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문제 정의
- 본 연구는 최적 수소생산 능력 비교실험의 하나로서 수소생산능이 우수한 종주인 미국의 Synechococcus sp. Miami BG043511 과 국내종주들의 최적 수소생산을 나타내는 적정 세포 농도를 확인하기 위하여 수행되었다3).
- 국내에서 질소고정 남세균을 이용한 수소생산 연구가 미미함을 생각할 때, 위의 결과들을 바탕으로 국내 연안산 남세균 종주들을 이용한 수소생산 연구의 가능성을 확인하는 동시에 향후의 고효율 수소생산 연구를 위한 기초자료로서 큰 의미를 부여했다고 할 수 있다.
제안 방법
- 농축된 배양체를 30psu의 f/2+BGER-N 배양액에 접종하여, 3일간 100μE m-2s-1의 20℃ 온도와 낮과 밤의 분리 상태를 만들어 주기 위해 14:10 light/dark cycle을 적용한 조건에서 배양하여 Fig. 2와 같이 세포 동조화 시스템을 구축하였다.
- 동조화 배양 : 일반배양 후, 세포 동조화를 통해 수소생산 효율을 높이고자 광조건 및 영양염 농도(N 성분 제외)를 조절하여 실험배양을 실시하였다9,13). 세포동조화는 세포의 주기시점을 일치화시키는 것이며, 일반배양을 통해 고농도로 성장한 배양체를 원심 분리하여 pellet을 획득하였다.
- 동조화 처리한 배양체를 원심 분리하여 pellet을 재 희석하여, 고농도의 실험 배양체를 준비하였으며, hemocytometer를 통해 광학현미경 하에서 초기접종 농도를 계수하였다. 실험 세포농도는 본 연구진의 기존 연구를 통해 수소생산 효율이 높게 나타났던 구간인 1×108cells ml-1 이상으로 조절하여, 25ml의 Fern-Bach flask에 배양체를 3ml씩 넣고 고무마개로 밀봉하였다.
- 3과 같은 시스템을 구성하여 수행하였다. 배양 5일 동안 0, 12, 24, 36, 48, 72, 96 시간대에 수소생산 누적량을 gas chromatograph(SRI-8610C) 로 측정하였다.
- 실험에 적용한 세포농도 범위에서 실험종주들은 저농도에서 고농도로 갈수록 단위 수소생산량이 높게 나타났으나, 적용한 최고 농도에서는 self shading 효과로 인해 급격히 낮아지는 특성을 나타내었다. 세포 구간별 최대 수소생산능의 확인 및 각 종주별 최대 수소생산력을 나타내는 세포농도를 논의하고, 특정농도에서 3종주간의 수소생산력을 비교하였다.
- 수소생산 조건을 만들기 위해 flask 안의 기체를 고순도 질소개스로 완전 치환하였다. 수소생산 실험은 온도 20℃ 및 350μE m-2s-1의 연속 광 환경에서 Fig.
- 실험 세포농도는 본 연구진의 기존 연구를 통해 수소생산 효율이 높게 나타났던 구간인 1×108cells ml-1 이상으로 조절하여, 25ml의 Fern-Bach flask에 배양체를 3ml씩 넣고 고무마개로 밀봉하였다.
대상 데이터
- f/2+BGER 배지는 식물플랑크톤이 성장하는데 필요한 영양염을 멸균해수에 정량 주입하여 만든 영양배지이며, 화학적 조성은 Table 1과 같다. 동조화 배양에는 질소계 이온인 NaNO3를 첨가하지 않은 f/2+BGER-N 배양액을 사용하였다8).
성능/효과
- 1) CB031은 전체 실험농도 구간에서 수소를 생산하였고, BG043511 수준의 수소생산능을 보였다.
- 2) 세 실험종주의 최적 수소생산능을 위한 세포농도 범위가 동일하지 않음이 확인되었으며, 이는 각 종주의 세포 직경, 면적, 부피, self-shading effect 등이 서로 다르기 때문이라 판단된다.
- 3) 각 종주의 최적 수소생산은 (1) 저농도에서 selfshading effect가 완화되며 단위세포 당 생산력이 높아지는 효과와 (2)고농도에서 단위세포 당생산력의 저하에도 불구하고 flask당 수소누적량이 증가하는 두 가지의 서로 배타적인 현상의 교차점에서 나타난다고 할 수 있다.
- 4) 15억 cells ml-1 이상의 배양체에서는 누적 수소 생산량이 측정가능 수준 이하로 확인되었다.
- 5～10×108cells ml-1의 중농도 구간에서 BG043511 0.68, CB031 1.85 및 CB058 1.35ml H2/ml suspension의 평균 최대 수소생산량을 보여, 총 평균 수소생산량에 비해 CB031과 CB058이 약간 우세한 결과를 보였다.
- Fig. 4에서 나타난 결과로부터 우수 수소생산 남세균 종주 BG043511은 15×108cells ml-1 이상 구간을 제외한 전 세포 구간에서 수소생산능을 보였으며 특히 12.1×108cells ml-1에서 최대 수소생산량 2.09ml H2/ml suspension을 나타냄을 알 수 있다.
- Fig. 4의 결과자료를 보면, 세포농도 1～4×108cells ml-1의 저농도 구간에서 평균 최대 수소생산량은 BG043511 0.46, CB031 0.52 및 CB058 0.28ml H2/ml suspension으로 3종주의 전체 평균값인 0.42에 비해 BG043511과 CB031에서 높은 편이었다.
- Fig. 4의 저농도 구간에서의 시간에 따른 수소생산 누적율을 확인한 결과에서, BG043511은 실험시작 후 12시간대에 가장 높은 수소 누적율을 보였으며, 이후 차차 감소하는 경향이 나타났다. 국내 연안산 남세균 두 종주는 24시간대에 가장 높은 수소 누적율을 보였다.
- Fig. 5를 보면 국내 남세균 종주 CB031은 최우수 수소생산 남세균 종주인 BG043511에 비해 우수하게 수소생산 효율을 보인 세포농도 구간이 확인되어, 차후 수소생산 연구를 위한 대상종주로서 높은 가능성을 보여주었다. 그리고 위 실험들을 통해 3 종주 모두 수소생산이 가능한 세포농도의 상한이 15×108cells ml-1임을 확인하였으며, 각 종주세포의 직경, 면적, 부피의 차이로 인해 최적 수소생산 농도와 세포 당 수소생산 효율성이 다르다는 사실을 알 수 있었다.
- 각 종주 별 ml suspension 당 수소생산량을 1×108cells ml-1 단위의 수소생산력으로 환산하였을 때, 세포농도가 낮을수록 수소생산력이 높아지는 결과를 보였다.
- 그리고 위 실험들을 통해 3 종주 모두 수소생산이 가능한 세포농도의 상한이 15×108cells ml-1임을 확인하였으며, 각 종주세포의 직경, 면적, 부피의 차이로 인해 최적 수소생산 농도와 세포 당 수소생산 효율성이 다르다는 사실을 알 수 있었다.
- 실험에 적용한 세포농도 범위에서 실험종주들은 저농도에서 고농도로 갈수록 단위 수소생산량이 높게 나타났으나, 적용한 최고 농도에서는 self shading 효과로 인해 급격히 낮아지는 특성을 나타내었다. 세포 구간별 최대 수소생산능의 확인 및 각 종주별 최대 수소생산력을 나타내는 세포농도를 논의하고, 특정농도에서 3종주간의 수소생산력을 비교하였다.
- 전 구간의 수소생산 비율을 확인해 볼 때 약 1～13×108cells ml-1 사이에서 수소생산이 가능하며, 특히 세포 당 수소생산 효율을 비교했을 시 1～4×108cells ml-1의 저농도 구간에서 높은 수소생산 효율을 확인할 수 있었다.
- 전체 세포농도 구간에서 각 종주의 ml suspension 당 평균 수소생산량은 BG043511이 0.76, CB031이 1.09, CB058이 0.54ml로 나타났다. 각 종주 별 ml suspension 당 수소생산량을 1×108cells ml-1 단위의 수소생산력으로 환산하였을 때, 세포농도가 낮을수록 수소생산력이 높아지는 결과를 보였다.
- 그리고 위 실험들을 통해 3 종주 모두 수소생산이 가능한 세포농도의 상한이 15×108cells ml-1임을 확인하였으며, 각 종주세포의 직경, 면적, 부피의 차이로 인해 최적 수소생산 농도와 세포 당 수소생산 효율성이 다르다는 사실을 알 수 있었다. 즉 수소생산 세포 당 효율은 저농도 구간에서 광에 대한 활성도가 높은 탓에 모든 종주가 높게 나타나 세포농도 조절이 광에 대한 유기물 획득의 유리함을 확인 할 수 있었으며, 세포농도를 조절하여 최대 수소생산량 구간을 종주별로 확인함으로써 세포농도와 광효율의 최적 적합 교차범위를알 수 있었다3).
- 특히 위에서 언급한 Fig. 6의 저농도 구간에서 실측된 수소생산량의 시간적 변동을 살펴보면, ml suspension 당 평균 수소생산 값은 BG043511이 측정 12시간대에 가장 높게 나타났으나, 1×108cells ml-1 단위 당 평균 수소생산 값은 CB031과 CB058에서 24시간대 가장 높은 값이 나타났다.
- 종주별 ml suspension 당 수소생산량은 저농도 구간에서는 CB031종주가 BG043511종주보다 높은 반면, CB058종주는 세 종주 가운데 가장 낮게 Table 2와 같이 나타났다. 특히 중농도 구간에서 CB031과 CB058종주는 BG043511종주에 비해 각각 3배, 2배 이상의 수소생산력을 보였다. 고농도 구간에서 BG043511은 국내 두 종주 보다 수소생산량이 높았으나, 다른 농도구간에 대비 세포 당 수소생산량은 낮은 값으로 나타났다.
후속연구
- 35ml H2/ml suspension을 나타냈으며, 저농도 구간에서 세포 당 수소생산 효율이 BG043511 대비했을 경우 중간 값을 나타냈다. 이 종주는 중농도 구간에서 수소생산능이 우수한 특징을 보였으나, 전체적인 세포농도구간에서의 많은 수소생산 측정결과가 미비하였지만 추가 우수종주가 될 가능성을 남겨 추가 실험이 필요함을 제시하였다.
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