[논문]Clostridium autoethanogenum을 이용한 합성가스 발효에 대한 중금속의 영향

임홍래; 권록규; 박소은; 김영기

doi:10.14478/ace.2020.1049

Clostridium autoethanogenum을 이용한 합성가스 발효에 대한 중금속의 영향
Effect of Heavy Metal on Syngas Fermentation Using Clostridium autoethanogenum 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.31 no.4, 2020년, pp.423 - 428

임홍래 (한경대학교 식품생명화학공학부) , 권록규 (한경대학교 식품생명화학공학부) , 박소은 (한경대학교 화학기술연구소) , 김영기 (한경대학교 식품생명화학공학부)

초록
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이 연구에서는 합성가스를 유일한 탄소원으로 사용하는 Clostridium autoethanogenum 배양에서 배지 성분 중 금속이온의 농도가 균주 성장과 대사산물 생산에 미치는 영향을 조사하였다. C. autoethanogenum 배양에 사용되는 기본 배지구성 성분의 금속이온 종류 중 molybdenum, nickel, cobalt를 조사 대상으로 선정하여 이 성분들의 농도를 달리하였을 때 균주 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 확인하였다. Molybdenum은 0, 0.001, 0.01, 0.1 g/L농도를 시험하였으며 0.001 g/L에서 에탄올 생산량이 약간 증가하는 경향을 보였지만 시험한 농도 범위 내에서 뚜렷한 영향이 관찰되지 않았다. Nickel은 0, 0.001, 0.01, 0.1 g/L의 농도 범위에서 균주 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 관찰하였으며, 0.01 g/L 농도에서 에탄올 생산농도가 기본 배지 농도인 0.1 g/L에서보다 26% 증가되는 것을 확인하였다. Cobalt는 0, 0.018, 0.18, 1.8 g/L 농도 범위에서 균주 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 분석하였으며, 기본 배지 조건인 0.18 g/L의 이상의 농도에서는 균주 성장이 약간 저해되는 현상이 관찰되었다. 결과적으로 연구에 사용된 세 가지 금속이온 성분 중 cobalt는 배지 내 성분 농도에 따른 에탄올 생산농도 향상을 이루지 못하였으나, molybdenum, nickel은 기본 배지 내 일반적인 농도의 1/10을 사용함으로써 에탄올 생산농도 향상을 이룰 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we investigated the effect of the concentration of medium components on microbial growth and ethanol production in order to improve ethanol productivity in the Clostridium autoethanogenum culture process using syngas as a sole carbon source. Molybenum, nickel and cobalt (as heavy metal ions) were selected as examined components, and the effects of components concentration on the cell growth and ethanol production was examined. Among molybdenum concentrations of 0, 0.001, 0.01 and 0.1 g/L. a slight increase in ethanol production was observed at 0.001 g/L, but significant differences in the microbial growth and ethanol production were not observed in the examined concentration range. In the case of nickel concentration of 0, 0.001, 0.01 and 0.1 g/L, the change in the microbial growth and ethanol production was investigated, and it was found that the ethanol production using 0.001 g/L increased by 26% compared to that of using the basal medium concentration (0.01g/L). The effect of cobalt concentrations (0, 0.018, 0.18 and 1.8 g/L) on the microbial growth and ethanol production was also investigated, and the inhibition of microbial growth was observed when the cobalt usage was over 0.18 g/L. In conclusion, cobalt did not show any further improvement of ethanol production by changing concentration, however, molybdenum and nickel showed increases in the produced ethanol concentration compared to that of using 1/10 times of the basal medium concentration.

주제어

표/그림 (4)

그림 Figure 1. Time course profile of (a) optical density at 600 nm (b) ethanol concentration, and (c) acetic acid concentration in C. autoethanogenum culture at various molybdenum addition (■: 0 g/L, ◆: 0.001 g/L, ●: 0.01 g/L, ▲: 0.1 g/L). Error bars (n = 3) represented ± 1 standard deviation.
그림 Figure 2. Time course profile of (a) optical density at 600 nm (b) ethanol concentration, and (c) acetic acid concentration in C. autoethanogenum culture at various nickel addition (■: 0 g/L, ◆: 0.001 g/L, ●: 0.01 g/L, ▲: 0.1 g/L). Error bars (n = 3) represented ± 1 standard deviation.
그림 Figure 3. Time course profile of (a) optical density at 600 nm (b) ethanol concentration, and (c) acetic acid concentration in C. autoethanogenum culture at various cobalt addition (■: 0 g/L, ◆: 0.018 g/L, ●: 0.18 g/L, ▲: 1.8 g/L). Error bars (n = 3) represented ± 1 standard deviation.
표 Table 1. Comparison of Microbial Growth and Metabolites Formation in C. autoethanogenum Culture at Various Concentration of Molybdenum, Nickel and Cobalt

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CO, CO₂, H₂로 구성된 합성가스를 유일한 탄소원으로 이용하고, acetogen의 일종인 C. autoethanogenum 배양과정에서 배지의 중금속 조성을 변화시켜 미생물의 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 관찰하였다. 연구에 사용된 중금속이온으로는 molybdenum (Mo), nickel (Ni)과 cobalt (Co)를 선정하여, 각 성분의 배지 내 농도를 조절하여 균주 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 고찰하였다.

제안 방법

Molybdenum의 농도가 에탄올 및 아세트산 생산에 미치는 영향을 알아보기 위해 14 day 배양 후 배양액 시료를 이용하여 에탄올과 아세트산의 농도를 분석하였다[Figure 1
autoethanogenum의 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 분석한 결과를 Figure 3에 도시하였다. 기본 배지에서 cobalt sulfate의 농도는 0.18 g/L이며, cobalt sulfate의 농도를 0, 0.018, 0.18, 1.8 g/L로 변화시켜 배양실험을 수행하였다. 기본 배지 조건인 cobalt를 0.
균주 성장과 대사산물 생산에 대한 영향을 보기 위해 사용된 중금속인 molybdenum, nickel, cobalt는 sodium molybdate (Na₂MoO₄⋅2H₂O), nickel chloride (NiCl₂⋅6H₂O), Cobalt(II) sulfate (CoSO₄⋅7H₂O)의 형태의 것을 배지 제조에 사용하였다. 기본 배지에서 세 가지 성분의 농도는 각각 sodium molybdate 0.01 g/L, nickel chloride 0.01 g/L, cobalt sulfate 0.18 g/L이며, 중금속 농도의 배양에 대한 영향을 시험하기 위하여 sodium molybdate, nickel chloride, cobalt sulfate의 배지 내 농도는 기본 배지 농도의 0(사용하지 않음), 0.1, 1, 10배로 변화시켜가면서 배양실험을 수행하고, 미생물 성장과 대사산물 생산을 분석하였다.
초기에 사용된 바이오 에탄올 생산기술은 곡물을 기반으로 하는 시스템으로, 원료로 옥수수, 사탕수수 등 식량자원인 곡물을 사용한다는 점과 많은 경작지가 필요하다는 한계를 갖고 있다[3]. 대안으로 개발된 2세대 바이오 에탄올 생산기술은 식량자원이 아닌 셀룰로오즈, 헤미셀룰로오즈, 리그닌 등으로 이루어진 리그노셀룰로오즈 바이오매스를 이용하는 것을 특징으로 한다[4]. 하지만, 2세대 생산기술에서 필수적으로 필요한 당화과정의 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있어, 이를 대체하기 위한 가스화공정이 개발되었다.
미생물 성장을 평가하기 위한 균주량 분석은 자외선-가시광선 분광광도계(Optizen POP, Mecasys Co., Seoul, Korea)를 이용하여 600 nm 파장에서 배양액의 광밀도 측정을 수행하였다. 비생산성의 계산을 위해 필요한 세포건조질량은 측정된 광밀도를 작성된 검량곡선에 의해 세포건조질량으로 변환하여 얻었다.
본 연구에서는 배지의 구성성분 중 금속이온인 molybdenum, nickel, cobalt의 농도 변화에 따라 혐기성 박테리아인 C. autoethagnoenum의 성장과 에탄올, 아세트산 대사산물 생산에 대한 영향을 분석하였으며 그 결과를 Table 1에 요약하였다. 실험 결과, 과량의 molybdenum은 균주 성장을 거의 하지 못하게 억제하는 경향을 보였으며, nickel의 경우, 첨가하지 않은 배지나 과량을 공급한 배지의 경우에는 미생물의 성장을 저해하는 경향을 보였다.
autoethanogenum 배양과정에서 배지의 중금속 조성을 변화시켜 미생물의 성장과 에탄올 생산에 미치는 영향을 관찰하였다. 연구에 사용된 중금속이온으로는 molybdenum (Mo), nickel (Ni)과 cobalt (Co)를 선정하여, 각 성분의 배지 내 농도를 조절하여 균주 성장과 에탄올, 아세트산 생산에 미치는 영향을 고찰하였다.
), 검출기는 flame ionization detector를 이용하였고, 헬륨을 이동상기체로 사용하였다. 유입구의 온도와 검출기의 온도는 각각 225, 250 ℃로 고정하였다. 헬륨 이동상 기체의 초기속도는 2 mL/min이며, 0.
채취된 배양액 시료는 원심 분리를 통하여 균주와 액체배양액을 분리한 후, 균주가 없는 액체배양액을 기공 크기가 0.45 µm인 syringe filter (Product No. 6784-1304, Whatman, Germany)로 여과하여 대사산물인 아세트산과 에탄올 분석에 사용하였다.

대상 데이터

균주 성장과 대사산물 생산에 대한 영향을 보기 위해 사용된 중금속인 molybdenum, nickel, cobalt는 sodium molybdate (Na2MoO4⋅2H2O), nickel chloride (NiCl2⋅6H2O), Cobalt(II) sulfate (CoSO4⋅7H2O)의 형태의 것을 배지 제조에 사용하였다.
준비된 배양 bottle은 진탕배양기에서 배양온도 37 ℃, 교반속도 200 rpm의 조건으로 배양하였다. 균주성장과 대사산물 분석을 위한 시료는 48 h마다 고무마개 부분에 주사기를 투과시켜 채취하였다. 균주 성장과 대사산물 생산에 대한 영향을 보기 위해 사용된 중금속인 molybdenum, nickel, cobalt는 sodium molybdate (Na₂MoO₄⋅2H₂O), nickel chloride (NiCl₂⋅6H₂O), Cobalt(II) sulfate (CoSO₄⋅7H₂O)의 형태의 것을 배지 제조에 사용하였다.
실험에 사용된 acetogenic 미생물은 C. autoethanogenum (DSM 10061)을 Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) GmbH (Braunschweig, Germany)에서 구입하였다. 균주 배양을 위한 기본배지의 조성은 기존 연구와 같으며[16], 구성성분은 시약용 화합물을 사용하였다.
균주 배양을 위한 기본배지의 조성은 기존 연구와 같으며[16], 구성성분은 시약용 화합물을 사용하였다. 실험에 사용된 합성가스는 20 vol% CO, 20 vol% CO₂, 10 vol% H₂, 50 vol% N₂의 조성을 가지며 MS 동민가스 (Pyeongtaek, Gyeonggi-Do, Korea)에 주문 제조하여 공급받았다.

이론/모형

에탄올과 아세트산 농도의 계산은 Chemstation® data analysis package (Agilent Technologies)를 이용하여 수행하였다.

성능/효과

Cobalt 농도가 에탄올 및 아세트산 생산에 미치는 영향을 알아보기 위해 14 day 배양 후 채취된 배양액 시료의 에탄올과 아세트산 농도를 분석한 결과를 Figure 3(b)과 (c)에 도시하였다. Cobalt의 기본 배지 조건인 0.18 g/L에서 배양액 내 에탄올 농도가 2.43 g/L로 가장 높았고, cobalt의 사용농도가 증가하면 생산된 에탄올과 아세트산의 농도가 감소하는 경향을 보였다. Clostridium ragsdalei를 이용한 타 연구에서 cobalt의 사용농도를 제한시키면 NAD(P)H가 증가하여 대사산물을 생산하는데 환원력을 공급할 수 있다는 결과가 보고되었으며[32], 본 연구에서 cobalt의 농도를 0.
8 g/L를 공급하지 않는 한 미생물 성장과 대사산물 생산에 크게 영향을 주지는 않았으며, 기본 배지 조건에서 균주 성장과 에탄올 생산량이 최대화 되었다. 결론적으로 기본 배지 내 molybdenum, nickel 농도보다 0.1배 사용조건에서 최대 에탄올 생산을 보이며, molybdenum, nickel, cobalt 모두 기존 배지 농도의 10배를 사용하면 미생물 성장과 대사산물의 생산을 저해시키는 결과를 보여, 안정적인 공정의 운전을 위해서는 과량의 금속이온 공급은 피해야하는 것으로 나타났다.
기본 배지 조건(0.01 g/L)에서 배양액 시료의 에탄올 농도는 2.97 g/L이고, nickel을 0.1배 사용한 조건(0.001 g/L)에서 에탄올의 농도는 3.75 g/L으로 기본 배지 조건에서 생산된 농도와 비교하여 26 % 향상된 결과를 보였다. 아세트산의 농도는 기본 배지 조건에서 4.
1배 조건에서 유사한 성장 특성을 보였다. 또한 molybdenum과 nickel은 기본 배지 조건보다 0.1배인 조건(0.001 g/L)에서 에탄올 생산농도가 각각 17, 26% 증가되는 것을 확인하였다. Cobalt의 경우, 기본 배지 조건의 10배인 1.
Molybdenum의 농도가 에탄올 및 아세트산 생산에 미치는 영향을 알아보기 위해 14 day 배양 후 배양액 시료를 이용하여 에탄올과 아세트산의 농도를 분석하였다[Figure 1(b),(c)]. 분석 결과를 살펴보면, 기본 배지에서 에탄올의 생산 농도는 2.10 g/L이며, molybdenum 0.1배의 조건(0.001 g/L)에서 에탄올 생산농도가 2.45 g/L로 가장 높았다. 기본 배지에서 생산된 농도와 비교했을 때 17% 증가를 보였다.
autoethagnoenum의 성장과 에탄올, 아세트산 대사산물 생산에 대한 영향을 분석하였으며 그 결과를 Table 1에 요약하였다. 실험 결과, 과량의 molybdenum은 균주 성장을 거의 하지 못하게 억제하는 경향을 보였으며, nickel의 경우, 첨가하지 않은 배지나 과량을 공급한 배지의 경우에는 미생물의 성장을 저해하는 경향을 보였다. 즉, molybdenum과 nickel의 두 가지 금속이온은 기본배지 농도와 0.
75 g/L으로 기본 배지 조건에서 생산된 농도와 비교하여 26 % 향상된 결과를 보였다. 아세트산의 농도는 기본 배지 조건에서 4.37 g/L이고, nickel을 사용하지 않거나 0.1배 사용한 조건에서는 아세트산 생산이 크게 감소하는 경향을 보이며, 10배를 사용한 조건에서는 기본 배지 조건과 거의 같은 아세트산 생산농도(4.11 g/L)를 보였다. Nickel은 Wood-ljungdahl pathway에서 carbon monoxide dehydrogenase (CODH), hydrogenase (H₂ase), carbon monoxide dehydrogenase/ acetyl CoA synthetase (CODH/ACS), phosphotransacetylase, acetate kinase의 보조인자로서 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다.
Clostridium ragsdalei, Methanosarcina thermophile를 이용한 타 연구에서 고농도의 nickel은 CODH, H₂ase, CODH/ACS, phosphotransacetylase, acetate kinase의 활성을 증가시켜 acetyl-CoA의 양이 많아지게 되면서 acetate의 생산량이 많아지는 반면, ADH의 활성에는 영향을 주지 않아 에탄올 생산량이 증가시키지 못한다는 보고가 있다[29,30]. 이 결과로부터 nickel 사용량을 0.01 g/L 이상으로 조절함으로써 대사산물 중 아세트산의 생산성을 높일 수 있는 것을 확인하였다.
실험 결과, 과량의 molybdenum은 균주 성장을 거의 하지 못하게 억제하는 경향을 보였으며, nickel의 경우, 첨가하지 않은 배지나 과량을 공급한 배지의 경우에는 미생물의 성장을 저해하는 경향을 보였다. 즉, molybdenum과 nickel의 두 가지 금속이온은 기본배지 농도와 0.1배 조건에서 유사한 성장 특성을 보였다. 또한 molybdenum과 nickel은 기본 배지 조건보다 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오 알코올이란 무엇인가?	바이오 알코올은 수송용 연료로 사용이 가능한 환경친화적 재생연료이며, 온실가스 감축과 자원 고갈 문제를 해결할 수 있는 차세대 연료원이다[1]. 바이오 연료 중 에탄올은 옥탄가가 휘발유와 비슷하기 때문에 혼용이 용이하여 수송용 연료로 많이 사용한다[2].
	에탄올의 특징은 무엇인가?	바이오 알코올은 수송용 연료로 사용이 가능한 환경친화적 재생연료이며, 온실가스 감축과 자원 고갈 문제를 해결할 수 있는 차세대 연료원이다[1]. 바이오 연료 중 에탄올은 옥탄가가 휘발유와 비슷하기 때문에 혼용이 용이하여 수송용 연료로 많이 사용한다[2]. 초기에 사용된 바이오 에탄올 생산기술은 곡물을 기반으로 하는 시스템으로, 원료로 옥수수, 사탕수수 등 식량자원인 곡물을 사용한다는 점과 많은 경작지가 필요하다는 한계를 갖고 있다[3].
	가스화공정 기술은 기존 2세대 바이오 에탄올 생산기술 공정인 당화공정과 어떤 차이가 있는가?	하지만, 2세대 생산기술에서 필수적으로 필요한 당화과정의 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있어, 이를 대체하기 위한 가스화공정이 개발되었다. 가스화 공정은 바이오매스의 모든 구성성분을 가스화하여 합성가스(syngas)를 생산하고, 합성가스의 주성분인 CO, CO2, H2를 기질로 사용하는 acetogenic 미생물 발효공정에서 에탄올, 부탄올과 같은 바이오 알코올을 생산하는 연구가 활발히 이루어지고 있다[5-7]. Clostridium autoethanogenum, C.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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