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나노기포 산소수 및 수소수가 미세조류 배양에 미치는 영향
Effect of Nano Bubble Oxygen and Hydrogen Water on Microalgae 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.25 no.3, 2014년, pp.324 - 329  

최수정 (신라대학교 의생명과학대학 생명공학과) ,  김영화 (신라대학교 의생명과학대학 제약공학과) ,  정인하 (한국원자력연구원) ,  이재화 (신라대학교 의생명과학대학 생명공학과)

초록
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미세조류 Nannochloropsis oculata (N. oculata)와 Chlorella vulgaris (C. vulgaris)는 다른 미세조류에 비해 높은 중성지질 함유량으로 인해 바이오 디젤 생산에 중요한 자원이다. 나노기포 산소수, 수소수를 이용해 만든 배지에서 미세조류를 배양하였다. N. oculata 배양 결과 세포 성장은 대조군과 비슷하였으며 지질 함량은 대조군에 미치지 못하는 것으로 나타났다. C. vulgaris 역시 N. oculata와 비슷한 경향을 보였다. 미세조류의 광합성으로 인한 색소의 함량 변화를 알아보기 위해 클로로필카로티노이드 함량을 측정하였다. 클로로필 함량은 나노 기포산소수와 수소수에서 배양한 N. oculata가 대조군 보다 약 54%, 30% 증가하였으며 카로티노이드 함량은 각각 21%, 25%씩 증가함을 확인하였다. C. vulgaris의 클로로필 함량은 기포산소수와 수소수에서 대조군보다 59%, 39% 증가하였으며 카로티노이드 함량도 49%, 29% 증가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Microalgae Nannochloropsis oculata (N. oculta) and Chlorella vulgaris (C. vulgaris) are important sources for biodisel because of the high content of neutral lipids. Stable nano bubble is maintained for a long time and therefore it is possible for use in biotechnology. In this study, effects of nano...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • vulgaris의 배양액 색을 보니 육안으로 보기에도 나노기포 산소수와 수소수를 이용해 배양한 세포의 색이 대조군에 비해 선명한 것을 확인할 수 있었다(Figure 4(C), Figure 5(C)). N. oculata의 chlorophyll과 carotenoid 함량을 비교하였다. 먼저 N.
  • 중성지질의 검량선 작성을 위해 triolein (sigma)를 이용하였다. Triolein의 농도별로 nile red 염색 시행 후 형광값을 측정하였다. 측정한 형광 강도를 이용해 표준 검량선을 작성하였으며 이를 바탕으로 중성지질 함량을 측정하였다[23].
  • 광합성을 통해 증가된 색소 함량 분석을 위해 24일 간 배양한 미세조류 균주의 클로로필과 카로티노이드 함량을 분석하였다. 색소함량 측정은 세포 1 mL을 13000 rpm에서 3 min 원심분리 한 뒤 상등액을 제거하고 methanol 1 mL을 첨가하였다.
  • 나노기포 산소수, 수소수 그리고 3차 증류수를 이용하여 녹인 인공해수를 기본으로 f/2 배지를 만들어 실험에 이용하였다. 세 종류의 배지에 동일한 균주를 접종하여 배지에 따른 세포 성장을 살펴보았다.
  • 이 등[25]은 높은 용존산소의 함유는 미세조류 생장을 저해한다고 보고 하였다. 나노기포 산소수와 수소수의 용존산소 함량은 orion versa star 40B pH/se meter kit(Thermo, USA)를 이용하여 측정하였다. 나노기포 산소수의 경우 산소를 주입한 초기에는 용존산소의 함량이 100∼150 ppm 정도이며, 1주일 후에는 40∼60 ppm으로 감소하며 나노기포 수소수는 1500 ppd (mg/L)에서 1주일 후에는 700∼800 ppd까지 감소한다.
  • 미세조류 내 지질 함량은 nile red를 이용한 형광 강도를 이용해 측정하였다. 중성 지질 함량을 정량하기 위해서 표준용액으로 triolein을 이용하여 표준 검량선을 작성하였다[23].
  • 미세조류의 광합성 양에 따른 색소 함량을 알아보기 위해 chlorophyll과 carotenoid 함량을 측정하였다. 측정하기 이전 N.
  • 배지 조성에 따른 균주의 지질함량을 분석하기 위하여 Chen 등[21]의 방법을 변형하여 측정하였다. 세포의 흡광도를 0.
  • 60 ℃에서 30 min 반응하고 0 ℃에서 2 min 냉각시킨 후 13000 rpm에서 2 min 원심분리하여 상등액을 분리하였다. 분리한 상등액은 UV/Vis분광기를 이용해 650, 653, 461, 664 nm파장에서 흡광도를 측정하였다[20].
  • 나노기포 산소수, 수소수 그리고 3차 증류수를 이용하여 녹인 인공해수를 기본으로 f/2 배지를 만들어 실험에 이용하였다. 세 종류의 배지에 동일한 균주를 접종하여 배지에 따른 세포 성장을 살펴보았다.
  • 중성 지질 함량을 정량하기 위해서 표준용액으로 triolein을 이용하여 표준 검량선을 작성하였다[23]. 세 종류의 배지에서 배양한 N.oculata와 C. vulgaris의 형광 강도 수치를 검량선을 이용해 중성지질 함량을 정량하였다(Figure 2). 그 결과 N.
  • 산소수와 수소수를 이용한 배지에서 배양한 미세조류 균주들의 세포 성장은 아무 것도 첨가하지 않은 배지(대조군)와 비슷하여 큰 차이를 보이지 않았다. 세포 내지질 함량은 세포를 nile red로 염색하여 형광강도를 측정하였다. 세 종류의 배지에서 배양한 N.
  • nile red로 염색된 세포의 형광값과 미세조류 자체의 형광값을 빼서 나타내었다. 세포내 중성지질 함량 정량을 위해 Bertozzini 등[22]의 방법을 변형하여 실험에 이용하였다. 중성지질의 검량선 작성을 위해 triolein (sigma)를 이용하였다.
  • 3으로 조정하였다. 수소수와 산소수 배지를 만들기 위해 일반 f/2 배지에 이용하는 인공해수를 3차 증류수가 아닌 나노기포 수소수와 산소수로 대체하여 만들었다. 실험에 사용된 수소수와 산소수는 한국원자력연구원에서 제공 받은 것으로 나노 버블을 이용하여 수소와 산소를 각각 첨가하였다.
  • 본 연구에 이용한 나노기포 산소수와 수소수는 기포형태로 체류하는 미세기포의 크기 및 개체수를 NTS(Nano Particle Tracking Analyzer)를 이용하였다. 이를 이용하여 N. oculata와 C. vulgaris 배양 실험을 진행하였으며 각 세포의 특성을 분석하였다.
  • 미세조류 내 지질 함량은 nile red를 이용한 형광 강도를 이용해 측정하였다. 중성 지질 함량을 정량하기 위해서 표준용액으로 triolein을 이용하여 표준 검량선을 작성하였다[23]. 세 종류의 배지에서 배양한 N.
  • 증식기의 N. oculata와 C. vulgaris 세포를 수확하여 680 nm에서 흡광도를 0.3으로 조정하였다. 수소수와 산소수 배지를 만들기 위해 일반 f/2 배지에 이용하는 인공해수를 3차 증류수가 아닌 나노기포 수소수와 산소수로 대체하여 만들었다.
  • Triolein의 농도별로 nile red 염색 시행 후 형광값을 측정하였다. 측정한 형광 강도를 이용해 표준 검량선을 작성하였으며 이를 바탕으로 중성지질 함량을 측정하였다[23].
  • 5로 조정한 후 세포 10 μL와 증류수 138 μL, nile red 2 μL 그리고 DMSO 50 μL를 혼합하고 40 ℃ 배양기에서 10 min 반응하였다. 형광광도계(Infinite F 200 pro, Tecan, Austria)를 이용하여 excitation 495 nm, emission 620 nm에서 형광값(fluorescence intensity)을 측정하였다. nile red로 염색된 세포의 형광값과 미세조류 자체의 형광값을 빼서 나타내었다.

대상 데이터

  • 본 연구에는 Nannochloropsis oculata NIES-2145 (Npo-2145)와 Chlorella vulgaris (KMMCC 191)를 사용하였다. N. oculata는 일본국립환경연구소(Microbial Culture Collection at NIES (NIES))로부터 분양받았으며 C. vulgaris는 한국해양미세조류은행에서 분양받았다. F/2 배지를 사용하여 250 mL 삼각플라스크에서 working volume 100 mL로 25 ℃, 120 rpm, 광도 3000 lux의 조건에서 배양하였다.
  • 나노기포를 배양액에 생성시키기 위해 poly-sulfone으로 제조한 약 100 nm 크기의 표면기공을 갖는 중공사막(PS-001, (주) 퓨어멤)을 사용하여 순도 99.9%의 공업용 산소 및 수소를 증류수에 약 2 h 동안 버블링하였다. 배양액 속에 체류하는 기포의 크기 및 개체수 측정을 위해 영국 Nano Sight Ltd.
  • 본 연구에는 Nannochloropsis oculata NIES-2145 (Npo-2145)와 Chlorella vulgaris (KMMCC 191)를 사용하였다. N.
  • 본 연구에서는 나노 버블 시스템을 이용해 산소와 수소를 첨가한 배지에 N. oculata와 C. vulgaris를 배양하였다. 산소수와 수소수를 이용한 배지에서 배양한 미세조류 균주들의 세포 성장은 아무 것도 첨가하지 않은 배지(대조군)와 비슷하여 큰 차이를 보이지 않았다.
  • 수소수와 산소수 배지를 만들기 위해 일반 f/2 배지에 이용하는 인공해수를 3차 증류수가 아닌 나노기포 수소수와 산소수로 대체하여 만들었다. 실험에 사용된 수소수와 산소수는 한국원자력연구원에서 제공 받은 것으로 나노 버블을 이용하여 수소와 산소를 각각 첨가하였다.
  • 세포내 중성지질 함량 정량을 위해 Bertozzini 등[22]의 방법을 변형하여 실험에 이용하였다. 중성지질의 검량선 작성을 위해 triolein (sigma)를 이용하였다. Triolein의 농도별로 nile red 염색 시행 후 형광값을 측정하였다.

이론/모형

  • 9%의 공업용 산소 및 수소를 증류수에 약 2 h 동안 버블링하였다. 배양액 속에 체류하는 기포의 크기 및 개체수 측정을 위해 영국 Nano Sight Ltd. (www.nanosight.com)에서 제작한 LM10-HS모델의 Nano Particle Tracking Analyzer를 이용하였다.
  • 위의 연구처럼 산소와 이산화탄소 주입이나 pH 조절을 통해 미세조류를 배양한다면 생장에 영향을 미칠 것으로 생각된다. 본 연구에 이용한 나노기포 산소수와 수소수는 기포형태로 체류하는 미세기포의 크기 및 개체수를 NTS(Nano Particle Tracking Analyzer)를 이용하였다. 이를 이용하여 N.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
나노 기포수에서 기체가 포화 용해도 이상으로 물속에 용해될 수 있는 이유는 무엇인가? M. Takahashi 등[11]은 미세기포의 크기가 50 μm 이상이면 수초 이내에 수면위로 부상하여 대기중으로 확산되지만, 이하일 경우에는 곧바로 수면위로 부상하지 않고 물속에 잔류하여 수개월 이상 수중에 체류할 수 있다고 보고하였다. 또한 물속에 잔류하는 기포 중의 일부는 외부압력과 같은 환경의 변화에 따라 수축 혹은 액체 내 파열된다고 발표하였다. 물속에 오랜기간 동안 체류하는 기포의 경우 물 분자의 브라운 운동, 음의 표면전하를 갖는 것으로 알려진 기포 간 정전기적 반발력, 인접한 물 분자끼리 무수히 반복되는 수소 결합 및 이들의 분해 또는 반데르발스 결합처럼 기포의 부력에 대항하는 여려 현상을 통해 미세기포가 액체 중에 오랜 시간 체류할 수 있다[12].
나노 버블은 무엇인가? 나노 기술은 주로 환경, 수산양식, 농업분야에서 사용되며, 나노 기술 가운데 나노 버블 연구는 폐수를 정화하는데 이용되고 있다. 나노 버블은 마이크로 버블이 자연상태에서 수축되어 발생하는 것으로 크기가 약 0.5∼10 μm 범위의 극초미세기포이다[7,8]. 나노 버블을 수처리에 이용할 때에 공기 용해효율이 높아 대전작용, 물리적 흡착 효과가 뛰어나다고 보고되어 있다[9].
미세조류 배양에 고려되는 요소는 무엇인가? 미세조류를 배양하기 위해 고려하는 요소로 이산화탄소의 주입이나 배지의 pH, 빛 세기 등이 있다. 미세조류의 이산화탄소 첨가 방법은 컬럼이나 마이크로 버블 시스템을 이용한 것으로 여러 연구가 진행되었다.
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참고문헌 (28)

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  2. A. Converti, A. A. casazza, E. Y. Ortiz, P. Perego, and M. D. Borghi, Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris for biodiesel production, CEP, 48, 1146-1151 (2009). 

  3. J.-H. Kim, H.-J. Park, Y.-H. Kim, H. Joo, S.-H. Lee, and J.-H. Lee, UV-induced mutagenesis of Nannochloropsis oculata for the increase of lipid accumulation and its characterization, Appl. Chem. Eng., 24(2), 155-160 (2013). 

  4. H.-J. Park, Y.-H. Kim, and J.-H. Lee, Effect of alginate on the growth of Nannochloropsis oculata NIED-2145, KSBB. J. 26(3), 206-210 (2011). 

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  22. E. Bertozzini, L. Galluzzi, A. Penna, and M. magnani, Application of the standard addition method for the absolute quantification of newtral lipids in microalge using Nile red, J. Microbiol. Methods., 87, 17 (2011). 

  23. S.-J. Choi, Y.-H. Kim, A. Kim, and J.-H. Lee, Arthrospira platensis mutants containing high lipid content by electron beam irradiations and analysis of its fatty acid composition, Appl. Chem. Eng., 24(6), 628-632 (2013). 

  24. J. H. Yoon, J.-H. Shin, and T. H. Park, Characterization of factors influencing the growth of Anabaena variabilis in a bubble column reactor, Bioresour. Technol., 99, 1204-1210 (2008). 

  25. C.-G. Lee and B. O. Palsson, High-density algal photobioreators using light-emitting diodes, Biotechnol. Bioeng. 44, 1161-1167 (1994). 

  26. E. Han, J. Huang, Y. Li, W. Wang, M. Wan, G. Shen, and J. Wang, Enhanced lipid productivity of Chlorella pyrenoidosa through the culture strategy of semi-continuous cultivation with nitrogen limitation and pH control by $CO_2$ , Bioresour. Technol., 136, 418-424 (2013). 

  27. S. H. Oh, J. G. Han, N. Y. Kim, J. S. Cho, T. B. Yim, S. Y. Lee, and H. Y. Lee, Cell Growth and Lipid Production from Fed-batch Cultivation of Chlorella minutissima according to Culture Conditions, KSBB. J. 24(4), 377 (2009). 

  28. K. Ying, D. J. Gilmour, Y. Shi, and W. B. Zimmerman, Growth enhancement of Dunaliella salina by microbubble induced airlift loop bioreactor (ALB)-the relation between mass transfer and growth rate, JBNB, 4, 1-9 (2013). 

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