기를 개선하거나 엄격한 테스트를 거친 공 기 청정기를 설치하는 데 집중해야 한다(Nature, 2021). 따라서 본 연구를 기초로 공기청정기 기능을 좀 더 다 각적으로 활용할 수 있는 연구 자료가 지속적으로 산 출되기를 기대한다.

    본 연구에서 얻어진 결과는 공기청정기 control panel 제시된 가동 모드 중 중간 또는 가운데 위치한 모드 만 임의로 선정하여 수행한 결과이다. 따라서 제품 간 에 바이러스 감염활성율에 차이가 있지만 그것을 가 지고 어느 제품이 더 기능이 우수하다고 단정하거나 상업적으로 이용해서는 안 될 사항임을 밝혀 둔다. 중 간 모드에서 공기청정기 제품마다 풍량이 다 다르고 제품마다 장착된 필터의 모양과 성상이 다르기 때문 에 우수성을 비교할 수 없기 때문이다. 즉 조건을 달 리하면 공기청정기 제품 간의 바이러스 감염활성율 정도 순위는 충분히 뒤바뀔 소지가 존재하기 때문이다.

    4. 결 론

    본 연구는 PhiX174 바이러스와 MS2 바이러스를 에 어로졸화 시켜 시험함으로써 공기청정기에 내장된 헤파필터가 바이러스 제거 기능을 가지고 있음을 입 증하였다. 헤파필터의 바이러스 제거 기능은 6개 제 조사의 서로 다른 공기청정기 모델 모두에서 존재하 였다. 헤파필터에 제거된 바이러스는 공기청정기를 계속 가동하여도 필터 여재로부터 토출구에 재비산 되지 않았다. 헤파필터에 여과된 바이러스는 시일이 지나면서 자연적으로도 감염력이 줄어들었다. 그리 고 공기청정기를 가동하면 감염력이 더욱더 감소하 였다. 이런 결과는 공기청정기 가동이 바이러스를 제 거하는 동시에 바이러스의 생존율도 떨어뜨린다는 것을 보여주기 때문에 공기청정기는 바이러스로 오 염된 공기를 정화하는데 유용하고 안전한 수단임을 나타낸다.

    공기청정기는 제품도 다양하고 실내공간의 환경도 다양하기 때문에 다양한 제품과 환경을 고려한 연구 결과가 필요하다. 이런 점에서 볼 때 본 연구는 한가 지 공기청정기 제품과 한가지 가동모드에서 바이러 스의 제거 성능을 검증하고자 하였기에, 다양한 각도 에서 여러 가지가동조건을 세팅하여 공기청정기에서 의 바이러스 생존을 평가하지 못한 제한점이 존재한 다. 따라서 공기청정기에 대한 총체적 성능을 파악하 기 위해서는 향 후 좀 더 보강된 과학적 기초 연구가 수행되어야 할 것인다. 본 연구 결과는 이런 후속연 구에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

    감사의 글

    본 연구는 (사)한국공기청정협회의 지원을 받아 수 행되었음.

    Figure

    JOIE-20-2-156_F1.gif

    Plaques formed on lawns of E. coli by the MS2 (left) and PhiX174 (right) phages.

    JOIE-20-2-156_F2.gif

    Examples of the results of exposure of E. coli host cells in agar plates to the air path through the outlet of the six air purifiers after filtering the aerosolized PhiX174 virus. No virus plaques were formed.

    Table

    The specification and appearance of six air purifiers used in this study

    Detection of the aerosolized PhiX174 virus in the purified air from the outlet of six air purifiers, on the surface of outlet of the air purifiers, and in the air in the acryl chamber (4.5m3) where the air purifiers were operated for 5 days

    Detection of the aerosolized PhiX174 and MS2 viruses in the purified air from the outlet of the air purifier A, on the surface of outlet of the air purifier A, and in the air in the standard chamber of Korea Conformity Laboratories where the air purifier was operated for 5 days

    Infectious viral concentration (PFU/cm2) in the installed HEPA filter after different days operation after filtering the aerosolized PhiX174 phage in the six air purifiers tested

    Infectious viral concentration (PFU/cm2) in the installed HEPA filter after 7 days and 8 days operation in the standard chamber* after filtering two aerosolized phage viruses in the air purifier A

    Comparison of infectious viral concentration rate (%) in the HEPA filter installed when air purifier A is operated and not operated for 5 days after filtering the aerosolized PhiX174 phage

    Reference

    1. Ahn, H. S. , Kim, J. Y. , Ko, H. G. , Kim, S. H. 2017. Investigation of bacterial diversity in the indoor air of greenhouses used for oakwood mushroom cultivation. Journal of Odor and Indoor Environment 16(3), 287-295. (in Korean with English abstract)
    2. Andersen, A. A. ,1958. New sampler for the collection, sizing, and enumeration of viable airborne particles. Journal of Bacteriology 76(5), 471-484.
    3. Barker, J. , Jones, M. V. ,2005. The potential spread of infection caused by aerosol contamination of surfaces after flushing a domestic toilet. Journal of Applied Microbiology 99(2), 339-347.
    4. Burton, N. C. , Grinshpun, S. A. , Reponen, T. ,2007. Physical collection efficiency of filter materials for bacteria and viruses. Annals of Occupational Hygiene 51(2), 143-151.
    5. Coronaviridae Study Group of the International Committee on Taxonomy of Viruses,2020. The species severe acute respiratory syndrome-related coronavirus: classifying 2019- nCoV and naming it SARS-CoV-2. Nature Microbiology 5, 536-544.
    6. Dong, E. , Du, H. , Gardner, L. ,2020. An interactive webbased dashboard to track COVID-19 in real time. Lancet Infectious Disease 20(5), 533-534.
    7. Dubovi, E. J. , Akers, T. G. ,1970. Airborne stability of tailless bacterial viruses S13 and MS2. Applied Microbiology 19(4), 624-628.
    8. Goldman, E. ,2020. Exaggerated risk of transmission of COVID-19 by fomites. Lancet Infectious Disease 20(8), 892- 893.
    9. Griffiths, W. D. , Bennett, A. , Speight, S. , Parks, S. ,2005. Determining the performance of a commercial air purification system for reducing air-borne contamination using model microorganisms: a new test methodology. Journal of Hospital Infection 61(3), 242-247.
    10. Ham, S. ,2020. Prevention of exposure to and spread of COVID-19 using air purifiers: challenges and concerns. Epidemiology and Health 42, e2020027.
    11. Housh, W. ,2017. Air purifier benefits and how they work. https://www.hvac.com/blog/air-purifiers-work-benefitsowning-one/#:~:text=An%20air%20purifier%20helps%20trap%20dust%20before%20it,the%20air%2C%20causing%20your%20family%20to%20get%20sick.
    12. Hu, B. , Guo, H. , Zhou, P. , Shi, Z. L. ,2021. Characteristics of SARS-CoV-2 and COVID-19. Nature Review Microbiology 19, 141-154.
    13. The International Organization for Standardization (ISO),2018. Indoor air - Part 36: Standard method for assessing the reduction rate of culturable airborne bacteria by air purifiers using a test chamber. ISO 16000-36:2018(en).
    14. Kampf, G. , Todt, D. , Pfaender, S. , Steinmann, E. ,2020. Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents. Journal of Hospital Infection 104(3), 246-251.
    15. Kutter, J. S. , de Meulder D. , Bestebroer, T. M. , Lexmond, P. , Mulders, A. , Richard, M. , Fouchier, R. A. M. , Herfst, S. ,2021. SARS-CoV and SARS-CoV-2 are transmitted through the air between ferrets over more than one meter distance. Nature Communications 12(1):1653.
    16. Li, H. , Wang, Y. , Ji, M. , Pei, F. , Zhao, Q. , Zhou, Y. , Hong, Y. , Han, S. , Wang, J. , Wang, Q. , Li, Q. , Wang, Y. 2020. Transmission routes analysis of SARS-CoV-2: a systematic review and case report. Frontiers in Cell and Developmental Biology 8:618.
    17. Meselson, M. ,2020. Droplets and aerosols in the transmission of SARS-CoV-2. New England Journal of Medicine 382(21), 2063.
    18. Mik, G. , de Groot, I. , Gerbrandy, J. L. ,1977. Survival of aerosolized bacteriophage phiX174 in air containing ozoneolefin mixtures. Journal of Hygiene 78(2), 189-198.
    19. Mottola, D. ,2021. Can Air Purifiers Provide Protection Against COVID-19? Can Air Purifiers Provide Protection Against COVID-19? https://alen.com/blogs/articles/air-purifiersand-coronavirus.
    20. Nature,2021. Update guidance on how coronavirus spreads. Nature, 590(4), 7.
    21. Stadnytskyi, V. , Bax, C. E. , Bax, A. , Anfinrud, P. ,2020. The airborne lifetime of small speech droplets and their potential importance in SARS-CoV-2 transmission. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 117(22), 11875-11877.
    22. Trouwborst, T. , de Jong, J. C. ,1973. Interaction of some factors in the mechanism of inactivation of bacteriophage MS2 in aerosols. Applied Microbiology 26(3), 252-257.
    23. Tseng, C. C. , Li, C. S. ,2005. Collection efficiencies of aerosol samplers for virus-containing aerosols. Journal of Aerosol Science 36(5-6), 593-607.
    24. Tseng, C. C. , Li, C. S. ,2006. Ozone for inactivation of aerosolized bacteriophages. Aerosol Science and Technology 40(9), 683-689.
    25. United States Environmental Protection Agency (EPA), Will an air cleaner or air purifier help protect me and my family from COVID-19 in my home? https://www.epa.gov/coronavirus/will-air-cleaner-or-air-purifier-help-protect-meand-my-family-covid-19-my-home.
    26. van Doremalen, N. , Morris, D. H. , Holbrook, M. G. , Gamble, A. , Williamson, B. N. , Tamin, A. , Harcourt, J. L. , Thornburg, N. J. , Gerber, S. I. , Lloyd-Smith, J. O. , de Wit, E. , Munster, V. J. ,2020. Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1. New England Journal of Medicine 382, 1564-1567.
    27. Vollara.2021. Scientific proof. https://www.vollara.com/scientific-proof.
    28. Walker, C. M. , Ko, G. ,2007. Effect of ultraviolet germicidal irradiation on viral aerosols. Environmental Science and Technology 41, 5460-5465.
    29. Wölfel, R. , Corman, V. M. , Guggemos, W. , Seilmaier, M. , Zange, S. , Müller, M. A. , Niemeyer, D. , Jones, T. C. , Vollmar, P. , Rothe, C. , Hoelscher, M. , Bleicker, T. , Brünink, S. , Schneider, J. , Ehmann, R. , Zwirglmaier, K. , Drosten, C. , Wendtner, C. ,2020. Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature 581, 465-469.
    30. World Health Organization (WHO),2020. Coronavirus disease 2019 (COVID-19). Situation report–51. https://www.who.int/docs/default-source/coronaviruse/situationreports/20200311-sitrep-51-covid-19.pdf ?sfvrsn=1ba62e57_10.
    31. Wu, J. T. , Leung, K. and Leung, G. M. ,2020. Nowcasting and forecasting the potential domestic and international spread of the 2019-nCoV outbreak originating in Wuhan, China: a modelling study. Lancet 395(10225), 689-697.