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문제 정의
- 또한 이 연구를 수행한 지역인 마이크로네시아 연방의 축주는 태양광 조건과 기온이 스피룰리나 배양에 적합한 자연환경을 보유하고 있으나, 상대적으로 안정적 대량생산을 위한 인프라가 낙후된 곳이므로 저가 배양액 개발 및 양호한 품질을 가진 지역 상품으로 개발하는데 중요한 고려기준이 될 수 있다. 따라서 스피룰리나의 성장 및 품질은 동일한 배지를 사용하더라도 배양환경에 따라 종종 다르게 나타나는 특성(Goksan et al. 2007)을 고려하여 자연조건에서 요소를 첨가한 배지를 사용하여, 가능성을 평가하고 안정적인 스피룰리나의 대량배양을 위한 경제적 배양배지 개발 및 품질평가의 기초자료를 얻고자 이 연구를 수행하였다.
- 스피룰리나(S. platensis)의 최대 배양을 위해서는 우선 적정량의 광량, 영양염, 탄소원의 지속적인 공급 및 높은 배양온도(30-35℃)가 필요하지만(Oliveira et al. 1999), 이 연구에서는 축 주 현지의 자연환경을 이용하고 경제적인 배양방식을 고려하는 것이 목적이므로 온도 및 광량, 자연으로부터 유입되는 우수까지도 현지의 자연적인 기후조건에 의존하여 실험을 수행하였다. 광량은 일반적으로 맑은 날과 흐린 날의 최대값이 각각 3,300과 429 µmol photons m−2s−1로 그 차이가 꽤 크게 나타났으며, 수온은 실험구별 유의한 차이는 없었다.
제안 방법
- 001 g L−1이었다. 각각의 배양용기에서 20 mL씩 2일 간격으로 시료를 채수하였고, 수집된 시료는 미리 무게를 잰 GF/F(Whatman) 필터를 통과시킨 후 60℃ 조건의 건조 오븐에서 24시간 건조하였으며 증류수 20 mL을 통과시킨 GF/F 필터를 대조구로 사용하였다. 건조된 필터의 무게를 측정하였고, g L−1로 환산하여 표기하였다.
- 단위 시간당 바이오매스의 증가는 최대 비성장률[maximum specific growth rate: µmax(day−1) = ln(X1/X0)/t1 − t0)]을 이용하여 산정하였다(Pirt 1975).
- 미량원소는 토양 추출물로 대체하였으며(Andersen 2004), 배지 내 토양 추출물의 농도는 A, B, C 실험구 및 대조구(R1)에 동일하게 2 g L−1이 유지되도록 하였다.
- , Ltd, Taiwan)를 사용하여, 2일 간격으로 오전 9시, 오후 1시, 오후 5시에 각각 측정하였다. 배양액의 수온, pH 및 염분은 광량 측정과 동일한 시간에 수질측정기(MPS556, YSI Incorporated, USA)를 사용하여 측정하였다.
- 최종적으로 각 실험구별 배양 스피룰리나는 실험 종료일에 20 µm 망목의 뮬러가제를 사용하여 모두 수확하였고, −70℃의 초저온냉동고에 보관하였다. 보관 48시간 후, 스피룰리나의 생화학적 분석을 위해 동결건조기(Ilshin biobase, FD8518)로 건조하였다.
- 스피룰리나의 배양환경 중 광량변화는 조도측정기(Lux/Fc Light Meter-205, TENMARS, Electronics Co., Ltd, Taiwan)를 사용하여, 2일 간격으로 오전 9시, 오후 1시, 오후 5시에 각각 측정하였다. 배양액의 수온, pH 및 염분은 광량 측정과 동일한 시간에 수질측정기(MPS556, YSI Incorporated, USA)를 사용하여 측정하였다.
- 실험 종료일에 오염생물 출현 여부 및 스피룰리나 각 개체의 나선 횟수는 1-mL의 샘플을 혈구계수판에 넣어 도립현미경(Olympus, CKX41, Japan)으로 관찰하였다. 최종적으로 각 실험구별 배양 스피룰리나는 실험 종료일에 20 µm 망목의 뮬러가제를 사용하여 모두 수확하였고, −70℃의 초저온냉동고에 보관하였다.
- 실험구 A에는 요소 2 g L−1, 실험구 B는 요소 4 g L−1, 실험구 C는 요소 6 g L−1를 유지하였고, AC 실험구의 1,2,3에는 각각 5, 7.5, 10 g L−1의 중탄산나트륨을 첨가하여 A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3, 질소원으로 요소 대신 질산나트륨을 첨가한 대조군 R1까지 총 10개의 실험을 실외에서 진행하였다.
- 탄소원으로 탄산나트륨(Na2CO3)을 추가로 첨가하였으며 질소원 및 탄소원 외에 다른 영양염들은 Zarrouk’s 배지와 동일하게 첨가하였다(Table 1).
- 현지에서 지하 50 m에서 채수한 지하수를 이용하여 배양수와 산의 표층부에서 채취한 일반토양을 각각 500:1(w/w) 비율로 희석시키고 90℃까지 가열한 후 실온에서 12시간 보관하여 침전물을 가라앉게 하였고 토양 희석액의 상등액만을 멸균된 20-L 플라스틱 용기에 옮겨 담아 토양 추출물을 만들었고, 스피룰리나 배양에 필요한 다른 영양염들을 추가로 첨가하여 배지로 사용하였다.
대상 데이터
- 7월부터 11월 사이에는 무역풍이 부는 시기이며, 이 시기에는 태양광이 보다 강하다. 1월부터 3월이 건기에 해당하며, 2월이 연중 가장 건조한 시기인데(Eroarome 2009), 본 실험은 2007년 9월 실외배양 조건에서 14일 동안 진행되었다.
- 스피룰리나 균주(Spirulina platensis)의 배양은 마이크로네시아 연방 축 주에 위치한 웨노섬에서 (7o27'08.8''N, 151o53'53.8''E)에서 수행하였다(Fig. 1).
- 실험에 사용된 요소(CO(NH2)2, 남해화학㈜)는 농업용으로 사용되는 등급이며, 요소 외의 다른 시약은 모두 실험용(Junsei Chemical, Japan)으로 사용되는 등급으로 배지에 첨가하였다. 실험구 A에는 요소 2 g L−1, 실험구 B는 요소 4 g L−1, 실험구 C는 요소 6 g L−1를 유지하였고, AC 실험구의 1,2,3에는 각각 5, 7.
- 스피룰리나 배양 실험은 투명한 원통형 플라스틱 재질의 용기(20-L)에서 진행되었다. 용기속에서 지속적인 교반을 위해 브로워 펌프(AD60, Air high-tech)를 사용하였다. 초기 접종량은 건조 중량으로 0.
이론/모형
- 배양기간 중 성장이 가장 우수했던 실험구 A2의 건조 분말을 우선적으로 선택하여 AOAC(Association of Official Analytical Chemists; Thompson and Merola 1993) 방법에 따라 조체의 단백질, 지방, 탄수화물, 수분, 회분 및 아미노산 함량을 분석하였다.
성능/효과
- 00 g L−1)가 향후 열대환경에서 스피룰리나의 경제적인 생산을 위한 기초자료로 이용이 가능할 것으로 생각된다. 또한 이 연구에서의 단백질 함량은 56.14%를 나타내었는데, 일반적으로 스피룰리나(S. platensis)의 단백질 조성이 46-63%(Becker 2008)인 것을 감안할 때 상대적으로 높은 함량이다. 따라서 실험에 사용된 배지 조성은 스피룰리나의 생산량 및 생화학적 조성을 고려했을 때, 향후 대량배양 연구 및 상용화 단계에 있어 활용이 가능할 것으로 생각된다.
- (9:00 am, 1:00 pm 및 5:00 pm)을 각각 나타냈다. 실험구별 수온의 변화는 유의한 차이가 없었으며, 전 실험구의 배양 수온은 평균 29.22-29.47℃ 범위에서 유지되었다. 요소를 질소원으로 사용한 실험구들(A-C)의 염분은 평균 3.
- 일반성분 분석결과 단백질 56.14%, 탄수화물 16.21%, 지방 0.75%, 수분 4.92%, 회분은 20.98%를 각각 기록하였으며, 아미노산 중에서는 glutamic acid가 14.93%로 가장 높았고, aspartic acid(10.42%), arginine(10.42%)이 그 다음을 차지하였다(Table 4).
- 질산나트륨을 질소원으로 사용한 대조군 R1의 염분 값은 평균 8.46 ± 0.54 psu로 요소를 질소원으로 사용한 실험군보다 유의하게 높은 값을 나타냈다.
- 최대비성장률 및 바이오매스는 A2에서 각각 0.5 day−1과 1.05 g L−1로 가장 높았고, 대조군 R1보다 높게 나타났으며, 일간 최대성장률 또한 A2에서 가장 높게 나타났다(Table 3).
- 최종적으로 각 실험구별 배양 스피룰리나는 실험 종료일에 20 µm 망목의 뮬러가제를 사용하여 모두 수확하였고, −70℃의 초저온냉동고에 보관하였다.
후속연구
- 결론적으로 본 연구에서 실내 배양에 비해 현저하게 불안정한 실외 배양환경에서도 실내배양 못지 않거나, 보다 양호한 성장이 이루어졌고(Table 5), 이 연구에 사용되었던 A2 배지(요소 2.00 g L−1 및 중탄산나트륨 7.50 g L−1, 토양 추출물 2.00 g L−1)가 향후 열대환경에서 스피룰리나의 경제적인 생산을 위한 기초자료로 이용이 가능할 것으로 생각된다.
- platensis)의 단백질 조성이 46-63%(Becker 2008)인 것을 감안할 때 상대적으로 높은 함량이다. 따라서 실험에 사용된 배지 조성은 스피룰리나의 생산량 및 생화학적 조성을 고려했을 때, 향후 대량배양 연구 및 상용화 단계에 있어 활용이 가능할 것으로 생각된다.
- platensis pacifica)를 이용하여 기업형 대량배양 조건이 구축(Cyanotech 2013)되어 있는 반면, 국내에서는 실험실, 20톤급 플랜트 규모의 배양 및 생리활성에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한 이 연구를 수행한 지역인 마이크로네시아 연방의 축주는 태양광 조건과 기온이 스피룰리나 배양에 적합한 자연환경을 보유하고 있으나, 상대적으로 안정적 대량생산을 위한 인프라가 낙후된 곳이므로 저가 배양액 개발 및 양호한 품질을 가진 지역 상품으로 개발하는데 중요한 고려기준이 될 수 있다. 따라서 스피룰리나의 성장 및 품질은 동일한 배지를 사용하더라도 배양환경에 따라 종종 다르게 나타나는 특성(Goksan et al.
- 요소는 질소원으로 중탄산나트륨은 탄소원으로 모두 미세조류의 성장과 밀접한 관계가 있기 때문에(Becker 2008) 저비용으로 최대 성장을 이끌어 내기 위해서는 두 영영염의 상관관계도 향후 실험에서 고려되어야 할 것으로 생각된다. 2 g L−1의 요소가 첨가된 배지(A1-A3)에서는 7.
- (2001)은 결과적으로 질산나트륨을 첨가한 실험구에서 스피룰리나의 성장이 높은 것으로 나타났지만, 대량배양시 경제적인 측면을 생각해 볼 때, 요소는 좋은 질소원이 될 것으로 전망하였다. 이 연구뿐만 아니라 선행연구들에서 보고된 결과로부터 요소를 질소원으로 사용한 미세조류의 대량배양에 있어서 주요 문제점으로 높은 농도의 요소가 배양 배지에 녹아 있을 때 발생하는 암모니아의 독성으로 파악되며, 이를 해결하기 위해서는 낮은 농도의 요소가 배양환경에 계속해서 유지될 수 있도록 소량의 요소를 지속적으로 공급하는 fed-batch 공정과정으로 배양하는 것이 좋을 것으로 생각된다.
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