생물동역학 인자를 이용한 해양심층수기반 친환경 저비용 Spirulina platensis 배지 적용 가능성
임 대 학*, 온 현 성*, 김 현 수*, 명 은 지*, 이 성 재**, 박 천 영*,†
†,*조선대학교, 에너지자원공학과
**(주)에이이
Applicability of eco-friendly low cost medium for Spirulina platensis based on deep-sea water using bio-kinetics factor
Dae-Hack Lim
*, Hyun-Sung On
*, Hyun-Soo Kim
*, Eun-Ji Myung
*, Sung-Jae Lee
**and Cheon-Young Park
*,††,*
Department of Energy and Resource Engineering, Chosun University, Gwang-ju, Korea
**AE corporation, D-polis A2903-3, 606, Seobusae-gil, Geumcheon-gu, Seoul, Korea (Received :Jun. 30, 2017, Revised : Sep. 16, 2017, Accepted : Sep. 23, 2017)
Abstract : The aim of this study was to investigate the application of Deep See Water(DSW) in S. platensis cultivation through the growth experiments, bio-kinetics factors(maximum specific growth rate, doubling time and yield) and production cost. Growth experiments was performed with S. platensis under various culture medium conditions (deep sea water + low cost medium). Growth tests for culture medium demonstrated that the deep sea water to low cost medium ratio of 25:75(W/W) was effective in S. platensis with the maximum biomass of 0.88 g/L and minimum medium making cost per production mass of 8.17 KRW/g. The parameter estimation of bio-kinetics (maximum growth rate and yield) for low cost medium results showed that the maximum growth rate, doubling time and yield of N, P, K was obtained under deep sea water to low cost medium ratio of 25:75(W/W) of 0.099 1/day, 3.007 day and 0.170, 0.029, 0.033, respectively.
Keyword : Spirulina platensis, deep-sea water, eco-friendly, low cost medium, bio-kinetics factor
1. 서 론
1)
해양심층수(Deep See Water, DSW)는 통상 수심 200m보다 깊은 심해의 해수를 말하며, 표층 해수와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤 및 생명체가 증식하 지 못하기 때문에 영양염류의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도차이로 표층해수와 혼합되지 않는다. 그리고 표층해수에 존재하는 오염물질이 없기 때문에 표층의
†Corresponding Author 성 명 : 박 천 영
소 속 : 조선대학교 에너지자원공학과 주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7119
E-mail : cybpark@chosun.ac.kr
해수와 비교하였을 때 저온안정성, 청정성, 부영양성, 미네랄밸런스특성 및 숙성성 등의 특성이 있다(Choi et al., 2013). 또한 해양심층수는 채수지역에 따라 약간의 조성의 변화가 있음에도 불구하고, 비교적 일 정한 온도, 칼슘, 마그네슘, 질산염 및 인산염 등과 같 은 영양물질이 풍부하고, 안정적인 수질 특성을 보인 다(Fukami et al., 1992 ; Nakasone and Akeda, 1997 ; Fukami et al., 1997 ; Hwang et al., 2009 ; Hataguchi et al., 2005)
우리나라 강원지역 취수해역에서 주성분 원소의 비 는 해양심층수 수질기준인 일정성분비 27.8(Na/K) : 3.4(Mg/K) : 1.1(Ca/K) : 1(K/K)의 오차범위
±10%를 만족하고 있다. 해양심층수는 청정성, 높은 미네랄 함유, 부영양성, 저온성 그리고 안정성의 5대 특성을 가지고 있기 때문에 특성을 적절히 활용한다면 다양한 산업분야에 적용이 가능하다. 우리나라에서는
2001년부터 해양심층수에 관한 연구를 시작하여 현재 는 19개 품목의 관련 상품이 판매되고 있으며, 생산되 는 상품 외에도 농수산업, 먹는 물 그리고 저온 에너 지 등 많은 분야로의 적용이 가능하기 때문에 향후 신 산업 창출에 이바지 할 것으로 기대된다.
국외에서는 이러한 해양심층수의 많은 장점을 이용 하여 최근 미세조류 생산에 관련연구가 활발히 진행되 고 있다. 대표적인 미세조류인 Spirulina는 대부분의 무기성 화학적 약품을 기반으로 건강식품으로 활발히 생산되고 있다(Belay and Ota, 1994).
Spirulina 생산에 있어 상당한 부분이 무기성 시약 구입비용이기 때문에 이를 절감할 수 있는 해양심층수 등과 같은 저비용의 약품을 이용하게 된다면 가격경쟁 에 유리할 것으로 생각되어진다. 해양수를 기반으로 하는 Spirulina 생산은 경제성 및 기후조건에 영향을 많이 받기 때문에 대부분 열대지역의 실외에서 진행되 고 있다(Materassi et al., 1984).
따라서, 본 연구에서는 Spirulina 대량 생산을 위 한 해양심층수의 적용성 파악을 목적으로 다양한 해양 심층수 기반의 저비용배지를 이용하여 Spirulina의 성장실험을 수행하고, 획득된 실험 결과를 바탕으로 생물 동력학적인자와 경제성 분석을 통하여 친환경적 이고, 경제적인 배지 조성 조건을 도출하는 것이다.
2. 실험재료 및 방법 2.1 미세조류 배양
본 연구에 사용된 미세조류인 S. platensis (KMMCC-56)는 한국해양미세조류은행으로부터 분양 받았으며, 균주 배양에 사용된 배지는 한국해양미세조 류은행에서 S. platensis의 전용 성장배지로 사용된 알칼리성 무기배지인 SP 배지를 사용하였으며, SP 배 지의 조성 및 배양조건은 선행연구(Choi et al., 2016)의 조건과 동일하다.
2.2 해양심층수
본 실험에 사용된 해양심층수는 2013년 말 기준 우 리나라 연안에서 지정 관리되고 있는 9개 취수해역 중 실제 해양심층수를 개발 및 취수하고 있는 4개 업체에 대하여 사전 현황파악 하였다(그림 1). 그 중 강원도 에 위치한 DSW-1, DSW-2 및 DSW-3 지역은 직접 방문하여 담수화 시설에 유입되기 전의 심층수 원수를 채수하였으며, 울릉도에 위치한 DSW-4 지역은 해양 심층수 채수시설에 접근이 용이하지 않아 해당업체에 통하여 담수화 시설에 유입되기 전의 심층수 원수를 직접 제공 받았다. 본 연구에 사용된 해양심층수의 성 상은 표 1에 나타내었다.
Fig. 1. Sampling sites of deep see water in this study.
2.3 성장실험 및 분석방법
S. platensis 성장실험에 사용된 해양심층수와 저 비용 배지(Low Cost Medium, LCM)는 0.2μm의 membrane filter paper를 이용하여 부유물질을 사 전에 제거하였다. 배양조건은 200mL의 working volume, 35℃의 온도, 8,000lux의 조도, 120rpm의 교반속도에서 진행되었으며, 배양 후 일정한 시간간격 으로 S. platensis의 농도를 측정함으로써 성장특성 을 관찰하였다.
해양심층수에 따른 S. platensis 성장실험은 총 4 개 지역의 해양심층수 원수에 대하여 총 14일간 수행 하였으며, 해양 심층수를 기반으로 하는 경제적인 S.
platensis의 저비용 배지 조건을 파악하기 위한 총 4가지 배지 조건에서 성장실험은 총 22일간 수행하 였다.저비용 배지와 배지조건에 따른 배지내 기초영양분 인 N, P, K의 농도는 화학분석을 통하여 표 2에 나 타내었다.
다양한 배지조건에서 S. platensis의 성장특성을 파악하기 위한 S. platensis의 농도는 분광 광도계 (UV/Vis spectrophotometer, Aquamate plus, Thermo)를 이용하여 600 nm의 파장조건에서 측정 한 흡광도(Optical Density, OD)와 건조 균체량 (Dry Cell Weight, DCW)과의 상관관계식을 이용하 여 계산하였다(Choi et al., 2016). 최종 건조 균체 량에 대한 계산은 다음의 상관관계식을 추정하여 사용 하였다.
Contents DSW-1 DSW-2 DSW-3 DSW-4 Depth(m) 605 510 200 418 Temperature(℃) 0.567 0.486 1.227 0.944
Salinity(‰) 34.069 34.070 34.006 34.044 pH 7.745 7.718 7.918 7.557 Count of
coliform group (MPN/250mL)
N.D.* N.D. N.D. N.D.
NO3-(mg/L) 0.332 0.234 0.141 0.215 PO42-(mg/L) 0.057 0.048 0.024 0.036 SiO2-Si(mg/L) 1.186 0.961 0.389 0.655 Na+(mg/L) 11,501 12,897 9,529 10,981 Mg2+(mg/L) 1,415 1,571 1,104 1,246
Ca2+(mg/L) 454 464 368 394 K+(mg/L) 437 466 335 380 Cd2+(µg/L) 0.042 0.034 0.013 N.D.
Pb2+(µg/L) 0.041 0.026 0.022 N.D.
Cu2+(µg/L) 0.106 0.203 0.330 N.D.
Hg2+(µg/L) 0.0015 0.0027 0.013 N.D.
*N.D. : not detected
Table 1. Physico-chemical characteristics of deep see water in this study.
Exp. Medium conditions
NO3-
(mg/L)
PO42-
(mg/L) K+ (mg/L) A LCM(100%) 6,125 302,444 223,135 B DSW-2(25%)
+LCM(75%) 5,300 228,545 169,548 C DSW-2(50%)
+LCM(50%) 3,612 150,115 116,554 D DSW-2(75%)
+LCM(25%) 1,699 74,999 54,844 Table 2. Chemical characteristics under various
medium conditions.
×
(1)
본 연구에 사용된 해양심층수와 그 외 다양한 실험 조건에서 배지의 화학적 조성을 파악하기 위하여 양이 온 화학분석은 원자흡광분광기(Atomic Absorption Spectrophotometer, AA-7000, Shimadzu)를 이 용하여 정량 분석하였으며, 음이온 화학분석은 해양심 층수의 높은 염소(Cl)농도에 의하여 대표적인 음이온 분석기기인 IC(Ion Chromatography)를 사용하지
못함에 따라 NO3-와 PO42-의 경우 수질오염공정시험 법에 따라 정량 분석하였다. 성장실험에서 시간에 따 라 성장된 S. platensis의 특성(형태)을 파악하기 위 하여 광학 현미경 및 SEM(Scanning Electron Microscope, S-4800, Hitachi) 관찰을 실시하였다.
시료의 준비과정은 선행연구(Choi et al., 2016)의 방법을 참조하였다.
2.4 생물동역학 인자 추정
해양심층수 기반의 친환경 저비용배지 적용을 목적 으로 시간에 따른 S. platensis의 성장실험 결과를 이용하여 배지조성별 생물동력학적 인자 최대비성장 률, 영양분에 따른 비산출율 및 분열시간(dubling time)을 추정하였다. 최대비성장률을 초기 정체기를 제외하고 지수성장기 값을 이용하여 결과 값으로 나타 내었다. 주어진 성장조건에서 미세조류의 성장 가능성 을 파악할 수 있는 대표적인 인자인 최대비성장율 (Maximum specific growth rate, μmax)과 분열시 간(td)은 Eq. (2)와 Eq. (3)을 이용하였다(Pirt, 1975 ; Costa et al., 2003 ; Leema et al., 2010).
max ln (2)
lnmax (3) 여기서, X는 미세조류 농도(mg/L)이며, t는 성장 시간(day)이다.
배지 내 미세조류 성장에 미세조류 성장에 따른 기 초영양분인 N, P 및 K에 대한 산출율(yield, Y)은 Eq. (4)를 이용하였다.
∆∆ (4)
여기서, C는 배지내 N, P, K의 농도(mg/L)이다.
3. 결과 및 고찰 3.1 해양심층수 특성
본 연구에서 사용된 해양 심층수는 총 4개 지역에 서 생산되는 심층수 원수이며, 해당 업체에서 제공 받 은 심층수의 현황 자료에 의거하면 채수심도는 약 200m에서 605m 이며, 심도 증가에 따라 온도 및 pH 감소와 염분의 증가 등의 물리적 특성과 NO3-, PO42-, K+ 등 함량 증가의 화학적 특성 변화가 있으 나, 지역적인 특성이 일부 반영 되는 것으로 판단되어 진다(표 1).
3.2 해양 심층수 기반 성장실험
총 4개 지역에서 채수한 해양심층수를 기반으로 S.
platensis의 성장특성을 파악한 결과를 그림 2에 나 타내었다. 성장실험결과, 모든 해양심층수 조건에서
배양 1일까지 S. platensis의 농도가 미비하게 증가 하였으나 이후 14일까지 시간에 따른 농도의 변화가 일어나지 않았다. 배양 초기 1일까지 S. platensis의 농도가 증가한 이유는 배양액의 영향으로 생각되어지 며, 해양심층수에 의한S. platensis의 성장은 일어나 지 않았다. 이는 본 연구에 사용된 해양심층수내 S.
platensis의 기초 영양물질인 NO3-, PO4-2 와 K+의 함량이 매우 적었기 때문이다. 기존의 선행연구(Choi et al., 2016)에서 사용하고, S. platensis를 분양받 은 한국해양미세조류은행에서 사용한 SP 배지의 농도 에 비하여 본 연구에서 사용된 해양심층수의 NO3-, PO4-2 와 K+는 각각 평균 0.0012%, 0.0001% 와 1.25%의 매우 낮은 함량비율을 보이고 있다(Table 3). 또한 Chung and Lee (2008)에 따르면 세계 여 러 나라의 해양 심층수는 지리적 위치, 위도, 평균기 온, 해양의 수심 등의 여러 환경 인자에 따라 성분에 차이가 있다고 보고되고 있다.
Elements NO3-
(mg/L)
PO42-
(mg/L)
K+ (mg/L) SP medium(A) 19,325 30,145 32,426 DSW-1
Conc.(B) 0.332 0.057 437
%
(B/A*100) 0.0017 0.0002 1.3477 DSW-2
Conc.(B) 0.234 0.048 466
%
(B/A*100) 0.0012 0.0002 1.4371 DSW-3
Conc.(B) 0.141 0.024 335
%
(B/A*100) 0.007 0.0001 1.0331 DSW-4
Conc.(B) 0.215 0.036 380
%
(B/A*100) 0.0011 0.0001 1.1719 Table 3. A comparison of chemical compositions in SP
medium and Deep see water
Fig. 2. Growth curves for S. platensis under various deep see water conditions.
S. platensis의 기초 영양물질인 NO3- 농도의 경 우, 최고 농도의 기준으로 일본의 고치(Gochi)현과 미국 하와이는 우리나라 동해에 비하여 약 195.5%와 307.2% 정도 높았으나 PO4-2 농도는 각각 약 45.5% 와 73.3%로 낮게 나타났다(Choi et al., 2013). 따라서 국내 해양심층수를 기반으로 하는 S.
platensis 성장을 기대하기는 어려울 것이다.
3.3 해양심층수 기반 친환경 저비용 배지 성장실험 해양심층수를 기반으로 기존의 선행연구(Choi et al., 2006)에서 도출된 연구결과인 저비용 배지를 이 용하여 친환경 저비용 S. platensis 배지 조건을 파 악하기 위해서 표 2의 배지조건에 따른 S. platensis 성장 실험을 수행한 결과를 그림 3에 나타내었다.
Fig. 3. Growth curves for S. platensis under various medium conditions.
실험결과, 배양 12일까지의 기간에서S. platensis 의 농도는 저비용배지 조건(Exp. A)보다 저비용배지 에 해양심층수를 혼합 조건(Exp. B-D)에서 높게 나 타났으나 그 이후(배양 13일부터 22일까지)의 기간에 서는 Exp. D의 조건에서 Exp. A보다 낮은 농도가 나타났다. Exp. D의 경우는 해양심층수 내 기초 무기 염들이 부족하여 성장하지 못하는 것으로 나타났다.
성장배양 초반기간(배양 12일까지)에 해양심층수내 존재하는 CO2가 S. platensis의 성장에 영향을 준 것으로 생각되어지며, 배양 후반기간(배양 13일부터 22일까지)에는 저비용배지 조건(Exp. A)보다 Exp.
D의 배지 조건에서 기초 영양물질의 공급원인 저비용 배지의 함량이 상대적으로 부족하였기 때문이다. 일반 적으로 이산화탄소를 흡수하여 산소를 만들어 내는 시 아노박테리아의 일종인 S. platensis는 배지내 CO2
의 농도가 성장에 중요한 영향인자이며, 해양심층수는 표층수에 비하여 CO2의 농도가 높다.
저비용배지와 해양심층수 혼합비 조건(Exp. B-D) 에 따라 S. platensis의 성장 특성이 다르게 나타난 다. 배양 2일까지 Exp. B-D 조건에서 시간에 따른 S. platensis의 농도 변화가 유사하게 나타나지만, 배
양 2일후부터 22일까지는 저비용배지의 함량이 증가 할수록S. platensis의 농도가 증가하였다.
성장실험 종료후 성장된 S. platensis의 특성(형 태)을 파악하기 위하여 광학현미경과 SEM 관찰을 실 시한 결과, 모든 실험조건에서 나선형의 성장된 S.
platensis가 관찰되었다(그림 4).
(a) Exp. A (b) Exp. B (c) Exp. C (d) Exp. D
(e) Exp. A (f) Exp. B (g) Exp. C (h) Exp. D Fig. 4 Microscope((a)-(d)) and SEM images((e)-(h))
for S. platensis in the growth medium at 22 days after culture.
3.4 생물동역학 인자와 배지 적용성 검토
배지조성별 S. platensis 성장 실험결과를 바탕으 로 배지내 S. platensis의 성장에 사용된 배지내 기 초 영양물질을 함량을 파악하기 위하여 화학분석을 실 시하였다(표 4).
모든 배지 조건(Exp. A-D)에서 배양 후 기초 영양 물질의 함량이 S. platensis의 성장에 소비되어 배양 전에 비하여 감소하였다. 특히 상대적으로 기초 영양 물질이 적은 Exp. D 조건의 경우, 성장실험 종료 후 NO3-의 함량이 129 mg/L로 배양 전의 함량에 비하 여 약 7.6% 정도밖에 남지 않았다. 이는 S.
platensis의 성장에 제한적인 요소로 작용하였다(그림 3). 배지조성별 생물동역학적 인자(최대비성장률, 영 양분에 따른 비산출율 및 분열시간) 추정은 Eq. (2) 와 Eq. (3)을 이용하였다(표 5.).
Exp. μmax1)
(1/day) td2)(day) Y3)N YP YK
A 0.074 3.300 0.089 0.033 0.039 B 0.099 3.007 0.170 0.029 0.033 C 0.086 3.150 0.175 0.048 0.032 D 0.048 3.723 0.121 0.014 0.014 Table 5. Bio-kinetics factor for S. platensis under
various medium conditions.
1)μmax: maximum specific growth rate
2)td: dubling time
3)Y: yield
최대성장률은 Exp. B의 배지조건에서 가장 높은 0.099 1/day를 나타냈으며, S. platensis의 성장이 2배로 증가하는 기간은 약 3.007일로 가장 짧게 나타 났다. 기초 영양물질 소비에 따른 S. platensis의 생 산율은 NO3-가 가장 높게 나타났으며, PO42-와 K+는 유사하게 나타났다. 표 4의 결과에서 성장실험 후 배 지내 NO3-의 함량이 부족하였으므로, 만약 Exp. B 배지조건에 NO3-를 추가로 공급하게 되는 경우, S.
platensis의 높은 성장률을 기대 할 수 있을 것으로 사료되어진다.
Leema 등(2010) 등은 경제적으로 대용량의 스피 루리나 생산을 목적으로 해양수를 기반으로 서로 다른 배지 조성(Zarrouk’s 배지 기초)에서 성장실험을 비 교분석한 결과, 조성에 따른 성장률, doubling time, 바이오매스가 차이가 없으나 해양수 기반의 배지가 control(Zarrouk’s) 배지에 비하여 루테인(lutein) 함량이 증가하였다. 이 때 Zarrouk’s 배지 조건에서 최대성장률은 0.23 1/day, doubling time은 3.02 day로 나타났으며, 해양수 혼합배지 조건에서 최대성 장률은 0.26 1/day, doubling time은 2.72 day로 변화되었다. Costa 등(2000)은 초기 질소의 농도에 따른 실내 광생물반응기 조건에서 S. platensis 성장 특성을 모델링 한 결과, Zarrouk’s 배지 조건과 0.03M의 질소 초기농도에서 최대성장률은 0.2 1/day, doubling time은 3.53 day로 나타났으며, 0.015M의 질소 초기농도가 증가될 때 최대성장률은 0.28 1/day, doubling time은 2.50 day로 변화되 었다. Andrade와 Costa (2007)은 대용량 생산을 위한 S. platensis의 저비용 배지를 개발하기 위하여 Zarrouk's medium를 기반으로 브라질에서 많이 생 산되고, 공급 가능한 당밀(molasses)등과 같은 유기 물을 적용하였다. 그 결과, 최대성장률을 32.5 μ mol/m2s의 조도 조건과 0.25 g/L의 당밀농도 조건 에Z서 0.093 1/day 까지 증가시켰다.
본 연구에서는 최대성장률이 Exp. B 조건에서 0.099 1/day로 일부 선행연구에 비하여 낮게 나타난 이유는 배지를 선행연구(Choi et al., 2016)에서 적 용한 저비용배지와 해양심층수의 혼합배지를 사용하였 기 때문이다.
Exp.
Production Biomass, A
(g/L)
Medium Cost, B (KRW/L)
Production cost, B/A (KRW/g) A 0.407 3.50 8.59 B 0.780 6.38 8.17 C 0.559 9.25 16.55 D 0.190 12.13 63.92 Table 6. The summary of S. platensis production
cost using various medium conditions.
선행연구와 본 연구에서 사용된 저비용배지는 생산 단가가 약 2.10원/g으로 257.97원/g의 생산단가를 보였던 Zarrouk’s 배지에 비하여 훨씬 경제적인 장점 을 가지고 있다. 표 6은 본 연구에 사용된 배지의 생 산단가를 산출, 정리하였다. 그 결과, 가장 높은 성장 특성을 보였던 Exp. B 배지 조건의 생산단가는 8.17 원/g로 가장 낮게 산출되었다.
4. 결론
해양심층수를 기반으로 Spirulina의 대량 생산을 위하여 다양한 배지 조건에서 S. platensis의 성장특 성을 파악한 결과, 총 4개 지역의 해양심층수조건에서 기초영양물질의 부족으로 인하여 S. platensis가 성 장하지 않았다. 기존의 선행연구(Choi et al., 2016) 에서 사용된 저비용배지와 해양심층수를 혼합비에 따 른 S. platensis의 성장 특성은 저비용배지조건(Exp.
A)에 비하여 해양심층수가 50% 이하로 혼합되는 배 지조건(Exp. B와 C)에서 높은 성장을 나타내었다.
생물동역학 인자인 최대성장률과 doubling time, 산 출율을 도출한 결과, Exp. B의 조건에서 S.
platensis의 성장률이 높게 나타났으며, 이때의 생산 단가는 8.17원/g로 가장 낮게 산출되었다.
따라서 본 연구에 사용된 해양심층수기반의 저비용 배지는 S. platensis를 대량으로 생산함에 있어 친환 경적이고, 경제적인 배지로 활용 가능하다 판단되어 진다.
감 사
본 연구는 해양수산부 미래해양자원기술개발사업(과 제번호: 20160297)에서 지원받아 연구되었음 알려드 립니다.
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