선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구는 최적 수소생산 능력 비교실험 및 최적 수소생산 조건 탐색 연구의 일부이다. 수소생산능이 우수한 6개의 한국연안 산 남세균 종주와 대서양산 Synechococcus sp.
가설 설정
- 그러므로 실험종주를 이용한 광생물학적 수소 생산의 효율을 극대화하기 위해, 각각 차등적 온도를 적용한 2단계 과정(two-step process)이 요구된다 하겠다. 즉, 1) 배양 온도 30℃에서 제 일 단계로 개체군의 최적 성장을 유도하여 생물량을 확보한 다음, 2) 수확한 배양체를 수소생산 조건에서 배양하되 최적 수소생산 온도인 20℃를 적용하는 제 이 단계 등이 그 것이다.
제안 방법
- 100μE m-2 s-1의 연속 광, 20℃의 일정한 온도 조건에서 2주간 회분식 배양을 실시하였다.
- 1) 연속광에서 배양하여 고농도의 배양체를 생산한 다음, 2) 이를 원심분리하여 얻은 pellet을 목표 농도로 희석한 실험 배양체를 질소고정 조건에서 동조화 시키고, 3) 5일간의 질소고정과 동조화를 거친 배양체로 부터 pellet을 생산하여, 4) 고농도의 세포 현탁액을 만든 후, 이를 이용하여 수소생산 측정 실험을 실시하였다.
- 한국 연안산 남세균 종주 6개와 대서양산 남세균 Synechococcus sp. Miami BG043511 종주를 연속광에서 일반 배양한 후, 고농도로 성장한 실험 배양체를 원심분리하여 pellet으로 수확하였다. Pellet을 염분 30psu의 f/2+BGER-N(질소원인 NaNO3를 첨가하지 않음; Table 1) 배양액에 재 부유시켜 각각 약 10mL의 농축 배양체를 준비하였다.
- 접종 초기의 세포농도는 본 연구진의 기존 수소생산 연구를 통해 확인된 각 종주별 최적 세포농도를 적용하였다(CB002, CB026, CB031, CB054, CB055 : 6억 cells mL-1, CB058 : 8억 cells mL-1, BG043511 : 12억 cells mL-1)2). 각 배양체를 25mL의 Fern-Bach flask에 3mL 씩 넣고 고무마개로 밀봉한 후, 수소생산량 측정을 위해 고무마개를 통해 주사바늘로 플라스크의 head space와 주사기를 연결하였다. 수소생산을 위해 flask 내 기체를 고순도 질소가스로 100% 치환하고, 광도 350μE m-2 s-1의 연속 광 환경에서 온도 10, 20, 35℃를 적용하여(Fig.
- 다음으로 30psu의 f/2+BGER-N 배양액 200mL이 담긴 250mL 투명 실험용기 2개에 농축 배양체를 접종하여, 초기농도가 5 × 105 cells mL-1이 되도록 하였다. 광원에 대한 각 세포의 평균 노출도를 동일한 수준으로 유지하여 자체 음영효과(self-shading effect)를 배제하기 위하여, 멸균 솜으로 여과한 공기를 배양액에 연속 주입하였다. 온도 20℃에서 100μE m-2 s-1로 14:10 L:D cycle의 광주기를 적용하여, 5일간 동조화 배양을 실시하였다.
- 수소생산을 위해 flask 내 기체를 고순도 질소가스로 100% 치환하고, 광도 350μE m-2 s-1의 연속 광 환경에서 온도 10, 20, 35℃를 적용하여(Fig. 2) 배양하였다.
- 2) 배양하였다. 실험 시작 후 0, 12, 24, 36, 48, 72시간 등의 6개 개스시료 채취점에서 gas chromatograph(SRI8610C)를 이용하여 수소생산 누적량을 측정하였다.
- 염분 30 psu의 f/2+BGER 배양액(Table 1)을 사용하여 24일 동안 회분식 배양(batch culture) 실험을 실시하였다. 종주별로 각각 1000 cells mL-1이 되도록 초기에 접종하고, 100μE m-2 s-1의 연속 광 조건에서 20, 25, 30, 35℃의 4개 온도 구간을 적용하였다.
- 염분 30psu의 f/2+BGER 배양액(Table 1) 500mL에 종주배양체 20mL를 접종 후, 광원에 대한 각 세포의 평균 노출도를 동일한 수준으로 유지하기 위해, 멸균 공기를 배양액에 연속 주입하였다. 100μE m-2 s-1의 연속 광, 20℃의 일정한 온도 조건에서 2주간 회분식 배양을 실시하였다.
- 온도 20℃에서 100μE m-2 s-1로 14:10 L:D cycle의 광주기를 적용하여, 5일간 동조화 배양을 실시하였다.
- 고정시료 내 생물량의 분석은 광학현미경 하에서 Sedgwick-Rafter 계수판과 혈구 계수판을 이용하여 수행되었다. 작성한 각 온도 별 성장곡선에서 연속 3일간의 지수성장 구간을 대표하는 성장 속도를 평균 일일 최대 성장률로 삼았다.
- 질소 고정 조건에서 동조화 전처리를 마친 배양체를 원심분리하여 얻은 pellet을 재 희석하여 초고농도의 수소생산 용 실험 배양체를 준비하였다. 접종 초기의 세포농도는 본 연구진의 기존 수소생산 연구를 통해 확인된 각 종주별 최적 세포농도를 적용하였다(CB002, CB026, CB031, CB054, CB055 : 6억 cells mL-1, CB058 : 8억 cells mL-1, BG043511 : 12억 cells mL-1)2). 각 배양체를 25mL의 Fern-Bach flask에 3mL 씩 넣고 고무마개로 밀봉한 후, 수소생산량 측정을 위해 고무마개를 통해 주사바늘로 플라스크의 head space와 주사기를 연결하였다.
- 수소생산능이 우수한 6개의 한국연안 산 남세균 종주와 대서양산 Synechococcus sp. 종주 Miami BG0435119)의 개체군 성장과 광생물학적 수소 생산 각각을 위한 두 가지의 최적 온도를 탐색하였다.
- 종주별로 각각 1000 cells mL-1이 되도록 초기에 접종하고, 100μE m-2 s-1의 연속 광 조건에서 20, 25, 30, 35℃의 4개 온도 구간을 적용하였다.
- Pellet을 염분 30psu의 f/2+BGER-N(질소원인 NaNO3를 첨가하지 않음; Table 1) 배양액에 재 부유시켜 각각 약 10mL의 농축 배양체를 준비하였다. 준비된 농축 배양체의 세포농도를 결정하기 위해 농축 배양체의 0.1mL을 채취하여 f/2+BGER-N 배양액으로 100배 희석한 후 혈구 계수판에 넣어 광학 현미경 하에서 세포를 계수하였다. 다음으로 30psu의 f/2+BGER-N 배양액 200mL이 담긴 250mL 투명 실험용기 2개에 농축 배양체를 접종하여, 초기농도가 5 × 105 cells mL-1이 되도록 하였다.
대상 데이터
- 고농도 세포현탁액(cell suspension)을 희석하여 목표 농도의 배양체를 준비하였다. 질소 고정 조건에서 동조화 전처리를 마친 배양체를 원심분리하여 얻은 pellet을 재 희석하여 초고농도의 수소생산 용 실험 배양체를 준비하였다.
- 0 d-1로 보고된 이전의 결과14)와 비교해 볼 때 현저히 높은 값이다. 적용한 초고온도인 40℃에서 종주들의 성장반응을 확인하기 위해, 국내 연안산 종주 CB031과 대서양산 종주 Miami BG043511을 이용하여 성장실험을 진행하였다(Fig. 4). 40℃에서는 두 종주 모두 개체군의 불규칙한 변동을 보였다.
이론/모형
- 각 실험구에서 24시간 단위로 5mL 씩 2개의 분할시료(subsample)를 취하고 Lugol's solution으로 고정하였다. 고정시료 내 생물량의 분석은 광학현미경 하에서 Sedgwick-Rafter 계수판과 혈구 계수판을 이용하여 수행되었다. 작성한 각 온도 별 성장곡선에서 연속 3일간의 지수성장 구간을 대표하는 성장 속도를 평균 일일 최대 성장률로 삼았다.
성능/효과
- 1) 모든 종주들의 최적 성장온도는 30℃이며, 20℃의 조건보다 지수성장이 약 7일 빠르고, 최대 생물량은 2배 높았다.
- 2) 모든 종주들은 최적온도 30℃ 적용 시, 평균 최대 일일 성장률이 1.78~2.08로 20℃에서 보다 크게 향상되었다.
- 3) 모든 종주들의 실용적 최적 수소생산 온도는 20℃이며, 10℃에서는 생산량이 극히 미미하였다.
- 4) 따라서 실험대상 수소생산 남세균 종주 전체의 생물량 확보를 위한 최적 온도는 30℃이며, 수소생산을 위한 경제적이고 적정한 온도는 20℃라고 판단된다.
- 각 종주 별 3개 온도구간의 수소 누적량을 확인해 본 결과, 모든 종주들이 10℃에서는 미미한 수소 생산능을 보였다. 10℃에서 CB054는 수소 누적량이 검출한계 이하였으며, 다른 종주들은 0.
- 결론적으로, 종주들의 개체군 성장을 위한 최적온도는 30℃인 반면 수소생산 조건에서 확인된 최적의 수소생산 온도는 20℃인 것으로 확인되었다. 그러므로 실험종주를 이용한 광생물학적 수소 생산의 효율을 극대화하기 위해, 각각 차등적 온도를 적용한 2단계 과정(two-step process)이 요구된다 하겠다.
- 이는 48시간 이후 uptake hydrogenase의 활동성 증가4)와 세포 내 글리코겐의 소진3)으로 인한 현상 등으로 예측할 수 있다. 모든 시험 종주들은 20℃와 35℃에서 서로 유사한 수준의 수소 누적량을 보였다. 수소 누적량 측정치 역시 두 온도 구간에서 큰 차이가 없었으므로(Fig.
- 모든 실험 종주는 20℃에서 다른 온도구간에 비해 약 일주일 늦게 지수성장을 나타내었다(Fig. 3). 또한 20℃의 최대 생물량은 배양 후 15일~20일이 경과되어 뒤늦게 나타났으며, 그 값은 한국 연안산 6종주의경우 1.
- 48 × 106 cells mL-1 이였다. 모든 종주는 30℃에서 가장 빠른 지수성장을 보였는데, 배양 3일~4일 만에 지수성장이 시작되어 5, 6일 만에 각 종주별로 20℃에서 기록한 최대 생물량을 초과하였다. 25℃와 35℃에서는 배양 3일~7일 사이에 지수적 성장이 나타났으며, 일반적인 성장패턴은 25, 30 및 35℃에서 서로 비슷하였다(Fig.
- 54μmole H2/108 cells 범위의 수소 누적량을 나타냈다. 시간대 별 수소 누적량을 살펴보면, 20℃와 35℃ 조건에서 모든 시험종주들은 처음 48시간동안 수소 누적량의 증가를 나타내다가 이후 점차적으로 증가율이 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5). 이는 48시간 이후 uptake hydrogenase의 활동성 증가4)와 세포 내 글리코겐의 소진3)으로 인한 현상 등으로 예측할 수 있다.
- 실험에 사용된 한국 연안산 종주들은(Fig. 1) 모두 Cyanothece 속의 남세균이다. 이들이 채집된 연도와 장소는 2005년 천수만(KNU CB MAL-002), 2006년 고흥(KNU CB MAL-026), 2006년 가로림만(KNU CB MAL-031, 055 및 058), 2006년 부안(KNU CB MAL-054) 및 2006년 가로림만(KNU CB MAL-002) 등이다.
- 40℃에서는 두 종주 모두 개체군의 불규칙한 변동을 보였다. 평균 생물량도 100~1300 cells mL-1 범위의 매우 수준에 머물러 있어 40℃의 고온에서는 이 두 종주의 정상적인 성장이 불가능함을 확인할 수 있었다. 이는 남세균의 성장과 수소생산이 적합한 온도 범위가 20~37℃라는 이전 보고와 40℃에서 광합성율이 감소하는 기존 연구 결과들4,13)과 일치하며, 실험에 사용된 종주 역시 40℃의 고온에서는 성장에 심각한 저해를 받음이 확인되었다(Fig.
후속연구
- 5) 실험대상 수소생산 남세균 종주를 이용한 수소생산의 효율을 제고하려면, 생물량 확보 단계(30℃) 및 수소생산 단계(20℃) 등으로 구성된 서로 적용 온도가 다른 2단계 과정을 구성할 필요가 있다.
- 또한 세포 생육기간과 수소생산기간에서 온도로 인한 세포 내 글리코겐의 변화양상을 정확히 규명한다면, 본 연구를 활용하는데 더욱 의미가 있을 것으로 사료된다. 본 연구진이 세포 내 글리코겐 변화를 확인한 결과에서12), 광합성 시기에는 세포 내 글리코겐의 크기가 크고 분포 면적도 높게 나타나며, 세포 분열 시 광합성으로 확보한 많은 양의 글리코겐이 사용되어 세포당 함량이 감소하는 경향을 확인한 바 있다.
- 이는 세포생육시기와 수소생산 시기에 글리코겐이 중요하게 활용되고 있음을 의미하며11), 수소생산 지속기간의 결정을 위해 중요한 요소임을 시사한다. 본 연구 결과와 연관하여 추후 응용연구로서, 온도 차에 의한 글리코겐의 변화양상을 심층적으로 파악하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.