[논문]염분과 온도의 동시 영향에 따른 해양 미세조류 Nannochloropsis granulata와 Chlorella vulgaris의 중성지질 및 녹말 축적에 관한 연구

고경준; 이치헌; 문혜나; 이연지; 양진주; 조기철; 김대경; 여인규

doi:10.7846/jkosmee.2016.19.3.236

염분과 온도의 동시 영향에 따른 해양 미세조류 Nannochloropsis granulata와 Chlorella vulgaris의 중성지질 및 녹말 축적에 관한 연구
Simultaneous Effect of Salinity and Temperature on the Neutral Lipid and Starch Accumulation by Oceanic Microalgae Nannochloropsis granulata and Chlorella vulgaris 원문보기

한국해양환경ㆍ에너지학회지 = Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, v.19 no.3, 2016년, pp.236 - 245

고경준 (제주대학교 해양생명과학과) , 이치헌 (제주대학교 해양생명과학과) , 문혜나 (제주대학교 해양생명과학과) , 이연지 (제주대학교 해양생명과학과) , 양진주 (대한피부과학연구소) , 조기철 (한국기초과학지원연구원 제주센터) , 김대경 (한국기초과학지원연구원 제주센터) , 여인규 (제주대학교 해양생명과학과)

초록
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미세조류는 육상 식물과 비교하여 높은 성장률을 나타내며 다량의 지질과 탄수화물을 축적할 뿐 아니라 카로테노이드, 폴리페놀과 같은 생리활성 물질들을 체내에 축적하므로 바이오 에너지 및 기타 산업의 유망한 재료로 인식 되어왔다. 미세조류의 온도, 염분, 빛 등 비생물적 스트레스와 다양한 배양 조건에 따른 생화학 물질의 축적 변화 양상에 대한 연구는 많이 진행되어 왔지만 그러한 조건들의 동시적인 효과에 따른 성장과 생화학물질 조성 변화에 대한 연구는 거의 진행되지 않았다. 따라서 이번 연구에서는 산업적으로 많이 활용되고 있는 두 해양 미세조류인 Chlorella vulgaris와 Nannochloropsis granulata의 염분(10, 30, 50 psu) 및 온도(20, 25, $30^{\circ}C$)의 동시 배양 조건에 따른 바이오 매스의 변화와 바이오 에너지에 사용되는 중성지질 및 녹말의 축적 변화를 회분배양의 실험적 조건에서 측정하였다. 그 결과 $30^{\circ}C$, 30 psu 조건에서 C. vulgaris 및 N. granulata 모두 가장 높은 성장을 나타냈고, 광합성 색소인 chlorophyll a 및 carotenoid의 축적 양상이 온도 의존적으로 증가하였으며 중성지질과 녹말의 축적은 염분과 온도의 조합에 따라 두 종의 양상이 서로 다르게 나타나는 사실을 확인할 수 있었다. 이를 통해 미세조류의 염분에 의한 성장과 중성지질 및 녹말의 축적 양상은 서로 다른 온도 조건에 따라 그 변화 정도가 다르게 나타날 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because microalgae represent high growth rate than terrestrial plants, and it can accumulate significant lipid and carbohydrate content, and other bioactive compounds such as carotenoid and polyphenol in their body, it has been considered as one of the promising resources in bio-energy, and other industries. Although many studies has been performed about the microalgae-derived biochemical accumulation under various abiotic conditions such as different temperatures, salinities and light intensities, the studies about simultaneous effect of those parameters has rarely been performed. Therefore, this study focused on evaluation of simultaneous effect of different salinity (10, 30, 50 psu) and temperatures (20, 25, $30^{\circ}C$) on the changes of biomass, lipid, starch and photosynthetic pigment accumulation. As results, the highest growth rate was achieved at $30^{\circ}C$ and 30 psu in the both algal cultures, and the photosynthetic pigment, chlorophyll a and total carotenoid content, were increased in a temperature-dependent manner. The accumulation of lipid and starch contents exhibited different aspects under different combinations of temperature and salinity. From the results, it is suggested that the changes of microalgal lipid and starch accumulation under different salinities may be affected by the different temperatures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 연구 결과들은 향후 미세조류의 바이오 연료를 생산할 수 있는 배양학적인 토대로서 매우 중요한 정보로 활용 될 수 있다. 따라서 이번 연구에서는 바이오 연료로 적합하다고 알려진 두 종의 해양 미세조류 Nannochloropsis granulata와 Chlorella vulgaris의 온도 및 염분에 의한 동시적 배양조건에 따른 성장과 생화학 물질의 축적 양상에 대하여 확인하고 이를 토대로 바이오 디젤로 활용할 수 있는 배양기법을 제시하고자 한다.

제안 방법

이번 연구에서는 미세조류의 산업적 이용 가치를 평가하기 위해 두 가지 환경적 스트레스 인자인 염분과 온도 조건을 동시에 변화 시켰을 때의 조류의 성장, 광합성 색소, 녹말 및 지질의 축적 양상 변화를 연구하였다. 미세조류는 30 °C, 30 psu에서 가장 높은 성장과 바이오 매스 생산량을 보였으며 녹말과 지질 축척은 종 의존적으로 변화된다는 사실을 확인할 수 있었고 서로 다른 온도에서 염분에 의해 중성지질 및 녹말과 같은 생화학 물질의 축적이 서로 다른 양상을 나타낸다는 사실 또한 확인할 수 있었다.

대상 데이터

Nannochloropsis granulata BDH02 (KC128500)와 Chlorella vulgaris (KMMCC-120)종은 영남대학교와 한국해양미세조류은행 (Korea Marine Microalgae Culture Center, KMMCC)에서 각각 구입 하였다. 배양배지는 Erd-Schreiber’s medium (ESM) 사용하였으며 배지의 조성은 다음과 같다; NaNO₃ 12 mg, K₂HPO₄ 0.

데이터처리

실험은 3반복으로 진행하였고, two-way ANOVA와 one-way ANOVA 및 post-hoc t-test를 Microsoft Excel 2007 프로그램 (Microsoft, USA)을 활용하여 통계학적 분석을 하였으며, P<0.05이하의 값을 나타내는 통계치를 구하였다.

이론/모형

미세조류에 축적된 녹말의 양은 기존에 연구된 바 있는 담수 미세조류인 Chlorella sp.의 perchloric acid를 활용한 hydrolysis 방법을 사용하였고, anthrone solution과 sulfuric acid의 반응에 따른 발색 변화에 따라 녹말을 분석하였다(Brányiková et al.[2011]). 녹말은 각각의 온도와 염분 조합에서 10일간 배양 후 측정 하였으며 Fig.
[1988]). 이번 연구에서는 methanol 추출물을 활용하여 광합성 색소를 분석하였으며 기존에 methanol, acetone, ethanol, chloroform, dimethylformamide 및 dimethyl sulfoxide 등 다양한 유기 용매 분석 방법에 대한 측정식을 서술한 Wellburn (1994)의 방법을 사용하여 광합성 색소를 분석하였다.
중성지질의 함량은 Chen이 제안한 dimethyl sulfoxide (DMSO)와 microwave를 활용한 Nile red 분석법을 사용하여 다음과 같이 측정하였다(Chen et al.[2009]). 미세조류의 상층액 50 μL를 DMSO 100 μL와 혼합한 후 Nile red 용액(100 mg L^-1 in acetone; Sigma-Aldrich)을 10 μL 첨가하고 Q500 sonicator (QSONICA, UK)를 이용하여 1분간 sonication을 하였다.

성능/효과

이번 연구에서는 미세조류의 산업적 이용 가치를 평가하기 위해 두 가지 환경적 스트레스 인자인 염분과 온도 조건을 동시에 변화 시켰을 때의 조류의 성장, 광합성 색소, 녹말 및 지질의 축적 양상 변화를 연구하였다. 미세조류는 30 °C, 30 psu에서 가장 높은 성장과 바이오 매스 생산량을 보였으며 녹말과 지질 축척은 종 의존적으로 변화된다는 사실을 확인할 수 있었고 서로 다른 온도에서 염분에 의해 중성지질 및 녹말과 같은 생화학 물질의 축적이 서로 다른 양상을 나타낸다는 사실 또한 확인할 수 있었다. 결론적으로 미세조류를 목적에 맞게 배양할 때 온도와 염분 및 그 밖의 요소를 동시적으로 고려할 필요성이 있으며 향후 pH, 광도, 광주기, 파장과 같은 다양한 요소들에 조합에 의한 미세조류 생화학물질 축적에 대한 더 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

미세조류는 30 °C, 30 psu에서 가장 높은 성장과 바이오 매스 생산량을 보였으며 녹말과 지질 축척은 종 의존적으로 변화된다는 사실을 확인할 수 있었고 서로 다른 온도에서 염분에 의해 중성지질 및 녹말과 같은 생화학 물질의 축적이 서로 다른 양상을 나타낸다는 사실 또한 확인할 수 있었다. 결론적으로 미세조류를 목적에 맞게 배양할 때 온도와 염분 및 그 밖의 요소를 동시적으로 고려할 필요성이 있으며 향후 pH, 광도, 광주기, 파장과 같은 다양한 요소들에 조합에 의한 미세조류 생화학물질 축적에 대한 더 많은 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미세조류란?	미세조류는 수서 환경에 서식하며 탄소 고정 과정인 광합성을 통 해 대기 중 이산화탄소와 빛 에너지를 이용하여 탄소를 고정, 흡수 하는 엽상체 식물이다. 미세조류는 수서 생태계 및 범지구적인 일차 생산자로서의 역할 뿐 아니라 바이오 연료, 양식 사료 및 각종 식·의약품 등으로 활용 할 수 있는 산업적인 가치를 지니고 있다 (Priyadarshani and Rath[2012]).
	미세조류의 생태계 내 역할과 산업적 가치는 무엇인가?	미세조류는 수서 환경에 서식하며 탄소 고정 과정인 광합성을 통 해 대기 중 이산화탄소와 빛 에너지를 이용하여 탄소를 고정, 흡수 하는 엽상체 식물이다. 미세조류는 수서 생태계 및 범지구적인 일차 생산자로서의 역할 뿐 아니라 바이오 연료, 양식 사료 및 각종 식·의약품 등으로 활용 할 수 있는 산업적인 가치를 지니고 있다 (Priyadarshani and Rath[2012]). 최근 지구상의 석탄 연료 남용으 로 인한 자원 고갈과 더불어 대기 중 이산화탄소의 증가량이 높아 지고 있으며 그에 따른 지구온난화, 해양산성화 등 다양한 환경적 인 문제가 야기되고 있다 (Chisti[2007]).
	탄소중립 (carbon neutral) 개념의 에너지원에 대한 개발과 수요가 증가된 배경은 무엇인가?	미세조류는 수서 생태계 및 범지구적인 일차 생산자로서의 역할 뿐 아니라 바이오 연료, 양식 사료 및 각종 식·의약품 등으로 활용 할 수 있는 산업적인 가치를 지니고 있다 (Priyadarshani and Rath[2012]). 최근 지구상의 석탄 연료 남용으 로 인한 자원 고갈과 더불어 대기 중 이산화탄소의 증가량이 높아 지고 있으며 그에 따른 지구온난화, 해양산성화 등 다양한 환경적 인 문제가 야기되고 있다 (Chisti[2007]). 이에 따라 최근 재생 가능하며 지속 가능한 탄소중립 (carbon neutral) 개념의 에너지원에 대한 개발과 수요가 증가되고 있으며 그에 대한 방편 중 한가지로 미세조류 바이오 매스를 활용한 바이오 연료에 대한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다(Chisti[2007]; Fatih Demirbas[2009]).

참고문헌 (51)

Aaronson, S., 1973, "Effect of incubation temperature on the macromolecular and lipid content of the phytoflagellate Ochromonasdanica", J Phycol, 9, 111-113.

상세보기
Al Ahmad, M., Al-Zuhair, S., Taher, H. and Hilal-Alnaqbi, A., 2014, "RF Microalgal lipid content characterization", Sci Rep, 4.

상세보기
Armstrong, G.A. and Hearst, J.E., 1996, "Carotenoids 2: Genetics and molecular biology of carotenoid pigment biosynthesis", FASEB J, 10, 228-237.

상세보기
A. Lehninger, D. and Nelson, M., 2005, "Cox, Lehninger Principles of Biochemistry", 4th ed, W.H. Freeman, New York.
Borowitzka, M.A., Borowitzka, L.J. and Kessly, D., 1990, "Effects of salinity increase on carotenoid accumulation in the green alga Dunaliella salina", J Appl Phycol, 2, 111-119.

상세보기
Bridgwater, A.V., Toft, A.J. and Brammer, J.G., 2002, "A techno-economic comparison of power production by biomass fast pyrolysis with gasification and combustion", Renew Sust Energ Rev. 6, 181-248.

상세보기
Branyikova, I., Marsalkova, B., Doucha, J., Branyik, T., Bisova, K., Zachleder, V. and Vitova, M., 2011, "Microalgae-novel highly efficient starch producers", Biotechnol Bioene, 108, 766-776.

상세보기
Chen, W., Zhang, C., Song, L., Sommerfeld, M. and Hu, Q., 2009, "A high throughput Nile red method for quantitative measurement of neutral lipids in microalgae", J Microbiol Meth, 77, 41-47.

상세보기
Chen, C.Y., Zhao, X.Q., Yen, H.W., Ho, S.H., Cheng, C.L., Lee, D.J. and Chang, J.S., 2013, "Microalgae-based carbohydrates for biofuel production", Biochem Eng J, 78, 1-10.

상세보기
Chisti, Y., 2007, "Biodiesel from microalgae", Biotechnol Adv, 25, 294-306.

상세보기
Converti, A., Casazza, A.A., Ortiz, E.Y., Perego, P. and Borghi, M.D., 2009, "Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Nannochloropsis oculata and Chlorella vulgaris for biodiesel production.", Chem Eng Process, 48, 1146-1151.

상세보기
Ding, L., Ma, Y., Huang, B. and Chen, S., 2013, "Effects of seawater salinity and temperature on growth and pigment contents in Hypnea cervicornis J. Agardh (Gigartinales, Rhodophyta)", Biomed Res Int, 2013.
De Oliveira, M.A.C.L., Monteiro, M.P.C., Robbs, P.G. and Leite, S.G.F., 1999, "Growth and chemical composition of Spirulina maxima and Spirulina platensis biomass at different temperatures", Aquacul Int, 7, 261-275.

상세보기
Emerson, R., Stauffer, J. and Umbreit, W., 1944, "Relationships between phosphorylation and photosynthesis in Chlorella", Am J Bot, 31, 107-120.

상세보기
Fatih Demirbas, M., 2009, "Biorefineries for biofuel upgrading: a critical review", Appl Energ, 86, S151-S161.

상세보기
Fogg, G.E. and Thake, B., 1987, "Algal Cultures and Phytoplankton Ecology", 3rd ed. London, The University of Wisconsin Press, Ltd.
Fabregas, J., Abalde, J., Herrero, C., Cabezas, B. and Veiga, M., 1984, "Growth of the marine microalga Tetraselmis suecica in batch cultures with different salinities and nutrient concentrations", Aquaculture, 42, 207-215.

상세보기
Ho, S.H., Chen, C.Y. and Chang, J.S., 2012, "Effect of light intensity and nitrogen starvation on $CO_2$ fixation and lipid/carbohydrate production of an indigenous microalga Scenedesmus obliquus CNW-N", Bioresource Technol, 113, 244-252.

상세보기
Juneja, A., Ceballos, R.M. and Murthy, G.S., 2013, "Effects of environmental factors and nutrient availability on the biochemical composition of algae for biofuels production, A Review", Energies, 6, 4607-4638.

상세보기
Kumar, M., Kumari, P., Gupta, V., Reddy, C.R.K. and Jha, B., 2010, "Biochemical responses of red alga Gracilaria corticata (Gracilariales, Rhodophyta) to salinity induced oxidative stress", J Exp Mar Biol Ecol, 391, 27-34.

상세보기
Kirrolia, A., Bishnoi, N.R. and Singh, R., 2012, "Effect of shaking, incubation temperature, salinity and media composition on growth traits of green microalgae Chlorococcum sp.", J Algal Biom Utlzn, 3, 46-53.
Li, Y., Horsman, M., Wu, N., Lan, C.Q. and Dubois-Calero N., 2008, "Biofuels from microalgae", Biotechnol Progr, 24, 815-820.
Liang, Y., Sarkany, N. and Cui, Y., 2009, "Biomass and lipid productivities of Chlorella vulgaris under autotrophic, heterotrophic and mixotrophic growth conditions", Biotechnol Lett, 31, 1043-1049.

상세보기
Levasseur, M., Thompson, P.A. and Harrison, P.J., 1993, "Physiological acclimation of marine phytoplankton to different nitrogen sources", J Phycol, 29, 587-595.

상세보기
Liu, B.H. and Lee, Y.K., 2000, "Secondary carotenoids formation by the green alga Chlorococcum sp.", J Appl Phycol, 12, 301-307.

상세보기
Lorenzen, C.J., 1967. "Determination of chlorophyll and pheopigments: spectrophotometric equations", Limnol Oceanogr, 12, 343-346.

상세보기
McCready, R.M., Guggolz, J., Silviera, V. and Owens, H.S., 1950, "Determination of starch and amylose in vegetables", Anal Chem 22, 1156-1158.

상세보기
Miao, X. and Wu, Q., 2006, "Biodiesel production from heterotrophic microalgal oil", Bioresour Technol, 97, 841-846.

상세보기
Moazami, N., Ranjbar, R., Ashori, A., Tangestani, M. and Nejad, A.S., 2011, "Biomass and lipid productivities of marine microalgae isolated from the Persian Gulf and the Qeshm Island", Biomass Bioenerg, 35, 1935-1939.

상세보기
Nakamura, Y., 1983, "Change in molecular weight distribution in starch when degraded at different temperatures in Chlorella vulgaris", Plant Sci Lett, 30, 259-265.

상세보기
Nakamura, Y. and Imamura, M., 1983, "Change in properties of starch when photosynthesized at different temperatures in Chlorella vulgaris", Plant Sci Lett, 31, 123-131.

상세보기
Ogbonda, K.H., Aminigo, R.E. and Abu, G.O., 2007, "Influence of temperature and pH on biomass production and protein biosynthesis in a putative Spirulina sp", Bioresour Technol, 98, 2207-2211.

상세보기
Provasoli, L., McLaughlin, J.J.A. and Droop, M.R., 1957, "The development of artificial media for marine algae", Arch Mikrobiol, 25, 392-428.

상세보기
Priyadarshani, I. and Rath, B., 2012, "Commercial and industrial applications of micro algae-A review", J algal biomass utln, 3, 89-100.
Priya, K., 2013, "Induction of bioactive compound composition from marine microalgae (Lyngbya sp.) by using different stress condition", J Coast Life Med, 1, 205-209.
Raven, J.A. and Geider, R.J., 1988, "Temperature and algal growth", New Phytol. 110, 441-461.

상세보기
Ren, H.Y., Liu, B.F., Ma, C., Zhao, L. and Ren, N.Q., 2013, "A new lipid-rich microalga Scenedesmus sp. strain R-16 isolated using Nile red staining: effects of carbon and nitrogen sources and initial pH on the biomass and lipid production", Biotechnol Biofuels, 6, 1.

상세보기
Siaut, M., Cuine, S., Cagnon, C., Fessler, B., Nguyen, M., Carrier, P., Beyly, A., Beisson, F., Triantaphylides, C., Li-Beisson, Y.H. and Peltier, G., 2011, "Oil accumulation in the model green alga Chlamydomonas reinhardtii, characterization, variability between common laboratory strains and relationship with starch reserves", BMC Biotechnol, 11.

상세보기
Schenk, P.M., Thomas-Hall, S.R., Stephens, E., Marx, U.C., Mussgnug, J.H., Posten, C. and Hankamer, B., 2008, "Second generation biofuels, high-efficiency microalgae for biodiesel production", Bioenergy Res, 1, 20-43.

상세보기
Subhadra, B. and Edwards, M., 2010, "An integrated renewable energy park approach for algal biofuel production in USA", Energ Policy, 38, 4897-4902.

상세보기
Takagi, M. and Yoshida, T., 2006, "Effect of salt concentration on intracellular accumulation of lipids and triacylglyceride in marine microalgae Dunaliella cells", J Biosci Bioeng, 101, 223-226.

상세보기
Tkachuk, R., Mellish, V.J., Daun, J.K. and Macri, L.J., 1988, "Determination of chlorophyll in ground rapeseed using a modified near infrared reflectance spectrophotometer", J Am Oil Chem Soc, 65, 381-385.

상세보기
Vonshak, A., Kancharaksa, N., Bunnag, B. and Tanticharoen, M., 1996, "Role of light and photosynthesis on the acclimation process of the cyanobacterium Spirulina platensis to salinity stress", J Appl Phycol, 8, 119-124.

상세보기
Vonshak, A. and Torzillo, G., 2004, "Environmental Stress Physiology", In Handbook of Microalgal Culture, Richmond, A, Ed, Blackwell, Oxford, UK, 2004, pp. 57-82.
Widjaja, A., Chien, C.C. and Ju, Y.H., 2009, "Study of increasing lipid production from fresh water microalgae Chlorella vulgaris", J Taiwan Inst Chem Eng. 40, 13-20.

상세보기
Wellburn, A.R., 1994, "The spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution", J Plant Physiol, 144, 307-313.

상세보기
Yao, C.H., Ai, J.N., Cao, X.P. and Xue, S., 2013, "Salinity manipulation as an effective method for enhanced starch production in the marine microalga Tetraselmis subcordiformis", Bioresource Technol, 146, 663-671.

상세보기
Yilancioglu, K., Cokol, M., Pastirmaci, I., Erman, B. and Cetiner, S., 2014, "Oxidative stress is a mediator for increased lipid accumulation in a newly isolated Dunaliella salina strain", PloS One, 9, e91957.

상세보기
Zhu, C.J., Lee, Y.K. and Chao, T.M., 1997, "Effects of temperature and growth phase on lipid and biochemical composition of Isochrysis galbana TK1", J Appl Phycol, 9, 451-457.
Zhu, C.J. and Lee, Y.K., 1997, "Determination of biomass dry weight of marine microalgae", J Appl Phycol, 9, 189-194.
Zhila, N.O., Kalacheva, G.S. and Volova, T.G., 2011, "Effect of salinity on the biochemical composition of the alga Botryococcus braunii Kutz IPPAS H-252", J Appl Phycol. 23, 47-52.

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표제어: PCR

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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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