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지구 기온이 급격히 상승하면서 이를 인지하고 해결하기 위한 노력이 이어지고 있다. 지구온도가 급격하게 변하는 이유는 석유산업이 대기 중 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄과 같은 온실가스를 증가시켜 지구의 온도를 급격하게 상승시키기 때문이다. 가스 발효는 이 문제를 해결하기 위한 실현가능한 대안으로 고안되었다. 본 연구에서는 가스발효에서 가장 널리 사용되는 미생물 중 하나인 ...

지구 기온이 급격히 상승하면서 이를 인지하고 해결하기 위한 노력이 이어지고 있다. 지구온도가 급격하게 변하는 이유는 석유산업이 대기 중 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄과 같은 온실가스를 증가시켜 지구의 온도를 급격하게 상승시키기 때문이다. 가스 발효는 이 문제를 해결하기 위한 실현가능한 대안으로 고안되었다. 본 연구에서는 가스발효에서 가장 널리 사용되는 미생물 중 하나인 아세토젠을 이용하여 고대 경로인 wood-Ljungdahl 경로를 통해 초산을 생산하는 실험에 대해 연구되었다.
한국 을숙도 갈대습지에서 분리된 Pseudoacetobacterium sp. ES2 균주는 독립영양 또는 종속영양 대사를 통해 초산을 생산하는 혐기성 미생물이다. 이 특성으로 ES2균주는 탄소 중립에 대한 유망한 박테리아로 간주하고 실험을 진행하게 되었다.
본 연구는 ES2 균주의 신규 아세토젠의 배양 특성을 규명하고 아세트산 생산을 극대화하기 위한 배양 배지의 최적화를 목적으로 하였다. 이를 위해 OFAT(one-factor-at-a-time) 방법을 기반으로 메탄올, NaOH 및 효모 추출물의 초기 농도인 배지의 독립 변수를 결정하였다. 그 후에 이러한 조건들이 초산 생성을 최대화하도록 통계적으로 최적화하기 위해 반응 표면 디스플레이 방법론(CCD-RSM)의 중심 합성 설계를 사용하였다. 최적화는 20% CO2와 80% N2의 혼합기체 1기압을 포함하는 배지에서 회분식 배양을 수행하였다. 배지 최적화 결과 독립변수가 MeOH 134mM, NaOH 26mM, 효모추출물 9g/L일 때 최대 초산 생산량은 5g/L로 예측되었으며 이를 실제 실험 결과와 비교했을 때 88.4%의 일치성을 보였다
그러나 ES2 균주는 CO2와 N2의 혼합기체를 공급하는 조건에서 배양하였을 때 CO2를 거의 소비하지 않는 것으로 관찰되었다. 그래서 균주가 CO2를 고정하여 사용하기 위해서는 수소와 같은 환원력이 필요하다고 생각되었다. 따라서 20% CO2와 80% H2의 혼합가스를 1atm 공급하여 회분식 배양을 수행하였다. 그 결과, CO2/N2 혼합가스를 이용한 배양에 비해 CO2/H2 혼합가스를 사용했을 때 세포 성장과 아세트산 생성이 각각 35.4%, 108.2% 향상됨을 관찰하였다. 이는 H2와 함께 CO2 공급한 것이 CO2 단독 공급보다 세포 성장 및 아세트산 생산에 더 효율적임이 나타났다.
CO2/H2 조건에서 더 효율적인 세포 성장 및 초산 생산이 이루어졌기 때문에 CO2와 H2 혼합기체의 최적 공급조건을 결정하기 위하여 Pseudoacetobacterium sp. ES2 균주의 배양에서 혼합가스의 공급압력과 CO2/H2 비율을 달리하여 실험을 수행하였다. 배양 결과 CO2/H2 비율이 1:2인 CO2와 H2의 혼합가스를 1.5기압 공급하는 것이 세포 성장에 가장 좋은 조건임을 확인하였고, CO2/H2 비율이 1:4인 CO2와 H2의 혼합가스를 2기압 공급하는 것이 초산 생산에 가장 좋은 조건임을 확인하였다.
따라서 CO2/H2 비율이 1:4인 CO2/H2 혼합가스 2.0atm을 공급하는 조건에서 CCD-RSM 기반의 통계적 매체 최적화를 수행하였다. 그 결과 초기농도가 163mM MeOH, 50mM NaOH, 효모추출물이 3.9g/L인 배지에서 최대 초산 생산량은 8.57g/L로 예측되었으며 이를 실제 실험 결과와 비교했을 때 94.9%의 일치성을 보였다. 이 결과를 통해 8.13 g/L의 초산 생산을 이루어 냈으며 향후 실험을 통해 다른 아세토젠에서도 적용될 수 있을 것이라고 생각되어진다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the global temperature is rapidly increasing, efforts are being made to recognize and solve it. The reason why the Earth's temperature changes rapidly is that the oil based industry increases greenhouse gases such as CO2, CO, and CH4 in the atmosphere, causing the Earth's temperature to rise rapi...

As the global temperature is rapidly increasing, efforts are being made to recognize and solve it. The reason why the Earth's temperature changes rapidly is that the oil based industry increases greenhouse gases such as CO2, CO, and CH4 in the atmosphere, causing the Earth's temperature to rise rapidly. Several alternatives are being devised to address this problem, among which gas fermentation is considered a feasible alternative. Gas fermentation is meaningful in converting gas into chemicals using microorganisms. Acetogen, one of the most widely used microorganisms in gas fermentation, is used in this study to produce acetic acid through the ancient pathway, the wood-Ljungdahl pathway.
A novel Pseudoacetobacterium sp. ES2 strain, isolated from a reed wetland of Eulsukdo in Korea, is a strict anaerobic, acetogenic bacteria that produces acetic acid via autotrophic or heterotrophic metabolism. Because of this property, Pseudoacetobacterium sp. ES2 strain is considered one of promising bacteria for carbon neutral.
This study was aimed to characterize the culture characteristics of a novel acetogen of Pseudoacetobacterium sp. ES2 strain and optimize culture medium to maximize the acetic acid production. For this, the independent variables of medium were determined, which were the initial concentration of methanol, NaOH and yeast extract, based on the one-factor-at-a-time (OFAT) method and those were statistically optimized to satisfy maximum acetic acid production using central composite design of response surface display methodology (CCD-RSM). In the optimization, batch cultures were performed in the medium containing 1 atm of mix gas of 20% CO2 and 80% N2. As a result of medium optimization, when the independent variables were 134 mM of MeOH, 26 mM of NaOH and 9 g/L of yeast extract, the maximum acetic acid production was predicted to be 5 g/L, which showed 88.4% of consistency when compared with the actual experimental result.
However, it was observed that the Pseudoacetobacterium sp. ES2 strain consumed little CO2 when cultured under condition of supplying the mix gas of CO2 and N2. So, it was thought that reducing power such as hydrogen is necessary for the strain to fix CO2. Therefore, batch cultivations were performed by supplying 1 atm of mix gas of 20% CO2 and 80% H2. As a result, it was observed that cell growth and acetic acid production could be enhanced by 35.4% and 108.2%, respectively, compared to the culture conducted using CO2/N2 mix gas. It indicates CO2 supply along with H2 is more efficient for cell growth and acetic acid production than sup-plying CO2 alone.
To determine the optimal supplying conditions of mix gas of CO2 and H2, batch cultures of the Pseudoacetobacterium sp. ES2 strain were conducted by varying the supplying pressure and CO2/H2 ratio of mix gas. From the cultivation, it was confirmed that supplying 1.5 atm of the mix gas of CO2 and H2 with a CO2/H2 ratio of 1:2 is the best condition for cell growth, whereas supplying 2.0 atm of the mix gas of CO2 and H2 with a CO2/H2 ratio of 1:4 is the best condition for acetic acid production.
Under the condition of supplying 2.0 atm of CO2/H2 mix gas with a CO2/H2 ratio of 1:4, statistical medium optimization based on CCD-RSM was performed. As a result, when the Pseudo-acetobacterium sp. ES2 strain was cultivated in the medium containing the initial concentrations of 163 mM MeOH, 50 mM NaOH and 3.9 g/L yeast extract, acetic acid production reached to maximum value of 8.57 g/L, which showed 94.9% agreement with the actual experimental result. This results show the outstanding potential of this strain as a promising microorganism for CO2 fixation-based acetic acid production.

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