미세조류 4종(Chlorella vulgaris, Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp.)의 성장에 미치는 발광다이오드 단일파장의 영향 Effect of Monochromatic Light Emitting Diode on the Growth of Four Microalgae Species (Chlorella vulgaris, Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp.)원문보기
본 연구는 규조류 Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp.와 녹조류 Chlorella vulgaris의 성장에 미치는 발광다이오드(LED) 단일파장의 영향을 파악하였다. 4종의 미세조류는 청색 LED(450 nm), 황색 LED(590 nm), 적색 LED(650 nm) 그리고 형광램프(복수파장)에서 배양하였다. Nitzschia sp., P. tricornutum 그리고 Skeletonema sp.의 최대성장속도와 최대세포밀도는 청색 LED에서 가장 높았고 형광램프, 적색 LED, 황색 LED 순이지만, C. vulgaris는 적색 LED에서 가장 높았다. 이는 청색 LED는 다른 파장에 비해서 규조류의 성장을 촉진시키는 작용을 하는 것으로 보인다. 따라서 미세조류의 단일파장 하에서 성장속도는 종 특이성 또는 분류군 특이성을 보이는 것으로 생각된다. 또한 이러한 결과는 향후 LED와 미세조류를 활용한 중금속 오염 퇴적물의 복원을 위한 중요한 정보로 활용 할 수 있을 것이다.
본 연구는 규조류 Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp.와 녹조류 Chlorella vulgaris의 성장에 미치는 발광다이오드(LED) 단일파장의 영향을 파악하였다. 4종의 미세조류는 청색 LED(450 nm), 황색 LED(590 nm), 적색 LED(650 nm) 그리고 형광램프(복수파장)에서 배양하였다. Nitzschia sp., P. tricornutum 그리고 Skeletonema sp.의 최대성장속도와 최대세포밀도는 청색 LED에서 가장 높았고 형광램프, 적색 LED, 황색 LED 순이지만, C. vulgaris는 적색 LED에서 가장 높았다. 이는 청색 LED는 다른 파장에 비해서 규조류의 성장을 촉진시키는 작용을 하는 것으로 보인다. 따라서 미세조류의 단일파장 하에서 성장속도는 종 특이성 또는 분류군 특이성을 보이는 것으로 생각된다. 또한 이러한 결과는 향후 LED와 미세조류를 활용한 중금속 오염 퇴적물의 복원을 위한 중요한 정보로 활용 할 수 있을 것이다.
We investigated the effect of monochromatic light emitting diode (LED) on the growth of diatoms Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp. and green algae Chlorella vulgaris. The four microalgae species were cultured under blue LED (450 nm), yellow LED (590 nm), red LED (650 nm) and f...
We investigated the effect of monochromatic light emitting diode (LED) on the growth of diatoms Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp. and green algae Chlorella vulgaris. The four microalgae species were cultured under blue LED (450 nm), yellow LED (590 nm), red LED (650 nm) and fluorescent lamp (mixed wavelengths). The maximum growth rates and cell densities of Nitzschia sp., P. tricornutum and Skeletonema sp. were highest under blue LED, followed by fluorescent lamp, red LED and then yellow LED, however those of C. vulgaris were highest under red LED. This result indicates that blue LED is favorable for the growth of diatoms. Thus, the growth of microalgae under monochromatic light might be species-specific or taxon-specific. Also, these results could be used as an important information in future for remediation of heavy metal contamination in the sediments using LED and microalgae.
We investigated the effect of monochromatic light emitting diode (LED) on the growth of diatoms Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp. and green algae Chlorella vulgaris. The four microalgae species were cultured under blue LED (450 nm), yellow LED (590 nm), red LED (650 nm) and fluorescent lamp (mixed wavelengths). The maximum growth rates and cell densities of Nitzschia sp., P. tricornutum and Skeletonema sp. were highest under blue LED, followed by fluorescent lamp, red LED and then yellow LED, however those of C. vulgaris were highest under red LED. This result indicates that blue LED is favorable for the growth of diatoms. Thus, the growth of microalgae under monochromatic light might be species-specific or taxon-specific. Also, these results could be used as an important information in future for remediation of heavy metal contamination in the sediments using LED and microalgae.
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문제 정의
, 2005) 그리고 퇴적물의 고농도의 독성물질(암모니아, 황화수소, 중금속 등)에 대한 내성이 높은 것으로 알려진 규조류 Skeletonema costatum 및 저서성 미세 조류 Nitzschia sp.(Metaxas and Lewis, 1991; Kwon, 2013)의 LED 파장과 광량에 따른 미세조류의 광학적 특성을 파악하며, LED와 미세조류를 이용한 오염퇴적물 중 중금속의 생물학적 제거 가능성 파악을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
각각의 미세조류를 수온 20℃, 염분 30 psu, 광량 100 μmol/m2/s의 조건에서 대수증식기 후기까지 성장시킨후 9 mL 배양튜브(10☓100 mm)에 f/2 배지 5 mL를 주입하여, 최종 세포밀도가 약 1.0☓102 cells/mL이 되도록 접종하였다.
광원별 광량은 가시광선 차단필름을 이용하여 10, 30, 50, 70, 100, 150, 300 μmol/m2/s(QSL-2100, Biospherical Instrument Inc., San Diego CA, USA)의 7단계로 조절하였다.
사용된 배지는 동해 외양수를 바탕으로 한 f/2 배지로, selenium(Na2SeO3)의 최종농도가 0.001 μM이 되도록 첨가하였다(Guillard and Ryther, 1962).
세포밀도와 in vivo chlorophyll 형광값 사이의 관계를 파악하기 위해 각각의 미세조류를 유지배양과 동일한 조건(20℃, 30 psu, 100 μmol/m2/s)에서 대수성장기(exponential growth phase) 까지 배양한 후, 여러 단계의 세포밀도로 조제하였다.
, Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp.와 녹조류 Chlorella vulgaris의 성장에 미치는 파장의 영향을 파악하였다. 그 결과 규조류 Nitzschia sp.
유지배양의 온도와 염분은 각각 20 ℃, 30 psu였으며, 광량은 약 100 μmol/m2/s(12L:12D, cool -white fluorescent lamp)로 조절하였다.
Kwon(2013)의 연구에 의하면 LED 파장에 따른 미세조류의 성장 촉진은 광합성 속도뿐만 아니라 영양염 흡수 속도에 까지 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이러한 미세조류의 생리특성을 바탕으로 LED를 이용하여 미세조류의 성장을 촉진시킴으로써 부영양화 퇴적물의 황화수소, 질소 및 인이 제거되어, LED와 미세조류를 이용한 식물환경복원 기법은 오염퇴적물을 복원하기 위한 친환경적인 복원 기법으로 제시하였다. 특히, LED 파장에 따른 미세조류의 성장촉진은 퇴적물 중 황화수소, 질소, 인 이외에 흡수 및 흡착기작을 바탕으로 중금속을 제거 할 수 있을 것으로 제안하였다.
, San Diego CA, USA)의 7단계로 조절하였다. 이후 이틀간격으로 오전 10시에 형광광도계로 형광량을 측정하였다. 성장속도는 대수성장을 보이는 기간 동안의 세포밀도를 이용하여 아래의 식(1)에 대입하여 계산하였다.
세포밀도와 in vivo chlorophyll 형광값 사이의 관계를 파악하기 위해 각각의 미세조류를 유지배양과 동일한 조건(20℃, 30 psu, 100 μmol/m2/s)에서 대수성장기(exponential growth phase) 까지 배양한 후, 여러 단계의 세포밀도로 조제하였다. 조제된 세포밀도를 형광광도계(10-AU-005, Turner Designs, USA)를 이용하여 in vivo chlorophyll 형광 값을 측정하였다. 그 결과 세포밀도와 형광값 사이에는 통계적으로 매우 높은 유의성이 확인되었다(Table 1).
이러한 미세조류의 생리특성을 바탕으로 LED를 이용하여 미세조류의 성장을 촉진시킴으로써 부영양화 퇴적물의 황화수소, 질소 및 인이 제거되어, LED와 미세조류를 이용한 식물환경복원 기법은 오염퇴적물을 복원하기 위한 친환경적인 복원 기법으로 제시하였다. 특히, LED 파장에 따른 미세조류의 성장촉진은 퇴적물 중 황화수소, 질소, 인 이외에 흡수 및 흡착기작을 바탕으로 중금속을 제거 할 수 있을 것으로 제안하였다. 하지만 이를 위해서는 본 연구의 미세조류의 파장별 성장 특성 뿐만 아니라 중금속에 대한 성장동력학적 특성을 파악할 필요성이 있다.
파장에 따른 세포밀도의 증감은 현미경을 이용한 직접 검경이 아닌 in vivo chlorophyll 형광값을 활용하였다. 이는 형광광도계에서 직접 측정이 가능한 배양튜브를 이용하기에 세포밀도의 확인을 위한 배양튜브의 개폐가 없어 초기 배양상태를 계속 유지 할 수 있으며, 대량의 표본을 신속히 처리 할 수 있는 장점이 있다(Brand et al.
대상 데이터
실험에 이용된 규조류 Phaeodactylum tricornutum(KMMCC-309)과 녹조류 Chlorella vulgaris(KMMCC-190)는 한국해양미세조류은행(Korea Marine Microalgae Culture Center, Korea)에서 분양받아 이용하였다. 또한 규조류 Skeletonema sp.
파장별 광량에 따른 성장실험을 위한 광원은 복수파장으로 형광램프(fluorescent lamp)를 이용하였으며, 단일파장은 청색 LED(450 nm), 황색 LED(590 nm) 그리고 적색 LED(650nm)를 이용하였다. 각각의 미세조류를 수온 20℃, 염분 30 psu, 광량 100 μmol/m2/s의 조건에서 대수증식기 후기까지 성장시킨후 9 mL 배양튜브(10☓100 mm)에 f/2 배지 5 mL를 주입하여, 최종 세포밀도가 약 1.
데이터처리
성장속도는 대수성장을 보이는 기간 동안의 세포밀도를 이용하여 아래의 식(1)에 대입하여 계산하였다. 모든 실험은 3회 반복으로 수행하였으며, 성장속도는 명백한 오류로 판명된 값을 제외하여 평균하였다.
이론/모형
성장속도와 광량의 관계는 Lederman and Tett(1981)의 모델을 개량한 다음 식(2)를 이용하여 계산하였다.
성능/효과
4종의 미세조류는 파장별 광량이 증가함에 따라 세포밀도가 증가하였으며, 일정 광량 이상의 조건에서는 세포밀도가 일정하였다(Figs. 1, 2, 3, 4). 최대세포밀도의 경우 P.
조제된 세포밀도를 형광광도계(10-AU-005, Turner Designs, USA)를 이용하여 in vivo chlorophyll 형광 값을 측정하였다. 그 결과 세포밀도와 형광값 사이에는 통계적으로 매우 높은 유의성이 확인되었다(Table 1).
, 2013). 따라서 미세조류의 성장을 위한 최적파장은 녹조류와 남조류에 특징적으로 나타나는 분류군 특이성(taxon-specific)을 보이는 것으로 판단된다.
, 2014). 따라서 황색파장은 규조류, 남조류, 녹조류 등에서는 성장을 위한 파장대이나 편모조류의 경우에서 성장 억제력이 있는 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 황색파장은 미세조류의 성장 촉진 및 세포밀도의 증가 효과는 없지만, 유해조류의 성장억제와 바이오연료(biofuel) 생산 등 목적에 따라서 유용한 파장이 될 수 있을 것이다.
미세조류 4종의 성장속도의 경우 파장별 광량이 증가함에 따라 성장속도가 증가하였으며, 일정 광량 이상에서는 일정하였다(Fig. 5). P.
한편, 미세조류 연구 및 상업적인 목적을 위해 이용되는 인공적인 광원으로 대개 태양의 스펙트럼과 유사한 형광램프와 같은 전체 스펙트럼의 광원이 사용되고 있다. 본 연구에 이용된 미세조류 4종도 형광램프의 경우 단일 파장의 청색 혹은 적색파장보다 최대성장속도 및 세포밀도는 낮았지만 비교적 유용한 광원이었다. 하지만 미세조류가 함유하고 있는 광합성 색소에 따라 다양한 범위의 파장대를 흡수 할 수 있는데, 형광램프의 경우 가시광선대의 모든 파장을 구현하지 못하기 때문에, 일부 미세조류의 광합성 활성이 낮아지기도 한다(Carvalho et al.
의 최대성장속도(μmax)는 청색 LED에서 각각 1.34 /day, 0.94 /day, 1.90 /day의 가장 높았으며, 형광램프, 적색 LED, 황색 LED 순으로 낮았다.
tricornutum 그리고 Skeletonema sp.의 최대성장속도와 최대세포밀도는 청색 LED에서 가장 높았으며, 형광램프, 적색 LED, 황색 LED 순으로 높았다. 이는 청색 LED는 다른 파장에 비해서 규조류의 성장을 촉진시키는 작용을 하는 것으로 보인다.
이는 청색 LED는 다른 파장에 비해서 규조류의 성장을 촉진시키는 작용을 하는 것으로 보인다. 하지만 녹조류 C. vulgaris의 최대성장속도와 최대세포밀도는 적색 LED에서 가장 높았으며, 청색 LED, 형광램프, 황색 LED 순으로 높았다. 특히, 이러한 미세조류의 파장별 성장특이성의 차이는 광합성 주색소인 chlorophyll a이외에 보조색소의 종류에 따른 차이로 생각되며, 종 특이성 또는 분류군 특이성을 보이는 것으로 생각된다.
후속연구
특히, 이러한 미세조류의 파장별 성장특이성의 차이는 광합성 주색소인 chlorophyll a이외에 보조색소의 종류에 따른 차이로 생각되며, 종 특이성 또는 분류군 특이성을 보이는 것으로 생각된다. 따라서 이러한 파장별 미세조류의 성장특이성의 결과를 활용한다면, 향후 LED와 미세조류를 활용한 중금속 오염 퇴적물의 복원을 위한 중요한 정보로 활용할 수 있을 것이다.
하지만 이를 위해서는 본 연구의 미세조류의 파장별 성장 특성 뿐만 아니라 중금속에 대한 성장동력학적 특성을 파악할 필요성이 있다. 또한 LED 파장에 따라 미세조류의 중금속 흡착 및 흡수 기작에 대한 파악도 필요할 것이다. 이러한 결과를 바탕으로 미세조류의 중금속 제거 전략을 종합적으로 평가한다면, 향후 LED와 미세조류를 활용한 중금속 오염 퇴적물의 정화를 위한 중요한 정보로 활용할 수 있을 것이다.
따라서 황색파장은 규조류, 남조류, 녹조류 등에서는 성장을 위한 파장대이나 편모조류의 경우에서 성장 억제력이 있는 것으로 판단된다. 뿐만 아니라 황색파장은 미세조류의 성장 촉진 및 세포밀도의 증가 효과는 없지만, 유해조류의 성장억제와 바이오연료(biofuel) 생산 등 목적에 따라서 유용한 파장이 될 수 있을 것이다.
또한 LED 파장에 따라 미세조류의 중금속 흡착 및 흡수 기작에 대한 파악도 필요할 것이다. 이러한 결과를 바탕으로 미세조류의 중금속 제거 전략을 종합적으로 평가한다면, 향후 LED와 미세조류를 활용한 중금속 오염 퇴적물의 정화를 위한 중요한 정보로 활용할 수 있을 것이다.
특히, LED 파장에 따른 미세조류의 성장촉진은 퇴적물 중 황화수소, 질소, 인 이외에 흡수 및 흡착기작을 바탕으로 중금속을 제거 할 수 있을 것으로 제안하였다. 하지만 이를 위해서는 본 연구의 미세조류의 파장별 성장 특성 뿐만 아니라 중금속에 대한 성장동력학적 특성을 파악할 필요성이 있다. 또한 LED 파장에 따라 미세조류의 중금속 흡착 및 흡수 기작에 대한 파악도 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발광다이오드의 특징은 무엇인가?
미세조류를 배양함에 있어 광원의 선택은 가장 중요한 요소이며, 이전까지는 광원으로 주로 태양광, 형광등, 할로겐 금속 램프와 같은 전체 스펙트럼의 인공광원이 사용되고 있지만 최근 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)가 급속도로 발달함에 따라 이러한 광원들을 LED로 대체하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. LED는 양과 음의 성질을 띠는 두 개의 화합물을 접합하여 전기가 흐르면 빛이 발생 하는 원리를 이용한 것으로 접합하는 화합물의 종류에 따라 빛의 파장이 달라져 이론적으로는 모든 파장대의 빛을 구현해 낼 수 있다. 특히, LED는 식물의 광합성 및 성장에 필요한 파장역을 단일 또는 혼합하여 임의로 조절이 가능하며, 빛 조사시간 동안 분 단위 또는 초 단위의 간헐적인광 제어가 가능하다. 이러한 장점을 바탕으로 LED는 육상식물의 육성을 위한 인공광원으로 활발히 이용되고 있으며, 최근에는 미세조류의 배양 효율을 극대화시키기 위한 광원으로도 주목받고 있다(Wang et al., 2007; Xue et al.
빛의 파장이 미세조류에 가하는 영향은 무엇인가?
이처럼 미세조류는 광합성을 기반으로 하는 생명체이므로 무엇보다도 광 관련 인자 즉, 빛의 파장 및 광량은 매우 중요한 요소로 인식되고 있다. 특히, 빛의 파장은 광합성 색소의 조성, 광합성 속도, 세포 내 생화학적 조성, 성장속도, 이온 수송, 영양염 흡수속도, 세포외 배출, 효소활성에 관여하는등 미세조류의 생리적인 측면을 조절하는 것으로 보고되었다(Wallen and Geen, 1971; Vesk and Jeffrey, 1977; Grotjohann et al., 1991; Schimid and Dring, 1996; Sάnchez-Saavedra and Voltolina, 1996; Oh et al.
미세조류의 특징은 무엇인가?
미세조류는 태양에너지를 이용하여 무기물을 유기물로 합성하는 광합성 작용을 하며, 부산물로 산소를 방출한다. 이처럼 미세조류는 광합성을 기반으로 하는 생명체이므로 무엇보다도 광 관련 인자 즉, 빛의 파장 및 광량은 매우 중요한 요소로 인식되고 있다.
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