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문제 정의
- 기본적인 최적 조건 결정 후 환경적 요인들의 변수를 조절한다면 미세조류 배양시에 나타나는 시행착오를 줄일 수 있으리라 생각된다. 따라서 본 연구에서는 미세조류 중 지방과 단백질의 함유량이 많아 유용성이 높고, 생명력이 강한 Chlorella vulgaris (C. vulgaris)의 온도, 광세기 및 pH에 따른 증식률을 보고자 하였다.
제안 방법
- 15일 동안 배양한 C. vulgaris를 원심분리기에 배지와 분리한 후 3 g 을 1,000 mL 배지에 넣고, pH 따른 증식률 실험은 항온기에 넣어 (25℃) pH 3, 4, 5, 6, 7, 7.5, 9 로 실험하였다. 온도에 따른 증식률과 온도와 Light Intensity를 통한 증식률 실험은 pH 7~7.
- C. vulgaris의 증식률을 위한 Cell-counting은 용액을 50 mL/Falcon 튜브에 담아 글루타르 용액으로 최종 농도 1%로 고정 시킨 후, 고정한 시료를 4시간 이내에 광학 현미경 하에서 200X 배율로 측정하였다. 총 엽록소 측정은 500 mL를 GF/F (Ø 0.
- Light Intensity 100 µEm-2s-1에서 25℃와 30℃에서의 C. vulgaris 증식률은 큰 차이가 없어서 본 실험에서는 25℃에 온도를 맞추어 C. vulgaris 최적의 배양기간을 알아보았다.
- 엽록소 측정은 100 mL 시료를 20 µm, 3 µm, 0.45 µm (GF/F 필터)로 단계적으로 여과한 후, 각각의 필터를 총 엽록소 분석방법과 동일하게 실시하였다.
- 45 µm, Wattman)필터로 여과한 다음, 습기를 제거하고 90% 아세톤으로 암/냉장 하에서 12시간 동안 색소를 추출하여 실시하였다. 엽록소는 형광분석기(TD-700, Turner Designs)를 이용하여 흡광도를 측정한 후, 엽록소 a 값으로 환산하였다. 엽록소 측정은 100 mL 시료를 20 µm, 3 µm, 0.
- 온도에 따른 증식률과 온도와 Light Intensity를 통한 증식률 실험은 pH 7~7.5에 맞추어 실험하였으며, 다양한 온도(10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃)와 다양한 광세기(100~800 µEm-2s-1로 나누어 실험하였다.
- 총 엽록소 측정은 500 mL를 GF/F (Ø 0.45 µm, Wattman)필터로 여과한 다음, 습기를 제거하고 90% 아세톤으로 암/냉장 하에서 12시간 동안 색소를 추출하여 실시하였다.
대상 데이터
- 분양받은 C. vulgaris (FC-16) (3~8 µm) 10 mL를 100 mL의 Jaworski's Medium (4.0 g Ca(NO3)2 ․ H2O, 2.48 g KH2PO4, 10.0 g MgSO4․ 7H2O, 3.18 g NaHCO3, 0.45 g EDTAFeNa, 0.45 g EDTANa2, 0.496 g H3BO, 0.278 g MnCl2․ 4H2O, 0.20 g (NH4)6Mo7O24 ․ 4H2O, 0.008 g Cyanocobalamin, 0.008 g Thiamine HCl, 0.008 g Biotin, 16.0 g NaNO3 and 7.2 g Na2HPO 4․12H2O in per 200 mL)에 접종시킨 후 25℃의 항온기에서 15일간 증식시켰다.
- 실험에 사용된 C. vulgaris (FC-16)는 한국해양미세조류 은행(KMMCC)에서 3~8 µm 크기의 둥근모양을 분양 받았다.
성능/효과
- 1) 같은 양의 C. vulgaris를 증식하는데 걸리는 시간은 10℃에서는 25~35℃ 보다 약 5.2~5.5배의 시간이 더 걸리는 것을 알 수 있었다. Chlorophyll 색소의 함량도 25~35℃가 10℃에서 증식시킨 C.
- 1) 미세조류의 단위면적당 바이오디젤 생산은(오일 함량이 30%인 경우) 약 58,700 L/ha로 대두(446 L/ha)에 비해 130배 많다.2) 이와 같은 이유로 Haag 3)는 미세조류에서 생산되는 바이오 디젤을 “Green Gold”라 칭했다.
- 2) 단위 면적당 Cell Volume은 25~35℃가 10℃ 보다 14% 이상 높았으며, 본 실험에서 C. vulgaris 최적 배양온도는 25~35℃였다. 배양기간은 15일이 가장 적당하였다.
- 21) 광세기 100 µEm-2s-1에서 10℃에서는 0.2 day-1, 15℃에서 0.69 day-1, 20℃에서 0.9 day-1, 25℃에서 1.15 day-1, 30℃에서 1.2 day-1 그리고 35℃에서 1.05 day-1가 측정되어 30℃, 100 µEm-2s-1에서 C. vulgaris의 증식률이 가장 높았다.
- 24) 또한, pH는 미세조류에 대한 암모니아의 독성에 영향을 미치는데 이는 NH3와 NH4 비율의 영향에 따른 미세조류의 생존에 영향을 미친다.25) 이미 20년 동안의 연구결과 pH는 미세조류안의 CO32-, HCO3- 및 CO2의 상대적인 양의 상관관계에 영향을 미치는 즉, 무기 탄소의 가용성에 영향을 미쳐 pH가 직접적으로 C. vulgaris의 대사속도에 영향을 미침을 발견했다.26) Fig.
- 3) 초기부터 5일까지 C. vulgaris의 배양속도는 느리게 증가했지만, 6일 이후부터 15일까지는 폭발적으로 증가했다. 또한 15일 이후에는 거의 증식이 멈춰 C.
- 4) pH 7.5와 pH 7에서 C. vulgaris의 증식률은 가장 높았고, 비슷한 증식속도를 나타내었다. 반면 pH 3, 9에서는 증식률이 현저하게 낮았으며 시간이 지남에 따라 오히려 폐사하였다.
- 5배의 시간이 더 걸리는 것을 알 수 있었다. Chlorophyll 색소의 함량도 25~35℃가 10℃에서 증식시킨 C. vulgaris 보다 5~5.5배 높았다.
- pH 3과 pH 9에서 C. vulgaris 증식률은 현저하게 저조했으며, pH 7과 pH 7.5에서의 C. vulgaris 증식률은 pH 3과 9에서보다 80~85% 정도 높았다. pH 7과 pH 7.
- 5가 pH 7 보다 약간 증식률이 높기는 했으나, 거의 차이가 없이 비슷한 증식률을 나타냈다. pH 3과 pH 9에서의 C. vulgaris 증식률은 25시간 후에는 전혀 변화가 없었고, 약 5일 후(125시간)에는 모든 pH에서 증식률에 큰 변화가 없었다. 초기 2일 동안 C.
- 광세기 400 µEm-2s-1 이상에 서는 20℃와 25℃에서 각각 0.57 day-1, 0.52 day-1의 C. vulgaris의 증식율이 측정되어 30℃의 0.28 day-1 보다 50% 정도 C. vulgaris의 증식률이 높음을 알 수 있었다.
- 광세기가 400 µEm-2s-1 이상이 되면 C. vulgaris의 증식율에 변화가 없어 C. vulgaris의 활동력이 현저히 떨어짐을 알 수가 있었다.
- vulgaris의 배양속도는 느리게 증가했지만, 6일 이후부터 15일까지는 폭발적으로 증가했다. 또한 15일 이후에는 거의 증식이 멈춰 C. vulgaris의 배양은 15일 이내가 적당한 것을 알 수 있었다.
- vulgaris의 배양속도는 느리게 증가했지만, 6일 이후부터 15일까지는 폭발적으로 증가했음을 알 수 있다. 또한 15일 이후에는 거의 증식이 멈춰 C. vulgaris의 배양은 15일 정도가 적당한 것을 알 수 있었다. Wu and Shi23)도 Chlorella를 고밀도 배양하기 위한 최적화 실험에서 12~15일이 Chlorella 배양에 최적 기간임을 발표했다.
- vulgaris의 증식률이 가장 높음을 알 수 있었다. 본 실험 결과에서도 25~35℃가 10℃ 보다 doubling time 및 클로로필 함량이 5배 이상 높았다. 반면 25~35℃ 사이에는 거의 변화가 없었다.
- 셀 당 클로로필 함량은 10℃에서 120±28 fg, 15℃에서 230±30.2 fg, 20℃에서 390±35.6 fg, 25℃에서 632±43 fg, 30℃에서 633±42.3 fg 그리고 35℃에서 633± 43.1 fg이 측정되어 C. vulgaris를 증식하는데 doubling time과 마찬가지로 25~35℃에서는 셀 당 클로로필 함유량이 비슷했으며, 10℃에서 증식시킨 C. vulgaris 보다 클로로필의 함량이 5.0~5.5배 높았다.
- 실험결과 25~30℃ 사이와 100~150 µEm-2s-1의 광세기가 C. vulgaris의 증식에는 최적의 조건임을 알 수 있었다.
- vulgaris가 폭발적으로 증가했음을 알 수 있었다. 실험결과 pH 7~7.5 정도가 가장 성장률이 좋았고 pH가 너무 낮거나 높을 경우 (pH 3 이하 또는 pH 9 이상) 증식률이 저조할 뿐만 아니라 오히려 폐사했다. Mayo와 Noike는27) pH가 높으면 C.
- vulgaris는 광합성을 통하여 생성된 글루코스로 살아간다. 실험결과 pH가 8 이상일 경우 글루코스의 친화력은 감소하기 시작했으며 즉, pH가 너무 높거나 낮은 경우 (pH가 3 이하이거나 9 이상) C. vulgaris는 성장에 필요한 글루코스를 축적하기가 어려워 폐사한 것으로 추측된다.17)
- 실험결과 조도가 120 µEm-2s-1까지는 조도가 높아질수록 광합성률이 높아지지만, 조도가 120 µEm-2s-1 이상에서는 아무리 조도를 증가시켜도 광합성률은 증가하지 않았다.
- 온도와 광세기의 관계에 따른 증식률의 실험에서 나타났듯이 C. vulgaris는 25~30℃ 사이에서 증식률이 가장 높았고, Light Intensity가 강할수록 25℃에서의 증식률은 다른 온도보다 높게 유지되었다. Light Intensity 100 µEm-2s-1에서 25℃와 30℃에서의 C.
- vulgaris 증식률은 25시간 후에는 전혀 변화가 없었고, 약 5일 후(125시간)에는 모든 pH에서 증식률에 큰 변화가 없었다. 초기 2일 동안 C. vulgaris가 pH 5에서는 67%, pH 7에서는 81%, pH 7.5에서는 85%의 증가율을 보여 pH 3과 pH 9를 제외하고 C. vulgaris가 폭발적으로 증가했음을 알 수 있었다. 실험결과 pH 7~7.
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