6._최종보고서(김형주)_ hwp

보안과제 [ ], 일반과제 [ ] 405-112-038 환경산업선진화기술개발사업최종보고서 에코공정기반기술 (Technologies for Eco-process platform) EMR 기법을이용한고성능탄소고정및폐수처리용미세조류의농화및분리기술개발 Selection of high performance algae for carbon fixation and wastewater treatment using EMR based technology 2015. 11 건국대학교산학협력단김형주 환경부 한국환경산업기술원

제출문 환경부장관귀하 본보고서를 EMR 기법을이용한고성능탄소고정및폐수처리용 미세조류의농화및분리기술개발 과제의최종보고서로제출합니 다. 2015 년 11 월 주관연구기관 : 건국대학교산학협력단주관연구기관장 : 서정향 ( 주관 ) 연구책임자 : 김형주 ( 건국대학교산학협력단 ) ( 주관 ) 참여연구원 : 이상현, 양영헌, 최용근, 전종민, 송학진, 박새롬, 유혜정, 강광남, 허문수

요약서 사업명환경산업선진화기술개발사업과제번호 405-112-038 단위사업명에코공정기반대분류환경보전복원중분류수질정화복원 EMR기법을이용한고성능탄소고정및폐수과제명기술단계응용 / 개발처리용미세조류의농화및분리기술개발광스트레스를이용한미세조류증식촉진및실용화 / 최종성과기술추진단계폐수처리능향상기술실증사업화 연구책임자 김형주 해당단계참여연구원수 총연구기간참여연구원수 연락처 02-2049-6111 이메일 연구기관명및소속부서명 위탁기관명 개발목적 및필요성 연구개발 결과 총 : 12 명내부 : 9 명외부 : 3 명 총 : 28 명내부 : 16 명외부 : 12 명 hyungkim@ konkuk.ac.kr 총연구기간 2011.11.01~ 2015.09.30 총연구비 연구기관유형 정부 : 205,000,000 원기업 : 71,670,000 원계 : 276,670,000 원 비영리 건국대학교산학협력단참여기업명 에이티이 위탁책임자 본연구의목표는 Electronmagnetic Radiation(EMR) 을사용하여미세조류의 폐수처리능력과탄소고정능력을극대화할수있는방법을탐색하고, 이 과정에적합한다양한조류군의분리및관련공정을개발하는데있다. 이 과정을통하여별도의유전자조작없이고농도축산폐수에서의질소와인 제거및고농도탄소고정 / 지질축적이가능한고성능폐수처리용미세조류군의 배양 / 적용기술을획득한다. 본연구과제에서는축산폐수및호수등으로부터 Chlorella sp., Scenedesmus sp., Fragilaria sp., Kirchneriella sp., Eudorina sp. 및 Spirogyra sp. 등을분리, 동정하였고, KIST 에서분리된 Micratinium reisseri, Acutodsmus obliquus 및 Uronema sp. 등을실험에사용하였다. 또한, EMR 장치를구성하여 미생물 - 미세조류혼합배양, 순환식농화배양, 자성을이용한미세조류배양, 코일을이용한미세조류배양및광스트레스를이용한미세조류배양을진행하여 미세조류의폐수처리능을확인하였다. 특히, 광스트레스를이용한미세조류 배양은미세조류의증식을촉진하였으며, 질소및인제거율도약 1.2-1.4 배 이상증대시키는것으로확인되었다. 이와같이다양한전자기파를미세조류 배양에적용하여, 효과가크게작용한광스트레스를적용한방법을집중적으로 이용하여미세조류의증식률및폐수처리능등을확인하였다. 광스트레스를 적용한방법에서도형광등및 LED 를이용한방법으로구분하여실험을

진행하였다. 또한, 미세조류배양기의재료및형태와광스트레스조건의다변화및미세조류의다종을이용하여실험을진행하였다. 그결과, 미세조류의종에따라광스트레스의효과는차이가있음을확인하였고, 특히, 바이오매스생산량및질소및인제거효과에서큰차이가나타났다. 그중에서도 Chlorella vulgais 는약 1.4배높은지질함량증대효과를나타냈으며, Uronema sp. 는질소제거율에서약 2배이상의효과가나타났다. Acutodesmus obliquus 는질소제거율에서약 1.7배, 지질함량에서약 3.6배이상의효과가나타났다. Micractinium reisseri 에서도질소제거율및지질함량에서약 2배이상의효과가나타났다. 반면에 Spirogyra sp. 및 Fragilaria sp. 는광스트레스의효과가미비한것으로나타났다. LED를이용한실험에서는광스트레스적용시점을달리하여미세조류 Acutodesmus obliquus 를배양하여미세조류의지질함량증대를확인하였다. 그중에서도광스트레스적용시점을 stationary phase에서적용하여점멸주기를분당 5회로적용하였을때, 높은지질함량을나타냈다. 이와같은결과는미세조류세포내의호르몬과관련이있는것으로확인하였다. 또한, 실제축산폐수를적용한미세조류배양을실시하였으며, 실외배양시, 미세조류의배양가능성을확인하였다. 실외에서조류나무형태의미세조류배양장치는단위면적당높은배양용량을갖는구성이가능하였다. 또한, 실제폐수의색도개선과연속배양시스템을운영할수있었으며, 이산화탄소를저감할수있는효과가있음을확인하였다. pilot plant를제작시, 융합요소기술로서미세조류배양시스템에광스트레스를적용하여성공적으로운영하였다. 공정 제품 사진및도면

성능사양및기술개발수준활용계획주요성과색인어 ( 각 5개이상 ) 광스트레스, 섬광및광원의종류를이용한미세조류배양기술은출원및 등록된특허를통하여기술을인정을받았으며, 본방법및기술들은기존의 미세조류배양을통한폐수처리능보다최대약 2.4배이상효과및최대약 3배의지방산생산능효과가확인되었다. 또한, 미세조류배양및수확장치 기술의개발및미세조류농도측정기술은세계적인수준에도달한것으로 판단된다. EMR기법이적용가능한미세조류배양시스템을폐수처리관련기업으로 산업화를 유도하고, 또한 미세조류가 생산하는 유용물질을 통하여 바이오연료, 화장품및비료산업분야에활용할계획이다. 이미출원및 등록된특허를산업화의목적으로기술이전을활발히진행할계획이다. 특허 출원 ( 국내 ) 7건등록 ( 국내 ) 4건출원 ( 국외 ) 건출원 ( 국외 ) 건 논문 SCI급 17건 일반 건 인증 신기술인증 건 신기술검증 건 매출 국내매출 원 해외수출 원 기타성과 ( 한글 ) Electromagnetic Radiation (EMR), 미세조류, 축산폐수, 질소제거, 인제거 ( 영문 ) Electromagnetic Radiation (EMR), Microalgae, wastewater, nitrogen removal, phosphorous removal

요약문 연구개발결과의보안등급 보안등급분류 보안과제 일반과제 결정사유 평가의착안점및기준 구분세부내용평가의착안점및기준 1 차년도 2 차년도 3 차년도 축산폐수로부터의다양한 미세조류 ( 군 ) 의분리농화배양용 EMR reactor 의구성 분리된미세조류의생리학적 특성 / 폐수처리능확인 EMR의미세조류성능변화확인 전자기파의여러유형과 전자기장의세기에따른 미세조류의증식률조사 EMR의조사에따른질소, 인 제거율변화및성장촉진유도 실험 EMR의조사에따른엽록소의양 조절실험 실제다양한축산폐수의적용및 분석과축산폐수처리를위한 5 종이상의미세조류를분리, 동정하였는가? 조류의성능향상및농화를위한 장치를구성하였는가? 미세조류의최적배양조건및인, 질소제거율의확인하였는가? EMR reactor 의미세조류군에대한 폐수처리능력관련성능변화의 유도가확인되는가? 전자기파유무에따른미세조류의 증식률은얼마나증가했는가? EMR 의조사유무에따른질소, 인 제거율은얼마나증가했는가? EMR 의조사유무에따른엽록소의 함량과질소, 인의농도변화가 있는가? 축산폐수의성분에따른미세조류의 생장과관계가있는가?

최종평가 축산폐수를처리하는최적화된미세조류선별미세조류의종을동정하였는가? Lab scale의광생물반응기의실용화시발생하는문제점을파악제작했는가? 최적화된배양조건은확립했는가? EMR 광생물반응기의전체각반응기의장, 단점은파악폐수처리시스템에의적용했는가? 탄소고정화향상정도탄소고정화율이 50% 이상인가? 저널, 학술발표를통하여질소, 인의제거향상검토학술적으로인정받고있는가? Scale-up 및국내환경에서설치현장의설치타당성검토가능여부와적용가능한지조사하였는가?

Ⅰ. 연구과제명 주관과제명 : EMR 기법을이용한고성능탄소고정및폐수처리용 미세조류의농화및분리기술개발 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 본연구개발은최적 EMR 기법을적용하여폐수처리능과바이오매스생산을향상시키는방법및기술을확보하는것이다. 축산폐수등의고농도폐수를별도의처리과정없이하천등에유입되면적은양으로도수질악화의주된원인으로작용할수있다. 또한축산폐수내의유기물을제외한질소및인화합물의많은부분은일반적인폐수처리공정에서충분히제거되지못하는문제점을가지고있다. 이에따라미세조류배양을통하여폐수를처리하고, 유용물질을생산한다면, 환경보존과함께, 우수한에너지자원으로활용할수있다. 따라서본연구결과를적용한고성능폐수처리시설을운용할수있는기술의개발을통하여, 수자원환경보존및유용바이오매스생산량증대방안을개발하고자하였다. Ⅲ. 연구개발의내용및범위 축산폐수로부터미세조류를분리, 동정및보관하며선별된미세조류에대한자료를수집하고, 미세조류와 EMR에대한물리적, 생화학적관계를조사하기위한실험시스템을구성한다. 다양한 EMR 조건에따라미세조류를배양하여생장속도와질소, 인의제거율을비교한다. 또한, CO 2 의고정화율및유용물질의생산능을확인한다. Lab scale의광생물반응기를설계및제작하여최적화된 EMR 적용시스템을개발하고, 현장에적용할수있는최적조건을확립한다. Ⅳ. 연구개발결과축산폐수및호수등으로부터 Chlorella sp. 등 5종이상의미세조류를분리, 동정하였고, 다양한 EMR 장치중, 광스트레스를이용한미세조류배양의효과가가장효과적임을확인하였다. 특히, 주광원 ( 연속적공급혹은 12시간공급 / 차단반복 ) 을공급하면서보조광원으로형광섬광 ( 분당 60회 ) 의광스트레스를이용한미세조류배양은미세조류의증식을촉진하였으며, 질소및인제거율도약 1.2-1.4배이상증대 ( 초기질소 : 약 200 mg/l, 인 : 약 2.5 mg/l 대비 ) 시키는것으로

나타났다. 또한, 미세조류배양방법및배양기형태와광스트레스조건의다변화및미세조류종에따라광스트레스의효과에서차이가있음을확인하였고, 바이오매스생산량및질소및인제거효과에서큰차이가나타났다. 그중에서도 Acutodesmus obliquus 는 12시간광원공급 / 차단반복과섬광적용시, 질소제거율에서약 1.7배 ( 약 150 mg/l), 지질함량에서약 3.6배이상 ( 약 70 mg/l) 의효과가나타났다. LED를이용한 Acutodesmus obliquus 배양실험에서는광스트레스적용시점을 Stationary phase에서적용하여점멸주기 ( 분당 5회 ) 로적용하였을때, 높은지질함량을나타냈다. 이와같은결과는미세조류세포내의호르몬과관련이있는것으로확인하였다. 조류나무형태의미세조류배양장치는실외에서면적당높은수준의미세조류배양이가능하였다. 또한, 실제폐수의색도개선과연속배양시스템을운영할수있었으며, 이산화탄소를저감할수있는효과가있음을확인하였다. pilot plant를제작시, 융합요소기술로서미세조류배양시스템에광스트레스를적용하여성공적으로운영하였다. Ⅴ. 연구개발결과의활용계획 EMR 기법을적용한미세조류배양시스템은폐수처리및조류증식증가를통한바이오연료원료물질생산에대한적용이가능하다. 또한조류배양을통한화장품, 의약품등, 유용물질의대량생산이가능하다. 본과제를통하여구현된각종기술중 2건은이미기업에대한기술이전이이루어졌으며 (2015년현재 ), 향후다양한실용화연구를통하여, 부족한점을개선할예정이다. 특히, 본과제의주안점인, 광스트레스, 섬광및광원의종류를이용한미세조류배양기술은미세조류를이용한폐수처리를가능하게하여본과제를함께수행한참여기업 (( 주 ) 에이티이 ) 에기술이전을실시할계획이다.

SUMMARY ( 영문요약문 ) Ⅰ. Title Selection of high performance algae for carbon fixation and wastewater treatment using EMR based technology Ⅱ. The Objective & Necessity of the Research The main aim of the project was to develop a novel electromagnetic radiation (EMR) based algal cultivation technology for the high performance wastewater treatment and algal biomass production. Especially, the incompletely treated phosphorus and nitrogen compounds in livestock wastewater generate serious environmental problem in water system. Therefore, to remove the pollutants in wastewater, EMR based algal cultivation system was applied. The development of a novel algae cultivation system could provide a key technology for TN and TP removal in wastewater and algal biomass production. Ⅲ. Contents and Scope This project was mainly divided into two parts. Using the EMR based algae cultivation system, the first area of work explored the wastewater treatment capability of the system. The purpose of the second experimental work was to explore the effect of EMR on algae growth, and to apply the results to development of a novel EMR based algal cultivation system for wastewater treatment and algal biomass production. Ⅳ. Results Using the system, 5 algal strains were enriched and isolated. The isolates

were examined their TN, TP removal rates and growth capability in the presence of various forms of EMR. Among the various forms of EMR, the light stress showed the highest effect on both algal wastewater treatment capability and growth rate. Especially, a lighting condition consisted with main light (12 hr on and 12 hr off) and additional flash light (60 flashes per minute) showed the highest stimulation effect for some algal strains. In this case, removal rate of TN and TP also increased up to 1.2 to 1.4 folds compare to the control experiment (initial TN: ca. 200 ppm, TP: ca 2.5 ppm). Among the strains, Acutodesmus obliquus showed 1.7 fold increase in TN removal rate in the presence of the light stress. Experimental results also showed that the presence of the light stress to the strain induced 3.6 fold increase in fatty acid concentration during the cultivation. Preliminary study of the effect of light stress on algal metabolisms was also undertaken, with the aim of understanding the metabolic aspects underlying the methodology. Experimental results have shown that some growth-related hormones were induced by the light stress. To simplify the algae cultivation and CO 2 fixation, a tree styled algae cultivation structure using PET bottles was made. Using the system, both high productivity of biomass in a given cultivation area and CO 2 consumption rate were observed. When the light stress method was applied to the pilot system, both in biomass and wastewater treatment capacity were observed. Ⅴ. Business Application Based the Outcomes The EMR based algal cultivation system may provide novel methods for the effective removal of TN, TP and the increase in biomass production. In addition, the induction of high lipid content in algal biomass was possible using the system. These algal cultivation system may have wide range of application areas: specific wastewater treatment system, production of biofuel, cosmetics, and medicine feedstocks, CO 2 capturing system, air purifier, etc. Two patents produced during the research period was transferred to companies, and the main patents based on EMR and algal cultivation technology will be transferred to ATE (Co) in near future.

목 차 제 1 장서론 01 제 1 절연구개발과제의개요 03 1. 연구개발의목적및필요성 03 2. 연구개발대상기술의차별성 07 제 2 절연구개발의국내외현황 10 제 3 절연구개발의내용및범위 11 1. 연구개발의최종목표 11 2. 연도별연구개발목표및평가방법 11 3. 연도별추진체계 13 제 2 장연구개발수행내용및결과 15 제 1 절연구개발결과및토의 17 제 2 절연구개발결과요약 451 제 3 장목표달성도및관련분야기여도 453 제 1 절연도별연구개발목표의달성도 455 제 2 절관련분야의기술발전기여도 ( 환경적성과포함 ) 457 제 4 장연구개발결과의활용계획등 459 제 1 절연구개발결과의활용계획 461 제 2 절연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 463 제 3 절연구개발결과의보안등급 464 제 4 절 NTIS 에등록한연구시설 장비현황 465 제 5 장참고문헌 467

표목차 < 표 1.1.1> 전국축산폐수방류수수질현황 3 < 표 1.1.2> 생체전자기요법을이용한미세조류의축산폐수의처리장점 6 < 표 1.1.3> 폐수처리를위한미세조류종에따른특징 6 < 표 1.1.4> 본과제관련기술보유현황 8 < 표 2.2.1> 기초실험에사용된배지조성 26 < 표 2.3.1> 광원공급및섬광적용조건 93 < 표 2.3.2> 본실험에적용된섬광조건 114 < 표 2.3.3> 광원공급및섬광적용조건 115 < 표 2.3.4> 본실험에적용된섬광조건 125 < 표 2.3.5> 광원공급및섬광적용조건 126 < 표 2.3.6> 형광섬광등을이용한섬광주기에따른다양한미세조류의성장비교 135 < 표 2.3.7> LED를이용한섬광주기에따른다양한미세조류의성장비교 136 < 표 2.4.1> 광원공급및섬광조건 138 < 표 2.4.2> 광원공급및섬광적용조건 154 < 표 2.4.3> 형광섬광등을이용한섬광주기에따른다양한미세조류의질소, 인제거비교 170 < 표 2.4.4> LED를이용한섬광주기에따른다양한미세조류의질소, 인제거비교 171 < 표 2.5.1> 형광섬광등을이용한섬광주기에따른다양한미세조류의지방산함량비교 224 < 표 2.5.2> LED를이용한섬광주기에따른다양한미세조류의지방산함량비교 225 < 표 2.6.1> 호르몬의기능 227 < 표 2.6.2> HPLC 이동상조건 229 < 표 2.7.1> 추출방법에따른미세조류 (C. vulgaris) 지방산의프로파일 246 < 표 2.8.1> 미세조류배양에서반응기별, 미세조류성장주기별미생물분포결과 261

< 표 2.11.1> 광생물반응기에서반응시가에따른빛투과량측정결과 340 < 표 2.13.1> PPK 유전자 cloning을위한 primer 염기서열 386 < 표 2.13.2> RT-PCR용액조성 395 < 표 2.13.3> PCR반응조성 397 < 표 2.13.4> RT-PCR용액조성 397 < 표 2.13.5> Enzyme cutting 조성 398 < 표 2.13.6> Ligation 조성 398 < 표 2.13.7> HPLC 분석조건 409 < 표 2.13.8> Mixture design을통해얻은질소원조합 416 < 표 2.13.9> Mixture plot을통해얻은성장정도와 ph 예상값 425 < 표 2.14.1> 조류나무운용시발생및감소이산화탄소량, 산소발생량및운용비용 434 < 표 2.14.2> 미세조류배양전, 후의총질소및인농도와감소율 434 < 표 2.15.1> 형광섬광등을이용한섬광주기에따른미세조류의성장, 질소, 인제거및지질함량비교 448 < 표 2.15.2> LED를이용한섬광주기에따른미세조류의성장, 질소, 인제거및지질함량비교 449 < 표 2.15.3> 형광섬광등및 LED의경제성비교 450

그림목차 < 그림 1.1.1> 폐수의처리공정의모식도 4 < 그림 1.1.2> 미세조류배양시의생체전자기요법활용 5 < 그림 2.1.1> 각종시료로부터미세조류배양 18 < 그림 2.1.2> 호숫물로배양된다양한속의조류 19 < 그림 2.1.3> 가축분뇨로부터배양된다양한속의조류 20 < 그림 2.2.1> EMR을이용한미생물및미세조류배양으로부터가축분뇨처리개략도 22 < 그림 2.2.2> 미생물및미세조류배양장치개략도 25 < 그림 2.2.3> 실제설치한미생물및미세조류배양장치 27 < 그림 2.2.4> 반응기별 TN 농도변화 31 < 그림 2.2.5> 반응기별 TP 농도변화 32 < 그림 2.2.6> 반응기별 TCOD 변화 33 < 그림 2.2.7> 반응기별 SCOD 변화 34 < 그림 2.2.8> 미세조류반응기의 chl-a 농도변화 35 < 그림 2.2.9> 반응기별용존산소변화 36 < 그림 2.2.10> 반응기별 ph 변화 37 < 그림 2.2.11> 반응기별 glucose 농도변화 38 < 그림 2.2.12> EMR을이용한미생물및미세조류배양장치 41 < 그림 2.2.13> 실제 EMR을이용한미생물및미세조류배양장치 42 < 그림 2.2.14> EMR을이용한미생물반응기내의 carbon felt 설치개략도 43 < 그림 2.2.15> EMR을이용한미세조류반응기에서 17일동안배양된미세조류 44 < 그림 2.2.16> EMR을이용하지않은미세조류반응기에서 17일동안배양된 Pur -ple bacteria 45 < 그림 2.2.17> EMR 적용유, 무에따른미생물 (A) 및미세조류반응기 (B) 의총질소농도변화 48 < 그림 2.2.18> EMR 적용유, 무에따른미생물 (A) 및미세조류반응기 (B) 의총인농도변화 49

< 그림 2.2.19> EMR 적용유, 무에따른미생물반응기의용존산소및 ph 변화 50 < 그림 2.2.20> EMR 적용유, 무에따른미세조류반응기의용존산소및 ph변화 51 < 그림 2.2.21> EMR 적용유, 무에따른미생물반응기의산소및이산화탄소변화 52 < 그림 2.2.22> EMR 적용유, 무에따른미세조류반응기의산소및이산화탄소변화 53 < 그림 2.2.23> 주기적인섬광을이용한광스트레스를조사하는미세조류배양장치 57 < 그림 2.2.24> 실제주기적인섬광을이용한광스트레스를조사하는미세조류배양장치 58 < 그림 2.2.25> 광스트레스를이용한미세조류배양시의총질소변화 59 < 그림 2.2.26> 광스트레스를이용한미세조류배양시의총인변화 60 < 그림 2.2.27> 광스트레스를이용한미세조류배양시의 chlorophyll a 변화 61 < 그림 2.2.28> EMR( 코일 ) 을이용한미세조류배양장치 66 < 그림 2.2.29> EMR을적용한미세조류반응기에사용된전력공급장치 67 < 그림 2.2.30> 실제미세조류배양에사용한코일내부의전자기장측정모습 68 < 그림 2.2.31> 실제미세조류배양에사용한코일내부위치별전자기장측정 69 < 그림 2.2.32> EMR 적용유, 무에따른미세조류량 (OD 658 ) 변화 70 < 그림 2.2.33> EMR 적용유, 무에따른엽록소-a 변화 71 < 그림 2.2.34> EMR 적용유, 무에따른총질소농도변화 72 < 그림 2.2.35> EMR 적용유, 무에따른총인농도변화 73 < 그림 2.2.36> 전압세기에따른코일내부의온도변화상관관계 74 < 그림 2.2.37> EMR(Magnet) 적용유, 무에따른순환식미세조류농화배양장치개략도 79 < 그림 2.2.38> 실제 EMR(Margnet) 적용하지않은순환식미세조류농화배양장치 80 < 그림 2.2.39> 실제 EMR(Margnet) 적용한순환식미세조류농화배양장치 81 < 그림 2.2.40> EMR(Margnet) 적용유, 무에따른미세조류농화배양시의총질소농도변화 82 < 그림 2.2.41> EMR(Margnet) 적용유, 무에따른미세조류농화배양시의총인

농도변화 83 < 그림 2.2.42> EMR(Margnet) 적용유, 무에따른미세조류농화배양시의미세조류건조중량 84 < 그림 2.2.43> EMR(Margnet) 을적용한미세조류농화배양시, 수확한미세조류동정 85 < 그림 2.2.44> EMR(Margnet) 을적용한미세조류농화배양시, 수확한미세조류동정 86 < 그림 2.3.1> 광스트레스형태의 EMR을적용한미세조류의생장촉진및지질생산개략도 88 < 그림 2.3.2> 광스트레스적용을위한미세조류 (C. vulgaris) 배양초기장치 90 < 그림 2.3.3> 광스트레스가실제로적용된미세조류 (C. vulgaris) 배양장치 91 < 그림 2.3.4> PE bag을이용한미세조류 (C. vulgaris) 반응기개략도 92 < 그림 2.3.5> 광원공급조건변화에따른미세조류 (C. vulgaris) 배양 94 < 그림 2.3.6> 광스트레스조건별미세조류 (C. vulgaris) 성장변화 96 < 그림 2.3.7> KIST에서분리, 동정한미세조류종 99 < 그림 2.3.8> 광스트레스적용및미적용시, 미세조류 (A. obliquus) 배양사진 102 < 그림 2.3.9> 광스트레스조건별미세조류 (A. obliquus) 성장변화 103 < 그림 2.3.10> 광스트레스조건별미세조류 (Uronema sp.) 성장변화 104 < 그림 2.3.11> 광스트레스조건별미세조류 (Micractinium reisseri) 성장변화 105 < 그림 2.3.12> 광스트레스조건별미세조류 (Spirogyra sp.) 성장변화 109 < 그림 2.3.13> 광스트레스조건별미세조류 (Fragilaria sp.) 성장변화 110 < 그림 2.3.14> 섬광적용시점에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 반응기사진및개략도 113 < 그림 2.3.15> 미세조류성장기간동안에서전자기파 ( 광스트레스 ) 적용시점116 < 그림 2.3.16> 광스트레스적용시점 (0일) 에따른섬광주기별미세조류 (A. obliquus, KGE20) 성장변화 118 < 그림 2.3.17> 광스트레스적용시점 (10일) 에따른섬광주기별미세조류 (A. obliquus, KGE20) 성장변화 119 < 그림 2.3.18> 광스트레스적용시점 (4일) 에따른섬광주기별미세조류 (A. obliquus, KGE20) 성장변화 120 < 그림 2.3.19> 탄소원농도에따른광스트레스형태의 EMR을적용한미세조류

(A. obliquus, KGE30) 의생장촉진및지질생산개략도 123 < 그림 2.3.20> 탄소원농도에따른미세조류 (A. obliquus, KGE30) 반응기사진및개략도 124 < 그림 2.3.21> Glucose 농도 5g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE30) 성장변화 128 < 그림 2.3.22> Glucose 농도 10g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE30) 성장변화 129 < 그림 2.3.23> Glucose 농도 20g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE30) 성장변화 130 < 그림 2.3.24> Glucose 농도 30g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE30) 성장변화 131 < 그림 2.3.25> 연속적인광원공급조건 (Cons.L.) 에서 glucose 농도에따른미세조류 (A. obliquus, KGE30) 성장변화 132 < 그림 2.3.26> FT10 조건에서 glucose 농도에따른미세조류 (A. obliquus, KGE 30) 성장변화 133 < 그림 2.4.1> 광스트레스에따른미세조류 (C. vulgaris) 의질소, 인제거변화 140 < 그림 2.4.2> 광스트레스에따른미세조류 (A. obliquus) 의질소, 인제거변화144 < 그림 2.4.3> 광스트레스에따른미세조류 (Uronema sp.) 의질소, 인제거변화 145 < 그림 2.4.4> 광스트레스에따른미세조류 (Micractinium reisseri) 의질소, 인제거변화 146 < 그림 2.4.5> 광스트레스에의한미세조류 (Spirogyra sp.) 의질소, 인제거변화 150 < 그림 2.4.6> 광스트레스에의한미세조류 (Fragilaria sp.) 의질소, 인제거변화 151 < 그림 2.4.7> Glucose 농도 5g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE20) 성장변화 157 < 그림 2.4.8> Glucose 농도 10g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE20) 성장변화 158 < 그림 2.4.9> Glucose 농도 20g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE20) 성장변화 159 < 그림 2.4.10> Glucose 농도 30g/L에서미세조류 (A. obliquus, KGE20) 성장변화

160 < 그림 2.4.11> 연속적인광원공급조건 (Cons.L.) 에서 glucose 농도에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의질소, 인제거변화 161 < 그림 2.4.12> FT10 조건에서 glucose 농도에따른미세조류 (A. obliquus, KGE 20) 의질소, 인제거변화 162 < 그림 2.4.13> Glucose 5g/L에서섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE 20) 의탄소원소비량 163 < 그림 2.4.14> Glucose 10g/L에서섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE 20) 의탄소원소비량 164 < 그림 2.4.15> Glucose 20g/L에서섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE 20) 의탄소원소비량 165 < 그림 2.4.16> Glucose 30g/L에서섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE 20) 의탄소원소비량 166 < 그림 2.4.17> 연속광원조건 (Cons.L.) 에서 Glucose 농도에따른미세조류 (A. o- bliquus, KGE20) 의탄소원소비량 167 < 그림 2.4.18> FT10 조건에서 Glucose 농도에따른미세조류 (A. obliquus, KGE 20) 의탄소원소비량 168 < 그림 2.5.1> FAME 제조를위한모식도 174 < 그림 2.5.2> GC를이용한 Standard 시료의분석결과 (FAME Mix C14-C22, NHI-D FAME Mix, FAME Mix GLC-80) 176 < 그림 2.5.3> GC를이용한 Standrard 시료의분석결과 (C4-C24 Even Carbon) 177 < 그림 2.5.4> 광스트레스에의한미세조류 (C. vulgaris) 의총지방산생산량결과 178 < 그림 2.5.5> 광스트레스에의한미세조류 (C. vulgaris) 의총지방산생산량및지방산 profile 결과 179 < 그림 2.5.6> 광스트레스에의한미세조류 (C. vulgaris) 의지방산 profile 결과 180 < 그림 2.5.7> Nile red 염색을통한광원공급및섬광조건에따른미세조류 (C. vulgaris) 의지질함량변화 181 < 그림 2.5.8> 광스트레스에의한미세조류 (A. obliquus) 의총지방산생산량결과 185 < 그림 2.5.9> 광스트레스에의한미세조류 (A. obliquus) 의총지방산생산량및

지방산 profile 결과 186 < 그림 2.5.10> 광스트레스에의한미세조류 (A. obliquus) 의지방산 profile 결과 187 < 그림 2.5.11> 광스트레스에의한미세조류 (Uronema sp.) 의지질함량결과 188 < 그림 2.5.12> 광스트레스에의한미세조류 (Uronema sp.) 의총지방산생산량및지방산 profile 189 < 그림 2.5.13> 광스트레스에의한미세조류 (Micractinium reisseri) 의지질함량결과 190 < 그림 2.5.14> 광스트레스에의한미세조류 (Micractinium reisseri) 의총지방산생산량및지방산 profile 결과 191 < 그림 2.5.15> 광스트레스에의한미세조류 (Spirogyra sp.) 의지질함량결과 195 < 그림 2.5.16> 광스트레스에의한미세조류 (Spirogyra sp.) 의총지방산생산량및지방산 profile 결과 196 < 그림 2.5.17> 광스트레스에의한미세조류 (Fragilaria sp.) 의지질함량결과 197 < 그림 2.5.18> 광스트레스에의한미세조류 (Fragilaria sp.) 의총지방산생산량및지방산 profile 결과 198 < 그림 2.5.19> 섬광적용시점 (0일) 및섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의총지방산생산량결과 203 < 그림 2.5.20> 섬광적용시점 (0일) 및섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의지방산 profile 결과 204 < 그림 2.5.21> 섬광적용시점 (10일) 및섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의총지방산생산량결과 205 < 그림 2.5.22> 섬광적용시점 (10일) 및섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의지방산 profile 결과 206 < 그림 2.5.23> 섬광적용시점 (4일) 및섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의총지방산생산량결과 207 < 그림 2.5.24> 섬광적용시점 (4일) 및섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의지방산 profile 결과 208 < 그림 2.5.25> Nile red 염색을통한섬광주기에따른미세조류 (A. obliquus, KGE20) 의지질함량변화 209 < 그림 2.5.26> TEM 분석을통한미세조류 (A. obliquus, KGE20) cell 내부의지질변화도 210

< 그림 2.5.27> Glucose 농도 5g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의지질함량결과 215 < 그림 2.5.28> Glucose 농도 5g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의총지방산생산량및 profile 결과 216 < 그림 2.5.29> Glucose 농도 10g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의지질함량결과 217 < 그림 2.5.30> Glucose 농도 10g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의총지방산생산량및 profile 결과 218 < 그림 2.5.31> Glucose 농도 20g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의지질함량결과 219 < 그림 2.5.32> Glucose 농도 20g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의총지방산생산량및 profile 결과 220 < 그림 2.5.33> Glucose 농도 30g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의지질함량결과 221 < 그림 2.5.34> Glucose 농도 30g/L에서섬광주기에따른미세조류 (Acutodesmus obliquus, KGE30) 의총지방산생산량및 profile 결과 222 < 그림 2.6.1> HPLC로분석한호르몬 standard 분석결과 233 < 그림 2.6.2> 미세조류 (M. reisseri) 배양후, 섬광조건에따른미세조류세포내의호르몬변화결과 234 < 그림 2.6.3> 미세조류 (A. obliquus) 배양 8일후, 섬광조건에따른미세조류세포내의호르몬변화결과. 235 < 그림 2.6.4> 미세조류 (A. obliquus) 배양 18일후, 섬광조건에따른미세조류세포내의호르몬변화결과 236 < 그림 2.6.5> 빛에대한환경인자로서생성되는호르몬 237 < 그림 2.6.6> chl a, chl b 및 carotenoid 의최대흡수파장 238 < 그림 2.6.7> 실험에사용된미세조류의 phylogentic tree 239 < 그림 2.6.8> 광스트레스에의한미세조류의세포내물질대사모식도 240 < 그림 2.7.1> 추출방법에따른미세조류 (C. vulgaris) 조지방의추출량 245 < 그림 2.7.2> 처리시간에따른미세조류 (C. vulgaris) 지방산의추출량 250 < 그림 2.8.1> 가스순환식미세조류배양장치모식도 253 < 그림 2.8.2> 가스순환식미세조류배양장치실회설치모습 254 < 그림 2.8.3> 실제폐수를이용한미세조류배양모습 255

< 그림 2.8.4> 반응기별미세조류의 chl a 농도변화결과 257 < 그림 2.8.5> 반응기별산소및이산화탄소농도변화결과 258 < 그림 2.8.6> 반응기별질소및인농도변화결과 259 < 그림 2.8.7> 반응기별 MBR 유출수의색도변화결과 260 < 그림 2.9.1> 미세조류에서바이오매스생산 264 < 그림 2.9.2> 미세조류배양을위한 airlift type의 photobioreacto 모식도 265 < 그림 2.9.3> 빛의세기에따른미세조류증식결과 269 < 그림 2.9.4> 빛의세기에따른 chlorophyll a의변화결과 270 < 그림 2.9.5> 빛의세기에따른미세조류의성장, 건조중량, 및이산화탄소고정화결과 272 < 그림 2.9.6> Aeration rate에따른미세조류의증식결과 278 < 그림 2.9.7> Aeration rate에따른 chlorophyll a의변화결과 279 < 그림 2.9.8> Aeration rate에따른미세조류의증식, 건조중량및이산화탄소고정화결과 281 < 그림 2.9.9> FeCl 3 6H 2 O농도에따른 C. vulgaris의성장및 chlorophyll a 결과 (10th day after inoculation) 287 < 그림 2.9.10> FeCl 3 6H 2 O농도에따른 C. vulgaris의성장결과 (airlift type photobioreactor) 288 < 그림 2.9.11> FeCl 3 6H 2 O농도에따른 C. vulgaris의 chlorophyll a 결과 (airlift type photobioreactor) 289 < 그림 2.9.12> FeCl 3 6H 2 O농도에따른미세조류의건조중량과생장속도결과 (in airlift type photobioreactor) 290 < 그림 2.9.13> FeCl 3 6H 2 O농도에따른 TDN 변화 (in airlift type photobioreactor) 292 < 그림 2.9.14> FeCl 3 6H 2 O농도에따른 TDP 변화 (in airlift type photobioreactor) 293 < 그림 2.9.15> MgSO 4 7H 2 O농도에따른 C. vulgaris의성장및 chlorophyll a 결과 (in flask, 10th day after inoculation) 295 < 그림 2.9.16> MgSO 4 7H 2 O농도에따른 C. vulgaris의성장결과 (in air lift type photobioreactor) 296 < 그림 2.9.17> MgSO 4 7H 2 O농도에따른 C. vulgaris의 chlorophyll a 결과 (in flask, 10th day after inoculation) 297

< 그림 2.9.18> MgSO 4 7H 2 O농도에따른미세조류의증식, 건조중량및이산화탄소고정화결과 (in airlift type photobioreactor) 299 < 그림 2.9.19> MgSO 4 7H 2 O농도에따른 TDN 변화 (in airlift type photobioreactor) 300 < 그림 2.9.20> MgSO 4 7H 2 O농도에따른 TDP 변화 (in airlift type photobioreactor) 301 < 그림 2.9.21> 최적 Fe/Mg 조건에서 C. vulgaris의성장결과 306 < 그림 2.9.22> 최적 Fe/Mg 조건에서 chlorophyll a 농도결과 307 < 그림 2.9.23> 최적 Fe/Mg 조건에서미세조류의증식, 건조중량및이산화탄소고정화결과 308 < 그림 2.9.24> 다단배양기에서 C. vulgaris의성장결과 310 < 그림 2.9.25> 다단배양기에서 chlorophyll a의변화결과 311 < 그림 2.9.26> 다단배양기에서미세조류의증식, 건조중량및이산화탄소고정화결과 312 < 그림 2.10.1> 최적질소원및농도분석을위한미세조류 (C. vulgaris) 배양장치 315 < 그림 2.10.2> Ammonia 농도에따른 O.D 결과 318 < 그림 2.10.3> Ammonia 농도에따른 Chlorophyll-a 농도결과 319 < 그림 2.10.4> Nitrate 농도에따른건조균체량및 O.D 결과 320 < 그림 2.10.5> Nitrite 농도에따른건조균체량및 O.D 결과 321 < 그림 2.11.1> a) 조류배양에사용된광생물반응기의설치구성도. b) 광생물반응기가설치된사진 324 < 그림 2.11.2> 내부표면에형성되는바이오필름을관찰하기위하여사용된미세조류 (C. vulgaris) 광생물반응기의사진 326 < 그림 2.11.3> 테플론으로교차코팅한광생물반응기를이용하여미세조류 (C. vulgaris) 를배양한후의반응기표면사진 (a) 옆면, b) 밑면 327 < 그림 2.11.4> 미세조류 (C. vulgaris) 배양에사용된다른소재로코팅된반응기사진 (a) 유리반응기, b) 테플론코팅반응기 330 < 그림 2.11.5> 반응기의빛투과량측정장치구성 332 < 그림 2.11.6> 4일간반응후측면에서촬영한미세조류 (C. vulgaris) 반응기 334 < 그림 2.11.7> 14일간반응후배양액을제거하고촬영한광생물반응기사진 335 < 그림 2.11.8> 내부를서로다른소재로처리한광생물반응기에서측정된

시간에따른미세조류 (C. vulgaris) 증식변화 336 < 그림 2.11.9> 내부를서로다른소재로처리한미세조류 (C. vulgaris) 반응기에서측정된시간에따른 chlorophyll a 농도변화 337 < 그림 2.11.10> 내부를서로다른소재로처리한미세조류 (C. vulgaris) 반응기에형성된바이오필름과배양액에서측정된건조중량 339 < 그림 2.11.11> 실험에사용된반응장치의구성 343 < 그림 2.11.12> 정담체의표면에형성된바이오필름에존재하는 C. vulgaris 의 chlorophyll a 및건조중량을측정및바이오필름의분리방법 344 < 그림 2.11.13> 반응기를통과한빛의양을높이별로측정하는사진 346 < 그림 2.11.14> 서로다른소재의광생물반응기에서 16일간미세조류 (C. vulgaris) 배양한사진 348 < 그림 2.11.15> 16일동안미세조류 (C. vulgaris) 배양후, 바이오필름사진 349 < 그림 2.11.16> 반응기간동안광생물반응기에서측정된미세조류 (C. vulgaris) 배양액의흡광도변화 350 < 그림 2.11.17> 반응기간동안광생물반응기에서측정된미세조류 (C. vulgaris) 배양액의 chlorophyll a 농도변화 351 < 그림 2.11.18> 배양이종료된후내부가서로다른소재로처리된미세조류 (C. vulgaris) 반응기에서채취된배양액과광생물반응기의내부표면에형성된바이오필름의건조중량 352 < 그림 2.11.19> 미세조류 (C. vulgaris) 배양이종료된후, 내부가서로다른소재로처리된미세조류 (C. vulgaris) 반응기에서채취된배양액의조류와광생물반응기의내부표면에형성된바이오필름에서추출된엽록소의농도 353 < 그림 2.11.20> 미세조류 (C. vulgaris) 배양기간에따라회수한서로다른코팅처리가된담체사진 355 < 그림 2.11.21> 담체에형성된바이오필름의미세조류 (C. vulgaris) 건조중량변화 356 < 그림 2.11.22> 담체에형성된미세조류 (C. vulgaris) 의엽록소량변화 357 < 그림 2.11.23> 유리반응기빛투과측정사진 359 < 그림 2.11.24> 16일간 C. vulgaris 배양후, 유리반응기의표면에형성된바이오필름으로인한빛투과율변화 360

< 그림 2.11.25> Silicone 으로코팅된유리반응기빛투과측정사진 361 < 그림 2.11.26> 6일간 C. vulgaris 배양후, 실리콘코팅반응기의표면에형성된바이오필름으로인한빛투과율변화 362 < 그림 2.11.27> 테플론으로코팅된유리반응기빛투과측정사진 363 < 그림 2.11.28> 16일간 C. vulgaris 배양후, 테플론코팅반응기의표면에형성된바이오필름으로인한빛투과율변화 364 < 그림 2.11.29> 미세조류 (C. vulgaris) 배양전과조류배양종료후반응기내부소재별빛의투과율변화 365 < 그림 2.12.1> 미세조류의 amperometric detection 을위한장치개략도 369 < 그림 2.12.2> 실제미세조류량측정장치구성 370 < 그림 2.12.3> 생물전기화학적방법을이용한미세조류농도에따른 Chronoamperometric signal 371 < 그림 2.12.4> 미세조류량과초기전류변화와의상관관계 372 < 그림 2.13.1> 식물과미생물의공생및그메타볼리즘 376 < 그림 2.13.2> Microbacterium 의존재및이를활용한환경정화 377 < 그림 2.13.3> 식물에결합하여공생하는미생물에대한기존연구 378 < 그림 2.13.4> 공생미생물의분리및염기서열동정 379 < 그림 2.13.5> 타 Microbacterium 과의관계를나타내는계통도 380 < 그림 2.13.6> 미생물을통한조류의성장촉진효과및 P, N 제거의상승효과 381 < 그림 2.13.7> Microbacterium 의다양한항생제에대한내성 382 < 그림 2.13.8> Polyphosphate 의생성과 polyphosphate kinase의기능및구조기능 385 < 그림 2.13.9> 발현 vector (pet28a 발현 vector) ( 좌 ) 와 ppk의 pcr 결과물 ( 우 ) 387 < 그림 2.13.10> ppk의 pet28a vector에서 cloning된것을 double cut을통하여 insert가들어간것을확인한 gel data 388 < 그림 2.13.11> 과발현을통한 soluble 단백질의획득 (SDS-PAGE analysis for expression of a-amylase in E.coliBL21(DE3) 389 < 그림 2.13.12> 연구방향및활용전략 394 < 그림 2.13.13> Translation 을위한 Justbio.com 홈페이지화면 396 < 그림 2.13.14> 제한효소의적용 399

< 그림 2.13.15> Transformation 절차 400 < 그림 2.13.16> 단백질발현절차 401 < 그림 2.13.17> Spirogyra sp. 와미생물의공생을보이는 SEM 사진 403 < 그림 2.13.18> Chlorella vulgaris 와미생물의공생을보이는 SEM 사진 404 < 그림 2.13.19> Microbacterium sp. : Chlorella vulgaris 비율에따른성장촉진효과 406 < 그림 2.13.20> Microbacterium sp. : Chlorella vulgaris 비율에따른 Chlorophyll 효과 407 < 그림 2.13.21> One-pot system 개략도 408 < 그림 2.13.22> 유기산분석방법과각각의유기산의 retention time 410 < 그림 2.13.23> (NH 4 ) 2 SO 4 농도에따른공생미생물 (Microbacterium sp.) 배양411 < 그림 2.13.24> NaNO 3 농도에따른공생미생물 (Microbacterium sp.) 배양 412 < 그림 2.13.25> NaNO 2 농도에따른공생미생물 (Microbacterium sp.) 배양 413 < 그림 2.13.26> N-source mixture 의농도에따른공생미생물 (Microbacterium sp.) 배양 414 < 그림 2.13.27> 혼합물분석실험지점 417 < 그림 2.13.28> 혼합물조성에따른 Microbacterium sp. 성장변화 418 < 그림 2.13.29> 혼합물조성에따른 Microbacterium sp. 배양액 ph 변화 419 < 그림 2.13.30> 혼합물조성에따른 Microbacterium sp. 성장변화의 Mixture plot 420 < 그림 2.13.31> 혼합물조성에따른 Microbacterium sp. 배양액 ph 변화의 Mixture plot 421 < 그림 2.13.32> 혼합물조성에따른 Microbacterium sp. 성장변화의 Mixture plot 신뢰도 422 < 그림 2.13.33> 혼합물조성에따른 Microbacterium sp. 배양액 ph 변화의 Mixture plot 신뢰도 422 < 그림 2.13.34> ph 데이터적합도분석 423 < 그림 2.13.35> 생장률데이터적합도분석 424 < 그림 2.13.36> 혼합물조성에따른 Microbacterium sp. 성장과배양액 ph 변화 426 < 그림 2.13.37> 유기산분석을이용한 HPLC 그래프 427 < 그림 2.13.38> 공생미생물도입을통한조류시스템에미치는긍정적효과 428

< 그림 2.14.1> Pilot plant를설치할건국대학교교내위성사진 430 < 그림 2.14.2> Gas 순환식미세조류반응기 431 < 그림 2.14.3> 지붕에설치가능한 gas 순환식미세조류반응기 432 < 그림 2.14.4> 피라미드형태의철골구조로된미세조류반응기개략도 433 < 그림 2.14.5> 미세조류대량배양을위한가스순환식 pilot plant 운용모습 436 < 그림 2.14.6> Pilot plant 시스템모식도 438 < 그림 2.14.7> Pilot plant 운영사진 439 < 그림 2.14.8> Pilot plant의미세조류배양부분설치모습 440 < 그림 2.14.9> Pilot plant의미세조류배양중인모습 441 < 그림 2.14.10> Pilot plant의미세조류배양시스템에서전자기파 ( 광스트레스 ) 적용된모습 ( 야간운용 ) 442

제 1 장서 론

장점 1. 기존의형질전환방법에비해단순한공정을구성할수있다. 2. 선택적으로작용하여유전성이존재하지않고안전하다. 2. 미세조류의특성에맞는생체전자기요법활용이가능하다. 3. 미세조류의오염물질을쉽게처리할수있다. 4. 미세조류의성장을촉진할수있다. 5. 연속적으로미세조류의배양공정을유지할수있다. 6. 미세조류의유용물질선택적, 효율적으로생산가능하다. Chlorella sp. - 해수, 담수모두에성장하며어느곳에서나쉽게분리 - 온도와빛의강도는매우중요한성장및증식요소 Spirulina sp. - 따뜻하고얕은고농도염수에서빠르게성장 - 질소원의부족은성장에심각한영향 Dunaiella sp. - 다당질세포벽대신얇은막으로둘러싸여있어삼투압변화에 의해세포의모양과부피의변화 Porphyridium sp. - 해수, 담수및토양표면등다양한서식환경에서성장 - 성장정지기동안대량의다당을생산

Phaeodactrlum sp. - 미량으로도영양요구를충족 - 높은지질축적능을가지며질소를제한하면건조균체의 34% 수준까지지질축적

본연구의목표는 Electromagnetic Radiation(EMR) 을사용하여미세조류의폐수처리능력과탄소고정능력을극대화할수있는방법을탐색하고, 이과정에적합한다양한조류군의분리및관련공정을개발하는데있다. 이과정을통하여별도의유전자조작없이고농도축산폐수에서의질소와인제거및고농도탄소고정 / 지질축적이가능한고성능폐수처리용미세조류군의배양 / 적용기술을획득한다.

본연구는크게 (1) 생물학적미세조류농화배양기술과 (2) 조류의폐수처리능력평가및성능확인과 (3) 조류동정, 배양조건및생리학적최적화과정으로나눌수있다. 생물전기화학적조류농화배양기술을통해배양한조류로부터최대한의바이오매스를얻는공정을연구하는한편인, 질소등의오염원을흡수하여축산폐수에의한수질오염을최소화하는공정을개발한다. 이과정에서최적의효율을가지는배양공정을개발하기위하여 EMR을도입하고높은정화효율을가지는미생물을분리, 동정, 개량하는과정을동반하고자한다.

제 2 장연구개발수행내용및결과

➇

500 400 1 2 3 4 TN (mg/l) 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

40 30 1 2 3 4 TP (mg/l) 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

2400 2000 1 2 3 4 TCOD (mg/l) 1600 1200 800 400 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

2400 2000 1 2 3 4 SCOD (mg/l) 1600 1200 800 400 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

20 4 15 Chl-a (mg/l) 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

8 6 1 2 3 4 D.O (mg/l) 4 2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

14 12 10 1 2 3 4 ph 8 6 4 2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

3000 Glucose (mg/l) 2500 2000 1500 1000 500 1 2 3 4 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (day)

400 TN (with magnet) TN (without magnet) 300 TN (mg/l) 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (day) 400 TN (with magnet) TN (without magnet) 300 TN (mg/l) 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (day)

30 TP (with magnet) TP (without magnet) TP (mg/l) 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (day) 30 TP (with magnet) TP (without magnet) TP (mg/l) 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (day)

14 12 10 ph (with magnet) ph (without magnet) D.O (with magnet) D.O (without magnet) 8 6 ph 8 6 4 D.O (mg/l) 4 2 2 0 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (day)

400 300 CO2 (with magnet) 300 CO2 (without magnet) O2 (with magnet) O2 (without magnet) 250 200 O 2 (ml) 200 150 100 CO 2 (ml) 100 50 0 0 0 5 10 15 20 25 30 Time (day)

160 140 Control Experiment 120 TN (mg/l) 100 80 60 40 20 0 1 3 5 7 9 11 13 Time (day)

2.5 2.0 Control Experiment TP (mg/l) 1.5 1.0 0.5 0.0 1 3 5 7 9 11 13 Time (day)

1.0 0.8 Chl-a (mg/l) 0.6 0.4 0.2 0.0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Time (day) Control Experiment

1.6 1.4 With EMR Without EMR 1.2 OD (658nm) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (day)

10 8 With EMR Without EMR Chl-a (mg/l) 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (day)

200 With EMR Without EMR 150 TN (mg/l) 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (day)

3.0 2.5 With EMR Without EMR TP (mg/l) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (day)

μ χ μ μ χ

300 250 With EMR Without EMR TN (mg/l) 200 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 Time (day)

3.0 2.5 with EMR without EMR 2.0 TP (mg/l) 1.5 1.0 0.5 0.0 0 5 10 15 20 25 Time (day)

OD (658nm) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 CLNF CLF CDNF CDF LDNF LDFS LDFF 0.5 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

OD (658nm) 0.8 0.6 0.4 CLNF CLF CDNF CDF LDNF LDFS LDFF 0.2 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

Adapting flashing light (0day) Adapting flashing light (4day) Adapting flashing light (10day) Stationary phase Exponential phase Log phase

OD (658nm) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Cons.D. Cons.L. FT0.75 FT1 FT3.75 FT5 FT10 FT120 0.1 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

0.6 OD (658nm) 0.5 0.4 0.3 0.2 FT1 FT5 FT10 FT120 0.1 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

OD (658nm) 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 FT1 FT5 FT10 FT120 0.1 0.0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

O.D (658nm) 8 6 4 2 Cons.D. Cons.L. FT1 FT10 FT120 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

OD (658nm) 8 6 4 Cons.D. Cons.L. FT1 FT10 FT120 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

O.D (658nm) 8 6 4 2 Cons.D. Cons.L. FT1 FT10 FT120 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

8 6 OD (658nm) 4 2 Glucose 5g Glucose 10g Glucose 20g Glucose 30g 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (day)

250 200 T-N T-P 3.0 2.5 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 50 0.5 0 Initial CLNF CLF CDNF CDF LDNF LDFS LDFF 0.0

250 200 T-N T-P 3.0 2.5 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 50 0.5 0 Initial CLNF CLF CDLF CDF LDNF LDFS LDFF 0.0

250 200 T-N T-P 3.0 2.5 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 50 0.5 0 Initial CLNF CLF CDNF CDF LDNF LDFS LDFF 0.0

250 200 T-N T-P Initial ph Final ph 3.0 2.5 14 12 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 10 ph 50 0.5 8 0 Initial CLNF CLF CDNF CDF LDNF LDFS LDFF 0.0 6

250 200 T-N T-P 3.0 2.5 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 50 0.5 0 Initial Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120 0.0

250 200 T-N T-P 3.0 2.5 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 50 0.5 0 Initial Cons.L. FT1 FT10 FT120 0.0

250 200 T-N T-P 3.0 2.5 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 50 0.5 0 Initial Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120 0.0

250 200 T-N T-P 3.0 2.5 T-N (mg/l) 150 100 2.0 1.5 1.0 T-P (mg/l) 50 0.5 0 Initial Glu 5g Glu 10g Glu 20g Glu 30g 0.0

5 Glucose concentration (g/l) 4 3 2 1 0 Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120

10 Glucose concentration (g/l) 8 6 4 2 0 Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120

20 Glucose concentration (g/l) 15 10 5 0 Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120

30 Glucose concentration (g/l) 25 20 15 10 5 0 Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120

30 Glucose concentration (g/l) 25 20 15 10 5 0 Glu 5g Glu 10g Glu 20g Glu 30g

10000 C18:1 8000 Potential (mv) 6000 4000 C13 C14 C15 C16:1 C16 C17 C18:3 C18:2 C18 2000 C20 C22 0 10 12 14 16 18 20 Retention Time (min)

3000 2500 Potential (mv) 2000 1500 C4 1000 C6 C8 C10 C12 C14 C16 C18 C20 C22 C24 500 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Retention Time (min)

25 20 Lipid (%) 15 10 5 0 CLNF CLF CDNF CDF LDNF LDFS LDFF

40 30 Lipid (%) 20 10 0 CLNF CLF CDNF CDF LDNF LDFS LDFF

25 20 Lipid (%) 15 10 5 0 Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120

40 30 Lipid (%) 20 10 0 Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120

25 20 Lipid (%) 15 10 5 0 Cons.L. Cons.D. FT1 FT10 FT120

Time (min) Methanol (%) 0 10 4 10 8 30 12 55 23 55 25 10 30 10

100 80 100 A B C AO CDNF AO CDF 80 AO CLNF AO CLF 100 80 AO LDNF AO LDF 60 60 60 40 40 40 Potential (m V) 20 0 Potenti al (mv) 0 10 20 30 40 50 Time (min) 20 0 Time (min) Potential (mv) 0 10 20 30 40 50 20 0 0 10 20 30 40 50 Time (min)

100 80 100 A B C AO CDNF AO CDF 80 AO CLNF AO CLF 100 80 AO LDNF AO LDF 60 60 60 40 40 40 Potential (mv) 20 0 Potenti al (mv) 0 10 20 30 40 50 Time (min) 20 0 Time (min) Potential (mv) 0 10 20 30 40 50 20 0 0 10 20 30 40 50 Time (min)

C haetophorales Uronema C hlorococcales M icractinium C hlorophyceae S phaeropleales A cutodesmus C hlorophytes C hlorophyta C hlorellales C hlorella T rebouxiophyceae Z ygnematales S pirogyra Zy gnematophyceae C harophytes Streptophyta Green algae F ragilariales F ragilaria Fragilariophyceae Diatom

Total lipids content (mg/g DCW) 100 80 60 40 20 0 Bligh Soxhlet & Dyer IL with sonication IL

ND: not detected, DCW: dry cell weight, ( %): Fatty acid composition (wt %), IL: Ionic Liquid

Major fatty acids content (mg/g DCW) 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 Incubation time (h)

Chlorophyll a (mg/l) 8 6 4 2 1st reactor 2nd reactor 3rd reactor 4th reactor 5th reactor 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Time (day)

20.6 650 20.4 600 O 2 (%) 20.2 20.0 19.8 19.6 550 500 450 400 0 2 4 6 8 10 12 14 16 CO2 (ppm) 1st reactor (O 2 ) 2nd reactor (O 2 ) 3rd reactor (O 2 ) 4th reactor (O 2 ) 5th reactor (O 2 ) 1st reactor (CO 2 ) 2nd reactor (CO 2 ) 3rd reactor (CO 2 ) 4th reactor (CO 2 ) 5th reactor (CO 2 ) Time (day)

105 105 100 100 T-N removal (%) 95 90 85 T-N T-P 95 90 85 T-P removal (%) 80 1st 2nd 3rd 4th 5th 80 Bioreactor

1200 Chromaticity (mg Pt-Co/L) 1000 800 600 400 200 0 Initial 1st 2nd 3rd 4th 5th Bioreactor

No. Strains Initial log phase stationary phase MBR Algae Reactor R1 R2 R3 R4 R5 R1 R2 R3 R4 R5 1 Stenotrophomonas sp. B4M-T + + + + + + + + + + + + + 2 Microbacterium saccharophilum strain K-1 + + + + + + + + + + + + + 3 Ralstonia sp. ZHLX-1 + + + + + + + + + + + + + 4 Kaistia granuli strain BGR9 - - - + + + + + + + + + + 5 Uncultured bacterium clone 01e01 - - - - - - - - - - - - + 6 Uncultured bacterium clone Espejo11712 Water.131986, - - + + + - + - + + + - + 7 Porphyrobacter donghaensis strain SW-158 - - - + + + + + + + + + + 8 Porphyrobacter donghaensis strain BDF6 - + - + + + + + + + + + + 9 Thauera linaloolentis strain 47Lol - - - + + + + + + + + + + 10 Uncultured bacterium clone M2400 G2 - + - + + + + + + + + + + 11 Ralstonia sp. ZHLX-1 - - - - - - - - + + + - + 12 Caulobacter vibrioides strain JCT-7 - - + + + + + + + + + + + 13 Ralstonia sp. DI-3 - + - + + + + + + + + + + 14 Thauera linaloolentis strain 47Lol + + + + + + + + + + + + + 15 Uncultured bacterium clone LIB076 AC04 - - - - - - - - - - - - - 16 Kaistia granuli strain BGR9 - - - + + - - - - - - - - 17 Ralstonia sp. ZHLX-1 - - - + + + + + + + + + + 18 Ralstonia pickettii 12J + - - - + - - - + + + + + 19 Uncultured Actinobacteriabacterium - - + + + + + + + + + + + 20 Aquimonas sp. D11-34A - + - - + + - + - - + + - 21 Ralstonia pickettii strain VIT-SRM1 - - - + + + + + + + + + + 22 Phaeospirillum sp. MK16 - + - + + + + + + + + + + 23 Uncultured gamma proteobacterium clone Cl39 + - + - - - - - - - - - - 24 Burkholderiales bacterium enrichment culture clone ANA-RAS-6 + - + + + + + + + + + + + 25 Aquimonas sp. D11-21 - + - + - - - - - - + - - 26) Pseudomonas putida strain TCKC1 - - - + + + + + + + + + +

ˑˑˑˑˑˑ μ μ μ

μ μ μ μ

ˑˑˑˑˑˑ μ μ μ

μ μ μ

ˑˑˑˑˑˑ μ μ μ

μ μ

μ μ μ

T D N

μ μ

ˑˑˑˑˑˑ μ μ μ

μ μ

6 5 Glass Teflon 4 OD 658 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (days)

30 25 Glass Teflon Chlorophyll a (ug/ml) 20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (days)

6 Glass Silicone Teflon OD 658 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Time (day)

Chlorophyll a (ug/ml) 50 40 30 20 10 Glass Silicone Teflon 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Time (day)

Chlorophyll a from suspended algae (ug/ml) 40 30 20 10 0 Glass Silicone Teflon Suspension Biofilm 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Chlorophyll a in biofilm(ug/cm 2 )

150 Glass Teflon Silicone DCW (ug/cm 2 ) 100 50 0 0 5 10 15 Time (day)

60 50 Glass Teflon Silicone Chlorophyll a (ug/cm 2 ) 40 30 20 10 0 0 5 10 15 Time (day)

α μ μ β

μ μ μ μ μ μ μ μ

μ μ

➇

μ μ μ

0.4 0.3 O.D 595nm 0.2 0.1 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Sample number

CO 2 발생 / 감소 (kg) ( 동일 CO 2 량감소시필요나무수 ) O 2 발생량 (L) 가격 ( 원 ) 에어펌프 +5.376 0 +2,040-18.675 40.32 조류나무 0 ( 나무약 5그루 ) ( 나무약 1그루 ) 계 -13.299 40.32 +2,040 총질소초기 (mg/l) 총질소수확후 (mg/l) 감소율 (%) 100.66 47.72 52.59 총인초기 (mg/l) 총인수확후 (mg/l) 감소율 (%) 1.24 0.22 82.26

μ μ μ

제 3 장목표달성도및관련분야기여도

제 4 장연구개발결과의활용계획등

보안등급분류 보안과제 일반과제 결정사유

제 5 장참고문헌

주의사항 1. 본보고서는환경부가출연하고한국환경산업기술원에서위탁시행한환경기술개발사업의최종연구보고서입니다. 2. 본보고서의내용을발표할때에는반드시환경부가출연하고한국환경산업기술원에서위탁시행한환경기술개발사업의연구개발결과임을밝혀야합니다. 3. 국가보안및국가과학기술기밀유지차원에서필요하다고인정되는내용은대외적으로발표또는공개하여서는아니됩니다. 본보고서와관련하여문의를원하시는분은아래문의처로연락을 주시기바랍니다. 문의처 : 건국대학교산학협력단 TEL : 02-2049-6111