STEAM R&E 연구결과보고서
(배양액과 클로렐라 성장의 상관관계에 대한 연구)
2015. 11. 21.
보평고등학교
< 연구결과 요약 >
과 제 명 배양액과 클로렐라 성장의 상관관계에 대한 연구
연구목표
본 연구는 번식력이 왕성하고 영양소 함량이 다른 식품과 비교해 뛰어나 영양학 적으로 우수하고 빠른 성장 속도를 갖고 있는 클로렐라를 이용해서 아프리카와 같 은 빈민지역의 영양실조율을 낮추는 것을 목표로 삼고 있다.
연구방법
한 달 동안의 조사를 통해 다른 선행연구들에서 많이 다루고 있는 클로렐라배양에 대한 환경조건과 배양액의 복합적인 영향은 다루기가 힘들다고 생각하게 되었고 구체적인 연구 방향을 배양액의 화학조성에 따른 클로렐라의 생장속도 변화에 대해서 중점적으로 다루고자 하였다.
진탕 배양이 최대한의 번식효율을 이끌 수 있는 방법이라고 자문위원에게 조언을 받았지만, 진탕배양에 사용되는 진탕배양기는 본 연구의 목적인 아프리카의 식량 보급에 금전적인 부분에서 부적합하다고 판단하여 정치배양의 형식으로 클로렐라 를 배양하였다.
일반적으로 녹조류와 남조류의 배양에 사용되는 배양액인 BG-11의 화학조성에 대해 조사한 후 이 화학조성에서 크게 벗어나지 않는 한도 내에서 화학조성을 조절하고자 하였다.
본 연구에서는 배양액에 들어가는 영양염류 중 암모니아를 포함하고 있는 성분의 비율과 양에 따라 생장속도의 변화를 보일 것으로 예상을 하고, 클로렐라의 배양액 의 암모늄염의 농도와 인산염과 암모늄염의 농도비 차이에 따른 생장속도의 차이 를 조사하였다.
연구성과
암모니아를 포함하고 있는 성분의 영양염류의 암모늄염의 농도에 따른 생장속도 는 탄산암모늄과 염화암모늄 모두 양을 늘려서 넣어주었을 때 뛰어났고, 염화암모 늄을 넣어주었을 때가 더욱더 효과적인 성장을 관찰할 수 있었다.
인산염과 암모늄염의 농도비는 75:16이 될 때 까지는 클로렐라의 성장이 인산염의 양을 늘려줄수록 효과적으로 이루어 졌고 이 수치를 넘어섰을 때에는 효능이 감소 했다.
주요어 (Key words)
클로렐라, 영양염류, 배양, 배지, 암모늄염, 인산염
1. 개요
□ 연구 동기 및 목적
○ 아프리카의 식량난과 진흙쿠키에 주목
- 아프리카의 높은 영양실조율과 진흙쿠키라는 대체식품에 대해 주목 하였고, 진흙쿠키의 영양적인 면을 해결할 수 있는 현지에서 쉽게 기르 거나 제공받을 수 있는 식품으로 적당한 녹조류에 대해 알게 되었다.
녹조류 중에서도 현지에서 쉽게 기를 수 있고 국내에서 실제로 구하여 연구해볼 수 있는 클로렐라에 관심을 갖게 되었다. 이번 연구의 목표는 이러한 클로렐라를 효율적으로 기를 수 있는 방안을 모색하는 것이다.
□ 연구범위
○ 클로렐라
- 단백질 함량이 무려 60%에 가깝고 그 이외의 여러 영양성분도 지니고 있어 매우 각광받는 식품이며, 20시간 마다 4배로 성장하는 무서운 성장력을 지니고 있는 것으로도 유명하다. 이번 연구는 이러한 클로렐 라를 기존의 상업적인 목적에서 대량으로 양식하려는 의도에서 벗어나 다소 간단하고 효율적으로 기를 수 있는 양식 방법을 찾는 것에 초점을 맞췄다.
○ 영양염류
- 시중에서 판매하는 녹조류의 배양액인 BG-11에 들어간 영양염류의 종류를 참고하여 실제로 실험에 사용할 영양염류를 선정하게 되었다.
녹조류인 클로렐라의 성장에 필요한 암모니아 성분을 지니고 있는 탄산 암모늄과 염화암모늄, 그리고 적정량이 클로렐라의 성장에 도움이 되 는 것으로 알려진 인산나트륨을 실험에 사용할 영양염류로 설정하였는 데, 이들의 양과 넣어주는 서로 간의 비율의 차이에 따라 어떠한 성장의 차이가 발생하는 지를 통해 일반적인 결론을 이끌어내려 하였다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 클로렐라의 배양방법 및 영양염류
- 클로렐라는 높은 단백질 함량과 CGF(Chlorella Growth Factor, 클로 렐라 성장 인자)라는 성분으로 인해 놀라운 성장력을 지니고 있는 영양 식품으로 탄수화물, 엽록소, 풍부한 핵산, 베타카로틴, 비타민 B군, 비타 민 C등 다양한 영양소를 지니고 있기도 하여 완전식품으로 주목받고 있다. 미래의 우주식품으로 연구되려는 시도 역시 있었다고 한다.
- 클로렐라와 같은 녹조류는 일반적으로 배지를 조성하여 그곳에서 배양한다. 배양방법은 크게 액체배지에 녹조류를 접종시켜 지속적으로 흔들어주며 기르는 진탕배양법과 그와 대조되는 정치배양법이 있다.
배양환경과 더불어 배지의 배양조건이 성장속도와 정도에 있어 매우 중요하다.
- 탄산암모늄은 분석 시약으로서 각종 암모늄염의 원료가 되고 의약품 으로도 사용된다. 염화암모늄은 건전지 제조, 아연 도금, 납땜, 그리고 분석시약 등 다용도로 사용되는 암모니아의 염이다. 인산나트륨은 강 알칼리성을 띠고 세정제로 사용된다.
□ 연구주제의 선정
○ 클로렐라의 성장과 배양액간의 상관관계의 파악
- 시중에서 판매하는 클로렐라를 배양할 수 있는 배지인 BG-11에 들어 있는 영양염류를 참고하여 선정한 세 종류의 영양염류인 탄산암모늄, 염화암모늄, 그리고 인산나트륨의 양의 조성에 따른 클로렐라의 성장 속도의 차이와 무엇이 더 효율적인 배양방법이었는지를 밝혀내는 것이 이 연구의 주된 주제이고 목적이다.
□ 연구 방법
○ 본 연구에서는 다른 선행연구들에서 활발하게 연구되고 있는 클로렐 라배양에 대한 환경조건의 영향보다는 배양액의 화학 조성에 따른 변화 에 대해 알고자 하였다.
○ 클로렐라의 배양에 있어서 연구에 적합한 방법은 클로렐라의 번식을 최대한으로 이끌 수 있는 진탕배양이라고 생각하였고 자문 위원에게 일반적인 녹조연구에서 사용하는 배양방법이라고 자문을 받았지만 진 탕배양기를 아프리카에서는 금전적인 문제로 사용하지 못할 것이라는 판단에 따라서 본 연구에서는 정치배양의 형식으로 클로렐라를 배양하 였다.
○ 본 연구에서 진행한 클로렐라의 배양액의 화학조성에 관한 실험은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째 암모늄염의 농도와 클로렐라의 상관 관계, 둘째 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 성장정도이다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 연구방향 설정
- 7월 한 달간 연구 계획 단계에서 부족했던 자료 수집을 보강하며 연구의 방향을 클로렐라의 환경조건 혹은 환경조건과 배양액의 상태의 복합적인 조절보다는 배양액의 화학조성에 집중하기로 하였다.
- 배양액의 화학조성의 경우에 다른 선행연구에서 자세히 다루지 않고 일반적인 녹조류와 남조류를 위한 배양액인 BG-11을 사용하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 본 연구에서는 BG-11의 경우에는 일반적인 녹조류를 위한 배양액이 므로 클로렐라만을 위한 배양액은 BG-11과 정확히 일치하지 않을 것이
라는 판단을 하였다. 따라서 본 연구에서 다루는 배지의 화학조성은 BG-11과 크게 다르지 않아야 한다는 것을 기본적인 원칙으로 삼고 연구를 진행하였다.
○ 전문가 자문
- 8월에 클로렐라의 농작물에 대해 활용하는 방안에 대해 연구하시는 농촌진흥청의 연구사분과 연락 할 수 있었다. 연구에 대해 전반적인 조언을 듣기 위해 8월 중순에 전주의 농촌진흥청에서 연구사님을 뵈었 다.
- 농촌진흥청의 연구실에서 클로렐라 배양방법, 보관방법 등에 대해 많은 연구들을 볼 수 있었고, 여러 가지 배양방식에 대해 접하게 되었다.
- 배양 후 클로렐라의 생장 속도를 측정할 방법에 대해서 여러 가지 조언을 얻어 우리가 할 수 있는 가장 적합한 방식인 혈구계를 사용하여 단위 면적당 클로렐라 수를 직접 관찰하는 방식을 택하게 되었다.
- 또한 실험에 사용할 클로렐라를 구하지 못해 연구가 진행되지 못하고 있다가 클로렐라를 이때 구하게 되어 본격적인 실험을 진행하게 되었 다.
○ 암모늄염의 농도에 따른 클로렐라 배양 실험 진행 - 탄산암모늄의 농도에 따른 클로렐라 배양
이 실험에서는 탄산암모늄의 농도와 클로렐라의 성장속도의 상관관 계를 알아보고자 하였다. 실험은 메스실린더를 이용하여 진행하였다.
각각의 메스실린더에 탄산암모늄용액 5ppm, 10ppm, 30ppm용액을 이용해 실험을 진행하였다.
그림 1 탄산암모늄 용액에 클로렐라 배양 전 그림 2 탄산암모늄 용액에 배양 된 클로렐라
- 염화암모늄의 농도에 따른 클로렐라 배양
이 실험에서는 염화암모늄의 농도와 클로렐라의 성장속도의 상관관 계를 알아보고자 하였다. 실험은 메스실린더를 이용하여 진행하였다.
각각의 메스실린더에 염화암모늄용액 10ppm, 30ppm용액을 이용해 실험을 진행하였다. 탄산암모늄에 대한 실험에서 사용했던 5ppm용액 은 결과가 미미하여 본 실험에서는 제외하고 실험을 진행하였다.
그림 3 염화암모늄 용액에 클로렐라 배양 전 그림 4 염화암모늄 용액에 배양 된 클로렐라
○ 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라 배양 실험1 진행 - 실험 3은 클로렐라의 성장에 큰 영향을 주는 요소 중 하나인 인
산염과 암모늄염의 비에 따른 클로렐라의 성장 속도를 비교하기 위한 실험이다.
- 배양액의 인산염과 암모늄염의 비의 기준을 BG-11 배지의 인공 급원과 질소공급원의 농도로 맞추었으며 실험에서는 질산염대신 암모늄염을 질소화합물로 사용하여 실험을 진행하였다. BG-11 배 지의 (인산염농도) : (질산염농도)를 a : b 라 하였을 때 하나의 대 조군, 대조군에 인산염을 추가한 세 개의 실험군 용액을 준비하여 (인산염농도) : (암모늄농도) 가 a : b 인 대조군과 a : 2b, a : 4b, a : 8b 인 실험군 용액을 각각 준비하여 실험을 진행하였다.
그림 5 BG-11 성분 조성
- 위 그림 BG-11 성분 조성을 보면 K2HPO4와 NaNO3의 농도를 각각 0.00390%, 0.15000%라 설명하고 있다. 이를 ppm으로 환산하여 39ppm, 1500ppm이라 보고 40ppm : 1500ppm을 a : b로 두고 실험을 진행하였다.
- 다른 연구에서 다른 녹조류의 한 종류인
Botryococcus braunii가
과농도의 인산염에서 배양하였을 때 배양이 잘 안된 것으로 미뤄보
아 암모늄염과 인산염의 비가 a : 8b가 되었을 때는 인산염의 추가
공급이 클로렐라의 배양에 부정적인 영향을 끼칠 것으로 예상하고
실험을 설계하였다.
- 실험은 다음과 같이 진행되었다.
그림 6 클로렐라 배양모습 1 그림 7 클로렐라 배양모습 2
○ 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라 배양 실험2 진행 - 이 실험에서는 인산염이 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐 라 배양 실험1에서 찾지 못했던 과농도가 되었을 때 클로렐라에 독으로 작용해 클로렐라가 잘 배양되지 않을 것이라는 가설을 세우고 진행하였 다.
- 이 실험은 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라 배양 실험1과 같은 방법으로 진행되었다.
- 다음은 단위면적당 클로렐라 군체수를 측정할 때 사용한 현미경 사진 의 예시이다.
그림 8 혈구계 사용 예시
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과 및 결론
○ 암모늄염의 농도에 따른 클로렐라 배양 실험
- 이 실험은 두 가지로 나누어 진행되었다. 하나는 암모늄염으로 염화암 모늄을 사용한 실험이고 다른 하나는 탄산암모늄을 이용한 실험이다.
- 탄산암모늄, 염화암모늄을 이용한 실험 모두에서 높은 용액에서 클로 렐라가 잘 배양되는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 일반적인 염화암모 늄에 있어서는 고농도에서 클로렐라가 잘 배양된다고 할 수 있다.
- 같은 농도의 탄산암모늄과 염화암모늄으로 배양한 클로렐라를 각각 비교하였을 때, 염화암모늄 용액에서 배양한 클로렐라가 탄산암모늄에 서 배양했을 때 보다 잘 배양이 된 것을 다음 그림과 같이 육안으로 확인할 수 있었다. 이는 다음 표와 같은 자료로 해석할 수 있는 결과이 다.
그림 9 탄산암모늄과 염화암모늄 용액에 배양한 클로렐라
“위 그림에서 왼쪽이 탄산암모늄, 오른쪽이 염화암모늄이다.”
탄산암모늄 염화암모늄 분자식 (NH4)2CO3ㆍH2O NH4Cl
분자량 114.11 53.5
1몰당 암모늄이온 2몰 1몰
단위질량당 암모늄이온 비 1 1.06
표 2 탄산암모늄, 염화암모늄 비교
- 위의 표를 보면 염화암모늄의 단위질량당 암모늄이온의 수가 탄산암 모늄의 1.06배인 것을 분자식과 분자량을 분석하여 확인할 수 있다.
이를 통해 암모늄염의 농도보다는 암모늄이온의 수가 클로렐라의 배양 에 있어 더 절대적인 영향을 미친다는 사실을 추론 할 수 있었다.
○ 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라 배양 실험 1
- 이 실험에서는 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라의 배양 정도를 확인하려고 하였고 실험설계과정에서 인산염의 농도가 기존 BG-11의 8배가 되면 인산염의 추가공급이 클로렐라의 배양에 있어서 부정적인 영향을 미친다고 생각하였다.
- 하지만 현미경을 통해 단위면적당 클로렐라 군체수를 관측한 결과 클로렐라가 인산염을 본 실험에서 추가했던 농도까지는 모두 긍정적인 경향을 갖고 배양이 된 것을 볼 수 있었다. 단위면적당 클로렐라 군체수 의 상댓값은 다음 그래프와 같다.
그림 10 인산염, 암모늄염의 비에 따른 클로렐라 군집의 수 그래프
- 따라서 인산염이 암모늄염과의 비가 16:75가 되는 지점까지는 클로렐 라의 배양에 긍정적인 영향을 미친다는 결론을 도출해 낼 수 있었다.
- 따라서 실험에서 찾고자 했던 클로렐라의 배양에 부정적인 영향을 끼치는 농도를 찾기 위해 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라 배양 실험 2를 설계하여 실험을 진행하였다.
○ 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라 배양 실험 2
- 인산염과 암모늄염의 농도비에 따른 클로렐라 배양 실험 1에서 인산염 과 암모늄염의 비를 a:b에서 a:8b까지 실험한 것에 더하여 a:b부터 a:32b 까지 6가지 용액을 준비하여 클로렐라를 배양하였다.
- 배양한 클로렐라 용액을 혈구계와 현미경을 이용해 관측하여 배양액 에 따른 단위면적당 클로렐라 군체수의 그래프를 나타내면 다음과 같 다.
그림 11 암모늄염과 인산염의 비에 따른 단위면적당 클로렐라 군체수(상대값)
- 위 그래프에서 평균값의 경향을 보면 a:8b에서 가장 효율적인 성장을 보여준 것을 볼 수 있고 a:16b부터는 클로렐라가 잘 배양되지 않은 것을 볼 수 있다. 이는 인산염이 독으로 작용했다고 볼 수 있다.
- 이 실험으로 도출할 수 있었던 결론은 (암모늄염):(인산염)이 75:16일 때 가장 클로렐라가 잘 배양되고 인산염의 비가 이보다 커지면 클로렐 라의 배양에 부정적인 영향을 끼친다는 것이다.
□ 시사점
○ 이전의 상업적인 목적에서의 대량 양식의 방법을 위한 클로렐라의 성장에 관한 연구와 다르게 순수하게 간단하게 만들 수 있는 간이배지의 화학조성만을 고려한 클로렐라의 양식에 관한 연구로 아프리카에서도 실제로 사용할 만한 간이식 배양법에 도움을 주고자 하였다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 발전된 연구로 아프리카에 배양법 전달 기대
○ 이번 연구에서 나타난 간이배지의 화학조성에 관한 결과를 바탕으로 하여 추가적인 영양염류에 관한 연구, 그리고 이에 알맞은 배양환경에 관한 연구까지 이루어진다면 경제적인 측면과 효율을 고려해 보았을 때 충분히 아프리카에서 직접 사용할 수 있는 배양법 및 배양에 필요한 물품들을 보급할 수 있을 것으로 기대된다.
5. 참고문헌
□ 심창기외 8인(2014). 유기농업 생태계로부터 담수 녹조류 분리 및 형태적 동정. KOREAN J ORGANIC AGRI
□ 권성현, 이은미, 조대철(2012). 미세조류 Botryococcus braunii의 배양 조건 최적화 및 지질축적 향상. 한국환경과학회지
□ 이태윤, 최보람, 이재근, 임재혁(2011). 발광다이오드를 이용한 클로렐 라 배양 연구. 대한환경공학회지 제33권 제8호
