[논문]초고온성 고세균 Thermococcus onnurineus NA1에 의한 수소생산

김옥선; 나정걸; 김해진; 이영우; 김미선

doi:10.7316/khnes.2011.22.5.671

초고온성 고세균 Thermococcus onnurineus NA1에 의한 수소생산
Hydrogen Production from Hyperthermophilic Archaebacteria Thermococcus onnurineus NA1 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.5, 2011년, pp.671 - 677

김옥선 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터) , 나정걸 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터) , 김해진 ((주)엔솔테크) , 이영우 (녹색에너지기술전문대학원) , 김미선 (한국에너지기술연구원 폐자원에너지센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A hyperthermophilic archaeon, $Thermococcus$ $onnurineus$ NA1 was studied to investigate its fermentation characteristics using various carbon sources including formate, maltose and carbon monoxide during the anaerobic batch cultivation at $80^{\circ}C$. Formate was the best carbon source for cell growth and hydrogen production among others. In the batch culture on formate, it was found that the cell concentration increased exponentially by 12 hrs of culture, after which the cell growth and formate consumption was retarded. Hydrogen production was continued more than 24 hrs although the cell growth was ceased at 18 hrs. Hydrogen production rate was directly correlated with the cell growth and formate degradation up to 18 hrs, and the average hydrogen production yield was 1.05 mole-$H_2$/mole-formate. Cell growth and hydrogen production were optimized at the initial pH 6-7, while inhibited at the initial pH lower than 5 and higher than 9.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

0으로 하여 80℃에서 24시간 동안 혐기조건에서 배양하는 과정 중 균체성장, 수소 생산량, formate 분해율을 관찰하였다. 또한 초기 formate 농도 및 pH가 세포성장과 수소생산에 미치는 영향을 연구하였다.
. 본 연구에서는 formate(유기산), maltose(당류), CO(가스) 등의 다양한 탄소원을 이용하였을 때 NA1의 균체 성장과 수소생산에 대해 살펴보았다.
본 연구에서는 다양한 기질을 이용하여 T.onnurineus NA1의 균체성장 및 수소생산을 확인하였으며, 그 중 가장 활발한 성장을 나타내는 formate를 이용하였을 때의 수소생산 특징을 살펴보았다. 초기 formate 농도와 pH를 각각 150 mM과 7.

제안 방법

1) 다양한 탄소원에 대한 T. onnurineus NA1의 회 분식 배양을 수행하였다. 균체 성장 및 수소 생산 측면에서 formate가 가장 우수한 탄소원인 것으로 나타났다.
Formate는 HPLC를 사용하여 분석하였다. 발효액을 12,000 rpm(Eppendorf, centrifuge 5415D)에서 5분간 원심분리하고 상등액을 0.
가장 우수한 생산성을 나타낸 formate를 이용하였을 때 Thermococcus onnurineus NA1의 균체 성장 및 수소 생산 특성을 보기 위하여 80℃에서 24시간 동안 배양하며 3시간마다 샘플을 채취하였다. pH는 7.
배양액의 pH는 pH meter(TOA, model 30G)로 실온에서 측정하였고, 균체농도는 UV-VIS spectrophotometer (Shimadzu UV-1601)로 파장 660 nm에서 흡광도를 측정한 후 건조 균체량과의 상관식으로부터 환산하여 계산하였다.
탄소원으로 CO를 이용하였을 때에도 앞에서 말한것과 동일하게 head space와 배지를 CO를 이용하여 치환시켜 주었다. 배양은 80℃의 water bath(N-BIOTEK, INC.NB-302)에서 이루어 졌으며 모든 실험은 3회 반복하여 평균값을 기록하였다.
수소함량은 serum bottle head space의 gas를 gas-tight microsyringe로 100㎕를 채취하여 gas chromatography(Shimadzu 14B)로 분석하였다. GC 분석조건은 Table 1에 정리하였다.
초기 formate 농도가 세포성장 및 수소생산에 미치는 영향을 관찰하고자 formate 초기 농도를 0, 75, 150, 300 mM로 달리하여 8시간 동안 배양을 수행하였다. 배양시간을 8시간으로 한 이유는 균체가 활발히 성장할 때의 특성만을 보기 위함이다.
onnurineus NA1의 균체성장 및 수소생산을 확인하였으며, 그 중 가장 활발한 성장을 나타내는 formate를 이용하였을 때의 수소생산 특징을 살펴보았다. 초기 formate 농도와 pH를 각각 150 mM과 7.0으로 하여 80℃에서 24시간 동안 혐기조건에서 배양하는 과정 중 균체성장, 수소 생산량, formate 분해율을 관찰하였다. 또한 초기 formate 농도 및 pH가 세포성장과 수소생산에 미치는 영향을 연구하였다.
초기 pH를 4, 5, 6, 7, 8, 9로 달리하여 8시간 동안 세포성장 및 수소생산을 관찰하였다. 초기 균체 농도는 0.
초기 균체 농도를 0.005(g/L)로 하여 48시간 동안 배양하였으며 탄소원의 초기 농도는 formate 1% (150mM), CO 100%(100mM), maltose 1%(30mM)와 maltose 5.4%(150mM)로 하였다.
혐기상태로 만들어 주기 위하여 head space와 배지를^12,13) 알곤 가스로 10분 이상 충분히 치환을 시켜주었다. 탄소원으로 CO를 이용하였을 때에도 앞에서 말한것과 동일하게 head space와 배지를 CO를 이용하여 치환시켜 주었다. 배양은 80℃의 water bath(N-BIOTEK, INC.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 하는 수소생산 미생물은 고세균의 일종인 Thermococcus onnurineus NA1으로 파푸아뉴기니 해역의 열수구 지대에서 채취되었다^6,7). NA1은 ‘Thermococcus’의 ‘Thermo-’라는 이름에서 알 수 있듯이 80℃ 이상의 고온에서 서식하는 극한 미생물이다.
003g, trace elements solution 1 ml, vitamin solution 1ml¹⁾. 탄소원으로는 sodium formate, carbon monoxide, maltose를 사용하였다. 초기 pH는 2 N HCl을 사용하여 7.

성능/효과

2) 초기 formate 농도를 150 mM로 하였을 때 배양 시간별로 균체 성장 및 수소생산 특성을 살펴 본 결과, 배양 12시간까지 균체 농도가 지수적으로 증가 하다가 그 이후부터는 증가하지 않았으며 formate 소모도 느려졌다. 수소 생산은 균체 성장 정지 후에도 지속되었다.
3) 수소 수율은 배양기간 동안 1.05 mol H₂/molformate로 일정하였고 수소생산 속도는 16시간까지 1.9 L-H₂/L/d이다.
4) 초기 formate 농도가 75 mM 이상일 때 균체성장 및 수소생산은 거의 일정하였다. 배양 12시간 이후에 나타나는 세포 성장 정지는 formate 고갈보다는 독성 물질 축적 때문인 것으로 판단된다.
5) 초기 pH가 6.0-7.0일 때 균체성장 및 수소생산이 활발하였고, 초기 pH 5이하일 때와 9이상일 때에는 균체성장 및 수소생산이 이루어지지 않았다.
각 샘플링 구간에서 생산된 수소 생산량을 formate 소모량으로 나눈 값을 도시한 결과(Fig. 4), 배양기간 동안 균체 및 formate 농도에 무관하게 1.05의 일정한 값을 나타내었다. 식 (2)에 따르면 formate 1 mole 당 이론적으로 수소 1 mole이 생성되어야 하므로 Fig.
onnurineus NA1의 회 분식 배양을 수행하였다. 균체 성장 및 수소 생산 측면에서 formate가 가장 우수한 탄소원인 것으로 나타났다.
5). 나머지 조건에서는 수소생산이 이루어지지 않았고, 최종 pH를 비교해 본 결과 수소생산이 이루어지지 않은 4, 5, 9에서는 pH 변화도 관찰되지 않았다. 균체성장에 있어서도 초기 pH 6-8 일때 이루어 졌으며, 6과 7일 때 활발한 균체성장이 이루어 졌다.
초기 pH가 9일 때 흡광도 값이 높게 나온 이유는 수소생산량을 보았을 때 균체가 아닌 침전물 때문인 것으로 보인다. 따라서, T. onnurineus NA1의 균체성장에 있어서 pH 조절이 중요함을 확인할 수 있었다.
1). 배양액 내 pH 변화를 보면, formate를 이용하였을 때에는 pH가 초기 배양 8시간 동안 8.2까지 상승하였고, 그 후 48시간까지 유지된 반면 maltose 30m M를 이용하였을 때에는 pH가 상승하였다가 7.3으로 감소하였고 maltose 150 mM에서는 6.6까지 감소하였다. CO 이용 시에는 초기 pH 7.

후속연구

CO는 formate와 비교하여 약 50%의 수소발생을 나타내었는데, 이는 탄소원으로서의 이용 효율 이외에 물에 대한 낮은 용해도(<8 ppm @ 80℃) 때문인 것으로 보인다. 따라서, 적절한 가스 전달 향상 방안이 개발된다면 바이오매스나 석탄 등의 중질 탄소원 가스화 공정에서 생산되는 합성가스로부터 수소를 생산하는데 적용할 수 있으리라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생물학적 전환에 의한 수소생산 공정은 어떤 기술인가?	생물학적 전환에 의한 수소생산 공정은 미생물의 다양한 메커니즘에 따라 이루어지며 화학공정에 비하여 온화한 조건에서 운전되고 부산물이 거의 없어 환경 친화적인 기술로 평가되고 있다4,5). 수소를 생산하는 미생물은 크게 광합성 세균, 혐기성 세균, 고세균, 조류 등으로 구분된다.
	수소를 생산하는 미생물은 무엇으로 구분되는가?	생물학적 전환에 의한 수소생산 공정은 미생물의 다양한 메커니즘에 따라 이루어지며 화학공정에 비하여 온화한 조건에서 운전되고 부산물이 거의 없어 환경 친화적인 기술로 평가되고 있다4,5). 수소를 생산하는 미생물은 크게 광합성 세균, 혐기성 세균, 고세균, 조류 등으로 구분된다. 미생물이 갖는 수소생산 기작은 광원의 유무에 따라 수소생산 발생경로가 다를 뿐만 아니라, 기질의 종류 및 미생물 고유의 효소계에 의해 수소생산 기작이 달라진다.
	수소를 생산하는 미생물 중 혐기성세균과 고세균은 어떤 장점이 있는가?	미생물이 갖는 수소생산 기작은 광원의 유무에 따라 수소생산 발생경로가 다를 뿐만 아니라, 기질의 종류 및 미생물 고유의 효소계에 의해 수소생산 기작이 달라진다. 이 중 혐기성세균이나 고세균은 광합성 세균과는 달리 빛이 없는 조건에서도 발효가 일어나므로 다양한 기질을 이용하여 밤·낮 구별 없이 수소를 생산할 수있으며, 균체 성장속도가 빨라 연속 배양이나 대형 시설에 적용하기 편리하다2,10). 특히, 일부 고세균들은 높은 온도에서 기능할 수 있는 효소를 가지고 있고, 계면활성제 및 유기용매 등에 대한 안정성이 매우 우수하여 소량의 효소로도 장기간 사용이 가능하기 때문에 중온성 미생물의 단점을 극복할 수 있다2) . 학문적으로도 내열성의원인 규명, 구조생물학 등의 재료로서 매우 중요하다.

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손한나, 김미선, 2010 : "Rhodobacter sphaeroides KD131에 의한 유기산 광합성 발효 최적화", 한국수소 및 신에너지학회 21권, 2호, pp. 136-142.

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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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