[논문]광배양 시스템에서 NOx 및 SOx의 배지 pH와 미세조류 생장에 미치는 영향

윤세영; 홍민의; 심상준

doi:10.7316/khnes.2013.24.3.255

광배양 시스템에서 NOx 및 SOx의 배지 pH와 미세조류 생장에 미치는 영향
Effects of NOx and SOx on the Medium pH and microalgal growth in photo-culture system 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.3, 2013년, pp.255 - 263

윤세영 (고려대학교 화공생명공학과) , 홍민의 (성균관대학교 화학공학과) , 심상준 (고려대학교 화공생명공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Carbon dioxide reduction technologies using photosynthetic microorganism were suggested to overcome environmental destruction caused by $CO_2$ in flue gases from power plant and other industries. However, there are many toxic constituents in flue gas including CO, NOx, SOx. Continuous and Excessive supply of these noxious gases to cells will leads to inhibition of microalgal growth along with partial cell death. In this study, we tested the noxious effect of SOx and NOx on the pH and microalgal growth under photoautotrophic culture in three microalgae of Neochloris oleoabundans, Chlorella vulgaris and Haematococcus pluvialis. As a result, SOx concentration more than 50 ppm led to the rapid reduction of pH, thereby inhibiting of the growth in Neochloris oleoabundans and Chlorella vulgaris. NOx concentration more the 100 ppm reduced the exponential growth of N. oleoabundans and C. vulgaris. And H. pluvialis exhibited low sensitivity to SOx and NOx. Consequently, the three microalgae of N. oleabundas, C. vulagaris and H. pluvialis showed the normal vegetative growth in 25 ppm of NOx and SOx. Above all, H. pluvialis was useful for the $CO_2$ sequestration of the flue gas including high concentrations of NOx and SOx.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 미세조류의 광배양에 있어 배가스에 함유된 SOx, NOx가 미세조류의 성장에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 그리하여, 이산화탄소가 포함되어 있는 배가스를 적절하게 이용하여 미세조류를 배양함으로써 이산화탄소의 저감과 동시에 바이오에너지 및 고부가 가치의 부산물을 생산하는 효율적인 광생물 배양공정 시스템을 구축하고자 한다.
따라서 NOx 농도에 따른 배지 내 pH 변화를 통해 배양에 미친 NOx 가스의 저해를 파악하고자 연구를 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 미세조류의 광배양에 있어 배가스에 함유된 SOx, NOx가 미세조류의 성장에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 그리하여, 이산화탄소가 포함되어 있는 배가스를 적절하게 이용하여 미세조류를 배양함으로써 이산화탄소의 저감과 동시에 바이오에너지 및 고부가 가치의 부산물을 생산하는 효율적인 광생물 배양공정 시스템을 구축하고자 한다.
배양기간 동안 SOx 가스의 주입으로 인해 농도에 따라 생육이 가능, 또는 저해되는 것을 위 실험결과를 통해 알 수 있었다. 이에 따라 배양기간 동안 SOx 가스의 주입 농도가 배지환경 내에 미친 pH의 영향을 살펴보고자 하였다.

제안 방법

350mL의 배지에 대수기인 3종의 미세조류 N. oleoabundans, C. vulgaris, 그리고 H. pluvialis를 50 mL 접종하였다. 이에 SOx 가스가 미세조류 배양에 미치는 영향을 확인하기 위하여 5% CO₂ 가스(대조군) 그리고 SOx 가스가 각각, 25ppm, 50ppm, 그리고 100ppm으로 혼합된 SOx 가스를 이용하였으며, 이때 SOx 가스 농도가 미세조류 생장에 미치는 영향을 살펴보았다.
NOx 가스가 미세조류 배양에 미치는 영향을 확인 하기 위하여 5% CO₂ 가스를 주입하거나(대조군), 25 ppm, 50ppm, 그리고 100ppm의 NOx 가스와 혼합하여 NOx 가스의 농도가 미세조류 생장에 미치는 영향을 살펴보았다. 각 미세조류는 접종 초기 농도를 동일하게 조절하였으며, 그 외 배양 조건 역시 대조군(0 ppm SOx)과 실험군에서 모두 동일하게 배양하였다.
이에 SOx 가스가 미세조류 배양에 미치는 영향을 확인하기 위하여 5% CO₂ 가스(대조군) 그리고 SOx 가스가 각각, 25ppm, 50ppm, 그리고 100ppm으로 혼합된 SOx 가스를 이용하였으며, 이때 SOx 가스 농도가 미세조류 생장에 미치는 영향을 살펴보았다. 각 미세조류는 가스주입 시 발생하는 물리적 피해인 전단손상의 영향을 최대한 감소시키기 위하여 접종 초기 농도를 광학밀도(O.D.680)을 이용하여 동일하게 조절하였으며, 그 외 배양 조건 역시 대 조군(0ppm NOx)과 실험군에서 모두 동일하게 배양 하였다.
여과된 단위 부피당 세포의 중량을 측정하였다. 배지 내 pH 측정은 4일 단위로 배양액에서 5mL로 시료를 샘플링 한 후, Electrochemistry (Denver Instrument, USA) 기기를 이용하여 측정하였다.
건조중량은 농도에 따라 배양액의 부피를 달리하여 GF/C 여과지(Whatman, UK)을 이용하여 여과하였다. 여과된 단위 부피당 세포의 중량을 측정하였다. 배지 내 pH 측정은 4일 단위로 배양액에서 5mL로 시료를 샘플링 한 후, Electrochemistry (Denver Instrument, USA) 기기를 이용하여 측정하였다.
pluvialis를 50 mL 접종하였다. 이에 SOx 가스가 미세조류 배양에 미치는 영향을 확인하기 위하여 5% CO₂ 가스(대조군) 그리고 SOx 가스가 각각, 25ppm, 50ppm, 그리고 100ppm으로 혼합된 SOx 가스를 이용하였으며, 이때 SOx 가스 농도가 미세조류 생장에 미치는 영향을 살펴보았다. 각 미세조류는 가스주입 시 발생하는 물리적 피해인 전단손상의 영향을 최대한 감소시키기 위하여 접종 초기 농도를 광학밀도(O.

대상 데이터

pluvialis와 동일 부피의 플라스크에서 TAP-C 배지를 이용하여 배양하였다. 배지는 H₂NC₃ 2.42 g/L, NH4Cl 15 g/L, MgSO₄·7H₂O 4 g/L, CaCl₂·2H₂O 2 g/L, K₂HPO₄ 2.88 g/L, KH₂PO₄ 1.44 g/L, Na₂EDTA·2H₂O 0.5 g/L, ZnSO₄·7H₂O 0.22 g/L, H₃BO₃ 0.114 g/L, MnCl₂·4H₂O 0.05g/L, FeSO₄·7H₂O 0.05g/L, CoCl₂·6H₂O 0.016g/L, (NH₄)6MoO₃ 0.011g/L로 구성되었다. 생장기 동안에 미세조류는 50μE/m2 s의 광도로 유지하여 광자가영양 조건에서 배양하였으며, 이때 온도는 22℃로 유지하였다.
실험에 사용된 균주는 NIES (National Institute for Environmental Studies, Japan)로부터 구매한 Haematococcus pluvialis (NIES-144), UTEX (University of Texas, USA)에서 구매한 Neochloris oleoabundans (UTEX 1185)와 Chlorella vulgaris (UTEX 2714)이다. H.

이론/모형

광배양된 미세조류 세포의 농도는 UV-vis spectrophotometer (Shimadzu, Japan) 기기를 이용하여, 파장 680nm 가시광선 범위에서 흡광법으로 측정하였다. 건조중량은 농도에 따라 배양액의 부피를 달리하여 GF/C 여과지(Whatman, UK)을 이용하여 여과하였다.

성능/효과

1) N. oleoabundans와 C. vulgaris는 50ppm 이상의 SOx 또는 100ppm 이상의 NOx 조건에서 저해를 받는 것으로 나타났다.
2) H. pluvialis는 N. oleoabundans와 C. vulgaris에 비해 SOx 또는 NOx 조건에서 덜 민감하게 반응하였다.
50 - 100ppm NOx 실험군은 C. vulgaris 종에서 NOx 에 의한 세포생장 저해 정도가 가장 높게 나타난 것과 비교했을 때, N. oleoabundans 또는 H. pluvialis는 100ppm NOx에서도 완만한 생장곡선이나타났으므로 NOx가스에 대해서는 영향을 상대적으로 적게 받는 것으로 나타났다(Fig. 3-(c), (Table 2)).
N. oleoabundans는 NOx 가스를 주입한 후 광배양 기간 동안 각 미세조류 별 대조군은 완만한 생장곡선을 보였으나 50ppm과 100ppm NOx 실험군에서는 생장에 저해가 나타났다(Fig. 1-(a)).
또한 특정 농도 이상의 SOx는 SOD(superoxide dismutase) 활성을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 계속되는 SOx와의 접촉으로 인해 발생되는 O₂^-를 SOD에 의하여 H₂O₂(hydrogen peroxide)로 전환 시키고, 이 활성산소 분자는 Catalase에 의하여 H₂O로 전환시켜 산화 스트레스를 억제하게 되는데, 50ppm 이상의 SOx 공급조건에서는 SOD의 활성 감소로 세포 내 O₂^-의 지속적인 축적으로 인하여 세포사멸로 인한 세포 농도 감소 현상이 나타나는 것으로 판단되었다.
16g/L 증가하여 전체적으로는 생장의 증가가 거의 나타나지 않았다. 따라서 100 ppm NOx에서는 배양에 상당한 저해를 받으므로 배양에 적용하기 어려운 것으로 나타났다(Fig. 1-(b)).
1-(b)). 따라서 50ppm 이상의 SOx 조건에서는 N. oleoabundans와 C. vulgaris를 배양하기 어려운 조건인 것으로 판단되었다.
pluvialis는 100ppm SOx에 대해서도 완만한 생장이 나타났음을 확인하였다. 따라서 H. pluvialis는 상대적으로 다른 미세조류에 비해 SOx의 영향을 적게 받는 미세조류 인 것으로 나타났다. (Table 1)
따라서 NOx 가스에 비하여, SOx를 주입한 배양에서는 pH가 큰 폭으로 감소하였으며, 배양에서도 NOx보다 더 유독한 것으로 나타났다.
배양기간 동안 SOx 가스의 주입으로 인해 농도에 따라 생육이 가능, 또는 저해되는 것을 위 실험결과를 통해 알 수 있었다. 이에 따라 배양기간 동안 SOx 가스의 주입 농도가 배지환경 내에 미친 pH의 영향을 살펴보고자 하였다.
위의 실험을 통해서, 미세조류는 50ppm 이상 농도의 NOx에서 미세조류의 생장을 저해하는 것으로 나타났다. 이것은 NOx 가스가 배지에서 다음과 같은 화학반응을 통하여 배지 내로 이온화되어 용해되면서 배지가 산성화되었기 때문인 것으로 판단되었다¹⁸⁾.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생물학적 이산화탄소 저감법의 부산물은 어떤 분야에 응용될 수 있는가?	그러나 화학적 이산화탄소 저감법은 많은 비용이 소요된다. 이에 반해, 광합성을 통해 이산화탄소를 체내에 고정시켜 저감시키는 생물학적 이산화탄소 저감법은 환경친화적이며, 이산화탄소 고정을 통해 얻어지는 부산 물은 의약, 식품, 화장품 등 다양한 분야에 응용되는 장점을 가지고 있다1) . 그러나 생물학적 이산화탄소 저감법에 사용되는 식물은 낮은 성장률과 낮은 광합성 효율이라는 한계를 가진다.
	화학적 이산화탄소 저감법은 무엇인가?	이산화탄소는 대표적인 온실가스로써, 지구온난화를 가속화시켜 생태계를 교란시키고, 이로 인한 재해의 증가로 인해 과학적 진보와 환경파괴 사이에서 큰 딜레마를 야기한다. 이를 극복하기 위한 기술적 방안으로서 화학적 반응을 통해 이산화탄소를 회수하여 지하에 저장하는 화학적 이산화탄소 저감법이 개발되었다. 그러나 화학적 이산화탄소 저감법은 많은 비용이 소요된다.
	C. vulgaris는 건강에 어떤 효과가 있는가?	vulgaris는 45% 이상의 단백질과 20%의 지질, 20%탄화수소 등 필수 영양소를 다량 함유하고 있어 식품 재료로 사용되고 있다. 또한 항암효과 및 면역 증진에 효능이 알려져 건강식품으로도 널리 사용되고 있다6-15).

참고문헌 (19)

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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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