[논문]LED 광원에 따른 미세조류 Scenedesmus obliquus의 성장 특성

유용진; 김송이; 이건우; 이영복; 김진우; 김호섭

doi:10.5762/kais.2020.21.11.70

LED 광원에 따른 미세조류 Scenedesmus obliquus의 성장 특성
Growth Characteristics of Microalgae Scenedesmus obliquus by LED Light Source 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.70 - 77

유용진 (선문대학교 나노과학과) , 김송이 (선문대학교 식품과학과) , 이건우 (선문대학교 나노과학과) , 이영복 (선문대학교 나노과학과) , 김진우 (선문대학교 식품과학과) , 김호섭 (선문대학교 나노과학과)

초록
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미세조류는 광합성을 수행하는 독립영양생물로 배양 환경을 변화시켜 미세조류 유래 유용물질의 축적을 증대시킬 수 있다. 본 연구에서는 미세조류 S. obliquus의 세포 성장에 주요 인자인 배지와 광원의 영향을 평가하기 위해 MBBM, Neo 배지와 7가지의 광원을 사용하여 39일 동안 배양하여 세포 성장을 측정하였다. 그 결과 MBBM과 Neo 배지에서 성장한 S. obliquus의 경우, Fluorescent light 광원과 Red2 LED (R660) 광원에서 세포 성장이 가장 높게 관찰되었고, Infra Red LED (R741) 광원에서는 세포 성장이 가장 낮게 관찰되었다. 평균 세포 성장률은 MBBM 배지에서 17.7 %, Neo 배지에서 15.4 %의 성장률을 확인하였다. MBBM과 수생식물 생산용 영양소를 포함한 Neo 배지의 건조세포무게(dry cell weight)를 비교하였을 때, Blue LED (B450)를 제외한 LED 광원에서 Neo보다 많은 세포 성장이 높은 것이 확인되었다. 이는, MBBM 배지가 Neo 배지보다 미세조류 세포량 증대에 보다 적합함이 증명되어 향후 미세조류 대량배양을 통한 유용물질 생산에 있어 광원 선정이 중요하다는 것이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Microalgae are independent organisms that perform photosynthesis and can alter the culture environment to increase accumulation of useful substances derived from microalgae. In this study, cell growth was measured by incubation for 39 days using MBBM, Neo medium, and seven light sources, which is the main factor affecting cell growth of microalgae S. obliquus. In the case of S. oliquus, which grew in MBBM and Neo medium, cell growth was highest under fluorescent light sources and Red2 LED (R660) light sources, and cell growth was lowest under Infra Red LED (R741) light sources. The average cell growth rate was 17.7% for MBBM and 15.4% for Neo. Comparing the effects of dry cell weight of Neo medium containing nutrients on the production of aquatic plants, MBBM and dry cell weight of Neo resulted in higher cell growth than Neo medium under all LED light sources except for Blue LED (B450). This proves that MBBM is more suitable for increasing the cell growth of microalgae than Neo medium and confirms that light source selection is important in the production of useful materials through mass cultivation of microalgae in the future.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The SEM images present S. obliquus growth[11] (a) Single-cell form (b) Four-cell combination form
그림 Fig. 2. Emission spectra of LED lights (a) White LED (W12): 455, 539 nm, (b) Red+Blue LED (RB12): 461, 665 nm, (c) Blue LED (B450): 450 nm, (d) Red1 LED (R640): 640 nm, (e) Red2 LED (R660): 660 nm, (f) Infra Red LED (R741): 741 nm, (g) Fluorescent light (F.L): 549, 614 nm
표 Table 1. Wavelengths of LED lights
그림 Fig. 3. Average growth curves of 3 times experiment of S. obliquus on MBBM culture medium by LED light sources (a) White LED (W12) (b) Red+Blue LED (RB12) (c) Blue LED (B450) (d) Red1 LED (R640) (e) Red2 LED (R660) (f) Infra Red LED (R741) (g) Fluorescent light (F.L)
그림 Fig. 4. Average growth curves of 3 times experiment of S. obliquus on Neo solution culture medium by LED light sources (a) White LED (W12) (b) Red+Blue LED (RB12) (c) Blue LED (B450) (d) Red1 LED (R640) (e) Red2 LED (R660) (f) Infra Red LED (R741) (g) Fluorescent light (F.L)
그림 Fig. 5. Comparison of O.D. value increases after 39 days of incubation in MBBM and Neo medium
그림 Fig. 6. Compare MBBM culture medium with Neo dry cell weight(mg/L)
표 Table 2. Comparison of absorbance(O.D.) and dry cell weight of S. obliquus grown during 39 days in MBBM, Neo medium.

AI 본문요약
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제안 방법

LED의 광량은 광양자 밀도 측정계 (LI-1500 Light sensor logger, LI-COR, USA)를 이용하여 150 µmol/m2·s로 동일 조건으로 조절하였으며, 광주기는 12시간 명조건과 12시간 암조건으로, 외부의 빛을 차단하기 위하여 빛 차단막을 설치하였다.
S. obliquus가 MBBM 배양 배지에서 39일 동안 파장이 다른 7가지의 LED 광원에서 성장하는 동안 흡광도값을 측정하였다. 39일 배양동안 최대 성장을 보인 F.
배양된 미세조류는 원심분리 후 24시간 건조 시킨 후 dry cell weight을 3번씩 측정하여 평균값을 구하였다. Table 2.는 S. obliquus의 MBBM, Neo 배지에서 성장한 미세조류의 O.D.값과 dry cell weight을 mg/L 단위로 측정해 비교하였다.
obliquus는 –60 ℃로 1차 냉각하고 동결건조기(FDU-1200, Eyela, Japan)에서 –57 ℃로 약 2시간 동안 건조하였다. 건조된 샘플을 Au 코팅한 후 EPMA (JEOL JXA-8200 EPMA)에서 가속전압 10 kV, 배율 3,000배에서 관찰하였다. 본 연구에서 사용한 미세조류 S.
미세조류 S. obliquus가 Neo 배양 배지에서 39일 동안 7가지의 광원에서 성장하는 동안 흡광도값을 측정하였다. MBBM의 배지보다 전체적으로 낮은 흡광도값이 관찰되었으며, 39일 배양 동안 최대 성장을 보인 Red2 LED (R660) 광원에서 성장한 미세조류의 흡광도값은 0.
배양액은 50 ml 튜브 (Falcon Centrifuge Tube, Wisd, Germany)를 이용하여 배양부피 30 mL로 진행하였다. 미세조류의 성장변화를 측정하기 위해 UV/Vis 분광광도기(Optizen 2120 UV, Mecacy Ltd, Korea) 를 이용하여 680 nm에서 흡광도 (O.D.)를 측정하여 세포의 성장을 상대적으로 비교하였다. 흡광도값 측정 전 배양한 미세조류의 팔콘 튜브를 회전교반기 (VM-10, Daihan Scientific Co.
배양된 미세조류는 원심분리 후 24시간 건조 시킨 후 dry cell weight을 3번씩 측정하여 평균값을 구하였다. Table 2.
본 연구에서는 7가지의 LED 광원을 이용하여 해양 미세조류인 S. obliquus의 성장을 2종류의 배지에 적용하여 세포 성장을 관찰하였다. 7가지 광원은 white LED (W12), Red+Blue, Red와 Blue 혼합 (RB12), Blue LED (B450), Red1 LED (R640), Red2 LED (R660), Infra Red LED (R741), 형광등 (F.
obliquus는 약 150 µmol/m²·s에서 최대 성장률을 나타낸다고 보고되고 있다[12]. 본 연구에서는 광원에 따른 미세조류 성장을 비교하기 위해 각기 다른 파장의 광원을 사용하였으며, 실험에 사용된 광원의 종류와 특성을 Table 1.에 정리하였다.
obliquus를 분양받아 사용하였다. 분양받은 미세조류는 MBBM 배지를 이용하여 25 ℃ 항 온배양기에서 형광등을 12시간 명조건과 12시간 암조건으로 조사하여 15일 단위로 계대배양하였다. 이전의 논문에서와 같이 주사 전자 현미경(SEM) 관찰을 위해서, 배양된 S.
L)이며, 미세조류의 배양 배지는 Modified Bold’s Basal Medium (MBBM) 와 수중식물 배양을 위한 상업용 배지인 Neo 배지를 이용하였다. 이를 통해, 배양에 필수 요소인 광원과 배지 조성에 따른 S. obliquus의 성장을 흡광도 (optical density, O.D.)측정과 건조세포무게 (dry cell weight)를 통해 비교 분석하였다. 이러한 연구는 LED 광원을 이용한 S.
미세조류 배양 후 건조세포무게 (dry cell weight)를 측정하기 위하여 원심분리기 (SIB-05RH, 정 바이오텍, Korea)로 8000 RPM으로 10분간 세포를 상등액과 분리하고[15] 증류수 5 ml를 분주하여 회전 교반기로 균일하게 혼합 후 칭량 접시에 담아 드라이 오븐에서 60℃에서 24시간 건조하였다. 이후 분석용 전자저울 (WBA-220, Wisd, Germany)을 이용하여 건조세포무게를 측정하였으며, MBBM 및 Neo 배지 사용에 따른 세포량을 비교하였다.
)를 측정하여 세포의 성장을 상대적으로 비교하였다. 흡광도값 측정 전 배양한 미세조류의 팔콘 튜브를 회전교반기 (VM-10, Daihan Scientific Co., Ltd, Korea)로 균일한 세포 상태로 혼합하여 흡광도값을 주 2회 측정하였으며, 측정은 각 광원에 따라 3회 반복 측정하여 그 평균값으로 세포의 성장을 비교하였다. 미세조류 배양 후 건조세포무게 (dry cell weight)를 측정하기 위하여 원심분리기 (SIB-05RH, 정 바이오텍, Korea)로 8000 RPM으로 10분간 세포를 상등액과 분리하고[15] 증류수 5 ml를 분주하여 회전 교반기로 균일하게 혼합 후 칭량 접시에 담아 드라이 오븐에서 60℃에서 24시간 건조하였다.

대상 데이터

7가지 광원은 white LED (W12), Red+Blue, Red와 Blue 혼합 (RB12), Blue LED (B450), Red1 LED (R640), Red2 LED (R660), Infra Red LED (R741), 형광등 (F.L)이며, 미세조류의 배양 배지는 Modified Bold’s Basal Medium (MBBM) 와 수중식물 배양을 위한 상업용 배지인 Neo 배지를 이용하였다.
7가지 광원을 동일 조건 150 µmol/m2·s로 조정하고 배양에 사용하였다.
미세조류의 배양을 위하여 Modified Bold’s Basal Medium (MBBM)와 Neo 배지를 사용하였다.
미세조류인 S. obliquus를 2종류의 배지(MBBM, Neo)와 파장이 다른 7가지의 LED 광원에서 총 28개의 S. obliquus를 39일 동안 배양을 진행하였다. 그 결과 MBBM 배지에서 성장한 S.
본 연구에서 배양한 해양시료도서관 (JeJusi, Korea) 로부터 미세조류는 S. obliquus를 분양받아 사용하였다. 분양받은 미세조류는 MBBM 배지를 이용하여 25 ℃ 항 온배양기에서 형광등을 12시간 명조건과 12시간 암조건으로 조사하여 15일 단위로 계대배양하였다.
건조된 샘플을 Au 코팅한 후 EPMA (JEOL JXA-8200 EPMA)에서 가속전압 10 kV, 배율 3,000배에서 관찰하였다. 본 연구에서 사용한 미세조류 S. obliquus의 대한 SEM 이미지로 가속전압 10 kV, 배율 3,000배에서 관찰하여 Fig. 1에 나타내었다[11].

성능/효과

흡광도값 및 건조세포무게는 각 시료를 3회 반복 측정하여 평균값을 나타낸 값이다. Blue LED (B450) 광원을 제외하고 MBBM이 Neo 배지보다 많은 건조세포무게를 가지는 것으로 관찰되었다.
062의 흡광도값이 관찰되었다. Fig. 3에서 보는 바와 같이 배양 10일까지, Infra Red LED (R741) 광원을 제외한 6가지의 광원에서 S. obliquus는 유사한 성장률을 보였고 20일 이후부터 F.L 광원이 다른 LED 광원보다 빠른 성장이 관찰되었다. Infra Red LED (R741) 광원은 성장의 변화가 거의 없는 것을 관찰하였다.
4 %의 평균 성장률을 가지는 것을 확인하였다. MBBM 배지가 평균 성장률이 2.24 % 더 높다는 것을 확인하였다. 각각의 배지(MBBM, Neo)에서 39일 성장시킨 S.
055로 가장 낮게 관찰되었다. MBBM 배지는 17.7 %의 평균 성장률을 가졌으며, Neo 배지는 15.4 %의 평균 성장률을 가지는 것을 확인하였다. MBBM 배지가 평균 성장률이 2.
obliquus가 Neo 배양 배지에서 39일 동안 7가지의 광원에서 성장하는 동안 흡광도값을 측정하였다. MBBM의 배지보다 전체적으로 낮은 흡광도값이 관찰되었으며, 39일 배양 동안 최대 성장을 보인 Red2 LED (R660) 광원에서 성장한 미세조류의 흡광도값은 0.014에서 0.238로 측정되었다. MBBM 배지에서 성장한 것과 같이 Infra Red LED (R741) 광원에서는 S.
Neo 배지의 Red2 LED (R660), Infra Red LED (R741)을 제외하고 MBBM의 O.D.값이 더 증가한 것을 확인하였다. 같은 색의 LED 광원 일지라도 파장이 다르면 성장의 차이가 발생하는 것이 확인되었으며, 660 nm 의 Red LED가 640 nm, 741 nm의 Red LED보다 S.
값이 더 증가한 것을 확인하였다. 같은 색의 LED 광원 일지라도 파장이 다르면 성장의 차이가 발생하는 것이 확인되었으며, 660 nm 의 Red LED가 640 nm, 741 nm의 Red LED보다 S. obliquus의 성장에 도움을 주는 것을 확인하였다.
obliquus를 39일 동안 배양을 진행하였다. 그 결과 MBBM 배지에서 성장한 S. obliquus의 경우 F.L 광원에서 흡광도 0.274로 가장 높게 관찰되었으며, Infra Red LED (R741) 광원에서 흡광도값이 0.062로 가장 낮게 나타났다. Neo 배지에서 성장한 S.
obliquus 는 유사한 성장률이 관찰되었다. 배양 39일의 흡광도값 은 Red2 LED (R660) 광원에서 0.238, F.L 광원에서 0.236, Blue LED (B450) 광원에서 0.167, Red+Blue 혼합 LED (RB12) 광원에서 0.165, Red1 LED (R640) 광원에서 0.161, White LED (W12) 광원에서 0.158, Infra Red LED (R741) 광원에서 0.055의 값이 관찰되었다. 최대 흡광도값을 가진 Red2 LED (R660) 광원과 Infra Red LED (R741) 광원은 4.
L 광원에서 140, 133 mg/L이 관찰되었다. 이는 MBBM을 배지로 사용했을 때, Blue LED (B450)를 제외한 LED 광원에서 Neo 배지보다 높은 세포량 확보가 가능하다는 것이 확인하였다. 이러한 실험 결과는 미세조류의 성장이 LED의 광원과 배지의 선택이 중요하다는 것을 확인하였고, S.
062의 값이 관찰되었다. 최대 흡광도값을 가진 F.L 광원과 최소 흡광도값을 가진 Infra Red LED (R741) 광원은 4.4배의 차이를 갖는 것을 확인하였다.
055의 값이 관찰되었다. 최대 흡광도값을 가진 Red2 LED (R660) 광원과 Infra Red LED (R741) 광원은 4.3배의 차이를 갖는 것을 확인하였다.

후속연구

이는 MBBM을 배지로 사용했을 때, Blue LED (B450)를 제외한 LED 광원에서 Neo 배지보다 높은 세포량 확보가 가능하다는 것이 확인하였다. 이러한 실험 결과는 미세조류의 성장이 LED의 광원과 배지의 선택이 중요하다는 것을 확인하였고, S. obliquus의 대량 배양을 위한 기초자료로써 유용하게 이용될 것이다.
)측정과 건조세포무게 (dry cell weight)를 통해 비교 분석하였다. 이러한 연구는 LED 광원을 이용한 S. obliquus의 유용물질 생산을 위한 미세조류 대량 배양에 있어 유용한 기초정보로 이용될 연구로써 고농도 배양과 이를 통한 바이오디젤 및 유용물질 산업화에 활용이 가능한 자료로 사료된다.

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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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