녹조류, Ettlia sp.의 생활사 조사 및 공배양을 통한 Biomass 증산 연구

Abstract

미세조류는 CO2 고정 및 항산화물, 사료, 제약, 그리고 바이오연료의 원료로써 많은 산업분야에서 이용되고 있다. Ettlia sp.는 대한민국 대전에서 분리 동정된 미세조류로서, 5~10 % CO2 농도에서 생체중량의 40 % 이상의 지질 함량을 축적 할 수 있으며, 생리활성 물질인 카로티노이드 함량이 높고, 침강성이 높아 수확하기 쉬운 장점을 가지고 있다. 이러한 특성들로 인해 Ettlia sp.는 여러 미세조류 산업에 쓰일 수 있는 잠재성을 가지고 있지만, 이미 산업적으로 이용되고 있는 미세조류인 Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris, Spirulina sp. 등에 비해, Ettlia sp.에 대한 기초연구는 아직까지 미비한 실정이다. 본 연구의 핵심 목표는 Ettlia sp.를 산업적으로 활용하기 위해 biomass 생산량을 증대시키는 것이다. 이를 위한 기초 연구의 일환으로 배지조성에 따른 Ettlia sp.의 세포 생활사를 관찰하였다. Photoautotrophic조건(BG11배지)과 mixotrophic조건(TAP배지)에서 배양된 Ettlia sp.를 24 well plate에 접종한 뒤, 현미경으로 3~4일간 관찰하였다. 그 결과, Ettlia sp.는 photoautotrophic 조건보다 mixotrophic 조건에서 더 빠른 생장 속도를 보였다. Mixotrophic 에서 배양된 Ettlia sp.는 photoautotrophic에서 배양되었을 때보다 평균 세포주기 시간이 17.7 % 가량 더 감소되었을 뿐 아니라, autospore를 약 200 % 더 생산하였다. 이 결과는 일반적으로 mixotrophic 조건에서 배양된 미세조류 세포가 photoautotrophic 조건에서 배양되었을 때보다 더 빨리 증식하는 현상을 설명해 줄 수 있는 자료가 될 수 있을 것이다. 개방형 옥외배양 시스템에서 Ettlia sp.와 같이 침강성이 높은 미세조류들은 수확하기 용이하다는 이점이 있지만, 반대로 그런 특성 때문에 대량 배양 시 미세조류 세포가 지속적으로 혼합되지 못하고 가라앉는 현상이 발생한다. 미세조류가 균일하게 혼합이 되지 못하면 빛과 영양소들을 균일하게 흡수하지 못해 biomass 생산량이 감소하게 된다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 교반 장치들이 도입되었으나, 오히려 생산 운용비용이 증가하는 문제가 발생하였다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 극복하기 위해 미꾸라지와 같은 소형 어류를 이용한 생물학적 혼합방법을 고안하여 혼합 효율 및 biomass 생산성을 조사하였다. 실험 결과, 미꾸라지와 함께 공(共)배양한 미세조류 배양시스템에서는 워터펌프 기반 혼합 배양시스템에 비해 각각 64 %와 39 %의 높은 biomass와 지질 생산량을 보였다. 뿐만 아니라 본 연구에서는 미꾸라지가 동물플랑크톤 개체 수를 억제하는 현상을 관찰할 수 있었다. 동물플랑크톤은 개방형 대량 배양에서 미세조류를 섭식하여 미세조류의 biomass 생산량을 감소시키는 주요 원인 중의 하나이다. 본 실험 말기 Ettlia sp.와 같은 혼합 조건에서 배양하였던 C. vulgaris의 워터펌프 기반 혼합 배양 시스템에서 동물플랑크톤의 밀도가 1000 individual/ml에 이를 정도로 급격히 증가했다. 하지만 공동배양 시스템에서는 동물플랑크톤의 밀도가 200 individual/ml에 불과하였다. 그리고 공동배양 시스템에서 미세조류와 미꾸라지 모두를 만족시키는 최적 배양 조건을 찾기 위해 다양한 높이 (10, 16, 20, 40, 60, 80 cm)에서 배양하였다. Biomass 생산성과 지질 함량, 그리고 지질 생산성을 비교분석한 결과, 20 cm 배양 깊이의 실험구에서 biomass 생산량 12.2 ± 0.2 g/m2/day, 지질 함량 15.6 ± 2.5 %, 지질 생산량 1878.4 ± 14.2 mg/m2/day를 나타내었으며, 이는 전반적으로 다른 실험구 대비 평균값 이상의 수치였다. 따라서 20 cm가 공배양에 가장 적합한 배양 깊이라는 결론을 도출할 수 있었다. 위 결과들을 토대로 미세조류와 미꾸라지의 공동배양 시스템은 새로운 플랫폼의 배양시스템으로써, 기존의 기계 기반 혼합 배양 시스템에 비해 더 경제적이고, 효율적임을 확인할 수 있었다.