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문제 정의
- 본 연구에서는 colonial green algae인 P. duplex의 single cell 배양에 영향을 주는 조건에 관한 연구를 진행하였다. 연구결과, P.
- 수처리 분야에서 P. duplex의 효과적인 활용을 위해 안정적인 colony cell 배양 및 single cell의 발생을 줄일 수 있는 조건에 관한 연구의 중요성으로부터, 본 연구에서는 미세조류 성장의 필수요소인 질소, 인, 무기탄소의 농도에 따른 P. duplex의 single cell 발생현상의 관찰 및 발생원인 분석을 통해 P. duplex의 안정적인 colony 배양을 위한 조건에 대한 기초적인 연구를 수행하였다.
- (2004)의 연구에 의하면 무기탄소에 의한 미세조류의 성장저해는 미세조류 종에 따라 유의적으로 다를 수 있다고 언급하고 있다. 이러한 사실을 바탕으로 본 연구에서는 고농도의 무기탄소에 의해 P.duplex의 성장저해가 발현된 것으로 판단된다.
제안 방법
- P. duplex 성장량은 분광광도기(Optizen POP, MecasysCo., Ltd, Korea)를 이용해 660 nm 파장에서 optical density를 측정하여 평가하였다.
- P. duplex의 single cell 개체수를 측정하여 영양염류농도조건에 따른 single cell 발생 정도를 파악하였다. Single cell 발생량을 정량적으로 파악하기 위해 혈구 계수기를 이용하여 cell-density를 측정했다.
- P. duplex의 single cell 발생에 영향을 주는 인자를 파악하고자 조건을 4 가지로 나누어 실험을 진행하였다. 질소, 인의 조건은 N/P ratio와 무기탄소 조건을 각각 고려하여 4 가지 실험조건을 설정하였다.
- P. duplex의 single cell 발생을 유발하는 인자들 중 영양염류의 농도에 따른 single cell 발생 정도를 확인하기 위해 질소, 인의 농도와 무기탄소의 농도를 각각 고농도와 저농도 조건으로 나누어 실험을 진행하였다.
- duplex의 single cell 개체수를 측정하여 영양염류농도조건에 따른 single cell 발생 정도를 파악하였다. Single cell 발생량을 정량적으로 파악하기 위해 혈구 계수기를 이용하여 cell-density를 측정했다. Cell density 측정은 수질오염공정시험기준의 ‘식물성 플랑크톤 현미경 계수법’을 이용했으며, 현미경을 이용하여 계수하였다.
- 질소, 인의 조건은 N/P ratio와 무기탄소 조건을 각각 고려하여 4 가지 실험조건을 설정하였다. 고농도 조건의 질소, 인, 무기탄소 조건(control 조건), 고농도의 질소, 인과 저농도의 무기탄소 조건(C low 조건), 저농도의 질소, 인과 고농도의 무기탄소 조건(N/P low 조건), 저농도의 질소, 인, 무기탄소 조건(N/P/C low조건)으로 네 가지 실험조건을 설정하였다. 실험 조건은 아래의 Table 2에 나타내었다.
- 부피는 각 2 L이며, 1 L의 working volume으로 배양을 진행하였다. 광조사는 white bar LED를 이용하여 24(L) : 0(D)의 광주기 및 200 PPFD의 광도로 조사해주었으며, 반응기 내 pH 유지를 위하여 pH controller를 이용하여 pH 8 로 유지해 주었다. 미세조류의 침전을 막기 위해 교반을 해 주었다.
- 광학현미경을 이용하여 P. duplex의 dead colony cell과 single cell의 형태를 관찰하였으며, 그 형태는 아래와 같다(Fig. 2).
- 모든 실험 조건에서 P. duplex의 초기 접종농도는 0.05 OD로 동일하게 설정해 주었으며, 총 6일간 실험을 진행하였다.
- duplex의 single cell 발생량을 측정했다. 무기탄소 농도를 250mg-C/L, 500 mg-C/L, 750 mg-C/L 및 1000 mg-C/L 네 가지로 나누어 실험을 진행하였다. 질소 및 인의 농도는 앞선 실험의 N/P low 조건과 같은 25 mg-N/L 및 2.
- 무기탄소의 공급을 위하여 공기를 0.2 vvm으로 폭기해 주었으며, pH는 pH controller(Istek, Korea)를 이용하여 pH 8 로 유지해 주었으며, 온도는 항온 챔버를 이용하여 25℃로 유지해 주었다. 광합성을 위한 광원으로는 형광등을 이용하여 광도 150 μmol/m2/sec(PPFD)로 설정하였으며, 광조사 주기는 12시간(Light): 12시간(Dark)으로 하여 5일간 배양한 후 실험에 이용하였다.
- 무기탄소의 농도에 의한 P. duplex의 single cell 발생이 증가함을 확인하였으며, 이에 따라 무기탄소 농도 조건변화에 따른 P. duplex 배양실험을 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 5 에 나타냈다.
- 무기탄소의 농도에 의한 P. duplex의 single cell 배양에 관한 실험에서는 무기탄소의 농도에 따른 P. duplex의 single cell 발생량을 측정했다. 무기탄소 농도를 250mg-C/L, 500 mg-C/L, 750 mg-C/L 및 1000 mg-C/L 네 가지로 나누어 실험을 진행하였다.
- 광조사는 white bar LED를 이용하여 24(L) : 0(D)의 광주기 및 200 PPFD의 광도로 조사해주었으며, 반응기 내 pH 유지를 위하여 pH controller를 이용하여 pH 8 로 유지해 주었다. 미세조류의 침전을 막기 위해 교반을 해 주었다. 본 연구에서 사용한 광 반응조 시스템을 아래 Fig.
- duplex의 single cell 발생에 영향을 주는 인자를 파악하고자 조건을 4 가지로 나누어 실험을 진행하였다. 질소, 인의 조건은 N/P ratio와 무기탄소 조건을 각각 고려하여 4 가지 실험조건을 설정하였다. 고농도 조건의 질소, 인, 무기탄소 조건(control 조건), 고농도의 질소, 인과 저농도의 무기탄소 조건(C low 조건), 저농도의 질소, 인과 고농도의 무기탄소 조건(N/P low 조건), 저농도의 질소, 인, 무기탄소 조건(N/P/C low조건)으로 네 가지 실험조건을 설정하였다.
대상 데이터
- 광합성을 위한 광원으로는 형광등을 이용하여 광도 150 μmol/m2/sec(PPFD)로 설정하였으며, 광조사 주기는 12시간(Light): 12시간(Dark)으로 하여 5일간 배양한 후 실험에 이용하였다.
- 본 연구에 사용된 P. duplex는 경기도 소재 신갈 저수지에서 분리, 배양한 종을 분양받아 자체적으로 배양하여 사용하였다. 실험진행을 위한 전배양은 20 L 원통형 배양조에서 BG11 medium을 이용하였으며, medium의 성상은 아래의 Table 1과 같다
- duplex는 경기도 소재 신갈 저수지에서 분리, 배양한 종을 분양받아 자체적으로 배양하여 사용하였다. 실험진행을 위한 전배양은 20 L 원통형 배양조에서 BG11 medium을 이용하였으며, medium의 성상은 아래의 Table 1과 같다
- 영양염류 농도에 따른 P. duplex 배양을 위한 배양 조는 총 4기의 원통형 아크릴 반응조로 구성하였다. 부피는 각 2 L이며, 1 L의 working volume으로 배양을 진행하였다.
이론/모형
- Cell density 측정은 수질오염공정시험기준의 ‘식물성 플랑크톤 현미경 계수법’을 이용했으며, 현미경을 이용하여 계수하였다.
성능/효과
- 앞선 영양염류 및 무기탄소 농도에 대한 실험과 마찬가지로 250 mg-C/L의 조건에서는 single cell의 발생이 적었으며, 무기탄소의 농도가 증가할수록 single cell의 발생이 증가하였다. 500 mg-C/L 조건의 경우 250 mg-C/L 조건과 같이 전체적인 single cell의 개체수는 적었으며, 두 조건의 cell density 차이는 측정과정에서 발생할 수 있는 오차범위 내의 값으로 사료되며, 두 조건의 single cell 발생량은 유의한 차이로 볼 수는 없으며, 750 mg-C/L 조건에서는 유의한 차이를 보였다. 이에 따라 500~750 mg-C/L 조건에서 single cell의 발생이 증가한 것으로 보인다.
- P. duplex의 colony cell은 4~128개의 cell이 모여 하나의 colony 형태를 이루었지만, single cell은 colony를 이루지 않고, 단세포 형태로 배양되는 모습을 보였다
- P. duplex의 single cell 발생을 야기하는 무기탄소 농도는 본 연구의 경우 500~750 mg-C/L로 사료되며, 이 이상의 무기탄소 조건에서는 single cell 발생이 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 무기탄소 농도에 의한 P.
- duplex를 포함한 유성생식이 가능한 미세조류는 주변 환경이 성장에 유리한 조건인 경우, 무성생식을 진행하며, 조건이 악화되어 성장을 저해하는 조건이 되면 유성생식으로 번식을 하게 된다 (DeWreede and Klinger, 1990). P. duplex의 single cell 현상은 일반적인 분열방식인 무성생식이 아닌 성장 저해조건에 의한 유성생식에서 형성되는 것으로 보인다.
- P. duplex의 성장량을 비교해 보면, C low 조건과 C/N/P low 조건에서의 성장량이 비슷하게 나타났으며, 다른 두 조건에 비해 높게 나타났다. Control 조건의 P.
- P. duplex의 성장량이 감소한 조건과 마찬가지로 750 mg-C/L 조건에서부터 single cell 발생이 증가하는 것으로 확인되었으며, 이에 따라 P. duplex의 single cell 발생량 또한 500~750 mg-C/L 사이의 농도에서 증가하는 것으로 사료된다.
- 따라서 control 조건을 제외하고 3가지 조건을 서로 비교해 보면, N/P low 조건의 성장량은 C/N/P low 조건과 C low 조건에 비해 전체적으로 낮게 측정되었다. N/Plow 조건과 C/N/P low 조건의 차이점은 무기탄소의 농도 차이로써, 이러한 조건간의 성장량 차이는 무기탄소의 농도에 따라 성장속도 차이가 발생한 것으로 보인다.
- duplex의 single cell 발생을 야기하는 무기탄소 농도는 본 연구의 경우 500~750 mg-C/L로 사료되며, 이 이상의 무기탄소 조건에서는 single cell 발생이 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 무기탄소 농도에 의한 P. duplex 성장량을 비교해 본 결과, single cell 발생을 야기하는 무기탄소 농도와 유사한 500~750mg-C/L 에서 성장저해가 나타나기 시작했으며, 그 이하의 농도에서는 무기탄소의 고갈이 없다면 농도에 관계 없이 비슷한 성장량을 나타냈다.
- 무기탄소의 농도에 따른 성장량 차이는 250 mg-C/L 조건과 500 mg-C/L 조건에서 큰 차이를 보이지 않았으며, 높은 성장량을 나타냈다. 그러나 500 mg-C/L 이상인 750 mg-C/L과 1000 mg-C/L 조건에서는 성장량이 낮았다.
- duplex의 single cell 배양에 영향을 주는 조건에 관한 연구를 진행하였다. 연구결과, P. duplex의 배양과정에서 single cell의 발생 증가는 고농도의 무기탄소에 의한 영향이 큰 것으로 판단되며, 질소 및 인의 농도에 의한 영향은 크게 나타나지 않았다.
후속연구
- 본 연구를 통해, 향후 P. duplex를 이용한 효율적인 수처리 시스템의 설계 및 배양 등에 있어, single cell 발생 등에 따른 처리효율 저하 등의 문제를 피하기 위해서는 배지나 하폐수 내 무기탄소 농도가 고려되어야 할 필요가 있으며, 무기탄소 농도 500 mg-C/L 이하로 배양된다면 P. duplex의 colonial 배양은 효율적으로 수행될 수 있을 것으로 사료된다.
- 의 유성생식 과정에서 생성되는 생식세포는 2 μm 이하의 크기를 갖는다고 보고한데 반해, 본 연구에서 발견된 single cell은 2 μm 이상인 사실 등으로부터 이와 관련된 연구가 향후 추가로 진행될 필요가 있는 것으로 사료된다
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