[논문]바이오매스 자원으로서의 Lemna Paucicostata의 인공배양조건과 이화학적 특성에 관한 연구

곽정훈; 이진의; 김기혜; 엄혜영; 신종서; 라창식

바이오매스 자원으로서의 Lemna Paucicostata의 인공배양조건과 이화학적 특성에 관한 연구
Conditions for Artificial Culture of Lemna Paucicostata and Potentiality as an Alternative Biomass Source 원문보기

축산시설환경학회지 = Journal of livestock housing and environment, v.16 no.2, 2010년, pp.143 - 152

곽정훈 (농촌진흥청 국립축산과학원) , 이진의 (강원대학교 동물생명과학대학) , 김기혜 (강원대학교 동물생명과학대학) , 엄혜영 (강원대학교 동물생명과학대학) , 신종서 (강원대학교 동물생명과학대학) , 라창식 (강원대학교 동물생명과학대학)

초록
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본 연구에서는 Lemna P.의 인공배양 조건을 파악하고 생산된 바이오매스의 영양적 가치에 관하여 조사하였다. Lemna P.의 배양을 위해 총용적 $2,630\;cm^3$, 유효용적 $2,240\;cm^3$의 생물배양조를 이용하였으며 인공광원 6,250 lux, 평균온도 $28^{\circ}C$ 조건에서 인공폐수를 이용하여 배양하였다. 물 유동여부가 Lemna P.의 생장에 미치는 영향을 분석한 결과 하부층의 물 유동이 없는 경우 일일 1.1 이상의 성장률을 보인반면 하부층 물 유동이 있는 경우에는 단지 $0.15\;d^{-1}$의 생장률을 보였다. 또한 인공 폐수내 $NH_4$-N 농도변화와 광 조사시간이 Lemna P. 성장에 마치는 영향을 분석한 결과 광주기 $16h\;d^{-1}$에서의 생장률이 8h 및 $24h\;d^{-1}$에서 보다 높았으며 Lemna P.의 생장은 초기 $NH_4$-N의 농도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 초기 $NH_4$-N의 농도가 낮을수록 Lemna P.의 생장률은 높았으나 조단백질 함량은 초기$NH_4$-N 농도에 비례하였다. $NH_4$-N의 농도 2, 10, 50, $100\;mg\;L^{-1}$에서 배양한 후의 Lemna P.의 조단백질 함량은 각각 18, 24, 37, 43%로 50과 $100\;mg\;L^{-1}$ 농도에서 생장한 Lemna P. 바이오매스의 조단백질함량은 현재 단백질원으로 이용되고 있는 아마박(조단백질 함량 35%), 면실박(38%), 대두박(45%)과 비슷한 수준으로 나타났다. 광주기 $16h\;d^{-1}$ 초기 $NH_4$-N 농도 $2\;mg\;L^{-1}$ 이하에서 매우 높은 생장률로 증식한 Lemna P.의 조지방, 조단백질, 조섬유, 조회분, NDF 및 ADF 함량이 각각 2.77, 18.03, 27.02, 20.01, 41.00, 65.68%로 밝혀짐에 따라 우수한 단백질 또는 섬유질 대체자원의 대량 생산이 가능함을 알 수 있었다. 특히 Lemna P.는 식물성 지방보다 동물성 지방에서 검출되는 단일 및 다중 불포화 지방산들을 함유하고 있으며, 가능성 지방산으로 알려진 C18:1n9c, C18:2n6c, C20:5n3 및 C22:2 들을 지나고 있어 가축의 가능성 사료자원으로 활용가치가 높을 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Conditions for artificial culture of Lemna Paucicostata and its nutritional values were examined in this study. Lemna P. was cultured using artificial wastewater and a bioreactor (total volume $2,630\;cm^3$, working volume $2,240\;cm^3$) was operated at conditions of 6,250 lux and $28^{\circ}C$. Water flow affected the growth of Lemna P.: growth rate was very high (more than $1.1\;d^{-1}$) at a condition of no-water movement, but it was very low (less than $0.15\;d^{-1}$) when water moved slowly. The growth of Lemna P. was higher in $16h\;d^{-1}$ light cycle than in Sand $24h\;d^{-1}$, and it was also severely affected by the initial $NH_4$-N levels of wastewater. The growth rate of Lemna P. was high in lower $NH_4$-N level, indicating that the growth rate is in inverse proportion to $NH_4$-N concentration in wastewater. However, the contents of crude protein (CP) of Lemna P. were proportional to the initial $NH_4$-N concentration. The CP contents of Lemna P. cultured at 2, 10, 50 and 100 $NH_4$-N mg $L^{-1}$ was 18, 24, 37, 43%, respectively, showing the Lemna P. cultured at 50 and $100\;mg\;L^{-1}$ had similar protein contents to linseed (CP 35%), cottonseed (CP 38%) and soybean (CP 45%). Fat, protein, fiber, NDF and ADF contents of Lemna P. harvested at conditions of $16h\;d^{-1}$ light cycle and less than $2\;mg\;L^{-1}$ of $NH_4$-N level was 2.8, 18, 27, 20, 41 and 65.7%, respectively. Since the growth rate of Lemna P. was very high (more than $1.1\;d^{-1}$) at those conditions, it was convinced that mass production of valuable protein and fiber sources are feasible. In particular, since the Lemna P. has unsaturated fatty acids found mainly in animal fat as well as beneficial fatty acids to health such as C18:ln9c, C18:2n6c, C20:5n3 and C22:2, the Lemna P. biomass would be a highly valuable alternative feed source to grains.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

F.를인공적으로 배양하기 위한 조건을 파악하고 생산된 Lemna P. 바이오매스의 가축 사료 원으로서의 영양적 가치에 관하여 조사하였다.
본 연구에서는 Lemna P.의 인공배양 조건을 파악하고 생산된 바이오매스의 영양적 가치에 관하여 조사하였다. Lemna P.

제안 방법

성장에 미치는 영향을 분석하였다. 본 실험에서는 인공폐수내 NH₄-N 농도를 10mg L~'로조절하고 광 조사시간 8, 16, 24h 에서의 Lemna /";.의 성장변화를 분석하였다.
또한 배양 중 24시간 간격으로 시료를 채취하여 PO₄-P, NH₄-N 농도를 분석하였다. PO₄- P, NH₄-N 분석은 자동수질 분석기 (Zellweger: LACHAT, QuikChem 8000)를 이용하여 분석하였으며 분석전 모든 시료는 여과지 (Watman, No. 1541)를 이용하여 filtering 하였다.
의 ftond를 100으로 고정하고 24시간 간격으로 Bond 수의 변화를 파악하여 성장률을 분석하였다. 또한 배양 중 24시간 간격으로 시료를 채취하여 PO₄-P, NH₄-N 농도를 분석하였다. PO₄- P, NH₄-N 분석은 자동수질 분석기 (Zellweger: LACHAT, QuikChem 8000)를 이용하여 분석하였으며 분석전 모든 시료는 여과지 (Watman, No.
실험 2에서는 인공 폐수내 NH₄-N 농도변화에 따른 Lemna R 의 성장변화를 분석하였다. 이를 위해 인공폐수의 NH₄-N 농도를 2, 10, 50, 100 mg L 1 수준으로 조절하여 실험하였으며 광 조사시간은 실험 1에서와 같이 16h 로 하였다.
실험 3에서는 광 조사시간이 Lemna P. 성장에 미치는 영향을 분석하였다. 본 실험에서는 인공폐수내 NH₄-N 농도를 10mg L~'로조절하고 광 조사시간 8, 16, 24h 에서의 Lemna /".
실험 중 인공폐수내 암모니아성 질소 농도의 변화를 분석하였다 (Fig. 2b). Lemna R를 접종하지 않은 각 대조구 (C-no aeration, C-aeration)와 Lemna P를 접종 후 하부층의 물 유동을 유도하면서 배양한 실험구 T- aeration의 경우 인공폐수내 암모니아성 질소의 농도가 시간이 경과함에 따라 점차 증가한 반면 물 유동 없이 배양한 T-no aeration 의 경우에는 점차 감소하였다.
모든 실험에서 초기 Lemna F.의 ftond를 100으로 고정하고 24시간 간격으로 Bond 수의 변화를 파악하여 성장률을 분석하였다. 또한 배양 중 24시간 간격으로 시료를 채취하여 PO₄-P, NH₄-N 농도를 분석하였다.
광주기가 Lemna F.의 생장에 미치는 영향을 분석하기 위하여 광 조사시간 8, 16, 24h 에서의 생장률을 조사하였다(Fig. 4). 실험 결과 배양초기에는 모두 비슷한 생장을 보였으나 3일 이후부터 광주기 16h 에서 생장률이 매우 높아지는 것으로 나타났다.
따른 Lemna R 의 성장변화를 분석하였다. 이를 위해 인공폐수의 NH₄-N 농도를 2, 10, 50, 100 mg L 1 수준으로 조절하여 실험하였으며 광 조사시간은 실험 1에서와 같이 16h 로 하였다.
이를 위해 인공폐수의 NH₄-N 농도를 2, 10, 50, 100 mg L 1 수준으로 조절하여 실험하였으며 광 조사시간은 실험 1에서와 같이 16h 로 하였다.
투명 아크릴을 이용하여 사각형의 생물배양조 (총용적 2, 630 cm³, 유효용적 2, 240 cm³) 를 제작하였으며 Lemna P는 인공광원 6, 250 lux, 평균온도 28 ℃ 조건에서 인공폐수를 이용하여 배양하였다. 인공폐수는 KH₂PO₄ 8.
폐수의 초기 NH₄-N 농도에 따른 Lemna P. 생장률의 변화를 조사하였다 (Fig. 3). 실험 결과 Lemna P.
하부층의 물 유동을 유도하기 위해 1L mii「' 비율로 공기를 공급해 주었으며 Fig. 1 에서와 같이 생물배양조 B 부분 상층부에 격자판을 설치하고 공기공급이 표면에서 이루어지도록 하여 공기공급으로 인한 A부분상증부의 물 유동을 방지하고 Lemna P. 의 배양은 A에서만 이루어지도록 하였다. 하부층의 물 유동이 없는 경우와 있는 경우에 있어서의 Lemna P.
의 배양은 A에서만 이루어지도록 하였다. 하부층의 물 유동이 없는 경우와 있는 경우에 있어서의 Lemna P. 성장률의 변화와 그에 따른 폐수 내 영양염류 제거패턴을 분석하기 위하여 각각 대조구를 두었으며 대조구에는 Lemna P.를 접종하지 않았다.

대상 데이터

Lemna P.의 배양을 위해 총용적 2, 630 cm³, 유효용적 2, 240 cm’의생물 배양조를 이용하였으며 인공광원 6, 250 lux, 평균온도 28℃ 조건에서 인공폐수를 이용하여 배양하였다. 물 유동여부가 Lemna P.

이론/모형

Lemna F.의 일반성분 분석 방법은 AOAC (1995) 방법에 준하였고, 지방산 분석은 Folch의 방법 (Folch 등, 1957)에 준하여 지질을 추출한 후 Sukhija와 Palmquist (1988)의 방법에 따라 gas chromatography (Shimadzu Model GC-17A Ver. 3, Japan)로 분석하였다.

성능/효과

68%이었다. Lemna R의 조지방 함량은 일반적으로 가축의 사료에 많이 사용되고 있는 대두박, 옥수수, 볏짚, 티모시, 알팔파 등의 조 지방함량(1.6~3.7%)과 유사한 수준으로 분석되었다
5). NH₄-N의 농도가 2, 10, 50, 100 tng 에서 배양한 Lemna R의 조단백질 함량은 각각 18, 24, 37, 43%로 나타나 50과 100 mg 의 NH₄-N 농도에서 생장한 Lemna P. 바이오매스의 조단백질 함량은 현재 단백질원으로 이용되고 있는 아마 박(조단백질 함량 35%), 면실박(38%), 대두박(45%) 과 비슷한 수준임을 알 수 있었다. 참고로 Oron 등(1988)은 평균 NH₄-N 농도 47 mg 1.
Table 2는 NH₄-N 농도 2mg 이하에서 생장한 Lemna R의 일반화학성분을 분석한 결과를 나타낸 것으로 조지방, 조단백질, 조섬유, 조회분, NDF 및 ADF 함량은 각각 2.77, 18.03, 27.02, 20.01, 41.00, 65.68%이었다. Lemna R의 조지방 함량은 일반적으로 가축의 사료에 많이 사용되고 있는 대두박, 옥수수, 볏짚, 티모시, 알팔파 등의 조 지방함량(1.
이러한 결과는 고농도의 NH₄-N는 오히려 식물 생장에 저해가 된다는 박 등(2000)의 보고와 일치하는 것으로 그들에 따르면 NH₄-N의 농도가 70mg L 1 이상일 때 duck weed는 생장할 수 없다고 보고한 바 있다. 그러나 본 연구에서는 NHN의 농도 100 mg 에서도Lemna R가 증식하는 것으로 나타나 100 mg 「'의 고농도 NH₄-N 수준에서도 비록 Lemna R의 생장은 저해되나 증식이 완전히 중지되지 않음을 알 수 있었다. 얻어진 결과로 미뤄 Lemna P.
특히 Lemna F.는 식물성 지방보다 동물성 지방에서 검출되는 단일 및 다중 불포화 지방산들을 함유하고 있으며, 기능성 지방산으로 알려진 C₁₈:ln9c, C₁₈:2n6c, C₂₀:5n3 및 C₂₂:2 들을지니고 있어 가축의 기능성 사료자원으로 활용 가치가 높을 것으로 판단되었다.
15 의 생장률을 보였다. 또한 인공 폐수내 NH₄-N 농도변화와 광 조사 시간이 Lemna P. 성장에 미치는 영향을 분석한 결과 광주기 16h(「'에서의 생장률이 8h 및 24h 에서 보다 높았으며 Lemna P. 의 생장은 초기 NH₄-N의 농도에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 초기 NH₄-N의 농도가 낮을수록 Lemna F.
의 배양을 위해 총용적 2, 630 cm³, 유효용적 2, 240 cm’의생물 배양조를 이용하였으며 인공광원 6, 250 lux, 평균온도 28℃ 조건에서 인공폐수를 이용하여 배양하였다. 물 유동여부가 Lemna P. 의 생장에 미치는 영향을 분석한 결과 하부층의 물 유동이 없는 경우 일일 1.1 이상의 성장률을 보인반면 하부층 물 유동이 있는 경우에는 단지 0.15 의 생장률을 보였다. 또한 인공 폐수내 NH₄-N 농도변화와 광 조사 시간이 Lemna P.
배양액내 NHN의 농도가 높을수록 Lemna F. 의 조단백질 함량이 높았으며 배양액내 NH₄-N의 농도와 단백질 함량 간에는 Fig. 5 에서와 같은 상관관계가 있음을 알 수 있었다 (Fig. 5). NH₄-N의 농도가 2, 10, 50, 100 tng 에서 배양한 Lemna R의 조단백질 함량은 각각 18, 24, 37, 43%로 나타나 50과 100 mg 의 NH₄-N 농도에서 생장한 Lemna P.
식물성 자원인 Lemna R에서 10종류의 불포화 지방산이 검출되었으며, 특히 C₁₈:ln9c, C₁₈:2n6c, C₂₀:5n3 및 C₂₂:2가 검출된 결과는 매우 이례적인 결과로 볼 수 있다. 이와 같은 지방산은 주로 동물성 지방산 중에서도 해양 동물의 지방산에서 검출되는 단일 및 다중 불포화 지 방산으로(하, 1977), 인체 에질 병 예방, 뇌기능 촉진, 혈중 콜레스테롤 개선 (Dyerberg와 Bang, 1978) 등에 효과가 있는 것으로 밝혀지고 있다.
4). 실험 결과 배양초기에는 모두 비슷한 생장을 보였으나 3일 이후부터 광주기 16h 에서 생장률이 매우 높아지는 것으로 나타났다. 초기 질소 농도 10 mg L에서 10일간 배양할 때 광주기 16h에서는 5배이상 생장하였으나와 24h 에서는 일부 증식하다가 사멸하면서 생장률이 1.
그러나 본 연구에서는 NHN의 농도 100 mg 에서도Lemna R가 증식하는 것으로 나타나 100 mg 「'의 고농도 NH₄-N 수준에서도 비록 Lemna R의 생장은 저해되나 증식이 완전히 중지되지 않음을 알 수 있었다. 얻어진 결과로 미뤄 Lemna P. 바이오매스의 최대 생산을 위해서는 폐수 혹은 배양액내 NHN의 농도를 2 mg 이하의 저농도로 유지하면서 배양하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
초기 NH₄-N의 농도가 낮을수록 Lemna F.의 생장률이 높아지면서 총 10일 동안의 배양 기간중 NH₄-N의 농도가 2 mg 이하일 때 약 11배, 10mg 일때 5배, 50과 100mg L-1 일 때는 약 3.5배의 생장률을 보였다. 이러한 결과는 고농도의 NH₄-N는 오히려 식물 생장에 저해가 된다는 박 등(2000)의 보고와 일치하는 것으로 그들에 따르면 NH₄-N의 농도가 70mg L 1 이상일 때 duck weed는 생장할 수 없다고 보고한 바 있다.
광주기 1, 초기 NH₄-N 농도 2 mg 이하에서 매우 높은 생장률로 증식한 Lemna F.의 조지방, 조단백질, 조섬유, 조회분, NDF 및 ADF 함량이 각각 2.77, 18.03, 27.02, 20.01, 41.00, 65.68%로 밝혀짐에 따라 우수한 단백질 또는 섬유질 대체자원의 대량생산이 가능함을 알 수 있었다. 특히 Lemna F.
Lemna R의 지방산 포화도와 불포화도의 비율은 일반적인 식물에서 나타나는 비율(70:30)과 유사하였다. 포화지방산함량 중 C₁₂:0, C₁₄:0, C₁₆:0, C₂₀:0 및 C₂₂:0이 비교적 높았으며, 불포화지방산 함량은 C₁₈:ln9c, C₁₈:2n6c, C₂₀:5n3 및 C₂₂:2 함량이 높게 나타났다.
하부층의 물 유동이 있는 경우 (aeration)와 없는 경우 (no aeration)를 비교할 때 초기 4일까지의 Frond수는 비슷하였으나 5일째부터 실험구간성장률의 큰 차이가 나타나기 시작하였다. 하부층의 물 유동이 없는 경우 총 10일간의 배양 기간 중 11배 이상의 성장을 보여 일일 1.1 이상의 생장률을 보인반면 하부층 물 유동이 있는 경우에는 단지 0.15 이하의 생장률을 보였다. 따라서 Lemna P.

후속연구

Jarrige 등 (1974) 과 Hodgson 등(1977)의 보고에 의하면, RFV 는 건물 섭취량 및 소화율과 정의 상관을 가지고 있다고 하였다. Lemna R의 조단백질, 조섬유 및 조회분 함량과 조사료 상대적 사료가치 (RFV)가 높다는 결과를 근거로 판단할 때 Lemna P는 단위동물 뿐만 아니라 반추동물에 단백질, 섬유질 및 광물질의 사료 자원으로 활용가치가 높을 것으로 여겨진다.
15 이하의 생장률을 보였다. 따라서 Lemna P. biomass의 생산을 위해서는 하부층의 물 유동이 없는 매우 잔잔한 조건 제공이 필요함을 알 수 있었다.
물을 근간으로 한 바이오매스는 에너지용 바이오매스와 경쟁 관계에 있지 않고 아무런 비료원 공급 없이 태양과 공기 중의 C₆만을 이용하여 대량생산이 가능하기 때문에 국내 곡물 사료 원 부족에 따른 사료가격 급등문제에서 벗어나는 좋은 방안이 될 것이다. 또한 물을 이용한 대체사료자원의 생산은 온난화 가스저감에도 기여하기 때문에 궁극적으로 저탄소 녹색성장의 주된 사업으로 동물산업의 역할을 가능케 하는 전환기가 될 것으로 판단된다.
국내의 사료자원 자급여건(기후, 국토협소 등)을 고려할 때 토양을 기반으로한 대체 사료원료 생산보다는 담수를 이용하여 사료 자원을 생산하는 1 "water basis”로 전환하고 고농도의 탄수화물, 지방, 단백질을 함유하는 바이오매스 자원을 선발하여 대량생산하는 것이 바람직할 것으로 여겨진다. 물을 근간으로 한 바이오매스는 에너지용 바이오매스와 경쟁 관계에 있지 않고 아무런 비료원 공급 없이 태양과 공기 중의 C₆만을 이용하여 대량생산이 가능하기 때문에 국내 곡물 사료 원 부족에 따른 사료가격 급등문제에서 벗어나는 좋은 방안이 될 것이다. 또한 물을 이용한 대체사료자원의 생산은 온난화 가스저감에도 기여하기 때문에 궁극적으로 저탄소 녹색성장의 주된 사업으로 동물산업의 역할을 가능케 하는 전환기가 될 것으로 판단된다.
02%의 높은 수준을 보이고 있다. 배합사료 공장과 농가 현장에서는 가축의 생산성을 개선하기 위해 광물질을 추가적으로 공급하고 있다는 점을 고려할 때 이러한 결과는 광물질을 추가적으로 배합하거나 공급하여야 하는 산업에서 경제적인 가치가 높을 것으로 판단되며, 추후 Lemna P. 내 광물질 종류와 함량에 대한 분석연구가 진행되어야할 것으로 판단된다.
조단백질과 조섬유 함량은 알팔파와 비교하여 볼 때 비슷한 수준으로 반 추가 축의 단백질 및 섬유질 공급원으로 가장 선호하는 조사료 자원인 알팔파는 조단백질 및 조섬유 함량이 18% 및 26% 내외인 것으로 알려져 있다. 이러한 결과를 볼 때 Lemna P는 단위동물이나 반추동물에 우수한 단백질 자원 또는 섬유질 자원으로 활용 가치가 높을 것으로 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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