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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.35 No.6 pp.489-496
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2021.35.6.489

Kinetic analysis of E. coli disinfection using UV-LED

Kyeong-Rae Kim, In-Soung Chang*
Department of Environmental Engineering, Hoseo University
* Corresponding author: In-Soung Chang (E-mail: cis@hoseo.edu)

16/11/2021 09/12/2021 10/12/2021

Abstract


Water disinfection using UV-LED(Light emitting diode) has many advantages, such as smaller footprint and power consumption as well as relatively longer lifespan than those of conventional mercury-UV lamps. Moreover, UV-LED disinfection is considered an environmentally benign process due to its mercury-free nature. In this study, disinfection using an LED module emitting 275nm UV was carried out. 384 UV-LEDs were put into a cylinder tube with a capacity of 1.7 liters. The UV intensity of the UV-LED module was controlled from 1.7 to 8.4 mW/cm2. The disinfection efficiency for the model microorganism solutions(E. coli ) was monitored. As the UV intensity(I) and contact time(t) varied, inactivation of the microorganisms from 2 to 4-log-removals(i.e., 99 to 99.99% of disinfection efficiency) was achieved. Disinfection using UV-LED was followed to 1st order reaction and the reaction rate constant, k was determined. In addition, the relationship between UV intensity(I) and contact time(t) in order to obtain 99.99% of disinfection efficiency was modeled: I1.2t= 460, which indicates that the product of UV intensity and contact time requiring 4-log-removals is always constant.



LED 광원 UV에 의한 대장균(E. coli ) 소독의 속도론 해석

김 경래, 장 인성*
호서대학교 환경공학과

초록


    1. 서 론

    수처리를 위한 소독에는 염소 및 오존을 이용하는 화학적 방법과 자외선 또는 고전압 임펄스를 사용한 물리적 방법으로 구분할 수 있다. 염소 소독은 우수한 잔류성 및 경제성으로 인해 공공용수의 소독에 널리 사용되고 있다. 그러나 염소 소독은 트리할로메탄 (trihalomehanes), 할로아세트산(haloacetic acids)과 같은 독성 소독 부산물을 생성할 수 있다 (Sun et al., 2009;Liu and Zhang, 2014). 오존은 강력한 산화력으로 소독 효율이 높으며 유기물질도 쉽게 산화시킬 수 있는 장 점이 있으나, 브롬산염(bromate)과 같은 발암성 소독 부산물이 생성될 가능성이 있다. 따라서 염소나 오존 을 이용한 화학적 소독은 독성 및 발암성을 가진 소 독 부산물의 잠재적 생성에 항상 촉각을 곤두세워야 하는 문제점이 있다.

    한편, 자외선(UV)에 의한 소독은 간편한 조사(irradiation) 만으로 미생물을 효율적으로 제어할 수 있다. 특히, 화학약품을 사용하지 않기 때문에 소독 부산물을 생 성하지 않는 장점이 있다 (Mori et al., 2007;Park et al., 2013;Song et al., 2016;Liu et al., 2019). 최근에는 화학약품의 생산, 이송, 저장 및 사용, 각 취급 단계에 서 안전 및 보건에 관한 규제가 강화되고 있어서 화 학약품을 사용하지 않는 공정의 구성이 큰 장점으로 인식되고 있다.

    그러나 자외선 광원으로 광범위하게 사용되는 램프 는 수은을 함유하고 있어 폐기 시 환경에 유해한 영 향을 주며, 짧은 수명과 소형화 및 경량화에 어려움이 있다 (Li et al., 2019;Kim et al., 2020). 최근 수은 UV 램프를 LED(Light-emitting diode) 램프로 대체한 UV-LED 소독에 관한 관심이 증가하고 있다 (Wurtele et al., 2011;Li et al., 2017). LED는 수은 램프와 비교해 에 너지 소비 및 유지 보수 비용이 적으며 오존 방출이 없다. 또한, 긴 수명 및 소형화와 휴대성이 편리하다 는 장점이 있다 (Vilhunen et al., 2009;Zhang et al., 2014;Matafonova and Batoev, 2018). 따라서 여러 가지 장점을 가진 UV-LED를 소독에 활용하는 연구개발 및 실용화가 활발히 진행되고 있다.

    그러나 UV-LED를 이용한 소독 공정을 설계하기 위해 반드시 필요한 속도론적 분석(kinetic analysis)에 관한 연구는 미흡한 편이다. 수은 램프를 이용한 소독 과 UV-LED를 이용한 소독 속도론이 크게 다를 것으 로 판단되지는 않는다. 그러나 UV-LED 소독 공정을 구성하기 위해 필요한 UV 조사강도와 접촉시간에 따 른 소독효율의 정량적 해석에 관한 연구는 활발히 보 고되지 않고 있다.

    따라서 본 연구에서는 UV-C 영역의 275 nm 파장을 발광하는 UV-LED 소독 장치를 제작하여 대장균(E. coli)을 소독하면서 UV-LED의 중요한 운전 인자인 자 외선 조사강도(UV intensity)의 크기와 접촉시간(contact time)이 미생물 소독에 미치는 영향을 파악하고 이를 정량화하고 수식화하는 모델링을 수행하였다.

    2. 실험 장치 및 방법

    2.1 소독대상 미생물

    UV-LED 장치의 소독효과를 알아보기 위해서 소독 대상 미생물로 대장균(Escherichia coli, ATCC8739)을 선정하여 사용했다. 대장균은 한국 미생물 보존센터 (KCCM)에서 동결건조 앰플을 구매하여 종균으로 사 용하였다. 초순수 1 L와 nutrient broth(BD Difco, USA) 8 g을 혼합한 액체배지에 균을 접종하였다. 배지는 멸 균기에서 121℃에서 15분간 멸균시킨 후 사용했으며, 접종된 배지는 정온 배양기(ThermoStable IG-105, Daihan, Korea)에서 37℃, 24시간 동안 배양하였다. 대 장균은 정기적으로 계대 배양하여 보존하며 실험할 때마다 적당한 농도로 희석하여 사용하였다.

    2.2 미생물 균체 수 측정

    UV-LED 소독 장치를 인가해 준 시료를 채취하여 희 석용액(0.85%-NaCl)에 희석한 뒤 compact dry EC(Compact Dry, Nissui Pharmaceutical Co., Ltd., Japan) 에 1 ml씩 분취하였다. 희석용액은 1 L 조제를 기준으 로 NaCl(99%, Samchun, Korea) 8.5 g을 증류수 1 L에 녹여 만든 용액이며, compact dry는 대장균을 간편하 게 배양하여 계수할 수 있도록 만들어진 건조배지로 써 검출한계는 1~300 CFU/plate이다. 총 4개의 판 (plate)이 한 세트로 구성되어 있어서 4세트의 평균값 으로 균체 수를 정량하였다.

    2.3 UV-LED 소독 장치

    본 연구에 사용된 UV-LED 소독 장치는 1.7 L의 용 량을 갖는 모듈 내부에 총 384개의 UV-LED를 삽입하 여 제작하였다. 96개의 UV-LED를 직각기둥 4개 면에 각각 부착하고 이를 원통형 석영으로 감싸서 물의 직 접적 접촉을 막도록 제작하였다. 석영 원통 관의 내경 은 46 mm이고 높이는 510 mm로 제작하였다. 반응기 덮개는 스테인리스 스틸(SUS303) 재질로 내경은 74 mm, 높이는 551 mm로 제작하였다 (Fig. 1).

    UV-LED의 전류를 증감하여가며 UV 조사강도를 조 절하였다. LED 칩 1개당 10∼50 mA의 전류값을 갖도록 설계하였다. 본 연구에서는 자외선 조사강도(I)를 1.7, 5.1, 8.4 mW/cm2로 변화시키며 소독 실험을 수행하였다. UV-LED 모듈의 세부 사양을 Table 1에 요약하였다.

    본 연구에서는 소독 속도에 관한 자료를 얻기 위하 여 회분식으로 소독 실험을 수행하였다. 즉, UV-LED 모듈로 이송된 대장균 용액이 계속 순환하며 소독되 는 구조를 택하였다. 배양된 대장균 용액을 담은 용기에 연동펌프(Masterflex L/S 7523-70, Cole-Parmer, USA)를 연결하여 제작된 UV-LED 모듈로 이송하고, 다시 용기 로 순환되도록 시스템을 구성하였다 (Fig. 2).

    자외선 조사강도가 다른 조건에서 접촉시간 0, 3, 10, 20, 35, 60, 90분에서 시료를 채취하여 소독 자료 를 취득하였다. 상세한 소독 조건을 Table 2에 제시하 였다.

    2.4 미생물 소독의 속도론 해석

    UV-LED 소독 공정의 중요한 운전 인자는 UV 조사 강도(I)와 접촉시간(t)이다. UV-LED 조사를 통해 감소 하는 미생물 균체수를 속도론 관점에서 해석하여, 특 정한 소독효율을 얻는 데 필요한 조사강도와 접촉시 간의 관계식을 얻고자 하였다. 미생물 균체수가 감소 하는 속도(=dNt/dt)를 Chick-Waston의 1차 모델(Hijnen et al., 2006)로 놓으면 식 (1)을 얻는다.

    d N t d t = k · N t
    (1)

    미생물 균체수 감소 속도에 영향을 미치는 조사강 도(I)에 의한 영향을 고려하기 위해 임시반응 속도상 수, k’는 다음 식 (2)와 같이 반응속도상수 k와 In에 비 례하는 것으로 식을 바꿀 수 있다.

    k = k · I n
    (2)

    • k’: Temporary reaction rate constant (min-1)

    • k: Reaction rate constant (min-1)

    • I: UV intensity (mW/cm2)

    • n: Constant related with the UV intensity

    식 (2)를 식 (1)에 대입하면 식 (3)을 얻는다.

    d N t d t = k · I n · N t
    (3)

    식 (3)에서 접촉시간을 0∼t, 미생물 개체수는 N0∼ Nt로 적분하여 정리하면 식 (6)을 얻을 수 있다. 여기 서 N0는 접촉시간이 0일 때의 개체수이다.

    1 N t d N t = k · I n · d t
    (4)

    N 0 N t 1 N t · d N t = k · I n 0 t d t
    (5)

    ln N t N 0 = k · I n · t
    (6)

    • N0 : Initial number of microorganisms (CFU/ml)

    • Nt : Number of microorganisms at contact time t (CFU/ml)

    식 (6)의 양변에 자연로그, ln을 취하고 조사강도, I 에 관한 식으로 정리하면 식 (7)를 얻는다.

    ln I = 1 n ln t + 1 n ln [ 1 k ( ln N t N 0 ) ]
    (7)

    식 (7)의 좌변 즉, ln(I)를 y축으로 놓고, x축은 ln(t) 로 하여 실험자료를 그래프에 도시하여 직선을 얻는 다면 직선의 기울기와 y-절편값을 읽음으로써 상수 n 과 k를 구할 수 있다. 즉, 직선의 기울기는 –1/n이고 y- 절편값은 1 n ln[ 1 k (-ln N t N 0 )] 이다. 이렇게 얻어진 n과 k 및 감소한 개체수 정보, ln N t N 0 를 식 (6)에 대입하여 정 리하면 식 (8)을 얻는다.

    I n · t = c o n s t a n t
    (8)

    식 (8)은 일정한 소독효율 ( N t N 0 )을 얻기 위해 필요한 UV 조사강도(I)의 n승과 접촉시간(t)의 곱은 항상 일 정함을 의미한다. 이 식을 이용하면 일정 소독효율을 얻기위해 필요한 조사강도와 접촉시간 사이의 연관성 을 쉽게 파악할 수 있다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 대장균 초기 균체량에 따른 사멸률 변화

    UV 조사강도를 1.7, 5.1, 8.4 mW/cm2로 변화시키며 수행한 소독 결과를 Fig. 3에 제시하였다. 조사강도를 1.7 mW/cm2로 고정하고 초기균체량이 5.36×106과 6.98×106 CFU/ml인 경우에 접촉시간 90분에서 각각 99.87과 99.85의 사멸률을 보였다 (Fig. 3a).

    UV 조사강도를 5.1 mW/cm2로 증가시킨 후, 초기균 체량이 101∼106 CFU/ml일 때 90분의 접촉시간 후에 는 모두 99% 이상의 사멸률을 보였다 (Fig. 3b). 초기 균체량이 4.4×101, 8.5×102 CFU/ml로 매우 낮은 경우 에는 접촉시간 10분 내에 대장균이 모두 사멸하여 이 후에는 대장균이 검출되지 않았다. 초기균체량이 각 각 5.38×104, 1.94×105, 3.04×106 CFU/ml로 비교적 높은 경우에 사멸률 99%(2-log removal)에 도달하는 시간은 각각 15분, 18분, 62분이었다. 즉, 초기균체량이 적을 수록 99% 이상 의 사멸률에 도달하는 데 걸리는 시간 이 단축되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 초기균체량 이 높은 경우에 2-log 이상의 사멸률을 보기 위해서는 UV-LED의 조사강도의 크기가 중요한 변수로 적용할 것으로 판단된다.

    조사강도를 8.4 mW/cm2으로 높인 경우(Fig. 3c) 초 기균체량 102∼106 CFU/ml의 범위에서 접촉시간 35 분 이후에는 모두 99% 이상의 사멸률을 보였다. 앞 선 실험 결과와 마찬가지로 초기균체량이 높을수록 사멸 속도가 지연됨을 알 수 있다. 또한, 사멸률이 2-log(99%) 이상 도달하는 데 걸리는 시간은 5.1 mW/cm2일 때보다 단축되는 것을 확인할 수 있다. 즉, UV-LED의 중요한 운전인자인 조사강도(I)와 접촉시 간(t)과 더불어 초기균체량이 중요한 변수로 작용함 을 알 수 있다.

    3.2 UV-LED 소독의 반응차수 해석

    전통적인 염소 소독 이론에 의하면 미생물 사멸은 1차 반응을 따르는 것으로 알려져 있다 (Rennecker et al., 1999;Son et al., 2005). Fig. 3의 소독 자료를 이용 하여 본 연구의 UV-LED 소독 장치를 활용한 소독의 반응차수를 살펴보았다. 조사강도 5.1 mW/cm2로 하여 초기균체량, 5.38×104 CFU/ml인 대장균을 90분 소독 하였을 때의 자료를 이용하여 미분법과 적분법 두 가 지 방법으로 반응차수를 결정하는 작업(Tchobanoglous and Schroeder, 1985)을 수행하였다.

    우선 미분법을 이용하여 반응차수를 결정하였다. 식 (9)와 같이 임의시간, t1과 t2에서의 균체수 (N1과 N2)와 균체수변화율 ( d N 1 d t d N 2 d t )을 각각 계산하여 대입하면 반응차수 n을 구할 수 있다.

    n = log ( d [ N 1 ] / d t ) log ( d [ N 2 ] / d t ) log [ N 1 ] log [ N 2 ]
    (9)

    임의의 시간, t1과 t2를 각각 10분과 35분으로 설정 허고 식 (9)에 대입하여 계산하면 n은 1.1로 나타났다 (식 10). 즉, UV-LED 장치에 의한 소독은 1차반응과 유사하게 거동함을 확인할 수 있다.

    n = log ( 7 × 10 3 ) log ( 1.95 × 10 3 ) log [ 2.6 × 10 4 ] log [ 3.5 × 10 3 ] = 1.1
    (10)

    적분법을 사용하여 반응차수를 재확인하였다. Fig. 3의 소독 자료를 활용하여 Fig. 4를 도시하였다. Fig. 4(a)는 0차 반응을 가정하여 x축은 접촉시간, y축은 No-Nt로 놓고 소독 자료를 정리하였고, Fig. 4(b)는 1차 반응을 가정하여 x축은 접촉시간, y축은 JKSWW-35-6-489_I1.gif 로 자 료를 정리하였다. Fig. 4(c)는 2차 반응을 가정하고 x 축은 접촉시간, y축은 1 N t 1 N o 로 자료를 정리하였다.

    Fig. 4(b)의 1차 반응을 가정한 자료가 직선에 가장 가까운 형태를 보였다 (r2 = 0.95). 따라서 UV-LED 소 독 장치의 미생물 사멸은 1차 반응으로 간주할 수 있 다. Fig. 4(b)의 직선의 기울기가 반응속도 상수, k가 되며 그 값은 k = 0.042 min-1 로 계산되었다.

    3.3 자외선 조사강도(I)와 접촉시간(t)에 따른 소독 인 자 모델링

    UV-LED 조사과정에서 중요한 변수인 조사강도(I) 와 접촉시간(t)이 소독 속도에 미치는 영향을 정량화 하기 위해 조사강도에 따른 미생물 사멸자료를 정리 하여 Fig. 5에 도시하였다. 서로 다른 세 개의 조사강 도 조건에서 미생물 사멸률(Nt/N0)이 99.99%. 즉 4-log removal이 되는 지점에서 x축에 수직으로 선을 긋고 만나는 지점의 접촉시간 자료를 얻어서 Table 3에 정 리하였다.

    Table 3의 자료를 토대로 ln(I) vs. ln(t) 플롯하면 Fig. 6을 얻는다. 직선의 추세식은 y = 178x- 0.832을 갖 는다. 양변에 로그를 씌워 정리하면 식 (11)과 같다.

    ln y = 0.832 ln x + ln 178
    (11)

    식 (11)은 식 (7), ln I = 1 n ln t + 1 n ln [ 1 k ( ln N t N 0 ) ] 과 같은 식이기 때문에 식 (12)와 같이 n을 구할 수 있다.

    JKSWW-35-6-489_I2.gif

    1 n = 0.832 , n = 1.2
    (12)

    또한, 식 (7)의 1 n ln[ 1 k (-ln N t N 0 )]=ln178 이다. 이때 식 (7)의 ln(Nt/N0)는 99.99% 사멸이므로 ln N t N 0 = ln 1 10 , 000 = ln0.0001 이다.

    ln 178 = 1 n ln [ 1 k ( ln N t N 0 ) ] n ( ln 178 ) = ln[ 1 k (-ln 0.0001 )] 1.2 ( 5.18 ) = ln 1 k ( 9.21 )
    (13)

    식 (13)의 양변에 밑이 e인 지수를 취하면 식 (14)와 같이 k를 구할 수 있다.

    e 6.2 = 1 k ( 9.21 ) , k = 0.02
    (14)

    이렇게 얻은 n과 k를 식 (7), ln I = 1 n ln t + 1 n ln [ 1 k ( ln N t N 0 ) ] 에 대입하여 정리하면 식 (15)를 얻는다.

    ln I = 1 n ln t + 1 n ln [ 1 k ( ln N t N 0 ) ] n l n I + ln t = ln [ 1 k ( ln N t N 0 ) ] 1.2 ln I + ln t = ln[ 1 0.02 (-ln 0.0001 )] 1.2 ln I + ln t = 6.13 ln ( I 1.2 · t ) = 6.13 I 1.2 · t = 460
    (15)

    식 (15)의 의미는 UV-LED의 소독에 따른 미생물 개 체수(Nt)가 99.99% 감소할 때 필요한 접촉시간(t)와 조 사강도(I) 사이의 상관관계이다. 즉, 조사강도(I)의 n승 과 접촉시간(t)의 곱은 항상 일정(constant)함을 표현하 고 있다. 마치 전통적인 염소소독에서 염소농도(C)의 n 승과 접촉시간(t)의 곱은 항상 일정하다는 Chick-Watson 식, C nt = constant과 같은 모양임을 알 수 있다. Barhmi et al. (2010)은 UV를 이용한 2차처리수의 소독 에서 부유물질의 농도가 소독효율에 미치는 영향을 연 구한 논문에서 얻은 속도식, ln(N/N0) = ln(0.003) - 0.0229(It)을 보고한 바 있다. 이 식의 ln(N/N0)값을 대입 하고 상수를 정리하면 식 (15)와 같이 정리될 수 있다. 물론 소독대상 물질과 온도 등이 다르므로, 본 연구에서 얻은 상수값과 다른 것은 당연하다.

    또한, n의 값은 일반적인 소독공정에서는 소독제의 주입농도와 접촉시간의 중요도를 판단하는 지표로 사 용된다. 만약 n>1이면 염소 농도가 접촉시간보다 중 요하고, n<1이면 접촉시간이 염소 농도보다 미치는 영향이 큼을 의미한다. 본 연구에서는 조사강도(I)의 세기가 소독제 염소 농도(C)를 대신하고 있다. 따라서 위에서 구한 n 값이 1보다 크기 때문에 조사강도의 세기가 접촉시간보다 미생물 사멸률에 미치는 영향이 큼을 의미하고 있다.

    위 모델식을 이용하여 초기균체량 106 CFU/ml에서 의 조사강도와 접촉시간이 미생물 농도 감소에 미치 는 영향을 입체적으로 볼 수 있도록 그래프로 나타내 었다 (Fig. 7). x축은 접촉시간, y축은 조사강도이고 z축 은 미생물 개체수의 감소 ( N t N 0 )를 %로 나타내었다. 즉, 초기균체량 106 CUF/ml에서 UV-LED의 중요한 운 전 인자인 조사강도(I)와 접촉시간(t)이 증가할수록 미 생물 농도가 감소하는 경향을 입체적으로 볼 수 있도 록 그려진 것이다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 UV-LED 소독 장치를 활용하여 미 생물 농도 감소에 미치는 영향을 파악하고 이를 수식 화하였다. 특히, UV-LED 소독 장치를 운영하는데 중 요한 운전변수인 자외선 조사강도(I)와 접촉시간(t)의 영향을 정량적으로 살펴보았으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 초기 균체량이 106 CFU/ml일 때 사멸률이 2-log 이상 도달하기 위해서는 조사강도 1.7 mW/cm2에서는 90분, 5.1 mW/cm2에서는 60분, 8.4 mW/cm2에서는 35 분이 소요되었다. 즉, UV-LED의 조사강도가 증가할 수록 99% 이상의 충분한 사멸을 얻는 데 필요한 접촉 시간이 단축됨을 정량적으로 확인하였다.

    • 2) UV-LED에 의한 대장균 사멸률이 99% 이상이 되는데 필요로 하는 접촉시간은 초기 균체량이 적을 수록 단축됨을 확인하였다.

    • 3) 미생물 농도를 감소시키기 위해 요구되는 UV-LED의 조사강도(I)와 접촉시간(t) 사이의 상관 관 계식을 도출하였다. 미생물의 초기균체량 106 CFU/ml 에서 I1.2t = 460이었다. 이 식의 의미는 UV-LED의 소독으로 미생물 개체수(Nt)가 99.99% 감소할 때 요구 되는 접촉시간(t)과 조사강도(I)의 상관관계이다. 즉, 조사강도(I)의 n승과 접촉시간(t)의 곱은 항상 일정하 다는 것이다. 일정 사멸률을 얻기 위해서 접촉시간이 증가하면 그만큼 조사강도를 감소시켜도 되며, 반대 로 조사강도가 증가하면 그만큼 접촉시간을 감소시켜 도 됨을 정량적으로 표현하고 있다.

    사 사

    본 연구는 중소벤처기업부의 연구비 지원으로 수행 되었습니다(과제번호: S2712599).

    Figure

    JKSWW-35-6-489_F1.gif

    Schematic of water-flow in the UV-LED module (a) and the photograph of the quartz cylinder protecting the UV-LED chips (b).

    JKSWW-35-6-489_F2.gif

    Schematic of the batch-type UV-LED disinfection system.

    JKSWW-35-6-489_F3.gif

    Plots of inactivation as a function of contact time under different irradiation intensity of UV-LED: (a) 1.7 mW/cm2, (b) 5.1 mW/cm2, (c) 8.4 mW/cm2.

    JKSWW-35-6-489_F4.gif

    Determination of reaction order of the disinfection using UV-LED with intensity of 29.6 μW/cm2. (a) zero order, (b) 1st order, (c) 2nd order.

    JKSWW-35-6-489_F5.gif

    Determination of the contact times needed to obtain 4-log removal (=99.99% inactivation) under different UV intensity.

    JKSWW-35-6-489_F6.gif

    Plot of UV intensity(I) vs. contact time(t) needed to obtain 4 log removal.

    JKSWW-35-6-489_F7.gif

    A 3D plot showing how to affect the UV intensity(I) and contact time(t) on the inactivation(NtN0).

    Table

    Specification of the UV-LED disinfection module

    Experimental conditions of batch type disinfection using the UV-LED module

    The pairs of UV intensity(I) and contact time(t) needed to obtain 4-log removal: the initial number of E. coli = 106 CFU/ml

    References

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