Investigation on Media Composition for Cultivation of a Newly Isolated Freshwater Microalga Parachlorella sp. to Enhance Fatty Acid Productivity

Full text

September 2020 | Vol. 48 | No. 3
Microbiol. Biotechnol. Lett. (2020), 48(3), 322–330
http://dx.doi.org/10.4014/mbl.1912.12020
pISSN 1598-642X eISSN 2234-7305
Microbiology and Biotechnology Letters
신규
분리된
담수미세조류
Parachlorella
sp.
의
지방산
생산성
향상을
위한
배지
조성
연구
박한울1,2, 임경준3, 민지호1, 강성모2, 한찬우1, 이창수3, 정지영3, 홍성주1,2, 이철균1,2, 김지훈3*
1
인하대학교
해양과학
·
생물공학과
2
인하대학교
생물산업기술연구소
3
국립낙동강생물자원관
,
미생물연구실
Received: December 23, 2019 / Revised: April 7, 2020 / Accepted: April 8, 2020
서론
미세조류는
광합성
미생물로
지구온난화의
주범
중
하나
인
이산화탄소를
흡수하여
탄수화물
,
단백질
,
지질
,
색소
등
생화합물을
합성하고
,
고등식물보다
광합성
효율이
높고
,
연
중
생산이
가능하다
.
또한
주
식량자원이
아니고
,
경작지
뿐
만
아니라
바다
,
사막
등지에서도
배양이
가능하다는
등의
장점으로
장차
도래할
바이오리파이너리
(biorefinery)
의
핵
심
원료
중
하나로
평가받고
있다
[1
−
3].
미세조류
배양에
사
용하는
배지의
조성
,
공급되는
빛의
파장
및
세기
,
온도
등
의
환경
인자에
따라서
세포
생장성과
조성
등이
변화하는
특징을
가지고
있다
.
배양
환경
인자에
대한
미세조류
세포
의
반응은
속
,
종마다
다를
뿐만
아니라
같은
종
내에서도
다
양한
차이를
보인다
[4
−
8].
따라서
,
지질
,
바이오매스
,
색소
등
생산하고자
하는
목표
생화합물에
따라
다른
배양
조건을
주
어
한
종에서도
다른
종류의
산물의
생산성을
증대할
수
있다
.
배지에
세포
생장에
필요한
질소와
인
등이
충분한
조건
일
때에
미세조류는
세포
생장
및
분열을
하게
되는데
,
이러
한
영양소가
결핍될
경우
더
이상
분열을
하지
못하고
2
차
대사산물을
축적하게
된다
.
질소
결핍
조건에서
Dunaliella
Investigation on Media Composition for Cultivation of a Newly Isolated Freshwater Microalga Parachlorella sp. to Enhance
Fatty Acid Productivity
Hanwool Park
1,2
, Kyung June Yim
3
, Ji-Ho Min
1
, Sung-Mo Kang
2
, Chan-woo Han
1
, Chang-Soo Lee
3
, Ji Young Jung
3
, Seong-Joo Hong
1,2
,
Choul-Gyun Lee
1,2
, and Z-Hun Kim
3
*
1
Department of Marine Science and Biological Engineering, Inha University, Incheon 22212, Republic of Korea
2
Institute of Industrial Biotechnology, Inha University, Incheon 22212, Republic of Korea
3
Microbial Research Department, Nakdonggang National Institute of Biological Resources, Sangju 37242, Republic of Korea
Parachlorella
sp. is an efficient fatty acid producer that can be used in the production of biofuels, feeds,
and fertilizers. Microalgae show varying responses to culture conditions, even those within the same spe-
cies. In this study, growth and fatty acid composition of a newly isolated
Parachlorella
sp. from the Nak-
dong river of Korea in different culture media were investigated. The microalga was cultivated in 400 ml
bubble column photobioreactors using BG-11, BBM, TAP, and modified TAP (MTAP) media. It was shown
that using BBM led to greater fatty acid accumulation (34%), while using TAP medium led to greater bio-
mass productivity (0.34 g/l/day). Composition of the TAP medium was modified to have the N:P ratio of
BBM while also varying concentrations of N and P to improve fatty acid productivity. One of the modified
TAP media, MTAP-1 (104.8 mgN/l, 135.2 mgP/l, N:P ratio = 0.77), showed the highest fatty acid concentration
of 0.69
±
0.04 g/l, while those from TAP and BBM were 0.48
±
0.06 g/l and 0.40
±
0.02 g/l, respectively. The
results showed that microalgal fatty acid productivity could be enhanced by changing the N:P ratio and
concentrations.
Keywords : Biodiesel, green microalgae, linolenic acid, media selection
*Corresponding author
Tel: +82-54-530-0841, Fax: +82-54-530-0849
E-mail: kimzhun@nnibr.re.kr
© 2020, The Korean Society for Microbiology and Biotechnology

323
Park et al.
http://dx.doi.org/10.4014/mbl.1912.12020
tertiolecta
종은
탄수화물을
주로
축적하고
,
Nannochloropsis
oculate
종과
Porphyridium cruentum
종은
지방산을
주로
축적하였다
[9, 10].
Haematococcus pluvialis
종에서는
질소
결핍
조건에서
카로티노이드
(carotenoid)
인
아스타잔틴
(astaxanthin)
의
축적이
일어나며
Dunaliella salina
종에서
는
질소
결핍
및
염도와
광도가
높은
조건에서
베타카로틴
(
β
-carotene)
의
축적이
일어난다
[11
−
13].
본
연구에서
사용
된
미세조류와
같은
속
(genius)
인
Parachlorella kessleri
CCALA 255
종은
질소
,
황
,
또는
인의
농도가
낮은
배지에
서
지방산을
축적하는
것으로
보고되었다
[14].
본
연구에서는
국내
낙동강
수계에서
처음으로
채집
,
분리
된
Parachlorella
sp.
종의
지방산
생산성을
높일
수
있는
배
양기술을
개발을
위해
여러
배양
인자
중
,
배지
조성에
따른
지방산
생산성을
연구하였다
.
미세조류
배양에
있어
배양
중
간에
세포를
수확한
뒤
질소가
결핍된
배지로
새로
교체하
는
2
단계
배양
방식으로
영양소
결핍
조건을
줄
수
있지만
이는
에너지와
비용이
많이
들어
대량
배양에
적용이
어렵
기
때문에
,
대량
배양에
통상적으로
사용하는
회분식
배양
(batch cultivation)
을
통해
바이오매스와
지방산
생산성을
분석하였다
.
담수
미세조류
배양에
일반적으로
사용되는
3
종류의
배지
, BG-11 (Blue-Green), TAP (Tris-Acetate-
Phosphate), BBM (Bold’s Basal Medium),
배지를
사용하
여
Parachlorella
sp.
를
배양한
뒤
,
바이오매스
생산성과
지
질
함량을
분석하여
배지에
따른
지방산
생산성을
확인하
였다
.
지방산
생산성을
향상시키기
위하여
바이오매스
생산
성이
가장
높게
나온
TAP
배지와
지방산
함량이
가장
높게
나온
BBM
배지의
특성을
조합하여
4
종류의
Modified
TAP (MTAP)
배지
조성을
고안
, N:P
비율
,
질소원
종류와
아세트산
첨가
여부에
따른
지방산
생산성의
차이를
조사
해
지방산
및
오메가
-3
지방산
생산성이
높은
배지
조성을
제안하였다
.
재료
및
방법
미세조류 균주 및 종균의 유지
대한민국
경상북도
상주시
낙동강
상주보
인근
(36°26'02.6"N128°14'54.3"E)
에서
분리한
Parachlorella
sp.
FBCC180029
종을
국립낙동강생물자원관
담수생물자원은
행에서
제공받아
본
연구에
사용하였다
.
종균은
250 ml
삼
각
플라스크에
100 ml
의
TAP
배지를
사용하여
진탕
배양기
(VS-8480SF, Vision Scientific Co., Ltd., Korea)
를
이용하
여
20
℃의
온도에서
120 rpm
으로
교반시키며
형광등을
이
용해
50 µmol/m
2
/s
의
광도로
24
시간
빛을
공급해주어
배양
하였다
.
배양 배지
Parachlorella
sp.
의
지방산
생산성을
평가하기
위하여
담
수
미세조류의
배양에
널리
사용되는
BG-11, TAP, BBM
세
종류의
배지를
사용하여
배양
실험을
진행하였다
. BG-11
배
지는
NaNO
3
1.5 g/l, MgSO
4
7H
2
O 74.9 mg/l, CaCl
2
2H
2
O
36 mg/l, Citric acid 6 mg/l, 0.25M NaEDTA (pH8.0)
11.2 ul/l, H
3
BO
3
2.860 mg/l, MnCl
2
4H
2
O 1.810 mg/l,
ZnSO
4
7H
2
O 0.222 mg/l, Na
2
MoO
4
2H
2
O 0.390 mg/l,
CuSO
4
5H
2
O 0.079 g/l, Co(NO
3
)
2
6H
2
O 0.0494 mg/l,
Ammonium iron(III) citrate 6 mg/l, NaCO
3
20 mg/l,
K
2
HPO
4
30.5 mg/l
로
구성되었고
, BBM
은
NaNO
3
250 mg/l,
K
2
HPO
4
75 mg/l, KH
2
PO
4
175 mg/l, CaCl
2
2H
2
O 25 mg/
l, MgSO
4
7H
2
O 75 mg/l, NaCl 25 mg/l, H
3
BO
3
11.42 mg/
l, EDTA 50 mg/l, KOH 31 mg/l, FeSO
4
7H
2
O 4.98 mg/l,
H
2
SO
4
(96%) 0.1 ul/l, ZnSO
4
7H
2
O 8.82 mg/l, MnCl
2
4H
2
O 1.44 mg/l, MoO
2
0.17 mg/l, CuSO
4
5H
2
O 1.57 mg/l,
Co(NO
3
)
2
6H
2
O 0.49 mg/l
로
구성되어
있다
. TAP
은
Tris
base 2.42 g/l, MgSO
4
7H
2
O 100 mg/l, CaCl
2
2H
2
O 50 mg/l,
NH
4
Cl 400 mg/l, K
2
HPO
4
108 mg/l, KH
2
PO
4
56 mg/l,
ZnSO
4
7H
2
O 22 mg/l, H
3
BO
3
11.4 mg/l, MnCl
2
4H
2
O
5.1 mg/l, CoCl
2
6H
2
O 1.6 mg/l, CuSO
4
5H
2
O 1.16 mg/l,
(NH
4
)
6
Mo
7
O
24
4H
2
O 1.1 mg/l, FeSO
4
7H
2
O 5 mg/l,
Na
2
EDTA 50 mg/l, CH
3
COOH 1 mg/l
로
구성되었다
.
세
배
지
중
주요
차이점인
무기질소
,
무기인의
함량
및
N:P
비율
과
유기탄소원
사용
여부는
Table 1
에
정리되어
있다
. NaNO
3
와
NH
4
Cl
외에
통상적으로
trace mineral supplement
로
취급
되는
화합물에
포함된
N
의
양은
전체의
약
0.1%
이하로
Table 1
의
계산에서는
무시하였다
.
MTAP
배지는
TAP
배지의
질소와
인의
농도를
조절하여
제조하였다
(Table 2). BBM
과
N:P
비율이
같도록
TAP
배지
조성
중
phosphate buffer
의
K
2
HPO
4
, KH
2
PO
4
간의
비율
은
유지하면서
무기인의
농도를
증가시켰고
(MTAP-1),
여기
서
무기질소와
무기인의
총량을
75%, 50%
로
낮추거나
(MTAP-2, MTAP-3), BBM
과
같은
수준으로
맞추어
암모니아
와
아세트산
사용이
미치는
영향을
조사하였다
. BG-11
의
ferric
ammonium citrate
는
Fe
3+
이온
공급을
위해
사용되며
citrate
Table 1. Major differences between BG-11, TAP, and BBM
media.
Medium
Inorganic
Nitrogen
(mgN/l)
Inorganic
Phosphorus
(mgP/l)
N:P Ratio Acetate
(ml/l)
BG-11 246.5 5.4 45.4 -
TAP 104.8 135.2 3.3 1.0
BBM 41.2 53.2 0.8 -

A Study on Media Composition for Parachlorella
324
September 2020 | Vol. 48 | No. 3
(citric acid)
또한
포도당
,
아세트산과
달리
미세조류
세포의
비
선호
탄소원으로
생장에
큰
영향을
미치지
않아
이들에
의한
영향은
고려하지
않았다
[15, 16].
미세조류 배양
미세조류
배양
실험은
500 ml
기포탑
광생물반응기를
이
용하여
수행하였다
.
배양액은
400 ml
을
넣어
미세조류를
배
양하였으며
2%
이산화탄소가
섞인
기체를
0.1 vvm
의
속도
로
폭기하여
배양액의
pH
를
유지하고
무기탄소를
공급하였
다
.
광원으로는
3
파장
형광등을
사용하여
150
µ
mol/m
2
/s
의
광도로
빛에너지를
24
시간
공급하였다
.
배양
온도는
배양실
온도를
에어컨을
이용해
20
℃로
유지하였다
.
실험군
당
두
개의
기포탑
광생물반응기를
사용해
미세조류를
배양하였으
며
,
실험
결과는
평균값과
실험값의
범위를
오차범위로
표기
하였다
.
미세조류 바이오매스 농도 및 지방산 분석
미세조류
배양액의
바이오매스
농도
분석은
Coulter
Counter (Multisizer 4e, Beckman Coulter, Inc., USA)
를
통해
세포
농도와
부피를
측정한
후
,
실험적으로
결정된
세
포
중량과
건조
세포
중량의
비율을
이용해
계산하여
결정
하였다
.
미세조류
바이오매스의
약
70%
가
수분으로
확인되
었다
.
바이오매스
생산성
(Biomass Productivity, BP)
은
아래
식을
이용하여
계산하였다
:
BP
는
바이오매스
생산성
(g/l/day),
C
2
–
C
1
은
최종
농도와
접
종
농도의
차이
(g/l),
t
2
–
t
1
은
배양기간
(day)
이다
.
바이오매스
내
지방산
함량
및
조성
분석을
위해
배양
실
험
중
50 ml
의
배양액을
채취하여
3000 rpm
에서
15
분
동안
원심분리를
통해
바이오매스를
수확하였다
.
수확된
바이오
매스는
탈이온수를
사용해
2
회
세척한
후
, -20
℃에서
12
시간
이상
냉동한
뒤
,
동결건조기
(LP 10, ilShinBioBase, Korea)
에
서
동결건조
되었다
.
동결
건조된
바이오매스에
황산과
메탄
올을
첨가하여
전이에스테르화반응을
시킨
뒤
n
-
헥산
추출
을
통해
지방산메틸에스테르를
수득하여
이를
가스크로마토
그래프
(Acme 6000 GC, Younglin, Anyang, Korea)
를
이용
해
바이오매스
내
지방산
함량과
조성을
분석하였다
[8].
결과
및
고찰
총
10
일간
Parachlorella
를
배양한
결과
,
최종
바이오매스
BP
C
2
C
1
–
t
2
t
1
–
------------------
=
Table 2. Comparison of TAP, MTAP, and BBM media.
Medium
Inorganic
Nitrogen
(mgN/l)
Inorganic
Phosphorus
(mgP/l)
N:P Ratio Acetate
(ml/l)
TAP 104.8 31.9 3.3 1.0
MTAP-1 104.8 135.2 0.8 1.0
MTAP-2 78.6 101.4 0.8 1.0
MTAP-3 52.4 67.6 0.8 1.0
MTAP-4 41.2 53.2 0.8 1.0
BBM 41.2 53.2 0.8 -
Fig. 1. Changes in biomass concentration and fatty acid content of Parachlorella sp. cultures by different media.

325
Park et al.
http://dx.doi.org/10.4014/mbl.1912.12020
농도는
TAP
배지에서
3.4 g/l, BG-11
배지에서
2.4 g/l, BBM
배지에서
2.0 g/l
로
바이오매스는
TAP
배지에서
가장
많이
생산되었음을
알
수
있었다
(Fig. 1). BP
는
TAP, BG-11,
BBM
순이었으며
각각
0.34, 0.24, 0.19 g/l/day
로
TAP
배지
에서
BBM
배지에서
보다
74.8%
높았다
.
미세조류
바이오
매스
내
N:P
비율은
종과
배양
조건에
따라
다르지만
질소
내지
인
결핍
등의
조건을
주지
않았을
때
통상적으로
7:1
이
다
[1, 15].
이
점에
미루어
,
바이오매스
생산
제한
인자로
BG-
11
에서는
낮은
무기인
농도가
, BBM
에서는
무기질소
농도가
작용한
것으로
판단된다
. TAP
에는
특이적으로
아세트산이
유기탄소원으로
공급되었지만
2% CO
2
를
지속적으로
공급
해주었기
때문에
탄소원은
바이오매스
생산
제한
인자로
작
용하지
않았을
것이다
.
미세조류를
이용해
축산
오수
등에서
무기질소와
무기인을
제거하려는
연구에서는
N:P
비율을
조
절하여
무기영양염
제거
효율을
높이는
기술이
개발되고
있는
데
,
Chlorella vulgaris
에서는
N:P
비율이
8:1,
Scenedesmus
,
Chlorella
,
Nitzschia
등으로
이루어진
미세조류
군체는
14:1
이었다
[16, 17].
미세조류
세포들이
대수적으로
증식할
때
무
기영양염을
가장
왕성하게
흡수하기
때문에
본
실험에
사용
한
배지
중
N:P
비율이
7:1
에
가장
가까운
TAP
배지에서
바
이오매스
생산이
가장
높았을
것이다
[18].
세포
접종
후
,
시간이
흐름에
따라
BBM
배지를
사용한
배
양액의
색이
먼저
옅어지기
시작하여
노란색으로
변하였고
,
TAP
배지를
사용한
배양액은
연두색으로
변하였다
.
반면
BG-
11
을
사용한
배양액은
진한
초록색으로
다른
배지와
달리
탈
색이
발생하지
않았다
(Fig. 2).
진핵
미세조류는
적색과
청색
파장의
빛을
주로
흡수하여
초록색으로
보이는
클로로필을
주요
광합성
색소로
가지고
있는데
,
클로로필은
분자
하나
당
4
개의
질소
원자를
가지고
있어
,
배양액
내
질소가
부족
한
경우
이를
분해하여
질소를
단백질
합성에
사용하는
것
으로
알려져
있다
[10, 19].
따라서
, N:P
비율이
낮은
BBM
배
지를
사용한
배양액에서는
미세조류
세포들이
클로로필을
분해하여
노란색으로
탈색되었고
, N:P
비율이
높은
BG-11
배지를
사용한
배양액에서는
질소가
충분하여
클로로필을
분해하지
않아
짙은
초록색으로
배양액의
색이
유지된
것으
로
판단된다
.
모든
배지에서
접종
후
3
일까지는
대수
(exponential)
생장
곡선을
보이고
,
그
뒤로는
7
일차까지
빛에너지에
의해
생장
이
제한된
생장곡선을
보인
뒤
,
정체기에
돌입하였다
.
배양
4
일
, 6
일
, 8
일
, 10
일에
미세조류
바이오매스의
지방산
함량
를
분석한
결과
,
모든
배지에서
시간이
지날수록
지방산
함
량이
증가하였으나
, N:P
비율이
낮아
질소가
상대적으로
부
족했던
BBM
배지에서
지방산
함량이
최고
34%
까지
증가하
였다
(Fig. 1). TAP
배지에서는
지방산
함량이
18%, BG-11
배지에서는
지방산
함량이
11%
로
나타났다
.
미세조류
세포가
생장하여
분열하기
위해서는
단백질
합
성이
필수적이기
때문에
,
배양액
내에
충분한
질소가
공급되
어야
세포
분열이
원활히
이루어진다
.
배양액
내에
질소가
부족할
경우
,
새로운
단백질의
합성이
불가능하여
세포
분열
이
멈추는데
,
이
때
빛과
이산화탄소가
계속
공급될
경우
미
세조류
세포는
광합성을
계속하게
된다
.
분열을
하지
못함에
따라
발생하는
잉여
에너지를
저장하기
위하여
지질
,
탄수화
물
,
색소
등의
고분자물질을
생산하여
축적하게
된다
[5, 9
−
13].
TAP
배지의
지방산
함량이
BBM
에
비해
낮은
것에는
N:P
비율
뿐만
아니라
TAP
배지에서의
바이오매스
농도가
높아
세포당
광도가
낮았기
때문일
수도
있다
.
미세조류
세포의
2
차
대사산물
축적은
상술한
것과
같이
잉여
에너지를
저장
하기
위해
일어나는데
,
세포
당
에너지가
낮은
경우
지방산
합성을
위한
에너지가
낮아져
지방산
합성이
원활히
일어나
지
않을
수
있다
.
H. pluvialis
의
경우
아스타잔틴
생산에
적
절한
빛에너지를
공급하기
위해
세포
농도에
맞게
광도를
조
절하여
아스타잔틴
생산성을
향상시킨
연구가
보고된
바
있
다
[20]. Fig. 1
에서
나타난
것과
같이
BBM
에서는
지방산
함
Fig. 2. Color changes of the algal cultures with BBM (left), BG-11 (middle), TAP (right) on the day 0 (a), 4 (b), and 10 (c).

A Study on Media Composition for Parachlorella
326
September 2020 | Vol. 48 | No. 3
량이
직선으로
꾸준히
증가한
반면
, TAP
에서는
6
일차
이후
로
지방산
함량
증가
폭이
감소하였는데
,
세포
당
빛
에너지
가
BBM
에서
더
높아
지방산
합성이
더
잘
일어났을
수
있다
.
본
실험을
통하여
바이오매스
생산에는
TAP
배지가
,
미세
조류
내
지방산
축적에는
BBM
배지가
가장
적합하다는
것
을
알
수
있었다
.
실질적인
지방산
생산성을
분석하기
위하
여
세포
당
지방산
함량이
아닌
,
배양액
부피당
지방산의
농
도를
계산하였다
.
최종
세포
농도는
TAP
에서
3.4 g/l
로
BBM
의
2.0 g/l
보다
74%
높았지만
,
세포
당
지방산
함량은
BBM
에서
34%
로
TAP
에서의
18%
보다
87%
높았다
.
그
결과
,
종
합적인
지방산
농도는
BBM
에서
639 mg/l
로
TAP
에서의
615 mg/l
보다
4%
높은
생산
농도를
보였다
. BG-11
은
중간
정도의
최종
세포
농도를
보였으나
지방산
함량이
11%
로
다
른
배지를
사용했을
때보다
현저히
낮아
276 mg/l
의
가장
낮
은
지방산
농도를
보였다
.
미세조류
내
지방산
함량도
중요하지만
,
바이오매스
자체
가
많이
생산되어야
단백질
,
탄수화물
,
카로테노이드
등
다
른
유용
물질의
절대
생산량이
증가하기
때문에
,
바이오매스
생산성이
가장
높았던
TAP
배지의
질소와
인의
비율
,
총량
등을
조절하여
TAP
배지의
높은
바이오매스
생산성과
BBM
배지의
높은
지방산
함량
,
각각의
장점을
결합할
수
있는
배
지
조성을
찾기
위한
실험을
진행하였다
. TAP
배지에
,
지방
산
함량이
가장
높았던
BBM
배지와
같이
질소와
인의
비율
을
조절하고
(MTAP-1),
세포
농도와
지방산
합성의
관계가
있는지
조사하기
위해
MTAP-1
배지의
질소와
인의
총량을
줄인
MTAP-2, MTAP-3
을
고안하였다
.
또한
, TAP
과
BBM
은
질소원이
각각
염화
암모늄
,
질산
나트륨으로
다르고
, TAP
에는
아세트산이
유기산으로
공급되는
차이가
존재하는데
,
이에
의한
바이오매스
생산성과
지방산
함량에
대한
효과를
보기
위하여
BBM
과
같은
질소와
인의
양을
공급해주는
MTAP-4
을
사용하였다
(Table 2).
세포
접종
후
,
시간이
흐름에
따라
MTAP-4, BBM, MTAP-
3, MTAP-2, MTAP-1, TAP
배지
순으로
노란색에
가까이
변
한
것을
확인할
수
있었다
(Fig. 3).
이를
통해
, BG-11, TAP,
BBM
의
실험결과와
같이
노란색으로
많이
변한
순으로
지방
산이
많이
축적됐을
것을
유추할
수
있었다
.
Parachlorella
를
각각의
배지에서
배양한
결과
,
최종
바이
오매스
농도가
TAP, MTAP-1, MTAP-2, MTAP-3, MTAP-
4, BBM
에서
각각
2.43, 2.78, 2.14, 1.85, 1.58, 1.36 g/l
로
나타났다
(Fig. 4). TAP
과
MTAP-1, BBM
과
MTAP-4
는
같은
양의
질소원을
사용하였지만
MTAP-1
과
MTAP-4
가
각각의
대조군에
비해
14%, 16%
더
바이오매스
농도가
높았다
.
MTAP-4
배지가
BBM
보다
바이오매스
농도가
높게
나온
것
은
질소원을
암모니아로
사용하고
,
아세트산을
첨가하였기
때문으로
판단된다
.
미세조류의
질소
대사과정에서
세포
내로
흡수된
질산이
온은
nitrate reductase
에
의해
아질산이온으로
환원된
다음
,
nitrite reductase
에
의해
암모늄
이온으로
환원된
뒤
glutamine synthase
에
의해
글루탐산과
반응하여
글루타민
으로
합성된다
[21].
따라서
,
암모늄
이온을
질소원으로
공급
해준
MTAP-4
배지에서
미세조류
세포가
더
빠르게
성장할
수
있었을
것이다
. MTAP
배지에
공급해준
아세트산
역시
미세조류
세포
내로
흡수된
뒤
Acetyl-CoA
로
변환되어
TCA
cycle
에
빠르게
사용될
수
있기
때문에
세포
내에
에너지를
빠르게
공급하여
세포
성장을
촉진하고
,
나아가
지방산
축적
을
증가시키는
효과를
냈을
가능성이
있다
[22].
상술한
효과는
미세조류
세포
크기를
통해
그
근거를
볼
수
있다
(Fig. 5). BBM
을
공급하여
배양한
Parachlorella
의
평균
세포
부피는
최고
123
µ
m
3
이었는데
MTAP
배지에서
는
최고
288
µ
m
3
까지
세포의
부피가
증가하는
것을
확인하
Fig. 3. Photographs of algal cultures with BBM (B), TAP (T), MTAP-1 (1), MTAP-2 (2), MTAP-3 (3), MTAP-4 (4) after 9 days of cul-
tivation.

327
Park et al.
http://dx.doi.org/10.4014/mbl.1912.12020
였다
.
해당
기간
동안
(
배양일
0
−
3
일
)
세포
내
지방산
함량은
크게
증가하지
않아
암모니아와
아세트산에
의해
세포가
매
우
빠른
속도로
증식하여
나타난
현상으로
사료된다
.
반면에
MTAP-1
배지와
TAP
배지의
차이는
같은
질소원을
사용하
였고
모두
아세트산을
첨가해주었기
때문에
두
배지
간
현
저히
차이나는
N/P ratio
로
인해
세포
내
지방산
함량이
달
라졌고
,
최고
세포
부피도
MTAP
과
TAP
배지에서
각각
273
µ
m
3
, 241
µ
m
3
으로
차이가
발생해
바이오매스
농도가
달
랐을
것으로
판단된다
.
미세조류
유래
지방산은
이중결합의
유무에
따라
포화지
방산과
불포화지방산으로
분류가
되고
,
특히
오메가
-3
지방
산을
포함하는
불포화지방산은
사람과
동물이
섭취할
경우
생리적으로
이로운
효과를
내어
건강기능성식품이나
동물사
료로
사용하기
위해서는
불포화지방산의
함량이
높은
것이
좋다
[23
−
25].
Parachlorella
sp.
의
지방산의
질을
확인하기
위하여
함량과
함께
조성을
분석하였다
.
최종
지방산
함량은
TAP, MTAP-1, BBM, MTAP-2, MTAP-3, MTAP-4
순으로
높았으며
각각
19.7%, 24.9%, 29.1%, 30.2%, 31.4%, 34.3%
였다
(Fig. 6).
지방산
축적이
본격적으로
시작되기
전엔
3
일
차
까지는
팔미트산
(Palmitic acid, C16:0),
리놀레익산
Fig. 4. Changes in biomass concentration (solid line) and fatty acid concentration (dotted line) of Parachlorell a sp. cultures by
media.
Fig. 5. Changes in cell concentration (solid line) and average cell volume (dotted line) of Parachlorella sp. cultures by media.

A Study on Media Composition for Parachlorella
328
September 2020 | Vol. 48 | No. 3
(Linoleic acid, C18:2),
리놀레닉산
(Linolenic acid, C18:3)
이
많은
비율을
차지하였고
,
지방산
축적이
시작되자
리놀레익산
(Linoleic acid, C18:2),
리놀레닉산
(Linolenic acid, C18:3)
과
함께
올레산
(Oleic acid, C18:1)
과
팔미토리놀레닉산
(Palmitolinolenic
acid, C16:3)
이
증가하는
모습을
보였다
.
Parachlorella
sp.
가
생산한
지방산
중
오메가
-3
지방산은
팔미토리놀레닉산
(Palmitolinolenic acid, C16:3),
팔미티도
닉산
(Palmitidonic acid, C16:4),
리놀레닉산
(Linolenic acid,
C18:3)
의
세
종류였고
, BBM
배지와
신규
배지
중
MTAP-4
배지에서
많이
축적되었다
. TAP
및
MTAP-1, 2, 3
배지에서
는
오메가
3
지방산의
증가가
보이지
않았는데
, TAP
배지에
서는
높은
N:P
비율
때문에
, MTAP-1, 2, 3
배지에서는
MTAP-4
배지보다
공급된
N
과
P
의
농도가
상대적으로
높아
최종
바이오매스
농도가
더
높아졌고
,
이로
인해
세포
당
빛
에너지
양이
낮았기
때문으로
사료된다
.
불포화지방산과
포화지방산의
비율은
TAP
배지와
MTAP-
1, 2, 3
배지에서
2.0
±
0.1
이었고
, BBM
과
MTAP-4
에서
2.5
±
0.0
으로
질소의
함량이
낮을
때
높았다
.
오메가
-3
지방
산의
함량은
MTAP-4
에서
10.1%
로
가장
높았고
, BBM
에서
8.4%, MTAP-1, 2, 3
에서
2.4
±
0.1%, TAP
에서는
1.7%
로
가
장
낮게
나타났다
.
지방산
조성
변화를
보면
C18:1
이
증가한
뒤
C18:2
가
증가하고
,
그
뒤에
C18:3
이
증가하였다
.
또한
C16:1
이
생긴
뒤
C16:3, C16:4
의
함량이
증가한
것으로
보
아
C16:0
이
처음
합성된
뒤
여기서
C16:1, C16:3, C16:4
로
desaturation
이
일어나고
, C16:0
에서
C18:0, C18:1, C18:2,
C18:3
으로
순차적으로
elongation
과
desaturation
이
일어나
는
일반적인
미세조류
지방산
생합성
경로를
따른
것으로
보
인다
[26, 27].
지방산
생합성과
desaturation
에는
에너지가
필요하기
때문에
,
지방산
중
특히
오메가
-3
지방산의
함량을
높이려면
배지의
N:P
비율을
유지하면서
질소
농도를
낮추
어
최고
바이오매스
농도를
감소시키거나
광도를
높이는
전
략을
사용해야
할
것으로
판단된다
[27].
바이오매스
농도와
지방산
함량을
곱하여
구한
배양액
내
지방산의
농도는
MTAP-1
에서
692 mg/l, MTAP-2
에서
646 mg/l, MTAP-3
에서
582 mg/l, MTAP-4
에서
526 mg/l,
TAP
에서
480 mg/l, BBM
에서
397 mg/l
였다
(Fig. 4).
지방산
함량은
BBM
에서
두
번째로
높았지만
바이오매스
농도의
차
이로
BBM
에서
지방산
농도가
가장
낮은
것으로
나타났고
,
바
Fig. 6. Fatty acid composition of Parachlorella by culture media and time.
Table 3. Biomass concentration and fatty acid contents of other Parachlorella grown in different media.
Strain Medium Culture system
(Working Vol.)
Max. biomass
concentration (g/l) FA c onte nts ( %) Ref.
Parachlorella sp. FBCC180029 TAP BC-PBRs
(0.4 L)
2.4 20 This study
MTAP-1 2.8 25
Parachlorella sp. BX 1.5 BG-11 Flask
(0.03-0.05 L)
5.7 16 [27]
BG-11-N 1.8 27
Parachlorella kessleri UTEX2229 Modified-BBM Airlift PBR (1 L) 4.2 37 [28]

329
Park et al.
http://dx.doi.org/10.4014/mbl.1912.12020
이오매스
농도가
높은
MTAP-1
에서
지방산
농도가
가장
높았
다
.
동일한
배양
조건은
아니지만
다른
Parachlorella
종을
배
양한
연구에서는
N:P ratio
가
높은
BG-11
의
N
을
제거하여
지방산
함량을
16%
에서
27%
로
증가시켰지만
바이오매스
농
도는
약
68%
감소하여
전체적인
지방산
농도는
감소하여
본
연구의
MTAP-4
와
유사한
결과를
보였다
(Table 3) [28].
또
다른
연구에서는
BBM
배지의
영양분
함량을
높인
배지를
사용하여
37%
의
높은
지방산
함량을
달성하면서도
바이오매
스
농도를
높일
수
있었다
[29].
따라서
,
Parachlorella
의
지방산
생산성을
향상시키기
위해서는
배지의
N
을
제거하는
것보
다
P
를
공급하여
N:P ratio
를
낮추는
것이
유리할
것이다
.
지방산
조성
중
가장
유용한
것으로
평가되는
오메가
-3
지
방산은
BBM
에서
115 mg/l, MTAP-1
에서
67 mg/l, MTAP-2
에
서
53 mg/l, MTAP-3
에서
41 mg/l, MTAP-4
에서
159 mg/l,
TAP
에서
42 mg/l
로
나타나
배지간
지방산
조성
차이에
따라
MTAP-4
에서
가장
높은
오메가
-3
지방산
생산성을
보였다
.
MTAP-1
에서
총
지방산의
농도가
가장
높았지만
,
오메가
-3
지방산
농도는
MTAP-4
에서
가장
높았다
.
이는
MTAP-4
을
사용하였을
때
최종
바이오매스
농도가
더
낮아
더
많은
세
포당
빛
에너지가
공급되어
오메가
-3
지방산의
합성이
더
많
이
이루어졌기
때문으로
보인다
.
결과적으로
TAP
배지의
N:P
비율을
BBM
과
동일하게
조성해서
만든
MTAP-1
을
사용하
여
지방산
생산성을
기존의
TAP
배지보다
44%, BBM
배지
보다
74%
향상시켰으며
, TAP
배지의
N
과
P
의
농도를
BBM
과
동일하게
만든
MTAP-4
을
사용하여
오메가
-3
지방산
생
산성을
기존의
TAP
배지보다
279%, BBM
배지보다
38%
향
상시킬
수
있었다
.
따라서
,
Parachlorella
sp.
배양
시
MTAP-1
또는
MTAP-4
배지를
선택하여
지방산
함량이
높
으면서
원하는
지방산
조성을
가지는
미세조류
바이오매스
를
생산할
수
있을
것이다
.
요약
본
연구에서는
국내
낙동강
수계에서
신규하게
분리된
미
세조류인
Parachlorella
sp.
종의
바이오매스
및
지방산
생
산성에
대한
배지의
영향을
연구하였다
.
미세조류
배양에
통
상적으로
사용되는
BG-11, TAP, BBM
배지를
사용하여
바
이오매스
생산성은
TAP
배지에서
,
지방산
축적은
BBM
배
지에서
가장
잘
일어나는
것으로
확인되었고
,
지방산
생산성
을
향상시키기
위해
암모니아와
아세트산을
사용하는
TAP
배지의
조성을
변화하여
BBM
배지처럼
지방산
축적을
유
도하며
바이오매스
생산성을
증가시킨
MTAP
배지를
개발
하였다
.
전체적인
바이오매스와
지방산
생산성을
높이기
위
해서는
MTAP-1
배지가
적합하여
바이오매스
생산성과
지
방산
생산성은
기존의
TAP
배지
대비
각각
14%, 45%
증가
하였다
.
생리
활성
효과로
인해
관심도가
높은
오메가
-3
지
방산의
생산에는
MTAP-4
배지가
가장
적합하여
바이오매
스
생산성과
오메가
-3
지방산
생산성이
기존
BBM
배지
대
비
각각
18%, 39%
증가하여
목표
중점
생산물질
(
바이오매
스
,
총
지방산
,
또는
오메가
-3
지방산
)
의
생산성을
향상시킬
수
있는
신규
배지
2
종의
조성을
개발하였다
.
Acknowledgments
This research was supported by the research program of the Nak-
donggang National Institute of Biological Resources funded by the
Ministry of Environment (NNIBR202002103) and Basic Science
Research Program through the National Research Foundation of Korea
(NRF) funded by the Ministry of Education (NRF-2019R1I1A1A01042404).
Conflict of Interest
The authors have no financial conflicts of interest to declare.
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