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문제 정의
- 본 연구에서는 녹조류의 일종인 C. reinhardtii를 이용하여 수소 및 유기산 동시 생산을 시도하였다. C.
- 이 연구의 목적은 미세조류인 Chlamydomonas reinhardtii 을이 용하여 수소 및 유기물의 생산을 위한 배양 조건을 최적화하는 것이다. 세 가지 종의 균주를 조사하여 C.
제안 방법
- C. reinhardtii UTEX 89, C. reinhardtii UTEX 90, C. reinhardtii UTEX 2246중 실험에 적합한 균주를 선별하기 위하여 명반응에서의 성장 및 암반응에서의 발효산물인 수소와 유기물의 생산량을 비교하였다. 먼저 Bristofs solution에서 3% CO를 공급하며 성장을 관찰한 결과, 세 균주의 성장은 매우 유사하였다.
- reinherdtii는 광합성을 통하여 성장하기 때문에 공급되는 CO?가 탄소 원으로 이용된다. Chlamydomonas reinhardtii UTEX 90에서 CO에 따른 세포의 성장을 관찰하기 위하여 농도를 달리하여 실험을 수행하였다(Fig. 2). 공급된 혼합 공기는 공기와 CO?를 gas mixer를 이용하여 균일하게 혼합한 후 sparger를 통하여 bubbling 하였다.
- 또한 질소원의 농도에 따른 효과를 알아보기 위하여 TAP medium에서 질소원의 농도를 달리하여 세포의 성장을 살펴보았다. 세포의 농도는 질소의 농도에 비례하여 증가하는 추세를 나타내었다.
- reinhardtii 중에서 수소생산에 적합한 균주를 선택한 후, 성장 조건을 최적화하고 여러 조건하에서의 수소와 유기물의 생산량을 조사하였다. 또한, 수소를 생산하면서 발생되는 발효 산물인 유기물은 수소 생산성이 비교적 높은 광합성 박테리아의 기질로 공급이 가능하기 때문에(7), 실험을 통하여 명반응에서는 균주의 성장을, 암반응에서는 혐기 발효를 통한 수소와 유기물의 생산성과 생성 패턴을 조사하였다.
- C6의 혼합비율은 유량을 통해 조절되었다. 빛의 세기는 light meter(LI-COR, Model LI-250, Lambda Instmment Corp., USA)에 연결한 quantum sensoiflJ-COR, Model LI-190SA, Lambda Instrument Corp., USA)로 측정하였다.
- 성장한 균주를 이용한 암반응은 먼저 성장 시의 CO2 농도, 성장단계에 따른 건조중량의 변화를 주어 실험하였다. 건조중량의 변화는 두 가지 조건을 비교하였는더), 0.
- 수소는 주사기(syringe)를 이용하여 serum bottle의 head space 에 있는 기체(수소 및 질소)를 기체 크로마토그래피(Hewlett- Packard 5890 U, TCD detector)를 통하여 측정하였다. 유기물의 측정은 혐기발효 시킨 후의 균체를 원심분리한 후 여과를 거쳐 상등액을 기체 크로마토그래피(Hewlett-Packard 5890 II, FID detector)에 주입하였다.
- rei까以顾는 명반응으로 세포가 성장하며 암반응을 통해서 수소를 생산할 수 있다(2). 실험을 통하여 먼저 C. reinhardtii 중에서 수소생산에 적합한 균주를 선택한 후, 성장 조건을 최적화하고 여러 조건하에서의 수소와 유기물의 생산량을 조사하였다. 또한, 수소를 생산하면서 발생되는 발효 산물인 유기물은 수소 생산성이 비교적 높은 광합성 박테리아의 기질로 공급이 가능하기 때문에(7), 실험을 통하여 명반응에서는 균주의 성장을, 암반응에서는 혐기 발효를 통한 수소와 유기물의 생산성과 생성 패턴을 조사하였다.
- 암반응을 하기 직전에 수소를 생산하는 조건인 혐기조건을 만들어주기 위해 질소로 20분간 purging하여 기상 및 액상에 존재하는 산소를 제거한 후 밀봉하였다. 암 조건은 알루미늄 호일로 serum bottle을 감싸 빛을 차단하여 반응을 진행하였다.
- 80ml을 넣어 암반응을 수행하였다. 암반응을 하기 직전에 수소를 생산하는 조건인 혐기조건을 만들어주기 위해 질소로 20분간 purging하여 기상 및 액상에 존재하는 산소를 제거한 후 밀봉하였다. 암 조건은 알루미늄 호일로 serum bottle을 감싸 빛을 차단하여 반응을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 녹조류는 Chlamydomonas reinhardtii UTEX 89, Chlamydomonas reinhardtii UTEX 90, Chlamydomonas reinhardtii UTEX 2246이었다 균주는 UTEX(The Culture Collection of Algae at the University of Texas at Austin) 에서 구입흐}였고, 배지는 Bristol's solution과 TAP medium을 사용하였다 (8). 계대배양은 250 mL Erlenmeyer flask에서 2주일에 한 번씩 실시하였고, 접종량은 10% (v/v)로 하였다.
- 실험에 사용한 배지는 Bristol's solution과 TAP medium0] 었다. 두 배지에서의 성장곡선을 비교한 결과, TAP medium 에서 성장한 세포의 경우 Bristol's solution에서 성장한 세포에 비하여 10% 정도 낮은 비성장 속도는 나타내었다.
성능/효과
- 배지 내에 phosphate buffer가 들어있고 C6의 농도가 낮은 편이어서 유입된 CO2 에 따른 pH는 거의 변화가 없었다. 1% CO2 와 3% CO2 에서는 C6 농도에 관계없이 성장이 유사하였고, 균주의 성장도 정상적으로 관찰되었다. 하지만 5% C6에서 키운 세포는 성장이 다른 조건에 비해 50% 정도 감소하였다.
- 최적 이산화탄소 농도 범위는 1 - 3% 였으며 두 종류의 미세조류 배양에 있어 대표적인 배지 (Bristol's media and TAP media)를 조사한 결과 TAP 배지에서의 세포 성장이 Bristol 배지보다 더 우수함을 확인하였다. 3%의 이산화탄소 농도와 TAP 배지에서 균주를 배양하여 최대 수소 생산(0.5 11 mol/ mg DCW)을 얻었다. 그러나 전체 유기물 생산은 Bristol 배지에서 두 배 이상 생산되었다.
- 수소의 생산량은 1% C6에서 배양한 실험보다 3% C6에서 배양한 세포의 경우가 2배 정도 많았다(Table 3). Bristol’s solution에서의 암반응의 결과를 통하여 3% C6에서 성장한 세포는 비교적분자량이 작은 아세트산이나 에탄올의 생산량이 많았고, 수소 역시 1% CO2에서 성장한 세포에 비하여 높은 생산량을 보였다. 이를 통하여 3% CO2에서 성장한 세포가 1% CO2에서 성장한 세포보다 광합성 산물의 분해가 활발하게 일어났다는 것을 알 수 있었다.
- 일단 암반응이 수행되면 세포는 성장을 멈추고 광합성으로 얻어진 산물을 이용하여 수소와 유기물을 생성한다. 그리하여, 충분한 시간의 암반응을 수행한 후의 균주는 flagella를 통한 운동성이 전혀 나타나지 않았고, cell은 lysis가 일어난 상태였다. 그로 인해 균체의 색도 정상적인 녹색을 띄지 않았다.
- 두 배지에서의 성장곡선을 비교한 결과, TAP medium 에서 성장한 세포의 경우 Bristol's solution에서 성장한 세포에 비하여 10% 정도 낮은 비성장 속도는 나타내었다. 하지만 Bristol's solution일 경우에 비하여 2배 이상의 고농도를 유지하였다(Fig.
- reinhardtii UTEX 2246중 실험에 적합한 균주를 선별하기 위하여 명반응에서의 성장 및 암반응에서의 발효산물인 수소와 유기물의 생산량을 비교하였다. 먼저 Bristofs solution에서 3% CO를 공급하며 성장을 관찰한 결과, 세 균주의 성장은 매우 유사하였다. 비성장 속도를 비교해보면, C.
- 것이다. 세 가지 종의 균주를 조사하여 C. reinhardtii UTEX 90이 수소 생산성과 유기물 생산성 면에서 가장 우수함을 확인하였다. 최적 이산화탄소 농도 범위는 1 - 3% 였으며 두 종류의 미세조류 배양에 있어 대표적인 배지 (Bristol's media and TAP media)를 조사한 결과 TAP 배지에서의 세포 성장이 Bristol 배지보다 더 우수함을 확인하였다.
- 역시 가장 높았다. 실험 결과, 수소나 유기물의 생성량으로 볼 때 C. reinhardtii UTEX 90이 가장 적절하다고 판단하였고 이후에는 이 균주로 실험을 수행하였다.
- reinhardtii UTEX 90과 나머지 두 균주의 유기물 생성 패턴이 달랐다. 에탄올이나 아세트산은 C. reinhardtii UTEX 90이 다른 균주에 비해서 생성량이 많았고, 글리세롤은 반대로 C. reinhardtii UTEX 90이 나머지 두 종에 비해 2 배정도 낮았다. 하지만 유기물의 총량은 C.
- 3). 이러한 결과로 미루어 고농도 세포 성장의 경우 TAP medium이 적절한 배지임을 알 수 있었다. 또한 이러한 결과는 Fig.
- 그러나 아세트산이나 에탄올의 경우는 10 - 40 % 의 낮은 수치를 나타내었다. 이러한 결과를 통하여 성장 시의 CO2 농도에 따라 암반응 시의 유기물 생산 패턴 변화를 관찰할 수 있었다. 수소의 생산량은 1% C6에서 배양한 실험보다 3% C6에서 배양한 세포의 경우가 2배 정도 많았다(Table 3).
- 하지만 5% C6에서 키운 세포는 성장이 다른 조건에 비해 50% 정도 감소하였다. 이로써 C. reinhardtii UTEX 90은 비교적 낮은 5% C6에서 기질로 인한 저해를 받는 것을 알 수 있었다.
- Bristol’s solution에서의 암반응의 결과를 통하여 3% C6에서 성장한 세포는 비교적분자량이 작은 아세트산이나 에탄올의 생산량이 많았고, 수소 역시 1% CO2에서 성장한 세포에 비하여 높은 생산량을 보였다. 이를 통하여 3% CO2에서 성장한 세포가 1% CO2에서 성장한 세포보다 광합성 산물의 분해가 활발하게 일어났다는 것을 알 수 있었다. 성장단계에 따른 비교는 수소나 유기물의 양 모두 late- exponential phase의 세포의 경우가 높은 수치를 나타내었다.
- 또한 TAP medium을 배지로 사용한 실험에서는 글리세롤이 검출되지 않았다. 이를 통하여 암반응이 활성화되면서 광합성 산물이 아세트산과 에탄올과 같은 분자량이 작은 물질로 분해되며 이는 수소의 생산량과 직접적인 관계가 있음을 알 수 있었다.
- reinhardtii UTEX 90이 수소 생산성과 유기물 생산성 면에서 가장 우수함을 확인하였다. 최적 이산화탄소 농도 범위는 1 - 3% 였으며 두 종류의 미세조류 배양에 있어 대표적인 배지 (Bristol's media and TAP media)를 조사한 결과 TAP 배지에서의 세포 성장이 Bristol 배지보다 더 우수함을 확인하였다. 3%의 이산화탄소 농도와 TAP 배지에서 균주를 배양하여 최대 수소 생산(0.
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