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문제 정의
- 본 연구에서는 경제적인 효과 및 생산성 증대에 기여할 수 있는 고효율의 밀폐형배양시스템(Photo-Bioreactor: PB) 구축을 위하여, 수산종묘 및 해양환경복원에 중요한 생물인 T. suecica와 T. tetrathele의 광 파장별 영양염 동력학 실험을 수행하였으며, Tetraselmis 속의 영양염 흡수속도 및 친화정도를 제시하였다.
제안 방법
- 또한 실험에 사용된 기구는 2차적인 생물학적 오염을 차단하기 위해 고온·고압멸균(121℃, 202 kpa, 20 min)후, 사용하였으며 모든 실험은 크린벤치에서 수행되었다.
- 파장은 상기 정속흡수시간을 사용된 파장과 같으며, 조도도 100 μmol m-2 s-1에서 실험을 수행하였다. 모든 실험은 복구(duplicate)를 두어 수행하였다.
- 무균화 처리는 AM 9 혼합액으로 처리를 하였으며, 확인은 DAPI(4', 6-diamidino-2-phenylindole) 염색 후 형광현미경 검사를 통해 수행하였다(Porter and Feig, 1980).
- 인원은 인산염(phosphate)이며, 3 μM으로 함유된 L1 배지에 세포 내 인이 고갈된 세포액을 각각 접종하였다. 배양개시(0분), 10, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240분에 각각 배양액을 채수하여 인산염을 측정하였으며, 일정한 흡수속도를 보였던 정속시간을 영양염 흡수실험 시간으로 선택하였다. 파장은 대조구로 형광램프(control), 실험구로 적색파장(630 nm), 황색파장(590 nm) 그리고 청색파장(450 nm)이며, 조도는 100 μmol m-2 s-1 로 주사하였다.
- 배양에 사용된 배지는 남해 외양수를 바탕으로 한 f/2이며, selenium(H2SeO3) 최종농도를 0.001 μM이 될 수 있게 첨가하였다.
- 영양염 흡수속도는 인산염이 0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0, 10, 20 μM의 7단계로 조제된 L1배지에 인이 고갈된 세포(약 1 × 104 cells ml-1)를 각각 접종하였다.
- 유지배양을 위한 수온과 염분은 20℃, 30 psu였고, 광량은 100 μmol m-2 s-1(L : D = 12 L : 12 D ; Cool-white fluorescent lamp)으로 조절하였다.
- 1b). 이 결과를 토대로 인산염흡수실험을 위한 배양 시간으로 설정하였다.
- 인원은 인산염(phosphate)이며, 3 μM으로 함유된 L1 배지에 세포 내 인이 고갈된 세포액을 각각 접종하였다.
- 배양시간은 사전실험에서 정속흡수를 보였던 시간으로 설정하였다. 특히, 인이 고갈된 세포를 함유한 배양액을 첨가하면 흡수실험에 제공된 영양염의 농도보다 낮아지기 때문에, 접종직후 배양액을 채수하여 농도를 확인하였다. 파장은 상기 정속흡수시간을 사용된 파장과 같으며, 조도도 100 μmol m-2 s-1에서 실험을 수행하였다.
- 형광램프는 비교적 높은 인산염 친화성(affinity)을 보였으나, LED는 형광램프에 비하여, 낮은 소비전력과 함께 높은 광합성 효과를 나타낼 수 있다(Yoon and Choi 2011). 한국전력의 전기요금을 참고하여, 산업용 평균 전력량 요금(kWh)을 시간당 약 73.2원으로 계산하고, 이를 기준으로 형광램프(40 W, 수명시간 8000 h)와 LED(20 W, 수명시간 25000 h)를 비교해보았다. 25000시간 사용을 기준으로 형광램프보다 LED는 약 45%의 절감효과가 있으며, LED는 형광램프와 비슷한 수준으로 미세조류의 생장을 보이더라도, 장기적으로 절반 정도의 전기 절감 효과를 기대할 수 있기 때문에 미세 조류의 대량배양에서 LED의 이용은 필수적일 것이다.
대상 데이터
- 세포 내 인을 고갈시키기 위해 인원(phosphorus sources)이 제외된 AK 인공해수를 기반으로 한 L1배지에서 T. suecica와 T. tetrathele를 전 배양하였다. 이후 세포의 생장이 정지할 때까지 배양을 실시하였으며, 배지의 인을 측정하여 검출한계 이하임을 확인하였다.
- 실험에 사용된 Tetraselmis suecica(LIMS-PS-0007), T. tetrathele(LIMS-PS-0053)는 한국해양과학기술원 해양시료도서관에서 분양받았다. 배양에 사용된 배지는 남해 외양수를 바탕으로 한 f/2이며, selenium(H2SeO3) 최종농도를 0.
- 파장은 대조구로 형광램프(control), 실험구로 적색파장(630 nm), 황색파장(590 nm) 그리고 청색파장(450 nm)이며, 조도는 100 μmol m-2 s-1 로 주사하였다.
이론/모형
- 인산염 흡수속도와 인산염 사이의 관계를 파악하기 위한 최대흡수속도(ρmax )와 반포화농도(Ks)는 Michaelis-Menten식 (1)에 대입하여 비선형 최소자승법으로 계산하였다.
성능/효과
- 1a). T. tetrathele는 형광램프와 적색파장에서 10분으로 가장 짧았으며, 청색파장, 황색파장에서는 동일하게 20분으로 나타났다(Fig. 1b). 이 결과를 토대로 인산염흡수실험을 위한 배양 시간으로 설정하였다.
- 그 결과 모든 파장에서 인산염농도가 5 μM까지 증가함에 따라 흡수속도는 증가하였으며, 그 이상의 농도에서는 유사한 경향을 보였다.
- tetrathele의 생장속도를 파악하였으며, 그 결과 모든 파장에서 광량의 증가에 따라 생장속도가 증가하였고, 일정 광량 이상에서는 유사하다고 보고하였다. 그리고 두 종 모두 적색 파장에서 비교적 높은 생장속도를 나타내었다. 또한 본 실험에서 T.
- 그리고 두 종 모두 적색 파장에서 비교적 높은 생장속도를 나타내었다. 또한 본 실험에서 T. suecica와 T. tetrathele는 생장이 빨랐던 적색파장에서 인산염의 흡수속도도 높은 것을 확인하였다.
- Kwon(2013)은 Achnanthes lanceolata와 Halampora veneta를 이용하여 파장별 생장속도 및 영양염 흡수속도 실험을 수행한 결과, 생장이 빨랐던 청색파장에서 영양염 정속흡수시간도 짧아 본 실험 결과와 일치하였다. 이는 Tetraselmis 속의 빠른 생장에 따라 인산염의 흡수속도도 촉진되는 것으로 보이며, 대량 배양시 빠른 생장속도와 영양염 흡수는 단기간 내 배양효율을 높여줄 수 있을 것이다.
- 파장별로 시간에 따른 T. suecica와 T. tetrathele의 인산염농도 변화는 배양시작(0분)부터 일정시간까지 정속흡수를 보인 후, 현저히 낮아지는 경향을 보였다(t-test, p < 0.05).
- 한편, T. suecica와 T. tetrathele는 생장이 빠른 파장에서 영양염 정속흡수시간이 짧은 것을 확인하였다. Kwon(2013)은 Achnanthes lanceolata와 Halampora veneta를 이용하여 파장별 생장속도 및 영양염 흡수속도 실험을 수행한 결과, 생장이 빨랐던 청색파장에서 영양염 정속흡수시간도 짧아 본 실험 결과와 일치하였다.
후속연구
- tetrathele의 배양에서 생장속도가 낮게 나타난 황색파장으로 광 스트레스를 주워 생리활성물질을 증가시키고, 생장이 빨랐던 적색파장을 활용하여 빠른 수확을 유도한다면, 보다 낮은 운영 유지비와 함께 생산성을 증대시킬 가능성을 제안하였다. 본 연구에서 적색파장은 영양염에 대한 높은 친화성을 나타내었기 때문에 비교적 낮은 영양염 농도에서도 높은 생장속도를 보일 수 있어, 저비용 고효율의 배양법을 수립할 수 있을 것이다.
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