Effect of Light Cycle (Light:Dark) on the Biomass and Gene Expression of Arthrospira (Spirulina) platensis KMMCC CY-007 : 명·암반응 주기에 따른 Arthrospira (Spirulina) platensis의 바이오매스와 유전자 발현 변화에 대한 연구원문보기
증가하는 인구와 산업화, 에너지의 고갈로 인해 새로운 에너지원에 대한 필요성이 증대되고 있다. 가장 경쟁력이 있는 대체 에너지원은 바이오 에너지이며, 그 중에서 미세조류(microalgae)가 석유를 대신할 가장 좋은 대안으로 주목 받고 있다. 미세조류(microalgae) 배양 기술의 이점은 다른 경작물들에 비해 빨리 자라고, 바이오 디젤과 같은 부산물 생산과 이산화 탄소 저감 및 폐수 정수 시스템과 같은 ...
증가하는 인구와 산업화, 에너지의 고갈로 인해 새로운 에너지원에 대한 필요성이 증대되고 있다. 가장 경쟁력이 있는 대체 에너지원은 바이오 에너지이며, 그 중에서 미세조류(microalgae)가 석유를 대신할 가장 좋은 대안으로 주목 받고 있다. 미세조류(microalgae) 배양 기술의 이점은 다른 경작물들에 비해 빨리 자라고, 바이오 디젤과 같은 부산물 생산과 이산화 탄소 저감 및 폐수 정수 시스템과 같은 친환경 기술을 함께 이용할 수 있어 매우 경제적이고 친환경적이라는 것이다. 미세조류는 바이오디젤, 영양보조식품이나 동물사료, 여러 화학물질과 화장품, 약과 같은 고부가 가치 산물을 생산 할 수 있다. 이러한 미세조류(microalgae)를 대량으로 배양하여 부산물을 생산하거나 친환경적인 기술을 활용하기 위해서는 목적에 부합하는 균주를 선정하는 일이 매우 중요하다. 특히, 세포의 성장성은 매우 중요한 기준이다. 세포의 성장과 바이오매스에 영향을 가장 많이 미치는 조건은 빛과 탄소 에너지원이다. 미세조류(microalgae)는 광합성 미생물로서 빛을 이용하여 ATP, NADPH와 같은 탄소를 고정하는데 필요한 세포 내 에너지 원을 생산하고 이를 이용하여 탄소를 고정하기 때문에 빛과 탄소에너지원의 공급이 중요하다. 따라서, 미세조류(microalgae)연구에 있어서 명반응, 암반응 주기인 light cycle과 탄소 동화율을 향상 시킬 수 있는 이산화탄소 bubble size에 대한 연구는 매우 필수적이다. 이 연구의 첫 번째 단계는 연구에 적합한 균주를 선정하는 것이다. 녹조류 (green algae)와 착편모조류 (Haptophytes), 남세균 (cyanobacteria)을 chlorophyll a로 성장을 비교하였고, 지방함량과 광합성에 필요한 주요한 구성기관의 유전자 발현 정도를 비교하여 Arthrospira (Spirulina) platensis KMMCC CY-007 를 선정하였다. 균주 선정 후, 명반응과 암반응의 시간을 조절함에 따라 세포의 성장과 바이오매스, 지방함량과 유전자 발현 정도를 비교하였고 이산화탄소 bubble size의 영향에 대해서도 실험을 진행하였다. 실험은 명반응:암반응(시간) 6:18, 12:12, 16:8, 24:0으로 30 ℃, 빛 40 μmol m-2 s-1 에서 진행되었고, 이산화 탄소 1% 을 0.5L/min 을 주입해 7일 동안 실험하였다. 빛의 길이가 길어질 수록 morphological 길이와, pH, 바이오매스가 증가하였지만 16:8, 24:0의 바이오매스는 큰 차이를 보이지 않았다. 16:8이 7일째28%, 281.62mg으로 가장 지방함량이 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 빛의 길이에 따라 지방산 메틸에스테르의 조성 변화가 크지 않았지만 16:8, 24:0 에서 long chain 지방산 메틸에스테르의 비율이 소폭 늘어났고 이는 바이오디젤을 생산할 때 안정성이 증가된다는 것을 시사한다. 광합성의 주요한 구성 기관인 광계 I, II (PsaC and PsbA)와 rca의 mRNA 발현은 빛의 길이에 따라 달라졌다. 16:8이 12:12 보다 더 많이 발현하였다. 실험결과를 종합하면, 16:8의 명반응:암반응 light cycle이 biofuel을 생산하는 최적화된 조건이라는 것을 알 수 있었다. Fine bubble을 이용할 때에는 18:6이 가장 최적화된 시간임을 밝혀냈다. 이 연구는 Arthrospira (Spirulina) platensis KMMCC CY-007의 높은 지질 함량과 이산화탄소 고정능을 통해 대체에너지 자원으로서의 가능성을 시사했으며, RNA level의 발현을 통해 최적화된 명•암반응의 길이 및 이산화탄소 bubble size에 대해 밝혔다.
증가하는 인구와 산업화, 에너지의 고갈로 인해 새로운 에너지원에 대한 필요성이 증대되고 있다. 가장 경쟁력이 있는 대체 에너지원은 바이오 에너지이며, 그 중에서 미세조류(microalgae)가 석유를 대신할 가장 좋은 대안으로 주목 받고 있다. 미세조류(microalgae) 배양 기술의 이점은 다른 경작물들에 비해 빨리 자라고, 바이오 디젤과 같은 부산물 생산과 이산화 탄소 저감 및 폐수 정수 시스템과 같은 친환경 기술을 함께 이용할 수 있어 매우 경제적이고 친환경적이라는 것이다. 미세조류는 바이오디젤, 영양보조식품이나 동물사료, 여러 화학물질과 화장품, 약과 같은 고부가 가치 산물을 생산 할 수 있다. 이러한 미세조류(microalgae)를 대량으로 배양하여 부산물을 생산하거나 친환경적인 기술을 활용하기 위해서는 목적에 부합하는 균주를 선정하는 일이 매우 중요하다. 특히, 세포의 성장성은 매우 중요한 기준이다. 세포의 성장과 바이오매스에 영향을 가장 많이 미치는 조건은 빛과 탄소 에너지원이다. 미세조류(microalgae)는 광합성 미생물로서 빛을 이용하여 ATP, NADPH와 같은 탄소를 고정하는데 필요한 세포 내 에너지 원을 생산하고 이를 이용하여 탄소를 고정하기 때문에 빛과 탄소에너지원의 공급이 중요하다. 따라서, 미세조류(microalgae)연구에 있어서 명반응, 암반응 주기인 light cycle과 탄소 동화율을 향상 시킬 수 있는 이산화탄소 bubble size에 대한 연구는 매우 필수적이다. 이 연구의 첫 번째 단계는 연구에 적합한 균주를 선정하는 것이다. 녹조류 (green algae)와 착편모조류 (Haptophytes), 남세균 (cyanobacteria)을 chlorophyll a로 성장을 비교하였고, 지방함량과 광합성에 필요한 주요한 구성기관의 유전자 발현 정도를 비교하여 Arthrospira (Spirulina) platensis KMMCC CY-007 를 선정하였다. 균주 선정 후, 명반응과 암반응의 시간을 조절함에 따라 세포의 성장과 바이오매스, 지방함량과 유전자 발현 정도를 비교하였고 이산화탄소 bubble size의 영향에 대해서도 실험을 진행하였다. 실험은 명반응:암반응(시간) 6:18, 12:12, 16:8, 24:0으로 30 ℃, 빛 40 μmol m-2 s-1 에서 진행되었고, 이산화 탄소 1% 을 0.5L/min 을 주입해 7일 동안 실험하였다. 빛의 길이가 길어질 수록 morphological 길이와, pH, 바이오매스가 증가하였지만 16:8, 24:0의 바이오매스는 큰 차이를 보이지 않았다. 16:8이 7일째28%, 281.62mg으로 가장 지방함량이 높아지는 것을 확인 할 수 있었다. 빛의 길이에 따라 지방산 메틸에스테르의 조성 변화가 크지 않았지만 16:8, 24:0 에서 long chain 지방산 메틸에스테르의 비율이 소폭 늘어났고 이는 바이오디젤을 생산할 때 안정성이 증가된다는 것을 시사한다. 광합성의 주요한 구성 기관인 광계 I, II (PsaC and PsbA)와 rca의 mRNA 발현은 빛의 길이에 따라 달라졌다. 16:8이 12:12 보다 더 많이 발현하였다. 실험결과를 종합하면, 16:8의 명반응:암반응 light cycle이 biofuel을 생산하는 최적화된 조건이라는 것을 알 수 있었다. Fine bubble을 이용할 때에는 18:6이 가장 최적화된 시간임을 밝혀냈다. 이 연구는 Arthrospira (Spirulina) platensis KMMCC CY-007의 높은 지질 함량과 이산화탄소 고정능을 통해 대체에너지 자원으로서의 가능성을 시사했으며, RNA level의 발현을 통해 최적화된 명•암반응의 길이 및 이산화탄소 bubble size에 대해 밝혔다.
Demand for new energy sources is increasing continuously, because of industrialization, population growth and exhaustion of energy resources. Bioenergy sources may appropriately be regarded as future alternative. Among bioenergy sources, microalgae constitute one of the best alternatives to fossil f...
Demand for new energy sources is increasing continuously, because of industrialization, population growth and exhaustion of energy resources. Bioenergy sources may appropriately be regarded as future alternative. Among bioenergy sources, microalgae constitute one of the best alternatives to fossil fuels. Microalgae are photosynthetic microorganisms that are able to rapidly generate biomass and can be used in feasible environmental applications such as wastewater and flue gas treatments. Microalgae can also be utilized for high-value end-products including transport fuels, human and animal feed supplements, industrial chemicals, cosmetics and pharmaceuticals. To utilize microalgae in environmental applications and high value products, selection of potential strain is a most important step, with cell productivity as a key factor. Cell productivity is influenced by factors such as light cycle and carbon source. Light is the major energy source for photosynthetic microorganisms. During the light reaction, light is absorbed by chlorophyll and transformed into ATP and NADPH for reduction of CO2 to organic compounds. Carbon is the major energy source for photosynthetic microorganisms during the dark reaction. Therefore, the light cycle and carbon dioxide bubble size are considered to be important factors in the productivity and yield of photosynthetic reactions. In this study, strains of green micro-algae, Haptophytes and cyanobacteria cells were compared based on chlorophyll a content. Subsequently, lipid content and gene expression were determined. Arthrospira (Spirulina) platensis KMMCC CY-007 showing fast growth and high lipid content, in addition to high level gene expression of photosynthetic components was selected. Following strain selection, the objective of the research presented in this paper was to evaluate the influence of the light:dark period as key growth conditions on the biomass, lipid content and gene expression of Arthrospira platensis KMMCC CY-007. The influence of CO2 bubble size on the cell growth was also evaluated. The effect of light cycle was evaluated at 6:18, 12:12, 16:8, and 24:0 (light:dark periods), respectively. The experiments were conducted at 30 ℃. The air was enriched with carbon dioxide at a concentration of 1 % during continuous aeration at 0.5L/min, and light intensity of 40 μmol m-2 s-1. As the light period increased, morphological length, pH and the amount of biomass were increased. The biomass of the 16:8 light:dark cycle and 24:0 was almost similar. The 16:8 light:dark cycle resulted in the highest yield of lipids 28%, 281.62mg at 7day. The fatty acid methyl ester yields (%) of the lipids accumulated in Arthrospira platensis KMMCC CY-007 showed little differences caused by light:dark cycles. But with 16:8 and 24:0 light:dark cycles, the long chain fatty acid portion was increased, suggesting that potential biodiesel storage stability will be increased. The mRNA level of major photosynthetic enzymes especially PsaC, PsbA and rca were clearly affected by the light period. Interestingly, under 16:8 light;dark cycle higher mRNA expression was detected than for the 12:12 light;dark cycle. Synthetically, 16:8 light;dark cycle is optimal cycle is optimal for biofuel production. However, using the fine bubble, 18:6 light:dark cycle was found to be more profitable for carbon dioxide fixation and biofuel production. The results from this study show that, based on the high lipid quantity of Arthrospira platensis KMMCC CY-007 and CO2 fixation rate, it could serve as a future source of energy feedstock. Also, this study showed optimal conditions of photoperiod and CO2 bubble size based on RNA expression level of Arthrospira platensis KMMCC CY-007.
Demand for new energy sources is increasing continuously, because of industrialization, population growth and exhaustion of energy resources. Bioenergy sources may appropriately be regarded as future alternative. Among bioenergy sources, microalgae constitute one of the best alternatives to fossil fuels. Microalgae are photosynthetic microorganisms that are able to rapidly generate biomass and can be used in feasible environmental applications such as wastewater and flue gas treatments. Microalgae can also be utilized for high-value end-products including transport fuels, human and animal feed supplements, industrial chemicals, cosmetics and pharmaceuticals. To utilize microalgae in environmental applications and high value products, selection of potential strain is a most important step, with cell productivity as a key factor. Cell productivity is influenced by factors such as light cycle and carbon source. Light is the major energy source for photosynthetic microorganisms. During the light reaction, light is absorbed by chlorophyll and transformed into ATP and NADPH for reduction of CO2 to organic compounds. Carbon is the major energy source for photosynthetic microorganisms during the dark reaction. Therefore, the light cycle and carbon dioxide bubble size are considered to be important factors in the productivity and yield of photosynthetic reactions. In this study, strains of green micro-algae, Haptophytes and cyanobacteria cells were compared based on chlorophyll a content. Subsequently, lipid content and gene expression were determined. Arthrospira (Spirulina) platensis KMMCC CY-007 showing fast growth and high lipid content, in addition to high level gene expression of photosynthetic components was selected. Following strain selection, the objective of the research presented in this paper was to evaluate the influence of the light:dark period as key growth conditions on the biomass, lipid content and gene expression of Arthrospira platensis KMMCC CY-007. The influence of CO2 bubble size on the cell growth was also evaluated. The effect of light cycle was evaluated at 6:18, 12:12, 16:8, and 24:0 (light:dark periods), respectively. The experiments were conducted at 30 ℃. The air was enriched with carbon dioxide at a concentration of 1 % during continuous aeration at 0.5L/min, and light intensity of 40 μmol m-2 s-1. As the light period increased, morphological length, pH and the amount of biomass were increased. The biomass of the 16:8 light:dark cycle and 24:0 was almost similar. The 16:8 light:dark cycle resulted in the highest yield of lipids 28%, 281.62mg at 7day. The fatty acid methyl ester yields (%) of the lipids accumulated in Arthrospira platensis KMMCC CY-007 showed little differences caused by light:dark cycles. But with 16:8 and 24:0 light:dark cycles, the long chain fatty acid portion was increased, suggesting that potential biodiesel storage stability will be increased. The mRNA level of major photosynthetic enzymes especially PsaC, PsbA and rca were clearly affected by the light period. Interestingly, under 16:8 light;dark cycle higher mRNA expression was detected than for the 12:12 light;dark cycle. Synthetically, 16:8 light;dark cycle is optimal cycle is optimal for biofuel production. However, using the fine bubble, 18:6 light:dark cycle was found to be more profitable for carbon dioxide fixation and biofuel production. The results from this study show that, based on the high lipid quantity of Arthrospira platensis KMMCC CY-007 and CO2 fixation rate, it could serve as a future source of energy feedstock. Also, this study showed optimal conditions of photoperiod and CO2 bubble size based on RNA expression level of Arthrospira platensis KMMCC CY-007.
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