해양 규조류 Melosira nummuloides의 최적 성장조건

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fucoxanthin is a carotenoid pigment found abundantly in brown algae and alse has been known as a useful compound for therapeutic applications as antioxidant, anti-obesity, anti-inflammatory, and anti-cancer. Traditionally, fucoxanthin has been isolated from brown algae such as Laminaria and Undaria. Fucoxanthin containing microalgae such as diatoms have the advantages of faster growth, higher content, and easier extraction of fucoxanthin than macroalgae. Melosira nummuloides which belongs to Bacillariophyceae (=diatoms) was selected as an ideal source for fucoxanthin production mainly because of easier harvesting owing to the long and filamentous cell chains. The growth response of M. nummuloides was investigated under the gradients of temperature, salinity, and light intensity, wavelength of light emitting diode (LED), and N:P ratio and dilution ratio of f/2 culture medium.
In the temperature experiment, M. nummuloides showed the best growth at 25℃ with the highest growth rate of 1.36 d-1 and maximum cell count of 34,050 cells mL-1 on day 5. However, the specific growth rate was not significantly different among culture bottles under 15℃, 20℃, and 25℃. The highest concentration of chlorophyll-a was found at 25℃ with 352.00 𝜇g L-1, but it showed similar value at 20℃ with 334.77 𝜇g L-1.
M. nummuloides reached the maximum biomass of 27,850 cells mL-1 on the 6th day under 35 psu, but showed no growth at 0 psu. The highest growth rate was observed at salinity of 30 psu (growth rate of 1.26 d-1). The concentration of chlorophyll-a was highest at 25 psu with 356.88 𝜇g L-1, which is slightly higher than at 20 psu (346.31 𝜇g L-1) and 30 psu (323.47 𝜇g L-1).
In culture experiments under the gradient of light intensity, the maximum biomass was met on day 7 at 100 𝜇mol photons m-2 s-1 (26,358 cells mL-1). The highest growth rate was observed at the light intensity of 150 𝜇mol photons m-2 s-1 (growth rate of 1.26 d-1), which was similar in all the other experimental groups other than the 5 𝜇mol photons m-2 s-1 group. The highest concentration of chlorophyll-a was obtained at the light intensity of 100 𝜇mol photons m- 2s-1 (351.68 𝜇g L-1), but there was no significant difference among the experimental groups of light intensity over 25 𝜇mol photons m-2 s-1.
In the culture experiment using the light emitting diode (LED), the best growth of M. nummuloides occurred in the red wavelength with maximum cell count of 33,250 cells mL-1 and the highest growth rate (1.31 d-1) was met on the 5th day. However, the highest concentration of chlorophyll-a was found under white light (364.76 𝜇g L-1), indicating that the mixed wavelength light may result in higher chlorophyll-a concentration than by the single wavelength light.
In the culture experiments under the gradient of inorganic nutrients ratio, nitrogen and phosphorus (N:P), the maximum biomass occurred at the N:P ratio of 20:1 with cell count of 25,350 cells mL-1 on day 6, and the growth rate was significantly higher in the N:P ratio of 15:1 to 50:1. The highest concentration of chlorophyll-a reached at the N:P ratio of 50:1 with chlorophyll concentration of 373.53 𝜇g L-1, which was not significantly different from the experimental groups under the N:P ratio of over 5:1.
The highest growth rate was observed at f/2 medium (1.12 d-1) with maximum cell count of 34,233 cells mL-1 on day 5. However, there were no significant differences between f/2 and f/4 medium in cell abundance and growth rate. The concentration of chlorophyll-a was the highest in the f/4 medium (385.27 𝜇g L-1), which is similar to that in f/2 medium (385.19 𝜇g L-1).
To conclude, the optimal growth conditions for the KNU strain M. nummuloides were met at 15∼25℃, 20∼30 psu, over 25 𝜇mol photons m-2 s-1, and f/4 medium. Additionally, when using a wavelength-specific LED light source, culture cells can be practically grown with red wavelength first and then white light could be applied get higher chlorophyll-a biomass. Therefore, massive biomass of M. nummuloides can be obtained through more economical and efficient cultivation by applying the present results.

국문 초록 (Abstract)

카로티노이드 계열의 색소인 fucoxanthin은 갈조류에 풍부하며, 항산화, 항비만, 항염증 및 항암 등의 효과가 있어 건강보조제 및 의약품으로서 잠재적인 가치가 매우 크다. 일반적으로 fucoxanthin은 미역이나 다시마 등과 같은 갈조류에서 분리되어 왔으나 규조류 등과 같은 미세조류는 해조류에 비해 성장 속도가 빠르고 높은 함량 이외에도 추출이 용이하다는 장점이 있어 미세조류인 규조류를 활용할 경우 높은 생산성을 확보할 수 있다. 규조류 중 Melosira nummuloides는 범세계종으로 우리나라 전 연안에 서식하는 규조류이고, 규조류 중에서도 긴 사상체 형태를 이루기 때문에 수확이 용이하여 fucoxanthin 생산 자원으로서 가치가 크다. 본 연구는 fucoxanthin 추출을 위한 생물자원인 M. nummuloides를 단세포 분리하여 온도, 염분, 광도, 발광다이오드, 배양액의 N:P 비율, 배양액의 희석 비율에 따른 최적 성장조건을 도출함으로써 경제적이고 효율적인 실내 대량배양을 위한 배양조건을 탐색하기 위해 수행하였다.
온도 실험에서 최대 생물량은 25℃에서 5일째에 34,050 cells mL-1로 가장 높았고, 성장률은 25℃에서 1.36 d-1로 가장 높았으며 15℃와 20℃와는 유의적 차이를 보이지 않았다. chlorophyll-a 농도 또한 25℃에서 352.00 𝜇g L-1로 가장 높았으나, 20℃에서 334.77 𝜇g L-1로 유사한 값을 보였다.
염분 실험 시 최대 생물량은 35psu에서 6일째에 27,850 cells mL-1로 가장 높았고, 0psu에서는 사멸하였다. 성장률은 30psu에서 1.26 d-1로 가장 높게 나타났고, chlorophyll-a 농도는 25psu에서 356.88 𝜇g L-1로 가장 높았으며, 20psu 346.31 𝜇g L-1, 30psu 323.47 𝜇g L-1로 유사하게 나타났다.
광도 실험에서 최대 생물량은 100 𝜇mol photons m-2 s-1에서 7일째에 26,358 cells mL-1로 가장 높았다. 성장률은 150 𝜇mol photons m-2 s-1에서 1.26 d-1로 가장 높았으며, 5 𝜇mol photons m-2 s-1 실험구를 제외한 모든 실험구에서 유사하게 나타났다. chlorophyll-a 농도는 100 𝜇mol photons m-2 s-1에서 351.68 𝜇g L-1로 가장 높았으나, 25 𝜇mol photons m-2 s-1 이상의 실험구와 유의적인 차이는 없었다.
발광다이오드 실험 결과, 적색 파장에서 5일째에 33,250 cells mL-1로 최대 생물량을 보였으며 성장률 또한 적색 파장에서 1.31 d-1로 가장 높았다. 그러나 chlorophyll-a 농도는 적색 파장에서 108.63 𝜇g L-1이었던 반면, 백색 파장에서 364.76 𝜇g L-1로 가장 높게 나타나, 혼합 파장이 단일 파장에 비해 높은 chlorophyll-a 농도를 보였다.
f/2 배양액을 기준으로 질소와 인(N:P)의 비율에 따른 실험에서 최대 생물량은 20:1 조건에서 6일째에 25,350 cells mL-1로 가장 높았고, 성장률은 15:1~50:1 조건에서 유의적으로 높게 나타났다. chlorophyll-a 농도는 50:1에서 373.53 𝜇g L-1로 가장 높았으나, 5:1 이상의 비율과 유의적인 차이는 없었다. 반면 최대 생물량은 상대적으로 N의 비율이 높은 15:1 이상의 실험구에서 높았다.
f/2 배양액의 희석 비율 실험에서 최대 생물량은 f/2 배양액에서 5일째에 34,233 cells mL-1로 나타났고, 성장률은 f/2 배양액에서 1.12 d-1로 가장 높았으나 f/4 배양액과 유의적인 차이를 보이지 않았다. chlorophyll-a 농도는 f/4 배양액에서 385.27 𝜇g L-1로 가장 높았으나, f/2 배양액에서도 385.19 𝜇g L-1로 유사하게 나타났다.
위의 6가지 성장 요인에 대한 실험 결과, M. nummuloides는 온도 15~25℃, 염분 20∼30psu가 최적 성장조건임을 확인하였다. 최소 25 𝜇mol photons m-2 s-1 이상의 광 조건으로 대량 배양이 가능하고, 부가적으로 파장별 LED 광원을 사용할 경우, 적색 파장으로 세포를 성장시킨 후 백색 파장을 적용하여 chlorophyll-a의 농도를 증가시킬 수 있다. 또한 15:1 이상의 N:P 비율, f/4 농도 수준의 배양액을 투여함으로써 경제적이고 효율적인 배양을 통해 바이오매스를 확보하고 fucoxanthin을 생산할 수 있을 것으로 판단된다.