1. 서 론
가지검은마름병(Black shoot blight)은 Erwinia pyrifoliae 라고 하는 그람 음성 세균에 의해 사과와 배나 무에 발생하는 병해이다(Rhim et al., 1999). 국내에서 는 강원도 춘천근교의 배(Pyrus pyrifolia cv. ‘Shingo’) 과원에서 1995년 처음 발견되었다(Han et al., 2016). 이 세균에 의해 감염되는 기주는 주로 배와 사과이다(Kim et al., 2001b). 감염된 기주에서 나타나는 증상은 화기 의 경우 물에 데친 것 같아서 후에 갈변하고 꽃자루 로 전염된다. 감염된 꽃자루는 잘 떨어지지 않고 달 려 있다. 어린 과실 또한 감염이 조직에 확대되면서 갈색으로 변하고 세균 삼출액(ooze)이 맺히기도 한다. 세균 삼출액은 세균 덩어리로 병이 확산하는데 중요 한 전염원이 된다. 잎에서는 상처나 기공을 통해 감 염하고 초기에는 잎자루에서 엽맥을 따라 갈색 괴사 반점이 나타나며 중간 엽맥이나 엽병으로 번져 진한 갈색의 병반을 형성한다. 배의 경우 잎의 주맥을 따 라 흑갈색 줄무늬가 형성되는 특이적 병징을 볼 수 있 다. 병원균은 잎에서 잔가지로 이동하고 굵은 가지로 이동한다. 감염 가지는 수침상으로 되어 번지며 세균 삼출액이 생성되어 진물이 흘러내리듯 나타날 수 있 다. 이러한 증상은 궤양 증상으로서 이듬해에 병원균 이 개화기에 방화 곤충에 의해 전반되는 주요 시발점 이 된다.
이 세균이 나타나는 병징은 실제로 최근 사과와 배 에서 발생하여 커다란 경제적 피해를 주고 있는 과수 화상병의 병징과 유사하다(Van der Zwet and Keil, 1979, Shrestha et al., 2003, Vanneste, 2000). 이 병원 세균의 미생물학적 특성 또한 과수화상병균인 Erwinia amylovora 와 매우 유사하여 국내에서 이 병의 발생과 화상병의 발생을 구분하지 못하여 진단의 오류와 병 발생을 오인하는 등 혼란이 있었다(Han et al., 2016). 일본에서도 화상병균으로 취급되다가 가지검은마름 병균으로 구분되었다(Geider et al., 2009, Kim et al., 2001a). 현재 배양적, 혈청학적 및 유전학적 특성 연구 로 점차 두 병원균의 구분이 가능하지만 아직도 병징 만으로 구분하기에는 어려움이 존재한다(Rhim et al., 1999;Kim et al., 1999). 최근 3년간에도 경기(안성, 양 평, 포천, 연천), 강원(춘천, 평창, 화천, 홍천, 횡성, 철 원, 양구, 고성, 인제), 충북(충주, 음성), 경북(문경, 영 주) 등의 시군에서 발생하였다. 화상병과 마찬가지로 감염되면 치유가 되지 않아 정부에서는「식물방역법」 제31조에 따라 과수화상병 및 과수가지검은마름병의 확산 차단과 박멸을 위한 방제계획(농촌진흥청 공고 제2021-42호, 제2021-157호)을 공고하여 병 확산을 억 제하는 노력을 기울이고 있다. 병의 심각성에 의거하 여 농촌진흥청 방제 지침은 과수화상병과 과수가지 검은마름병에 대해 미발생지역에서는 배나무와 사과 나무의 경우 발병률이 10% 이상의 경우는 과원 전체 를 폐원하도록 하고 지시하고 있다.
이 병의 방제 연구와 진단 기술 개발을 위해서는 이 병원 세균의 위험도에 맞는 적절한 생물안전시설에 서 연구가 필요하다. 그러나 국내에 아직 이처럼 위 험성이 큰 식물 병원체를 다루는 생물안전시설이 없 어 최근 농촌진흥청과 농림축산검역본부에서 고위험 식물 병원체를 연구할 BL3급 시설을 시급히 건축 중 이다. 실험실에서 연구를 수행하면서 병원체를 다루 는 환경에서 생물안전작업대와 실험대, 실험대 선반 그리고 실험실 바닥 등이 병원체에 오염될 가능성이 늘 존재한다. 따라서 시설 안전관리는 물론 연구 환 경에서의 오염과 환경 유출의 방지를 위한 조치가 필 요하다. 그러나 아직 실험실 환경에서 가지검은마름 병균의 취급으로 발생할 수 있는 오염의 제거를 위한 국내 정보가 미비한 실정이다.
미생물의 제거를 위해서 시설 내에서 자주 사용되 는 방법은 화학적 방법보다는 물리적 방법이 적용된 다. 이는 인체 노출과 잔여 화합물의 발생으로 인한 2차적 오염을 방지할 수 있는 장점이 있기 때문이다. 미생물의 유전 물질을 손상시켜 살균 작용을 하는 200~280 nm 파장의 자외선(UV-C)이 물리적 방법으 로 널리 사용되고 있다. 자외선 빛으로 넓은 면적을 단시간에 조사하여 살균 효과를 볼 수 있는데 이는 자 외선이 미생물 유전 물질 전사와 복제를 교란하여 비 활성화시키기 때문이다(Goosen and Moolenaar, 2008;Cutler and Zimmerman, 2011). 이런 효과는 시겔라균, 대장균, 포도상구균, 리스테리아균 같은 병원성 세균 을 비롯하여 SARS-CoV-2 바이러스 같은 병원체의 통 제에도 유용함이 보고되었다(Chang et al., 1985;Matak et al., 2005;Khan et al., 2022). 현장 적용으로는 식품 가공산업, 식수 및 폐수 등의 처리에도 활용되고 있 다(Gómez et al., 2011).
본 연구팀은 사전연구에서 생물안전실험실에서도 자외선등을 설치하여 일반적으로 오염이 발생할 가 능성이 있는 여러 위치에 과수화상병을 접종하고 UVC 조사 효과를 수행하였다. 그 결과 병원 세균의 활성 제거에 자외선 조사가 효과가 있음을 보고하였다(Kang et al., 2023). 과수화상병균과 가지검은마름병균의 생 육 특성과 항생제 감수성 차이는 유사하지만 저온에 서는 가지검은마름병균의 생육이 우수한 차이가 있 다(Shrestha et al., 2005). 이에 따라 본 연구는 가지검 은마름병균을 접종 후 자외선 조사 시간에 따른 살균 효과를 조사하여 과수화상병균과 차이가 있는지 알 아보고 실험실 환경에서 사멸에 요구되는 자외선 조 사 시간을 알아내고자 수행하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험 시설 및 세균 배양
본 연구는 앞서 연구에서 과수화상병을 대상으로 진행하였던 단국대학교 천안캠퍼스 1과학관 소재의 생물안전실험실에서 수행하였다(Kang et al., 2023). 이 시설은 생물안전 2등급(BL2) 허가를 받은 시설로써 고위험성 식물검역 균주 취급 규정을 준수하여 안전 하게 수행하였다. 실험 후 사용한 균은 고압증기 살 균기로 121°C에서 20분간 살균하여 생물학적 위해요 소 폐기물 처리 방법에 따라 안전하게 처리하였다(Korea Disease Control and Prevention Agency, 2022).
공시 균주로는 Erwinia pyrifoliae KACC13913 균주 를 사용하였다. PDA (Potato Dextrose agar, DifcoTM) 배지에 공시균주를 접종하여 28°C 배양기에서 2일간 배양하여 활성 유도 시킨 후 사용하였다. 표면 접종 에 필요한 세균 농도를 얻기 위해서는 FalconTM 50 ml conical centrifuge tube (Fisher Scientific Korea Inc., Seoul)에 멸균된 20 ml PDB (Potato Dextrose Broth, BD DifcoTM,, All for LAB, Seoul) 액체 배지를 넣고 PDA에 자라난 한 개의 세균 집락을 취하여 멸균 루 프로 접종한 후 28°C 암조건에서 진탕 배양기로 2일 간 배양하였다. 배양 후 세균 배양액을 Bench top centrifuge (Sorvall ST1 Plus, Thermo Fisher Scientific Korea Inc., Seoul)를 이용하여 8,000 rpm에서 5분간 상 온에서 원심분리하여 세균을 침전시켰다. 상등액은 버리고 침전된 균체에 멸균 증류수 20 ml를 가하여 세 균 현탁액을 조제 하였다. 10배수로 세균 현탁액을 연 속 희석한 후 각 희석 배수에서 마이크로파이펫으로 희석액 100 ml를 취하여 PDA 배지에 접종하고 알코올 램프로 살균한 유리막대로 문질러 세균 희석액을 도 말하였다. PDA 배지에 도말한 세균은 28°C 항온기에 서 2일간 배양시킨 다음 생성된 집락을 계수하여 세 균 농도를 측정하였다. 자외선 조사 실험에 이용한 균 의 농도는 1.71 × 108 CFU/ml 로 조절하여 사용하였다.
2.2 실험실 내 자외선 조사 지점 선정
실험실 내 자외선 조사 대상지점 선정은 생물안전 실험실에서 이병 식물체로부터 연구대상 식물병원 세균을 분리하거나 에어로졸 분사 접종 등의 작업 및 배양 작업 등 일반적으로 세균을 취급하면서 오염이 발생할 수 있는 상황을 고려하였다. 필수적으로 사용 하는 생물안전작업대와 작업하는 실험대 벤치, 보관 하는 실험대 선반 그리고 실험대에서 작업 도중 세균 액을 엎지르거나 흘리게 되는 경우 오염되는 실험실 바닥 등 4가지 지점을 선정하였다. 동시에 설치된 자 외선등으로부터 빛이 직접 도달하는 직선거리에 있 는 지점과 각을 이루며 분산되어 도달하는 지점으로 나누어 선정하였다. 분산되어 도달하는 지점은 직선 으로 도달하는 지점으로부터 1 m 떨어진 지점으로 선 정하였다.
2.3 실험실 내 자외선 조사
앞서 연구에서 조사한 과수화상병균과의 비교를 위 해서 동일한 자외선등을 사용하였다(Kang et al., 2023). GL20 20 W 자외선(UV-C) 살균 램프(580 mm × 33 mm)(Sankyo Denki Co., Ltd., Kanagawa, Japan)는 생 물안전작업대(KD-CB146, 광동산업(주), 안성)에 설 치된 것을 사용하고 실험실 천정에는 G30T8 30 W 자 외선(UV-C) 살균 램프(893 mm × 25.5 mm)(Sankyo Denki Co., Ltd., Kanagawa, Japan)를 설치하여 사용하 였다. 생물안전작업대에 설치된 자외선등과 내부 작 업표면과의 거리 및 생물안전실험실의 바닥과 실험 대 표면 간의 높이, 실험대 표면과 선반 표면 사이의 높이, 선반 표면에서 천정에 설치된 자외선등까지의 높이는 앞서 실험에서 제시하였다(Kang et al., 2023).
자외선의 살균 효과 조사는 1.71 × 108 CFU/ml 농도 의 가지검은마름병균 현탁액을 페트리 접시에 있는 PDA 배지에 점적 접종 후 2.2 항에서 선정한 각 지점 에 페트리 접시 뚜껑을 제거 후 놓고 수행하였다. 각 지점의 효과 조사는 3반복으로 배치하여 수행하였다. 자외선등 조사 시간은 10분, 30분, 1시간, 2시간, 3시 간씩 각각 처리하였다. 자외선이 처리된 PDA 배지는 페트리 접시 뚜껑을 덮고 28°C 배양기에서 2일간 배 양하였다. 배양 후 각 배지에서 살아남은 세균 집락 을 멸균수로 수확하여 연속 희석한 후 각 희석 배수 에서 마이크로파이펫으로 희석액 100 ml를 취하여 PDA 배지에 도말하고 28°C 항온기에서 2일간 배양시켰다. 생성된 집락을 계수하여 자외선등 조사 시간에 따라 감소한 균의 농도를 구하고 감소율을 백분율로 계산 하였다.
3. 결과 및 고찰
생물안전작업대 내 작업 표면에서 실시한 가지검 은마름병균에 대한 자외선 조사 시험 결과는 Table 1 에 제시하였다. 최소 조사 시간인 10분간 자외선 조사 시 세균의 농도가 4.13 × 102 CFU/ml로 줄어들며 그에 따른 감소율은 약 99.999%로 대부분 세균이 사멸하였 다. 30분 후부터는 100% 사멸하였다. 과수화상병균의 경우는 10분간 자외선 조사 시 약 78.506%, 2시간 조 사 후에 약 99.998%, 3시간 조사 이후부터 100% 감소 율을 보인바 가지검은마름병균은 과수화상병균 보다 생물안전작업대 내 작업표면에서 자외선 조사에 매 우 민감함을 알 수 있었다.
대부분의 미생물 취급작업이 이루어지는 실험대 벤 치의 빛이 직접 도달하는 직선 위치에서 실시한 가지 검은마름병균에 대한 자외선 조사 시험 결과 세균의 농도는 10분 후 92.257%, 30분 후 99.942%, 1시간 후 100%로 감소하였다(Table 2). 자외선 등과 작업지점까 지의 거리는 살균력에 영향을 미칠 수 있으므로 생물 안전대의 경우 73.5 cm이고 실험대 벤치의 경우 159.5 cm인바 실험대 벤치에서 100% 사멸에 걸리는 시간이 30분 더 늘어난 것은 자외선 빛의 도달 거리의 차이 에 기인한 것으로 사료된다. 한편 과수화상병균의 경 우는 실험대 벤치에서 10분 후 96.805%, 2시간 후 99.999%, 3시간 이후에는 100% 감소하였다. 이 또한 가지검은마름병균이 100% 사멸하는데 2시간 정도 일 찍 일어남을 알 수 있었다.
자외선이 직선으로 도달하는 위치로부터 1m 떨어 진 지점의 실험대 벤치에서 가지검은마름병균에 대 해 자외선등 조사 효과를 본 결과는 Table 3과 같다. 세 균의 농도는 10분 후 95.753%, 1시간 후 99.999%로 감 소하였다. 그러나 100% 감소는 3시간 이후 나타났다. Table 2의 결과와 비교할 때 100% 사멸에 1시간의 차 이가 있음을 볼 수 있다. 가지검은마름병균의 경우 자 외선이 직선 도달 위치에서 벗어난 지점에 있는 경우 살균 효과가 감소하는 것을 보여준다. 이와 반해 과 수화상병균의 경우는 직선 도달 위치와 1m 벗어난 지 점의 살균 효과가 거의 비등하였다(Kang et al., 2023). 그러나 과수화상병균의 경우 2시간 후에 99.999%로 감소하였기에 1 m 벗어난 지점에서 가지검은마름병 균이 더 자외선에 민감함을 알 수 있다. 그러나 100% 사멸하는데 걸리는 시간은 3시간 조사 후로서 과수 화상병균과 가지검은마름병균이 동일하였다. 따라서 직선으로 도달하는 위치로부터 1 m 떨어진 지점의 실 험대 벤치에서 오염이 있는 경우 완전한 사멸을 위해 서는 가지검은마름병균이나 화상병균이나 모두 3시 간은 자외선 조사가 이루어져야 함을 본 연구 결과는 시사한다.
실험대 벤치 선반에 자외선이 직선으로 도달하는 지점에서 자외선 효과를 조사한 결과 가지검은마름 병균은 10분 후 99.156%, 30분 후 99.995% 감소에 도달 하고 1시간 후 100% 사멸하였다(Table 4). 이 효과는 Table 2의 실험대 벤치에서의 효과와 비교 할 때 아주 근소하게 10분 후 약 2% 정도 더 감소하였다. 그러나 100% 사멸 도달시간은 1시간으로 같았다. 직선 도달 위치와 1 m 벗어난 지점의 실험대 벤치 선반의 경우 는 10분 후 97.818%, 1시간 후 99.140%, 2시간 후 99.999%로 감소하였다. 그러나 100% 감소는 3시간 이 후 나타났다(Table 5). 이 결과는 가지검은마름병균의 오염이 실험대 벤치 선반에 있는 경우 자외선이 직선 으로 도달하는 위치보다 1 m 떨어진 지점에서 자외 선에 덜 민감함을 보여준다. 이는 Table 2와 3의 실험 대 벤치에서의 결과와 유사하다. 과수화상병균의 경 우는 수치상으로 직선상의 지점보다 1 m 떨어진 지 점에서 아주 약간 감소율이 높았으나 전체적인 효율 로 보았을 때는 거의 유사하였다(Kang et al., 2023). 그 리고 실험대 벤치와 실험대 벤치의 선반 표면에서의 감소율은 초기시간대에 약간의 차이가 있으나 시간 이 지날수록 감소율은 거의 비슷해져 가는 성향으로 서 가지검은마름병균과 차이가 있었다.
실험대 바닥에 가지검은마름병균이 오염될 경우 직 선으로 도달하는 지점에서 자외선등 조사가 보여주 는 살균 효과 조사 결과는 Table 6과 같다. 세균의 농 도는 10분 후 97.207%, 30분 후 99.622%, 1시간 후 99.999% 감소하였고 2시간 후 100% 사멸하였다. 놀랍 게도 천정의 자외선등에서 바닥 표면까지의 거리가 239.5 cm 됨에도 불구하고 30분 후면 99.622% 감소하 였다. 직선 도달 위치에서 1 m 벗어난 지점에의 실험 실 바닥에서 세균 농도는 10분 후 90.481%, 30분 후 98.004%, 1시간 후 99.999% 감소하였고 역시 2시간 후 100% 사멸하였다(Table 7). 직선 지점에 비해서 10분, 30 분 등 초기 시간에는 조금 더 감소하였지만 1시간 이 후부터는 유사하였다. 과수화상병의 경우 자외선 직 선 도달 위치와 1 m 벗어나 도달하는 위치는 모두 2 시간 후에야 99.999%로 감소하였고 3시간 후에 사멸 하였기에 가지검은마름병균 보다 사멸에 1시간 더 걸 리는 차이가 있었다(Kang et al., 2023).
4. 결 론
보통 유해한 미생물을 다루는 생물안전 2등급 실험 실에서 특히 에어로졸 접종 시험의 경우 균이 부유하 다 침전할 경우 실험대 표면은 물론 선반, 바닥에 오 염이 불가피하다. 넓은 실험실 공간을 화학 약제로 처 리하기에는 가스성 약제를 제외하고는 적용하기에 한계가 있다. 가스성 약제는 배기의 문제와 잔류의 문 제로 인해 연구자에게 위해를 줄 수 있어서 사실 적 용하기가 쉽지 않은 현실이다. 이에 반해 자외선등은 빛이 도달하는 위치에 존재하는 세균을 살균할 수 있 어서 생물안전작업대를 비롯하여 사용 범위가 넓다 (Burgener, 2006). 특히 위험도가 높은 병원체의 소독 에는 필수로 여겨진다(Meechan and Willson, 2006). 실 험실에 일반적으로 사용되는 자외선등(UV-C)의 살 균 효과는 자외선 방사 조도(W/cm2)와 노출 시간을 곱한 자외선량에 따라 달라진다(Sameh, 2011). 이에 따 라 환경위해 질병 위험도가 높은 식물병원 세균을 연 구하면서 취급하는 과정에서 흔히 일어날 가능성이 있는 세균 오염 지점을 모사하고 자외선 조사 시간에 따른 살균 효과를 파악하는 것은 실험실 안전관리를 중요한 자료이다.
본 연구에서는 가지검은마름병균에 대해 생물안전 작업대를 비롯해서 생물안전실험실의 실험대 벤치, 실험대 벤치의 선반, 실험실 바닥에 대해 자외선이 직 선으로 도달하는 위치와 직선 도달 위치에서 1 m 떨 어진 거리의 위치에서 10분, 30분, 1시간, 2시간, 3시 간씩 자외선을 조사하여 살균 효과를 자료를 도출하 였다. 자외선 조사 시간의 경과에 따라 살균 효과는 증가하였다. 실험실에서 자외선이 직선으로 도달하 는 위치와 직선 도달 위치에서 1 m 떨어진 거리에서 살균 효과 차이는 실험대 벤치, 실험대 벤치의 선반 에서 뚜렷하였다. 전체적으로 각 실험 지점과 자외선 등 사이의 거리에 따라 살균 효과가 달랐으며 또한 자 외선 조사 시간에 따라 차이가 있었다. 직선상에서 조 사될 시 30분부터는 99% 이상의 감소율을 나타내었 다. 그리고 3시간 이상 자외선 조사 시에는 모두 100% 사멸하였다. 보고된 과수화상병균에 대한 자외선 조 사 효과(Kang et al., 2023)와 비교하였을 때 대체로 모 든 처리 조건에서 가지검은마름병균이 더 자외선에 민감하였다. 이는 자외선(UV-C) 처리의 살균 효과가 세균 종류에 따라 다를 수도 있음을 보여준다. 그러 나 실험실의 어느 한 지점이라도 남기지 않고 100% 사멸 효과를 가져오기 위해서는 3시간 이상 자외선 조사를 해야 하는 점에서는 과수화상병균과 같았다.
본 연구 결과는 자외선등을 효과적으로 생물안전 연구실에서 이용하는데 초기 정보로서 유용할 것으 로 기대된다. 고위험 병원체 연구시설 실험실의 안전 관리를 위한 사용 효과를 극대화하기 위해서는 실험 실 현장 조건에 맞춘 다각적인 살균 효과 평가 연구 가 선행되어야 할 것이다.