[미국] 텍사스대 연구팀, 박테리오파지 활용 생산수서 박테리아 처리방법 발견

석유·가스 생산시 발생하는 폐수처리 새로운 수단인 박테리오파지 발견

녹농균·바실러스 메가테리움 바이러스 처리에 초점…물 학술지 『워터(Water)』에 발표

UTEP의 화학 프로그램 박사 과정 학생인 라몬 안토니오 산체스(오른쪽 )는 박테리오파지를 사용하여 '생산수'에서 박테리아를 처리하는 새로운 방법을 확인했다. [사진출처 = University of Texas at El Paso]

‘텍사스 생산수 컨소시엄(Texas Produced Water Consortium)’의 2022년 보고서에 따르면 퍼미안 분지(Permian Basin) 프래킹(fracking) 산업에서 매년 약 1천680억 갤런의 폐수 또는 생산수가 발생하고 있다. 이러한 폐기물은 물의 화학적 복잡성 때문에 처리하기가 어렵고, 처리하는 데 많은 비용이 든다.  

『워터(Water)』 저널에 발표 된 새로운 연구에 따르면, 엘 파소에 위치한 텍사스 대학( University of Texas at El Paso, UTEP)의 연구원들은 석유 및 가스 생산에 의해 발생하는 폐수를 처리하는 새로운 수단인 박테리오파지(bacteriophages)를 발견했다.

이 논문의 저자이자 UTEP의 화학 프로그램에서 박사 과정을 밟고 있는 라몬 안토니오 산체스(Ramon Antonio Sánchez)는 박페리오파지가 생산수를 신속하고, 비용 효율적으로 처리하는 방법을 자세히 설명했다. 

이 연구는 석유 및 가스산업의 생산수에서 발견되는 두 가지 중요한 박테리아인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)과 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)을 처리하는 데 초점을 둔다. 

녹농균은 스테인리스강을 부식시키는 능력을 가지고 있어 파이프라인 및 기타 금속 기반 인프라의 수명에 영향을 미치는 반면, 바실러스 메가테리움은 석유의 기초인 탄화수소를 분해할 수 있다. 

산체스와 UTEP 졸업생이자 그의 협력자 중 한 명인 자카리아 힐덴브란트(Zacariah Hildenbrand) 박사는 의료 산업의 기초에 기반해 박테리오파지를 다제내성 박테리아를 처리하는 방안으로 사용하는 것에 영감을 받았다. 

산체스는 “박테리아는 살아있는 유기체이기 때문에 시간이 지남에 따라 소독제에 내성이 생겼다”라며 “그러나 바이러스 자체인 박테리오파지는 숙주 세포 표면의 특정 수용체에 부착돼 감염시키려는 박테리아와 함께 진화하는데, 이는 박테리아에 의해 획득된 내성이 박테리오파지의 변형을 유발해 감염을 계속 유지한다는 것을 의미한다”라고 말했다. 

박테리오파지에 대한 연구팀의 실험 결과는 녹농균과 바실러스 메가테리움 모두에서 불활성화를 달성하며 효과적인 결과를 이뤘다. 

연구팀은 현재 상업적으로 이용 가능한 박테리오파지가 제한적이며, 박테리아파지는 종종 단일 종의 박테리아에 매우 특이적이기 때문에 이러한 연구의 접근법이 어렵다는 것을 인정했다. 또한 생산수에는 테스트해야 할 다른 박테리아 종이 있다.

산체스는 “연구실 결과를 현장으로 확대하기 위해 연구를 지속할 것이며, 더 많은 박테리오파지 카탈로그를 확보함으로써 생산수에서 처리할 수 있는 미생물의 수를 확장하기 위해 노력할 것”이라고 밝혔다. 

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A Virus Could Help Save Billions of Gallons of Wastewater Produced by Fracking UTEP study could lead to reusing ‘produced water’

An estimated 168 billion gallons of wastewater — or produced water — is generated annually by the Permian Basin fracking industry, according to a 2022 report by the Texas Produced Water Consortium. The major waste stream has proved both difficult and costly to treat because of the chemical complexity of the water.

In a new study published in the journal Water, researchers at The University of Texas at El Paso have identified a novel means of treating the wastewater generated by oil and gas production: bacteriophages. 

Ramón Antonio Sánchez, a doctoral candidate within UTEP’s chemistry program, is the first author on the publication, detailing how bacteriophages, viruses that are often highly specific and lethal to a single species of bacteria, can be used as a rapid and cost-effective method to treat produced water on an industrial scale.

Sánchez said if the work is successful, it would give the oil and gas industry a means of treating, reusing and recycling produced water, rather than the current industry practice of disposing the majority of produced water by injecting it into the ground post oil exploration. 

The research focuses on two of the most prominent bacteria found within produced water across the oil and gas industry — Pseudomonas aeruginosa and Bacillus megaterium. P. aeruginosa has the ability to corrode stainless steel and presents a challenge for the longevity of pipelines and other metal-based infrastructure, while B. megaterium, can decompose hydrocarbons — the basis for oil.

Sánchez, along with one of his collaborators, Zacariah Hildenbrand, Ph.D., a UTEP alum, were inspired to use bacteriophages based on their applications in the medical industry, where they are used to combat infections caused by multi-drug resistant bacteria.

“Since the bacteria are living organisms, over time they developed a resistance, in the form of a less penetrable membrane, to traditional disinfectants,” Sánchez explained. “But the bacteriophages, which are viruses themselves, attach to specific receptors on the surface of the host cell and evolve alongside the bacteria they are trying to infect, meaning that any resistance acquired by the bacteria triggers the modification of bacteriophages to keep the infection going.”

The team’s experiments with bacteriophages have been effective, achieving the inactivation of both P. aeruginosa and B. megaterium in laboratory settings. For Sánchez, who graduates this spring with his Ph.D., the work will continue in the industry where his focus will be on replicating his laboratory results out in the field. He will also try to expand the number of microorganisms that can be treated in produced water by securing a larger catalog of bacteriophages.

The team admits the approach does have its challenges. There are currently a limited amount of commercially available Bacteriophages, which is critical since bacteriophages are often highly specific to a single species of bacteria.  There are also other species of bacteria in produced water that remain to be tested.

“As UTEP’s status and research prowess nationwide continues to grow, so does its ability to attract talented students like Ramón and provide them with the opportunities to conduct meaningful work that has tangible and tremendous impact,” said Ricardo Bernal, Ph.D., an associate professor in UTEP’s Department of Chemistry and Biochemistry and Sánchez’ doctoral advisor. “I feel a great sense of pride for the work Ramón has accomplished in his time here and look forward to seeing the next step of his research and ultimately how the knowledge he creates will improve lives.”

[출처 = University of Texas at El Paso(https://www.utep.edu/newsfeed/2024/april/a-virus-could-help-save-billions-of-gallons-of-wastewater-produced-by-fracking.html) / 2024년 4월 30일]