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본 연구는 친환경 소재를 활용하여 미생물 오염을 효과적으로 완화하기 위한 새로운 효소 및 화학 반응을 연결한 연쇄적 시스템의 개발을 제시한다. 크산틴 산화효소(XO)는 크산틴의 산화를 촉매로 하여 과산화수소(H2O2)를 생성하며, 이 H2O2는 L-아르기닌과 반응하여 생화학 막 해체 특성을 가진 강력한 산화질소로 변환된다. 효소 흡착, 침전 및 가교화(EAPC)라는 방식을 통해 XO의 부착 및 안정성이 향상되었다. 이 방법은 탄소 나노튜브(CNTs)를 가교화된 효소 응집체와 함께 포집하고, 250 rpm의 흔들리는 조건에서도 초기의 활성을 유지할 수 있도록 한다. 대조군인 자유로운 상태의 XO는 4일 이내에 초기의 활성을 상실하였다. 실제 응용을 위해, XO가 고정된 CNT를 폴리도파민 코팅을 통해 미세 다공성 중공성 고분자 막 필터 표면에 부착하였으며, 이로 인한 물의 투과성 감소는 미미한 정도이다.  시설공공 하수처리시설의 방류수를 사용한 실험에서, 이 XO 기능화 막은 모델 세균인 황색포도상구균에 대해 상당히 향상된 방오 성능을 보였다. 이 획기적인 활성산소종 생성 플랫폼은 단순히 효소와 화학 반응을 연결하여 다양한 응용 분야와 미생물 처리를 위한 미생물 제거의 유망한 새로운 방법을 제시한다. 이 방법은 미생물 처리 뿐만 아니라 다양한 응용 분야에서도 유용하게 활용될 수 있다.

This research presents the development of a novel cascade system bridging enzymatic and chemical reactions to efficiently mitigate microbial contamination using eco-friendly materials. The enzyme xanthine oxidase (XO) catalyzes the oxidation of xanthine to produce hydrogen peroxide (H2O2), which further reacts with L-arginine for the production of potent nitric oxide with biofilm-dispersing properties. Both loading and stability of the XO enzyme were enhanced by an approach of enzyme adsorption, precipitation and crosslinking (EAPC), which allows the entrapment of carbon nanotubes (CNTs) with the cross-linked enzyme aggregates and maintains its initial activity even under shaking at 250 rpm. As a control, free XO lose its activity within four days. For practical application, I attach XO-immobilized CNTs to the surface of a microporous polymeric membrane filter via polydopamine coating, which shows only a slight decrease in water permeability. In tests using effluent from a municipal wastewater treatment plant, this XO-functionalized membrane displayed significantly enhanced anti-biofouling performance against the model bacterium, S. aureus. This innovative ROS generation platform, simply bridging enzyme and chemical reactions, offers a promising new method for microbial decontamination in various applications as well as waste treatment.

ABSTRACT	iv
국문 초록	vi
ACKNOWLEDMENTS	viii
TABLE OF CONTENTS	ix
LIST OF TABLES	xi
LIST OF FIGURES	xii
CHAPTER 1. INTRODUCTION	1
1.1 Effective Strategies for Sustainable Microbial Contamination Control	1
1.2 Cascade System for Microbial Decontamination	3
1.3 Enzymatic Stability and Antibiofouling for Microbial Decontamination	5
CHAPTER 2. MATERIALS AND METHODS	6
2.1 Materials	6
2.2 Assessment of Antimicrobial Activity in the Xanthine/XO/L-arginine Cascade Reaction	7
2.3 XO immobilization on intact CNTs	8
2.4 Enzymatic activity and stability of XO-immobilized CNTs	9
2.5 Membrane filtration test	10
2.6 Microscopic analysis	11
CHAPTER 3. RESULTS AND DISCUSSION	12
3.1 Antimicrobial Activity of Xanthine/XO/L-arginine Cascade	12
3.2 Stabilization of XO via nanobiocatalytic protocol	19
3.3 Antifouling Performance of XO-Functionalized Membrane	24
CHAPTER 4. CONCLUSION	31
REFERENCES	32