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문제 정의
- 이 연구에서 사용된 미세조류 3종은 이러한 조건들을 적절히 충족하고 있다. 우선 이 3종의 성장에 효과적인 LED광원을 탐색하여 앞으로 미세조류산업에 있어서 근본이 되는 미세조류의 배양공정에 일조하고자 이 연구를 수행하였다.
- 이 연구에서는 5가지의 LED광원[Blue, Red, Blue+Red(Blue와 Red 광원의 1:1 혼합, 이하 B+R), CoolWhite, WarmWhite]에서 해양미세조류 3종(Tetraselmis suecica, Chaetoceros simplex, Isochrysis galbana)의 성장을 비교하고 그 적용성을 검증하고자 하였다. 먹이생물의 필요충분조건은 안정적고생산성, 저비용성, 고선호성, 고소화흡수성, 고영양성, 비병원성 등이다.
제안 방법
- 6ℓ 용량의 원형유리병이며, 이들 유리병의 캡에 LED를 부착하기 위하여 LED광원 기판은 원형으로 제작되었다. 각각의 원형 LED 기판은 32개의 칩으로 구성되어 있으며 광원들은 컨트롤박스에 연결되어있어서 각 광원별 광량 및 전원을 조절할 수 있게 설계되었다. 배양실에서 광원들 사이에는 흑판을 설치하여 광원간의 간섭을 가능한 한 최소화 하였다.
- 광량은 photometer (ILT1400-A, International Light Technologies, USA)를 이용하여 100μ㏖/m2·s로 동일하게 조절하였으며, 광주기는 연속조명 (24L:0D)으로 하였다.
- 밀도측정은 Haemacytometer(Marienfeld, Superior, Germany)를 사용하여 현미경(CX40RF200, Olympus, Japan)으로 세포수를 전량 계수하였다.
- 배양에 사용된 광원들의 Emission spectrum은 LED Quick Tester(ELT-100, ECOPIA, KOREA)로 측정하였다([Fig. 1]). Blue LED광원에서는 450nm 에서 흡광극대를 나타냈으며, Red LED광원에서는 660nm에서, B+R LED광원에서는 450nm, 660nm 두 곳에서 흡광극대를 나타냈다.
- 시료의 측정은 매일 같은 시간에 마이크로피펫 (Pipetman Classic P100, Gilson, France)으로 일정량 취하여 밀도를 5회 반복 측정하였다.
대상 데이터
- 배지는 Walne’s medium(Culture Collection of Algae and Protozoa 2002, UK)을 이용하였다.
- 통기는 광원에 대한 그림자효과의 감소, 배양용기 내의 퇴적물과 사체침전방지 및 배지와 가스의 원활한 순환을 위한 것이다. 실험구는 5개의 LED 광원(Blue, Red, B+R, CoolWhite and WarmWhite)과 3종(T. suecica, C. simplex, and I. galbana)의조합으로 총 15개였다. 광량은 photometer (ILT1400-A, International Light Technologies, USA)를 이용하여 100μ㏖/m2·s로 동일하게 조절하였으며, 광주기는 연속조명 (24L:0D)으로 하였다.
- 이 연구에서는 현재 먹이생물로서 널리 이용되고 있는 부유성 미세조류 약 12종(Okauchi, 1992) 중에서 Tetraselmis suecica (KMMCC-111), Chaetoceros simplex (KMMCC-608), Isochrysis galbana (KMMCC-12)의 3종을 2014년도에 한국미 세조류은행(KMMCC, Korea)으로부터 분양받아 실험에 사용하였다.
데이터처리
- 실험 결과는 One-way ANOVA test를 실시하였으며, 평균간의 유의성(P<.001)은 Duncan 사후검증을 하였다.
- 종과 광원에 따라 개체수에 차이가 있는지 검증하기 위해 일원배치분산분석(One-way ANOVA) 및 Duncan의 사후검증을 실시하였다([Table 2]). 그 결과, 종에 따른 개체수의 차이가 통계적으로 유의하였다(F=47.
이론/모형
- 비증식률(Specific growth rate)은 Guillard(1973) 의 식을 이용하였다.
성능/효과
- galbana는 LED광원에서는 타 종에 비해 고밀도 배양이 가능한 것으로 나타났다. 450nm 파장을 포함하는 Blue, B+R, CoolWhite LED광원에서 가장 효과가 좋았으며 그 중에서도 B+R LED 광원에서 가장 빠르게 증식극대에 도달하였고, 다른 광원 대비 약 2배에 가까운 최대밀도를 보였다. Choi et al.
- C. simplex의 성장은 혼합 LED광원과 CoolWhite LED광원에서 가장 효과적인 것으로 나타났다. 단일 파장만으로도 배양이 가능하지만 B+R LED광원을 사용하였을 때 조금 더 빠르게 증식극대에 도달하며 최대밀도 또한 높은 것으로 나타났다.
- LED광원을 이용한 미세조류의 배양은 대상종의 특성에 맞는 맞춤형 광원과 멸균해수의 사용 및 오염을 최소화한 단종배양일 때 효과적일 것으로 판단된다. 하지만, 실제 양식어가에서 활용되는 고압필터방식에 의한 여과해수를 사용할 경우에는 다른 종의 혼입으로 먹이생물로서의 활용및 대량배양에 있어서 제한적 요소가 될 수도 있 다.
- 그 결과, 종에 따른 개체수의 차이가 통계적으로 유의하였다(F=47.135, p<.001).
- simplex의 성장은 혼합 LED광원과 CoolWhite LED광원에서 가장 효과적인 것으로 나타났다. 단일 파장만으로도 배양이 가능하지만 B+R LED광원을 사용하였을 때 조금 더 빠르게 증식극대에 도달하며 최대밀도 또한 높은 것으로 나타났다. Oh et al.
- 최대증식밀도는 7일째에 B+R LED광원, CoolWhite LED광원에서, 8일째에 Blue LED광원에서, 10일째에 Red, WarmWhite LED광원에서 나타났다. 밀도는 B+R LED광원에서 12.83x107cell/ml로 다른 LED광원보다 상대적으로 높았으며 B+R LED광원은 가장 밀도가 낮은 Blue LED 광원에 비해 밀도가 약 1.5배 높았다. 비증식률은 최대밀도를 보였던 B+R LED광원은 0.
- 최대증식밀도는 배양 10일째에는 Blue LED광원, CoolWhite LED광원과 B+R LED광원에서, 배양 11일째에는 Red LED광원과 WarmWhite LED광원에서 나타났다. 밀도는 Blue LED광원에 서는 34.54x107cell/ml, CoolWhite LED광원에서는 33.04x107cell/ml로 다른 LED광원보다 상대적으로 높았으며, Blue LED광원은 가장 낮은 밀도를 보인 WarmWhite LED광원에 비해 밀도가 약 1.5배이상 높았다. 비증식률은 B+R LED광원에서 0.
- (2014)은 Chaetoceros calcitrans를 LED광원에서 배양하였을 때 Red LED광원(630nm)에서 가장 높은 증식률과 생물량을 보였으며, White 계열 광원을 이용하였을 때에도 부정적인 영향을 받지 않았다고 보고하였다. 본 연구에서는, Red LED광원(660nm)에서 배양한 C. simplex의 비증식률과 개체수가 B+R LED광원보다는 낮았고 Blue LED광원보다는 높았다([Table 1]). 이것은 Red LED광원이 Blue LED광원과 상승효과를 나타낸 것이라 볼 수 있고, I.
- 5배이상 높았다. 비증식률은 B+R LED광원에서 0.57day-1로 가장 높았고, WarmWhite LED광원에서 0.50day-1으로 가장 낮았다.
- 67day-1로 가장 낮았다. 이 결과에서보면 I. galbana가 T. suecica 와 C. simplex 보다 고밀도 성장을 나타내었다.
후속연구
- 이러한 미세조류의 배양기도 일종의 microcosm 또는 mesocosm이라고 할 수 있으므로, 그 계 내에서의 물질과 에너지의 흐름을 종합적·전일적으로 연구하여 질적·양적으로 최적의 미세조류를 생산하는 것이 필요할 것이라고 생각된다. 그러기 위해서는 그 전체상을 연구하여 공통법칙을 찾아내기 위한 집단 또는 군집생물학적 및 생물 인구학적 연구를 위한 metagenomics, 또한 미세조류 자체의 영양유전체학, 대사체학, 단백체학, 당질체학, 생리체학, 상호작용체학, 광유전체학 등의 Omics 즉, ecome(Saitou, 2013)의 ecomics도 연구해야 할 것이다.
- 다양한 배양조건과 배양환경에 따른 미세조류의 광합성 과정에서 특유의 생물화학합성에 대해서는 앞으로 그 가치와 효능에 대해 많은 연구가 필요로 할 것으로 생각된다.
- 이러한 미세조류의 배양기도 일종의 microcosm 또는 mesocosm이라고 할 수 있으므로, 그 계 내에서의 물질과 에너지의 흐름을 종합적·전일적으로 연구하여 질적·양적으로 최적의 미세조류를 생산하는 것이 필요할 것이라고 생각된다.
- suecica는 B+R LED 광원이 Blue와 Red LED광원보다 낮아서 일종의 상쇄효과를 나타낸 것으로 보인다. 이러한 현상은 광원에 대한 종 특이성과 배양조건에 따른 차이라고 판단되며, 앞으로 실험자료의 축적이 필요하다.
- 이를 위해서는, 배양증식에 관련된 배양공학, 증식공학, 생물반응공학, 생물화학공학, Process system공학, Bioprocess공학, Bioelectronics와 더 포괄적인 생물 process system공학이 필요할 것이며, 당해 미세조류에 관련된 생물학과 해수의 물리· 화학적 연구도 필요하다.
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