STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(도심지의 녹색혁명! 옥탑방에 이사 온 스피루리나)

2016. 11. 30.

대전제일고등학교

주제 : 도심지의 녹색혁명! 옥탑방에 이사 온 스피루리나

부르면 달려갑니다! CO

잡는 휴대용 스피루리나 키트

Ⅰ. 탐구 동기

스피루리나는 세포벽이 얇은 청록색의 조류로 남조라고도 불리며 세포 속 엽록소의 피코사 이아닌이 발산하고 있어 청록색을 띈다. 고대 아프리카 및 멕시코 역에서 이용되어 왔지만 최근에 와서 현대사회에 소개되었다.

주로 열대지방의 소금기 있는 호수에서 자생하고 있으며 세계적인 분포는 많지 않으나 최적 수온32∼42℃이며 강한 알카리성 환경에서 번식하며, 인공 양식이 가능하다.

열대우림 1m2이 연간 15~20t의 이산화탄소를 흡수하는 것에 비해 같은 면적에 스피루리나 는 이산화탄소를 열대우림에 약 2배가량으로 30~40t을 흡수한다. 이러한 특징은 도심지 빌 딩이나 사무실 또는 교실 내 이산화탄소량을 낮추기 위한 방안으로 적용될 수 있다.

좁은 공간에 많은 학생들이 있는 교실은 꼭 도시의 축소판 같다고 볼 수 있다. 도시는 지 구 표면 전체 중 4 %에 불과하지만 세계 이산화탄소 배출량의 75 ~ 80 %를 발생시킨다.

2008년 서울시의 연간 이산화탄소 배출량은 우리나라 국가 배출량의 10 %인 약 5,200만 톤 으로서 스웨덴 국가 배출량과 비슷한 수준이라는 보고도 있다.(이승민,2011)

지속적으로 상승하는 교실의 이산화탄소를 낮추고 건물 내 CO2를 낮춰 쾌적함을 느낄 수 있도록 한다. 더 나아가서는 CO2를 집중적으로 배출하는 도시에서 스스로 CO2를 해결할 수 있는 방법으로 누구나 손쉽게 키울 수 있는 스피루리나 키트를 제공하는 것이 이 연구에 목적이다.

□ 연구 목적

- 책상위에서 키울 수 있는 간편 스피루리나 킷을 제작하여 교실의 CO

를 산소로 바꾸는 방법을 고안

- 건물 옥상에 스피루리나 자동 배양시설을 설치하여 도심의 CO

를 낮추

면서 , 수확한 스피루리나는 도시에 사는 인간의 식량 및 농축산 사료로

활용하는 방안가능성 입증

Ⅱ. 이론적 배경

○ (김한솔 외2, 2013.6) 유사연구로 2013년도 전국과학전람회에 소개된 담수조류와 클로렐라를 복합적으로 이용한 건물옥상 장착용 CO2저장 캡장치에 대한 탐구 결과보고서 를 들 수 있다. 본 연구의 특성은

첫째, 클로렐라 및 해캄 등의 다양한 담수조류 배양기가 건물을 감싸는 구조로 태양열 이 건물에 직접 흡수되는 것을 막고

둘째, 광합성에 의한 도심지의 CO2를 낮추며

셋째, LED를 활용하여 광합성을 보조하는 것에 초점이 맞추어져 있다.

위 연구는 제목은 본 연구와 유사해보이지만 첫째, 광합성 조류의 활용불가 여부의 차이 둘째, 배양 시스템의 자동화 여부의 차이

셋째, 인공광(위 연구)과 자연광(본 연구) 활용의 차이

넷째, CO2소스를 도심의 것을 사용(위 연구)하는지, 아니면 건물 자체내의 CO2와 O2순환방식을 사용하는 지의 차이로 부터

본 연구가 위 연구와는 전혀 다른 새로운 방식의 통합적 접근이라는 것을 알 수 있다.

○ (안동규 외 3인, 2011) 미세조류 배양기를 제작을 위해서 참고한 바이오매스 대량 생산용 광생물반응기 개발 연구 보고서 및 관형 광생물 반응기에서의 스피루리나 생장에 관한 연구 결과물로부터 우리가 제작할 자동 배양기는

첫째, 미세조류 배양시 빛의 산란 미세조류간의 상호 그림자 효과(Mutual shading)를 고려한 구조

둘째, 미세조류의 질소원, CO2농도, pH의 최적조건 유지 (센서 선택) 셋째, CO2및 O2의 실별 순환 구조

넷째, 미세 조류의 침전과 반응기 표면 부착을 방지하는 방법을 고려해야 함을 알게 되었다.

○ 아두이노를 적용한 식물자동배양장치는 흔히 찾아볼 수 있지만, 미세조류 등 바이오 리액터에 적용한 사례는 아직까지 없었다.

○ 온실가스 CO2저감시설에 스피루리나 활용 (김용상 외2인, 2003.)

지구 온난화 현상을 유발하는 가스 중 CO2는 약 55 %를 차지하고 있다. 전 세계적으로 CO2저감을 위한 원천 기술 개발, 생성된 CO2의 회수 및 재활용 등의 연구가 진행되고 있는데, 그중 광합성 미생물을 이용한 CO2고정 방법은 CO2를 제거하고 미생물은 식량원 으로 활용할 수 있기에 상당한 가치를 지니고 있다.

36억년 전에 출현한 스피루리나(Spirulina Platenesis)는 지구에 산소를 공급했을 뿐만아니 라, 육상식물의 조상이자 현재까지 다양한 환경조건에서 생존하고 있는 “살아있는 화석”

으로 불리며, 먹이피라미드의 최하층을 든든히 지지하고 있다. 스피루리나는 광합성을

통해 CO2를 고정할 수 있을 뿐만 아니라, 고단백 및 강한 항산화물질로써의 높은 영양학적 가치, 양식 및 사료로써의 큰 가치, 축산 폐수의 정화 등 여러 분야에 다방면으로 활용이 가능하다는 것이 선행연구로 다양하게 입증되었다.

○ NASA의 CELS개념을 건물에 도입한다면? (한병훈, 2007)

NASA는 우주인이 우주 공간에 식량과 물과 공기를 외부에서 공급받지 않고 장기간 우주에 체류할 수 있는 방법을 수립하기 위하여 CELS(Closed Environmental Living System)을 연구하고 있다. 본 연구에 핵심이 되는 생물은 바로 스피루리나이다. 스피루리 나의 높은 광합성능력은 배양과정에서 인간이 배출한 탄산가스와 물을 소모하여 산소와 유기물 즉 스피루리나를 얻고, 스피루리나로 다시 물고기를 키우거나 인간이 먹는 등 폐쇄 생태계의 개념을 완성시킨다. 이 CELS의 개념은 외부에서 태양 에너지만을 공급받 으면 식량, 물 및 공기를 영원히 자급자족 할 수 있게 하는데 있다.

만일 스피루리나를 우주 공간이 아닌 도심지의 건물 옥상에 적용한다면 도심의 CO2농도 도 낮출 수 있을 뿐만 아니라 식량문제까지 함께 해결할 수 있지 않을까?

○ 스피루리나의 식량으로써의 가치 (Robert, 2009) 스피루리나의 영양학적 특성은

첫째, 양질의 단백질 함량이 높고(65 %이상) 세포벽이 없어 소화흡수율이 90 %이상이 면서 인체에 축적될 수 있는 해로운 성분이 없다.

둘째, 베타카로틴 등 각종 항산화 활성 카로티노이드 성분을 그 어떤 식품보다 다량 함유하고 있다.

셋째, 각종 비타민과 미량 금속 원소를 골고루 갖추고 있다.

넷째, 지방질을 적게 함유하지만 감마리놀렌산과 같은 필수 지방산은 다량 함유하고 있다.

다섯째, 피코시아닌 수용성 항산화 활성 색소 단백질을 10 %의 고농도로 함유하고 있다.

이에 스피루리나는 우주 식품으로 지정되었고, 전 인류의 무공해 미래 식량이자 완전식품 으로 분류되고 있기에 미래의 식량난을 해결할 수 있는 최고의 대안이라 할 수 있다. 만일 본 연구를 실현시키게 된다면 향후 도심지의 건물 자체는 공해를 배출하는 공간이 아닌 양질의 매우 훌륭한 녹색농장으로 변신할 수 있을 것이다.

■ 스피루리나 생육조건에 대한 선행 연구를 정리하면 다음과 같다.

● (김영민외4인, 2009) 스피루리나의 바이오매스 활용에 초점을 맞춘 실험에서는 S.

platensis^를 pH 9.0, 2500 lux, 탄소 및 질소원 농도를 16.8 g/L, 2.5 g/L로 고정하고 온도 25 ℃, 30 ℃, 35 ℃에서 12일간 배양한 결과 35 ℃조건에서 균체의 건조 균체량 1.56 g/L로 가장 높은 성장을 하였다.

● (이승환 외 4인, 2013) 반면 CO2의 제거능력에 초점을 맞춘 또 다른 연구에서는 Algea의 pH와 CO2농도는 기온에 차이가 있음에도 서로 큰 차이를 보이지 않았다.

또한 성숙정도에서의 차이에도 CO2농도에 큰 차이가 나타나지 않았다. 즉, Algea는 기온이 약 20~30 ℃인 온대 및 아열대 기후에서는 CO2흡수량에 큰 차이를 보이지 않고 활발히 이루어짐을 밝혔다.

~!■ 스피루리나 생육조건에 대한 선행 연구를 정리하면 다음과 같다.

● (Chaumont, D. 1993)(Xu, Z. 외6인, 2002)위 논문에 따르면 스피루리나를 키우기 위해 사용할 배양장치로는 옥외형과 폐쇄형이 있는데, 사계절이 뚜렷한 대한민국의 실정에는 옥상에서 키울 수 있는 방법으로 폐쇄형 유사모델을 추구해야할 것이다. 현재 폐쇄형으로 대량 생산을 하는 시스템으로는 광생물반응기(Photobioreactor)가 사용되고 있으며, 미세 조류의 생산성 향상을 위하여 개방형 및 밀폐형으로 다양한 광생물 반응기들이 개발되고 있다. 우리의 연구는 아래의 공기 부양형 교반 시스템모델 을 추구하면서, 건물 내의 CO2를 활용하고자 한다.

[그림1] 공기 부양형 교반 시스템 배양기

● (Molina, E. 2001) 공기 부양형 교반 시스템에서는 광생물 반응기 내부로 주입된 공기와 CO2가스에 의하여 미세조류와 유체의 수직/수평방향 순환과 회전이 발생한다.

위 시스템은 기포 주입형 교반시스템보다 기포 주입 속도가 느리며 균일한 공기와 CO2가스를 광생물 반응기 내부에 공급함으로써 미세조류에 작용하는 전단응력이 감소 하며 반응기내의 산소의 분류 및 제거가 용이하다.

Ⅲ. 연구과정 및 결과

1. 배양액 준비

가. SS Broth 조성 (UN기후변화상황실 추천방법)

l 스타터 믹스

번호 성분 량 변환(10L)기준 변환(20L)기준 변환(100L)기준 1 중탄산나트륨(베이팅소다) 16.0g/L 160g 320g 1,600g

2 질산칼륨(초석) 2.0g/L 20g 40g 200g

3 천일염 1.0g/L 10g 20g 100g

4 인산암모늄 0.1g/L 1g 2g 10g

* 농축 녹차액 1.0㎖/L 10㎖ 100㎖ 1,000㎖

5 황산철 0.01g/L 0.1g 0.2g 1g

* 석회 0.1g/L 1g 2g 10g

l 메이크업 믹스 (연속 배양용)

번호 성분 량

2 질산칼륨(초석) 1.4㎏

4 인산암모늄 50g

6 황산칼륨 30g

7 황산마그네슘 20g

* 석회 10g

나. BG11 + A5 Metal Tracer 이용 다. Urine broth 이용 : 어린이 오줌 이용

2. 배양 최적조건 탐색

가. 스피루리나 배양 나. 배지종류

- SS broth (Spirulina Start)  20L 제조

중탄산나트륨 16.0g/L 160g/10L 320g/20L 질산칼륨(초석) 2g/L 20g/10L 40g/20L

천일염 1g/L 10g/10L 20g/20L

인산암모늄 0.1g/L 1g/10L 2g/20L

황산철 0.01g/L 0.1g/10L 0.2g/20L 황산칼륨 0.06g/L 0.6g/10L 1.2g/20L 황산마그네슘 0.04g/L 0.4g/10L 0.8g/20L

3. 접종 및 생장률 측정 실험

가. 배지 BG11, SS broth의 효율성 비교  - 배지 200ml + 스피루리나 (pH 9.8) 50ml  - 접종시간 : 0707 19:00 

나. BG11 = DW 200ml + BG11 2ml + A5 metal 2ul - 광도 측정 2600~3000lux

4. 스피루리나의 흡광도에 따른 건조중량, 개체 수,

고정량 그래프

Ÿ 가설 설정:

스피루리나는 흡광도에 따라 건조중량과 CFU 측정값, _ 고정량이 비례한다.

Ÿ 가설 설정 배경:

향후 실험을 할 때, 단순히 흡광도를 재는 것만으로도 스피루리나의 건조중량과 CFU 값을 간편히 알 수 있다. 건조중량의 변화를 통해 얼마나 많은 _가 광합성 과정에서 고정됐는지 알 수 있으며 어느 정도 양의 스피루리나를 활용 가능한지 알 수 있다.

Ÿ 실험 과정:

1. 건조중량 측정:

가. 1차 측정 1) 방법

- 100ml원액을 100%로 설정하고 6단계 농도별 희석한다.

- 희석액 1ml 흡광도를 측정한다. (OD680)

- 스피루리나 배양액 100ml를 거름종이로 거른 후 증류수로 2회 세척한다.

- 거름종이 건조기(120℃, 2시간)에서 건조한다.

- 거르기 전, 후의 무게를 감하여 스피루리나만의 건조중량을 측정한다.

- 흡광도와 건조중량을 연계한 생장곡선을 그린다.

나. 2차 측정 1) 방법

- 1500ml의 스피루리나 배양액을 농축한다.

- 15ml 코니컬튜브에 배양액을 나누어 담은 후 6000rpm, 10min 원심분리한다.

- 원심분리 후 상층액 제거 한 뒤 증류수로 suspension시킨 후 원심 분리 2회 반복한다.

- 최종 30ml의 스피루리나 회수한다.

- 이후 방법 1차 측정과 동일하게 한다.

표 1. 농도별 스피루리나 용액 조성

표 2. 농도별 스피루리나의 건조중량 측정

0% 20% 40% 60% 80% 100%

증류수 (ml) 0 2 4 6 8 10

스피루리나 (ml) 10 8 6 4 2 0

　 　100% 80%　 60%　 40%　 20%　 0%　

거름종이(g) 0.776 0.7952 0.8076 0.7996 0.7938 0.8129 건조후(g)

(거름종이+스피 루리나)

0.7817 0.7958 0.8058 0.7941 0.7806 0.7964

스피루리나

건조중량 0.0057 0.0006 -0.0018 -0.0055 -0.0132 -0.0165

＊보정값 = 스피루리나건조중량 – 거름종이 – 0% 스피루리나 건조중량

표 3. 농도별 스피루리나 건조중량 및 OD값 측정표

2. CFU 측정

-위와 같은 방법으로 농도별 스피루리나 용액을 만든다.

-각각의 용액에서 1ml을 뽑아 10배 희석한 후, 20㎕을 뽑아 헤모사이토미터를 통해 관찰한 다.

-헤모사이토미터의 5개 챔버의 평균을 내서 스피루리나의 ml당 개체 수를 알아본다.

-이로써 구한 개체 수를 엑셀을 이용하여 막대그래프 그리기로 그린다.

-x축의 값은 흡광도, y축의 값은 스피루리나의 개체 수 즉 1ml당 개수를 기준으로 한다 -그래프에 추세선을 그려넣고, 수식을 포함해준다.

그림 12 헤모사이토미터 를 통해 관찰한 스피루리 나

표 4. 흡광도에 따른 스피루리나 1ml당 개체 수

0% 20% 40% 60% 80% 100%

흡광도 0 0.1463 0.237 0.5766 0.78 1.572 스피루리나 개체 수

(1×10^5개/ml) 0 5 7.4 11.2 21.2 30.8 보정값 0.0222 0.0171 0.0147 0.011 0.0033 0

　 100% 80% 60% 40% 20% 0%

1차 2.994 2.316 1.847 1.369 0.554 0

2차 3 2.3 1.808 1.355 0.554 0

3차 2.996 2.2999 1.821 1.35 0.544 0

평균 2.996667 2.3053 1.825333 1.358 0.550667 0

3. CO 고정량 측정

-건조중량의 보정값을 기준으로 20%를 계산한다. ( 탄수화물의 양을 구하기 위함) -이때의 탄수화물 양(단위:mg)은 곧 포도당의 양을 의미한다.

-포도당 한분자당 CO_는 포도당의 6배가 포함되어 있으므로 포도당의 양에 ×6을 해준다.

-이로써 구한 CO_값을 엑셀을 이용하여 막대그래프 그리기로 그린다.

-CO 막대그래프와 비교를 위해 건조중량 보정값 그래프 또한 그려넣는다.

-x축의 값은 OD값으로 y축의 값은 양, 즉 mg을 기준으로 설정한다.

-그래프에 추세선을 그려넣고, 수식을 포함해준다.

결과 그래프

<흡광도에 따른 건조중량 그래프(좌)>: x축->흡광도_, y축->건조중량(mg)

<흡광도에 따른 1ml당 스피루리나 개체 수(우)>:x축->흡광도_,y축->1ml당 스피루리나 개체 수 (단위:  × ^개)

<흡광도에 따른 바이오매스 변환률 그래프>: x축->흡광도, y축->바이오매스 변환율 (mg)

5. 스피루리나의 생장곡선

Ÿ 가설 설정:

스피루리나의 생장곡선에서 O.D값이 하강곡선을 그리고 pH값이 상승곡선을 그릴 때가 스 피루리나가 세포 괴사하는 때이다.

Ÿ 가설 설정 배경:

많은 논문과 자료집에선 최적의 조건에서 보름에서 20일을 키운 후, 수확하는 것을 적절한 수확이라고 한다. 그러나 스피루리나를 수조, 비커, 코니컬 튜브, 마이보틀에서 키웠을 때, 조금씩 다른 생장정도를 보였다. 우리가 계획하는 키트는 책상 위에서 키우는 것이기 때문 에 사람마다 다른 배양조건을 가진다. 따라서, 하강곡선을 그릴 때의 O.D값, 즉 스피루리나 의 건조중량이 감소하는 시기를 재서 그 이전을 최적의 수확 시기로 본다.

Ÿ 실험 과정:

-건조중량을 잴 때와 같은 방식으로 농축 스피루리나를 모은다.

-SS broth에 ^%의 농도별로 희석해 30ml을 총합으로 코니컬 튜브에 넣는다.

-쉐이킹 인큐베이터에서 교실과 유사하게 30℃, 3000 lux를 공급하고, 20rpm을 걸어주어 순 환시키고 공기를 공급한다.

SS broth (ml) 스피루리나 (ml)

1%(2) 29.7 0.3

2%(3) 29.4 0.6

4%(4) 28.8 1.2

8%(5) 27.6 2.4

16%(6) 25.2 4.8

<농도별 스피루리나 용액>

-매일 O.D값과 pH값을 잰다.

-스피루리나는 색을 통해 생장정도를 알 수 있으므로 쉐이킹 인큐베이터에서 꺼낸지 1시간 이 지나기 전에 사진을 찍는다.

표. 날짜의 흐름에 따른 농도별 스피루리나 pH값과 O.D값, 건조중량 표

1%의 pH값 2%의

pH값 4%의 pH값 8%의

pH값 16%의 pH값

1 % 의 O.D값

&

건 조 중 량 ( mg)

2 % 의 O.D값

&

건 조 중 량 ( mg)

4 % 의 O . D 값 &

건 조 중 량 ( mg)

8 % 의 O . D 값 &

건 조 중 량 ( mg)

16%의 O . D 값 &

건 조 중 량 ( mg) 11.02 8.7 8.7 8.78 8.86 8.97 0.1783 0.288 0.7546

7 1.28 1.941 11.03 9.03 9.05 9.07 9.09 9.07 0.124 0.225 0.491 1.039 1.5673 11.04 9.17 9.17 9.17 9.15 9.15 0.11 0.18 0.393 0.925 1

날짜의 흐름에 따른 O.D값, 건조중량, pH값 변화 그래프

: x축->날짜, y축(좌)->흡광도와 건조중량(mg), y축-> pH값

이 실험에서 얻을 수 있는 결과

: 11월 5일날 pH값이 급증하고 그 다음날 O.D값이 급감한다. 현미경 관찰 시 나선형의 확실 한 형태를 가진 싱싱한 스피루리나의 경우 일정 시간 동안 순환시켜주는 장치가 없어도 덩 어리지지 않고 냄새가 나지 않는 반면에, 5일부터 스피루리나의 하단부에 덩어리가 졌으며 악취가 났다. 배양조건이 논문에 제시된 조건과 유사했음으로 이에 저해 요인이 없다고 전 제한다면 스피루리나의 노화로 인한 개체 수 감소가 예상된다. 따라서, 5일의 O.D값인 0.8953 이상의 O.D값일 때를 최적의 수확시기라고 볼 수 있다.

11.05 9.22 9.17 9.17 9.19 9.17 0.098 0.157 0.344 0.7327 0.8953 11.06 9.34 9.38 9.4 9.38 9.34 0.0517 0.1253 0.2673 0.6137 0.7827 11.07 9.28 9.28 9.4 9.25 9.25 0.033 0.089 0.1096 0.4043 0.4376 11.08 9.3 9.28 9.34 9.26 9.28 0.0143 0.0456 0.0826 0.343 0.4013 11.09 9.32 9.28 9.28 9.28 9.3 0.0323 0.0623 0.0923 0.3141 0.4223 11.10. 9.3 9.32 9.3 9.34 9.34 0.028 0.0533 0.0936 0.305 0.3916 11.11 9.36 9.32 9.36 9.34 9.36 0.0266 0.0303 0.0816 0.2503 0.35 11.12 9.48 9.47 9.44 9.42 9.44 0.028 0.0417 0.0563 0.1863 0.2327 11.14 9.6 9.62 9.52 9.5 9.5 0.0453 0.047 0.0823 0.1853 0.2126 11.15 9.52 9.5 9.48 9.52 9.48 0.0706 0.063 0.0996 0.216 0.2413

6. 마이보틀에 사용 가능한 공기 주입기(펌프)

Ÿ 가설:

심장 판막의 원리를 이용한다면 공기가 한쪽으로만 흐르는 펌프를 만들 수 있을 것이다.

Ÿ 가설 설정 배경:

스피루리나가 들어있는 MY BOTTLE에 공기를 공급하기 위하여 전기로 돌아가는 무선 공 기 주입펌프를 만들어야 했다.

Ÿ 실험과정:

가) 프로토타입 제작

<심장 판막에서 착안한 펌프의 구상도>

-1번 판막에서는 공기가 용기 안으로는 들어오지만 밖으로는 나가지 않고 2번 판막에서도 공기가 용기 안으로는 들어오지만 밖으로는 나가지 않는다.

-피스톨이 공기를 밀어냈을 때에는 1번 판막은 닫히고 2번 판막은 열려서 2번 판막을 통해 나간다.

-피스톨이 공기를 빨아들였을 때에는 2번 판막이 닫히고 1번 판막이 열려 1번 판막을 통해 용기 내부로 공기가 들어온다.

-이러한 원리로 스피루리나가 담긴 병에 들어가는 통로로는 공기는 나가지만 물이 빨려 들 어오는 경우가 생기지 않는다.

<실물>

문제점 : 실물은 잘 작동하였으나 스피루리나 키트에 들어가기는 크기가 너무 컸다.

원인 : 주사기 자체의 부피가 컸고 그 주사기를 움직이기 위해 드는 힘이 주사기의 내벽과 고무 피스톨의 마찰로 인해 많이 들었기 때문에 많은 건전지를 사용하고 기어장치를 이용해 야 했기 때문에 부피가 더더욱 커졌다.

나) 펌프 소형화

-주사기와 비슷한 역할을 하되 주사기를 누르기 위해 드는 힘보다 적은 힘으로 공기를 밀어 낼 수 있는 것을 찾아보니 뚫어뻥이 있었다.

<구상도>

-원리는 주사기가 뚫어뻥으로 교체 된 것 이외에는 실험과정1과 같다.

<소형 펌프>

Ÿ 결론:

뚫어뻥의 원리를 이용하여 저전력을 이용하고 소형화된 공기 펌프를 만들 수 있었다.

7. 마이보틀에서 LED를 이용한 스피루리나의 생장 정도 측정 Ÿ 가설:

1) LED와 CDS 조도센서를 이용한다면 LED로 같은 세기의 빛을 쐬어주었을 때 스피루리나 의 농도 변화에 따라 LUX값이 변할 것이다.

2) 스피루리나는 초록색이므로 초록빛을 반사하기 때문에 수돗물에 투과시킨 것과 농도 100%의 스피루리나에 투과시킨 것의 차이는 광원의 색상에 따라 바뀔 것이다.

Ÿ 가설 설정 배경:

피루리나의 생장곡선을 그리기 위해 사용했던 것이 OD값 측정과 pH값 측정이었는데 그 중 OD값 측정의 원리를 이용하여 LED와 CDS 조도 센서를 이용하여 간편하게 생장 정도를 알 수 있을까라는 의문이 들었고 그와 동시에 LED의 색상에 따른 빛 투과 정도가 얼마나 다를까라는 의문이 들었다.

Ÿ 실험 설계:

가. OD값의 종류에 맞춰 실험하기 전에 MY BOTTLE에 수돗물과 농도가 100%인 스피루리 나에 각기 다른 색상의 빛을 투과시켜 측정값을 알아낸다.

나. LED와 조도센서를 사용하여 각각 농도 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%에서의 측정을 한 뒤 OD값과 매칭시킨다.

Ÿ 실험 과정:

<LUX값 측정을 위한 아두이노 회로도> <아두이노 프로그램>

-int lightPin = 0; //CDS센서가 연결된 아두이노 아날로그 입력 포트 번호 Serial.println(analogRead(lightPin)); //CDS센서가 연결된 포트의 아날로그 값을 읽어서 시리 얼 통신으로 출력한다.

-아두이노 완전정복(김경연,장정형,박민상 공저/출판사: 북두)를 참고하였다.

가. 색상에 따른 조도 센서값 -암실에서 수돗물에 대한 측정을 한다.

<암실에서 수돗물에 대한 광원색상(r, w, b, y, g)에 따른 조도센서 측정값>

-표에서 일반 수돗물에 LUX값 8이 나온 이유는 완벽히 빛을 차단하지 못한 탓이다.

-암실에서 스피루리나에 대한 측정을 한다.

<암실에서 스피루리나에 대한 광원색상(r, w, b, y, g)에 따른 조도센서 측정값>

-전구는 발광 다이오드를 사용 3.3v에 470옴을 걸어주었다 470옴을 걸어준 이유는 광원의 발열이 심했기 때문이다.

나. 흡광도에 따른 LUX값

-수조에서 뽑은 스피루리나 원액 300ml을 100%라고 두고, 6단계로 희석한다. (0%, 20%, 40%

60%, 80%, 100%)

-시리얼 보드에 0이 뜨도록 암실을 만들고 초록색 LED를 일정한 위치에 둔다.

암실 측정 Green Yellow Blue Red White LUX 약 8 약 550 약 265 약 383 약 455 약 598

암실 측정 Green Yellow Blue Red White

LUX 약 0 약 15 약 2 약 2 약 5 약 13

-농도별 LUX값과 O.D값을 잰다.

-LUX값은 빛의 투과율을 나타내고 O.D값은 스피루리나의 생장 정도를 나타내기 떄문에 스 피루리나가 생장할 수록 O.D값은 커지고 투과율은 줄어들어 LUX값이 줄어든다.

<흡광도에 따른 LUX값 표>

-흡광도에 따른 LUX값 그래프를 그린다.

Ÿ 결과:

가. 일반 수돗물에서의 색상에 따른 밝기가 모두 달라 일반 수돗물과 스피루리나에서의 LUX값의 차이는 별 의미가 없었다. 그러나 흰 빛과 초록빛을 대조해 보았을때 흰빛이 기본 밝기는 더 밝았지만 스피루리나에 투과시켰을 때, 초록빛의 LUX 값이 더 컸으므로 초록색 빛의 투과성이 가장 크다.

나.

<흡광도에 따른 광센서 측정치>: x축->흡광도, y축->조도센서 측정값 Ÿ 결론:

이전 실험을 통해 얻어진 그래프는 흡광도를 기준으로 두고 있다. 흡광도와 광센서를 연동 시킴으로 인해 분광계를 통하지 않고도 간편하게 수시로 수확시기, 건조중량, CO_ 고정량 등을 알 수 있다.

8. 수확 방법

Ÿ 목적:

스피루리나를 수확함으로써 다양하게 활용할 수 있고, 한정된 환경 내 개체 수를 감소해주 거나 노폐물을 거를 수 있다.

Ÿ 실험 설계 및 과정:

다양한 거름망을 이용해 스피루리나를 수확한 후 가장 간편한 방법을 제시한다.

Ÿ 결과:

-플랑크톤 네트: 플랑크톤의 틈새가 매우 좁아 스피루리나는 물론이거니와 물또한 통과하지 못해 수확방법으로는 적절하지 못하다는 결론이 도출되었다.

-커피 찌꺼기 거름망: 커피 찌꺼기 거름망에 스피루리나 덩어리가 걸러지긴 하였으나 거름망에 걸러져 나온 스피루리나를 어떻게 걷어내어 실생활에서 사용할 수 있을지 의문점이 들었고 아직 이를 해결할 방법을 제시하지 못해 역시 수확방법으로는 미완성 단계이다.)

0% 20% 40% 60% 80% 100%

O.D값 0 0.091 0.154 0.230 0.294 0.350

LUX값 302 170 115 56 29 13

-티백 거름망: 티백 거름망에 스피루리나 덩어리가 걸러졌고 이후에 스푼으로 걷어내보았을 때 적절히 사용할 수 있을 만한 형태로 잘 걷어내어졌다.

- 육수용 거름망: 티백과 마찬가지의 형태로 잘 걸러졌으며 걷어낼 때 또한 티백 거름망과 같이 잘 걷어내어 지는 모습을 띄었다. 종이형태로 되어 잘 찢어질 수 있다는 티백의 단점을 보완할 수 있는 플라스틱천의 재질이라 수확 시 적절하다는 결론을 내리게 되었다.

Ÿ 결과:

스피루리나가 잘 걸러지면서 걷어내지는 육수용 거름망을 수확방법으로 제시한다.

9. 스피루리나 키트 3D 제작

Ÿ 목적:

우리가 만든 스피루리나 생장을 위한 장치를 장착할 수 있는 맞춤형 스피루리나 케이스 제작을 위해 3D 프린팅을 한다.

Ÿ 실험 과정:

-마이보틀, 아두이노, 브래드보드, 펌프, 광센서의 치수를 잰다.

-우드락으로 만든 프로토타입을 제작한다.

<스피루리나 케이스 프로토타입> <스피루리나 케이스 3D 프린터 제작>

-배치와 도선 처리를 설계한다.

-123D 프로그램을 이용하여 3 D도면을 설계한다.

-3D 프린터를 통해 케이스를 제작한다.

10. 스피루리나 키트 제작 시 운반법

Ÿ 가설:

1주, 2주, 3주(시행착오), 4주(시행착오), 5주 동안 냉장, 냉동, –60도(stock) 에서 보관한 스피 루리나는 대조군 (키우는 스피루리나 통에서 뽑은 살아있는 스피루리나)와 비교하여 O.D값 이 상승하는 그래프를 나타낸다. (stock 된 상태에서 글리세롤이 세포막을 보호해줘 스피루

리나가 극 저온에 상태에서도 살아있다는 것을 증명한다.) Ÿ 가설 설정 배경:

스피루리나를 운송할 때의 운반법을 연구하여 스피루리나가 죽지 않고 신선하게 배달되도록 한다.

Ÿ 실험 과정:

-스피루리나를 키우는 통에서 살아있는 스피루리나를 뽑아 원심분리 후 (spin down)증류수 로 2회 세척하여 모인 농축된 스피루리나 덩어리를 글리세롤과 1:1치환한다. (글리세롤에 지 방성분이 세포막을 보호해준다는 가정)

-0.5ml(농축한스피루리나)+0.5ml(stock글리세롤)=1ml을 e-tube에 담아 각각 1주, 2주, 3주, 4주 5주 그룹으로 나누어 냉동/냉장/-60도에 보관한다.

- 각 주마다 저온 보관된 stock을 꺼내 ss broth에 배양하고 키운다. 이때 대조군으로 수조 에서 키우는 살아있는 스피루리나 또한 ss broth에 배양한다.

<stock한 스피루리나를 다시 원심분리> <세포괴사를 보여주는 스피루리나의 색>

- 적절한 이산화탄소와 광량을 공급해주며 O.D값을 날마다 측정해 생장률을 비교한다.

Ÿ 문제점:

--60℃의 극저온 상태에서만 글리세롤을 치환해 세포막이 파괴되는 것을 막고 냉장과 냉동 상태에서는 글리세롤이 오히려 방해될 수 있기 때문에 냉장과 냉동에 경우에는 스피루리나 배지인 ss broth로 stock을 만들어야 한다.

Ÿ 시행착오:

1. 냉장과 냉동 stock시 글리세롤이용이 아닌 ss broth이용 , stock후 새로 키우는 배지도 ss broth로 선택하지 못하였다. (1,2,3,4주 stock 실패)

2. 냉장과 냉동 O.D값을 잴 때, 잘 살아있는지 OD 값을 비교 확인할 대조군을 선정하지 못 하였다.(1,2,3,4 주 stock 진행시)

-해결방안: 남은 5주치 stock된 스피루리나는 spin down후 증류수로 2회 세척해 글리세롤을 없앤 다음 ss broth에 키우고 대조군은 살아있는 스피루리나를 같은 양에 동일하게 키운다.

Ÿ 재실험:

-5주치 STOCK된 냉장, 냉동, -60℃ 중에서는 spin down 이후에도 가라앉지 않는 스피루리 나가 냉장된 stock 이였고, 냉동/–60도에서는 15µl 정도 가라앉았다.

-대조군을 만들어 주기 위해 수조에서 스피루리나를 뽑아 spin down 후 0.5ml을 모았다.

-5주치 stock은 spin down 이후 증류수로 2회 세척해 가라앉은 스피루리나 덩어리를 2-20 마이크로피펫으로 50씩 x3번 15µl 사용하였으며, 각각 이 15µl를 (냉동/-60도) ss broth가 5ml씩 담긴 코니컬 튜브에 넣었다.

-대조군을 spin down시켜 증류수로 2회 세척한 후, 다시 spin down해 15µl씩 뽑아 ss broth 5ml이 담겨있는 코니컬 튜브에 넣었다.

- 동일 조건: stock된 스피루리나와 살아있는 스피루리나는 증류수로 2회 세척한 후 spin down 후, 모인 덩어리를 15µl씩 빼서 각각 ss broth가 5ml씩 담겨있는 코니컬 튜브에 넣고 팁으로 공기를 3번씩 주입해준 것까지 같게 하였다. 여기서 대조군과 실험군은 ss broth에 동량(15µl)에 스피루리나를 넣어주는 것으로 통일했다.

Ÿ 결과:

냉동/-60도를 ss broth에 투입 후 하루 정도 지나고 나서 O.D값을 측정하기 위해 spin down후 증류수로 세척해 blank를 증류수로 잡는 실험을 진행하려 했지만 몇차례에 spin down이후에도 가라앉는 스피루리나가 없었다.

Ÿ 결론 및 요약:

대표적으로 4주는 5주치 보다 약 3배정도 더 많은 양이 가라앉았다. 이는 stock후 오랜 시 간이 지났을 때 살아있는 스피루리나 양이 시간과 반비례해 점점 줄어드는 것을 보여준다.

또한 스피루리나가 죽을 때는 세포고사와 세포괴사 중 세포괴사로 죽는다는 것을 알 수 있 다.

(*세포괴사는 주로 물리적 또는 화학적 손상에 의해 의도하지 않게 세포가 급성으로 죽게 되는 현상으로 형태학적으로는 세포막이 터지는 모양을 보여준다.

*아주대 세포가 죽는 과정 홈페이지 참고)

http://hosp.ajoumc.or.kr/Ajoustory/ResearchView.aspx?ai=3696&cp=1&sid=)

11. 키트 사용법과 스피루리나 키우는 방법에 대한 브로셔 제작

http://haveyoubean.wixsite.com/spirulina

우리는 스피루리나 키트를 제작한 후 이를 사람들에게 보급하거나 실험에 관해 정보전달을 하기 위해서 브로셔로 제작하기로 하였다. 종이로 된 책자 브로셔 보다는 접근성을 높여 홈 페이지로 만들자는 생각을 하여 다음과 같은 사이트에 게시되어 있다.

Ⅳ. 결론 및 제언

탁상용 스피루리나 배양 키트의 광센서로 분광기의 흡광도를 알면, 키트내의 스피루리나 개체수와 건조중량을 추정가능하면서 동시에 CO2 흡수량(mg)을 예측할 수 있다. 이 결과로부터 내가 키우는 스피루리나가 얼마나 주변의 CO2 를 제거하여 기후변화에 대응했는지 알 수 있다.

이에, 연구의 목적인 CO2절감을 위한 효과적인 키트개발 가능성에 다가섰다.

키트가 자동으로 수확시기를 안내하고 수거하는 방안과 가장 간편하고 효과적인 수확방법에 대한 실험이 현재 진행 중이다.