미세조류는 광합성을 통해 유기물을 생산하는 독립영양생물로서, 대기 중의 이산화탄소를 대량 흡수하기 때문에 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 저감하는데 매우 효과적이다. 최근 미세조류는 바이오디젤 생산을 위한 바이오매스로 주목을 받았으며, 뿐만 아니라 카로티노이드 색소, ...
미세조류는 광합성을 통해 유기물을 생산하는 독립영양생물로서, 대기 중의 이산화탄소를 대량 흡수하기 때문에 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 저감하는데 매우 효과적이다. 최근 미세조류는 바이오디젤 생산을 위한 바이오매스로 주목을 받았으며, 뿐만 아니라 카로티노이드 색소, 불포화지방산 등 다양한 유용물질을 함유하고 있어 고부가가치 산업에도 이용되고 있다. 미세조류가 서식하는 생태계에는 다양한 박테리아가 함께 공존하고 있으며, 특히 이들은 지구 탄소 순환에 중요한 역할을 하여 지구 기후에도 큰 영향을 미친다. 따라서 최근 미세조류와 박테리아의 상호작용에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 이러한 상호작용은 조류의 성장 및 대사경로에 큰 영향을 미치며 미세조류의 낮은 생산성을 해결하기 위한 매우 중요한 연구 주제이다. 본 논문에서는 이러한 미세조류-박테리아 상호작용을 이용한 미세조류 바이오매스 생산성 향상에 대한 연구를 수행하기 위해 미세조류와 공생하는 박테리아 군집 분석을 하였고, 미세조류 성장을 촉진시키는 4가지 박테리아를 확인하였다. 미세조류 성장 촉진 박테리아를 이용하여 미세조류와 공동배양을 수행한 결과 유의적으로 미세조류의 성장, 지질함량 및 응집효율이 증가하였다. 관련 기작을 규명하기 위하여, 미세조류와 박테리아의 탄소 교환 분석을 진행하였고, 그 결과 미세조류에 의해 고정된 유기 탄소를 박테리아가 이용하고, 박테리아는 무기탄소와 저분자 유기탄소를 제공함으로써 미세조류 성장과 대사에 영향을 주는 것을 확인하였다. 또한, 새로운 배양 장치를 개발하여 박테리아 유래 휘발성 화합물질에 의한 미세조류 성장 촉진 효과를 확인하였고, 미세조류 성장 촉진 인자로서 박테리아 유래 휘발성 물질인 인돌을 동정하였다. 이 외에 미세조류 성장에 영향을 주는 박테리아 유래 대사물질을 동정하기 위하여 새로운 게놈 와이드 스크리닝 방법을 확립하여 미세조류 성장을 촉진시키는 박테리아 유래 물질인 리보플라빈과 미세조류 성장을 저해시키는 물질인 LPS를 동정하였다. 이러한 모든 결과를 종합하여 미세조류 성장 촉진 박테리아를 미세조류 대량 배양 시스템에 적용하기 위해 10톤 규모의 Open raceway pond에서 20일 동안 반 연속식 배양을 수행하였다. 배양 결과, 박테리아와 공배양한 미세조류의 바이오매스 생산성이 17% 증가하였다. 이러한 연구결과를 기초하여 미세조류-박테리아 상호작용을 이용한 미세조류 배양은 미세조류 산업화의 가장 큰 문제점인 낮은 바이오매스 생산성을 해결할 수 있는 유망한 기술로서, 미세조류 바이오매스 및 응용 분야 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
미세조류는 광합성을 통해 유기물을 생산하는 독립영양생물로서, 대기 중의 이산화탄소를 대량 흡수하기 때문에 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 저감하는데 매우 효과적이다. 최근 미세조류는 바이오디젤 생산을 위한 바이오매스로 주목을 받았으며, 뿐만 아니라 카로티노이드 색소, 불포화지방산 등 다양한 유용물질을 함유하고 있어 고부가가치 산업에도 이용되고 있다. 미세조류가 서식하는 생태계에는 다양한 박테리아가 함께 공존하고 있으며, 특히 이들은 지구 탄소 순환에 중요한 역할을 하여 지구 기후에도 큰 영향을 미친다. 따라서 최근 미세조류와 박테리아의 상호작용에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 이러한 상호작용은 조류의 성장 및 대사경로에 큰 영향을 미치며 미세조류의 낮은 생산성을 해결하기 위한 매우 중요한 연구 주제이다. 본 논문에서는 이러한 미세조류-박테리아 상호작용을 이용한 미세조류 바이오매스 생산성 향상에 대한 연구를 수행하기 위해 미세조류와 공생하는 박테리아 군집 분석을 하였고, 미세조류 성장을 촉진시키는 4가지 박테리아를 확인하였다. 미세조류 성장 촉진 박테리아를 이용하여 미세조류와 공동배양을 수행한 결과 유의적으로 미세조류의 성장, 지질함량 및 응집효율이 증가하였다. 관련 기작을 규명하기 위하여, 미세조류와 박테리아의 탄소 교환 분석을 진행하였고, 그 결과 미세조류에 의해 고정된 유기 탄소를 박테리아가 이용하고, 박테리아는 무기탄소와 저분자 유기탄소를 제공함으로써 미세조류 성장과 대사에 영향을 주는 것을 확인하였다. 또한, 새로운 배양 장치를 개발하여 박테리아 유래 휘발성 화합물질에 의한 미세조류 성장 촉진 효과를 확인하였고, 미세조류 성장 촉진 인자로서 박테리아 유래 휘발성 물질인 인돌을 동정하였다. 이 외에 미세조류 성장에 영향을 주는 박테리아 유래 대사물질을 동정하기 위하여 새로운 게놈 와이드 스크리닝 방법을 확립하여 미세조류 성장을 촉진시키는 박테리아 유래 물질인 리보플라빈과 미세조류 성장을 저해시키는 물질인 LPS를 동정하였다. 이러한 모든 결과를 종합하여 미세조류 성장 촉진 박테리아를 미세조류 대량 배양 시스템에 적용하기 위해 10톤 규모의 Open raceway pond에서 20일 동안 반 연속식 배양을 수행하였다. 배양 결과, 박테리아와 공배양한 미세조류의 바이오매스 생산성이 17% 증가하였다. 이러한 연구결과를 기초하여 미세조류-박테리아 상호작용을 이용한 미세조류 배양은 미세조류 산업화의 가장 큰 문제점인 낮은 바이오매스 생산성을 해결할 수 있는 유망한 기술로서, 미세조류 바이오매스 및 응용 분야 산업에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
Most algae live in symbiosis with multiple associated microorganisms throughout their life. Over the past decades, many studies of numerous symbiotic interactions between algae and bacteria have been carried out and shown that the association between algae and bacteria is important for their presenc...
Most algae live in symbiosis with multiple associated microorganisms throughout their life. Over the past decades, many studies of numerous symbiotic interactions between algae and bacteria have been carried out and shown that the association between algae and bacteria is important for their presence. Nevertheless, the detailed mechanisms underpinning the bacterial interactions and their beneficial consequences are unclear. This dissertation focused on microalgae-bacteria interaction for that reason. Firstly, we demonstrates that ecologically engineered bacterial consortium could enhance microalgal biomass and lipid productivities through carbon exchange. Co-cultivation of axenic C. vulgaris (ACV) with four different growth enhancing bacteria revealed a symbiotic relationship with each bacterium. An artificial microalgal-bacterial consortium (AMBC) constituting these four bacteria and ACV showed that the bacterial consortium exerted a statistically significant (P < 0.05) growth enhanc- ement on ACV. Moreover, AMBC had superior flocculation efficiency, lipid content and quality. Secondly, the effect of bacterial volatile compounds (VCs) were examined on the growth and lipid production of microalga Chlorella vulgaris OW-01. The VCs of phycospheric bacteria efficiently augmented algal biomass in a newly developed VCs experimental apparatus. Moreover, an apparent increase in total lipid content along with a 2.34-fold increase in productivity was observed in Hyphomonas sp. VCs- exposed algal biomass. Fatty acid methyl esters (FAME) composition also demonstrated that the algal biodiesel properties were somewhat modified by exposure to bacterial VCs. A LiOH filter-inducing CO2-removed bacterial VCs (CRBVCs) also enhanced daily growth of microalgae, as compared to the control culture (aeration), indicating that CRBVC included growth-promoting volatiles. Of those factors, volatile indole was identified as a possible algal growth enhancing factor, and it showed a higher growth-promoting effect than dimethyl disulfide and dimethyl trisulfide. Thirdly, a high-throughput screening method was developed for the identification of bacteria-algae interactive metabolites using the systematic and comprehensive collection of Escherichia coli K-12 mutants (the ASKA library and Keio collections). By the screening, we identified bacterial riboflavin and LPS biosynthesis-related genes that are involved in such interactions. Based on the results, the bacterial gene library-mediated high throughput screening method can be effectively applied to find bacteria-microalgae interaction mechanisms. Finally, to explore the influence of phycospheric bacteria on algal biomass production in the industrial algal cultivation system, Chlorella was co-cultured with Rhizobium in semi-continuously operated 10-ton open ponds. Co-cultivation with Rhizobium revealed significant algal biomass enhancement. Based on these results, the co-cultivation with symbiotic bacteria on the large-scale open ponds system in semi-continuous mode is a promising strategy to promote the algal biomass productivity.
Most algae live in symbiosis with multiple associated microorganisms throughout their life. Over the past decades, many studies of numerous symbiotic interactions between algae and bacteria have been carried out and shown that the association between algae and bacteria is important for their presence. Nevertheless, the detailed mechanisms underpinning the bacterial interactions and their beneficial consequences are unclear. This dissertation focused on microalgae-bacteria interaction for that reason. Firstly, we demonstrates that ecologically engineered bacterial consortium could enhance microalgal biomass and lipid productivities through carbon exchange. Co-cultivation of axenic C. vulgaris (ACV) with four different growth enhancing bacteria revealed a symbiotic relationship with each bacterium. An artificial microalgal-bacterial consortium (AMBC) constituting these four bacteria and ACV showed that the bacterial consortium exerted a statistically significant (P < 0.05) growth enhanc- ement on ACV. Moreover, AMBC had superior flocculation efficiency, lipid content and quality. Secondly, the effect of bacterial volatile compounds (VCs) were examined on the growth and lipid production of microalga Chlorella vulgaris OW-01. The VCs of phycospheric bacteria efficiently augmented algal biomass in a newly developed VCs experimental apparatus. Moreover, an apparent increase in total lipid content along with a 2.34-fold increase in productivity was observed in Hyphomonas sp. VCs- exposed algal biomass. Fatty acid methyl esters (FAME) composition also demonstrated that the algal biodiesel properties were somewhat modified by exposure to bacterial VCs. A LiOH filter-inducing CO2-removed bacterial VCs (CRBVCs) also enhanced daily growth of microalgae, as compared to the control culture (aeration), indicating that CRBVC included growth-promoting volatiles. Of those factors, volatile indole was identified as a possible algal growth enhancing factor, and it showed a higher growth-promoting effect than dimethyl disulfide and dimethyl trisulfide. Thirdly, a high-throughput screening method was developed for the identification of bacteria-algae interactive metabolites using the systematic and comprehensive collection of Escherichia coli K-12 mutants (the ASKA library and Keio collections). By the screening, we identified bacterial riboflavin and LPS biosynthesis-related genes that are involved in such interactions. Based on the results, the bacterial gene library-mediated high throughput screening method can be effectively applied to find bacteria-microalgae interaction mechanisms. Finally, to explore the influence of phycospheric bacteria on algal biomass production in the industrial algal cultivation system, Chlorella was co-cultured with Rhizobium in semi-continuously operated 10-ton open ponds. Co-cultivation with Rhizobium revealed significant algal biomass enhancement. Based on these results, the co-cultivation with symbiotic bacteria on the large-scale open ponds system in semi-continuous mode is a promising strategy to promote the algal biomass productivity.
학위논문 정보
저자
허진아
학위수여기관
University of Science and Technology
학위구분
국내박사
학과
Biotechnology, Department of Environmental Biotechnology
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