Algae-cathode microbial fuel cell for electricity generation along with nutrient removal in batch and continuous mode operations

HAI, NGUYEN THI HOANG 경희대학교 대학원 2020 국내박사

Microbial fuel cells (MFCs) are an innovative and environmentally friendly bioenergy technology, having great potential towards electricity generation with simultaneous wastewater treatment. MFCs operation with oxygenation by algae growth in the cathode chamber called algae-cathode MFCs have drawn considerable attention in the last decade due to the wastewater treatment, electricity generation, CO2 sequestration and many valuable bioproducts generation from algal biorefinery. In the first study, algae-cathode MFCs were first operated to treat leachate (nutrients) by algae growth in the cathode and simultaneously supply oxygen to the cathode for high bio-electricity generation. Optimum leachate dilutions were investigated to obtain high nutrient (nitrogen and phosphorus) removal and electricity generation with algae growth in the cathode chamber. Landfill leachate at different percentages (5- 40%) was fed to algae cathode microbial fuel cells (MFCs) for electricity generation along with chemical oxygen demand (COD) and nutrient removal. Maximum cell voltage of 300 ± 11 mV was obtained with 5% leachate, but the cell voltage decreased with an increase in leachate percentage. The maximum dissolved oxygen (DO) was 19.57 mg/L with 5% leachate. The COD in the anode chamber was almost completely removed (97%) with all leachate percentages, while the maximum COD removal was 52% with 10% leachate in the cathode chamber. Enhanced nitrogen and phosphorus removal were observed with leachate percentages less than 10%, but nitrogen removal efficiency was significantly reduced, and even more phosphorus was observed with leachates higher than 25% (NH4+-N = 651mg/L). This study suggests that leachate can be treated at an appropriate dilution with simultaneous electricity generation in algae cathode MFC. In the second study, algae-cathode microbial fuel cells (MFCs) with various hydraulic retention times (HRTs) were investigated for electricity generation, and chemical oxygen demand (COD) and nutrient removal from diluted landfill leachate (15% v/v). The cell voltage and dissolved oxygen (DO) in the cathode were considerably affected by the HRT. The highest cell voltage was 303 mV at 20-h HRT and DO concentration of 5.3 mg/L was only observed at 60-h HRT. Nutrient removal increased with increasing HRTs, and the maximum removal efficiency was 76.4% and 86.3% at 60-h HRT for ammonium and phosphorus, respectively. The highest COD removal of 26% was observed at 60-h HRT. The dominant phyla in the cathode were Proteobacteria, Cyanobacteria, Bacteroidetes, and Chlorophyta, which could have contributed to electricity generation and nutrient removal. This study suggests that an algae-cathode MFC with an appropriate HRT can continuously generate electricity and simultaneously remove nutrients from real leachate wastewater in field applications. In the third study, a novel tubular-type photosynthetic microbial fuel cell (PMFC) was operated with algae growth and multiple electrodes in the cathode chamber. The PMFC operations were initially conducted at various hydraulic retention times (HRTs; 2, 6, 12, and 24 h) of an individual chamber to determine the optimum HRTs for high electricity generation and nutrient removal. At fixed 24-h HRT in the cathode chamber, cell voltage with domestic wastewater (acetate addition) in the anode chamber and BBM in the cathode chamber gradually increased with a decrease in HRT of the anode, but it quickly dropped at 2-h HRT. The highest cell voltage of 315 mV was obtained at 6h HRT with average DO concentration of 10.31 ± 2.60 mg/L. The maximum efficiency of wastewater treatment in the anode chamber was obtained at longer HRT (24 h), with the COD removal was 40.0 ± 7.8% and nutrient removals of 65.6 ± 4.6% TN and 98.7 ± 0.3% TP. However, the HRT changes in the cathode chamber did not affect much the cell voltage generation although the sharp decrease in cell voltage was observed at 2-h HRT. With domestic wastewater passed through both chambers of PMFC (total HRT=19.3h; 6-h at anode and 13.3-h at cathode), the cell voltage increased proportionally with the increase of initial COD concentration up to 300 mg/L, and then it decreased with higher COD loading. The highest cell voltage was 161 ± 6 mV with 300 mg/L of COD concentration, and the DO concentration was 4.42 ± 0.65 mg/L in the cathode. The maximum COD and phosphorus removals were 98.1 ± 3.4% and 49 ± 1.7%, respectively, with 300 mg/L COD, and for nitrogen, the maximum value was 79.2 ± 2.4% with 400 mg/L COD. This study demonstrates that PMFC with multiple electrodes in algae cathode chamber can efficiently treat wastewater without external aeration with sustainable electricity generation. Lastly, the typical double chamber cubic MFC was carried out with the Ni-Fe3O4 as a non-noble and facile catalyst on the carbon cloth cathode electrode to investigate the improvement of electricity generation from algae-cathode MFC. The performance of an algae-cathode MFC equipped with the catalyst at different DO concentrations in the cathode chamber improved compared to plain carbon electrode by enhancing the oxygen reduction reaction. Additionally, polarization test and cyclic voltammetry (CV) were carried out to determine the electrochemical performance of an algae-cathode MFC equipped with various cathode electrodes at different DO concentrations.

초분광 및 광학 센서를 연계한 3차원 조류 총량 모니터링 기법 연구

김광수 명지대학교 대학원 2024 국내박사

Due to climate change and alterations in water environments, harmful algae experience excessive growth each year in rivers, lakes, and reservoirs in Korea, posing challenges to safe water supply. Similar problems have been observed worldwide due to the proliferation of harmful cyanobacteria. Domestic rivers and reservoirs, rich in nutrients, particularly face algal growth issues depending on the season, with harmful cyanobacterial blooms becoming prevalent in the summer due to strong solar radiation and heavy rainfall. In response to these challenges, South Korea has implemented algae reduction policies, providing safe water through the operation of algal bloom warning and water quality forecast systems. Currently, algae monitoring in Korea adheres to the water pollution process test standards, involving sampling, laboratory analysis, algae identification, and cell counting, conducted every one to two weeks. Despite its effectiveness, this process has limitations, taking several days to weeks to obtain algae information. Expert knowledge is essential for algae identification and cell counting, adding to the time-consuming nature of the process. Furthermore, visually distinguishing algae in the field, especially in rivers where various types coexist, is challenging, hampering prompt responses to algal bloom occurrences. Additionally, traditional monitoring methods struggle to identify the spatial distribution of algae in complex river systems. To address these limitations, researchers have developed sensors capable of measuring alternative factors for algae. Image-based analysis using satellite images or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has also been explored. However, the intricate flow characteristics of Korean rivers, characterized by bends, confluences, and stagnant waters, pose challenges to these approaches. Algal distribution in rivers varies both laterally and longitudinally due to flow dynamics, making comprehensive measurements difficult. In this study, a three-dimensional (3D) algae monitoring technology was developed. Data collection in the vertical direction was achieved through optical sensors, and remote sensing-based water surface hyperspectral data were integrated. This approach aimed to overcome the complexities of Korean river systems, allowing for a more comprehensive understanding of algae distribution. The research focused on 3D algae analysis technology, enabling the analysis of cyanobacteria's 3D distribution and concentration through spatial interpolation based on the collected algae data. 기후변화와 수질환경 변화로 인해 국내의 하천, 호소, 저수지 등에서 매년 유해조류의 과대성장으로 인해 안전한 물 공급에 문제가 발생하고 있다. 국내 뿐만 아니라 국외에서도 유해남조류의 발생으로 인해 다양한 문제가 발생하고 있는 추세이다. 특히, 영양분이 풍부한 국내 하천과 저수지는 계절에 따라 조류 성장에 영향을 받으며, 여름철에는 강한 일사량과 집중강우로 인해 유해남조류의 과도한 증식이 빈번히 발생한다. 국내에서는 조류 경보 및 수질 예보 시스템을 운영하여 조류 저감 정책을 수립하고 국민에게 안전한 물을 제공하고 있다. 현재 국내에서 시행 중인 조류 모니터링 방법은 수질 오염 공정 시험 기준에 따라 1~2주 간격으로 시행되며, 시료 수집, 실험실 분석, 조류 식별 및 세포 수 계수 절차를 통해 정보를 제공한다. 그러나 이러한 과정으로 조류 정보를 얻기까지 최소 수일에서 몇 주까지 걸릴 수 있다. 또한, 조류 식별 및 세포 수 계수를 위해서는 전문가의 지식이 필요하며, 현미경을 사용하여 직접 세계해야 하므로 시간이 많이 소요된다. 하천에서 조류는 녹조류, 남조류, 규조류가 혼합되어 존재하고 조류 세포의 크기가 매우 작아서 현장에서 육안으로 구별하기 어렵기 때문에 조류 발생 시 즉각 대응하기 어렵다. 또한, 조류는 하천의 넓은 범위에 걸쳐 분포하며, 현재의 기존 조류 모니터링 방법은 공간 분포를 파악하는 데 한계가 있다. 현재 많은 연구자들은 이러한 한계를 극복하기 위해 조류 대체 인자를 측정할 수 있는 센서를 개발하고 있으며, 위성 영상이나 UAV를 활용하여 영상 기반으로 하는 수표면에 대한 조류 분석 연구도 진행되고 있다. 그러나 국내 하천은 만곡부, 지류와 본류가 합류하는 합류부, 정체 수역이 많이 존재하여 하천 흐름 특성이 매우 복잡한 구조로 형성되어 있다. 조류는 하천 흐름에 영향을 받기 때문에 같은 구간에서도 조류의 횡방향과 종방향에 대한 분포가 다양하게 나타난다. 이는 포괄적인 조류 측정에 어려움을 야기한다. 따라서 본 연구에서는 광학 센서를 통해 연직 방향의 데이터를 수집하고 원격 탐사 기반의 수표면 초분광 데이터를 결합하여 3차원 조류 모니터링 기술을 개발하고 수집된 조류 데이터를 이용하여 3차원 공간 보간을 통해 남조류의 3차원 조류 분포 및 농도를 분석하기 위한 조류 3차원 분석 기술에 대한 연구를 수행했다.

Immune resistance in the red alga Dasysiphonia japonica against the oomycete pathogen Olpidiopsis heterosiphoniae

문현영 공주대학교 대학원 2023 국내박사

Immune response is a response that organisms cause to defend against foreign invaders. Disease develops when the pathogen is able to evade the multiple layers of host defenses. Plants and animals, share striking similarities in their innate immune systems, some of which tell a story of likely convergent evolution. Red algae are earliest eukaryotes and also face diverse pathogens. Research on innate immunity of some red algae has been conducted, but it is limited to Pyropia yezoensis. Currently, more than 10,000 species of red algae have been reported, and more research is needed on the innate immunity of red algae. The Florideophyceae red algae Dasysiphonia japonica with more complex growth forms than Bangiophyceae red algae Pyropia yezoensis. Dasysiphonia japonica are differentiated filaments and the growth form consists of branched thallus. The red alga Dasysiphonia japonica is infected by Olpidiopsis heterosiphoniae (collected from Korea), an oomycete, but the algae can coexist with the host for more than 5 years in culture, with the highest infection rate when first exposed to the pathogen (4 days) and infection decreasing over time, but still maintained. Infected D. japonica underwent some morphological and physiological changes. Fluorescent staining showed that infected filament showed reduced growth compared to control even when several cells were actually infected with the pathogen. The number of infected cells was decreased to about 40% after the six days of infection. Infected filament showed much higher tolerance to osmotic stress compared to control. The cell wall was more than twice thicker than control. Transcriptomic analysis was performed at 4- and 30-days after infection to investigate host's disease defense mechanisms that survive and are not dissipated from infection of the entire thallus by the pathogen. In total, 19,477 up-regulated and 905 down-regulated genes were identified from all infection groups. As a part of PAMP-triggered immunity (PTI), pathogen receptor genes (pattern recognition receptors), mitogen-activated protein kinases (MAPKs) and calcium-dependent protein kinases (CDPKs) were found to be up-regulated after infection. As a part of the effector-triggered immunity (ETI), R protein domains (leucine rich repeat (LRR) and Toll/interleukin-1 receptor (TIR)) were found to be up-regulated after infection. Unlike P. yezoensis, genes related to hypersensitive apoptosis response (HR) was not observed, but cellulose synthase (CESA) was specifically up-regulated after infection. The results show that there is an innate immunity in D. japonica, and in case of O. heterosiphoniae infection, it increases the expression of the cellulose synthase gene to synthesize cellulose in the cell wall, thereby strengthening the cell wall to defend against infection by pathogens. A new species Olpidiopsis pathogen infecting D. japonica was collected from Japan. The newly collected Olpidiopsis sp. are morphologically and molecularly distinct from O. heterosiphoniae. The infection pattern was also different, and the whole thallus were wasted within one month after infection. The two species were compared and analyzed to confirm the reason for the different infection patterns. Three cellulose synthase genes (DjCesA) were identified in D. japonica. Real-time PCR was conducted in both two genes. As a result, DjCesA3 was up-regulated after 2- and 4-days O. heterosiphoniae infection, but not in Olpidiopsis sp. infection. The results show that Olpidopsis sp. infection does not increase the expression of the cellulose synthase gene, which synthesizes cellulose in the cell wall, and thus does not strengthen the cell wall to defend against infection by pathogens. After Olpidiopsis heterosiphoniae infection, reative oxygen species (ROS, stain by DCFH-DA) accumulated in the host cell membrane on 4-days infection, but was not observed in Olpidiopsis sp. infection. Four NADPH-oxidase genes (Djrboh) were identified in D. japonica. Real-time PCR was performed to confirm the expression of the rboh gene of D. japonica. As a result, Djrboh1-3 was up-regulated after 4-days O. heterosiphoniae infection, but not in Olpidiopsis sp. infection. Our results reveal for the first time the existence of an innate immune response in Florideophyceae red algae Dasysiphonia japonica and confirm that NADPH-oxidase and cellulose synthase play important roles in defense against the Olpidiopsis pathogen. I expect that my results will serve as a starting point for understanding various disease defense mechanisms in red algae, which are still a mystery. 면역 반응은 유기체가 외부 침입자에 대해 방어하기 위해 유발하는 반응이다. 질병은 병원체가 여러 층의 숙주 방어를 피할 수 있을 때 발생한다. 식물과 동물은 타고난 면역 체계에서 현저한 유사성을 공유하며, 일부는 수렴 진화를 이룬다. 홍조류는 최초의 진핵생물이며 또한 다양한 병원균에 직면한다.일부 홍조류의 선천면역 관련 연구가 진행되었으나 방사무늬김 (Pyropiayezoensis)에 한정된다. 현재 10,000종 이상의 홍조류가 보고되고 있으며, 홍조류의 선천면역에 대해서는 더 많은 연구가 필요하다. 홍조류는 크게 진정 홍조강 (Florideophyceae)과 원시홍조강 (Bangiophyceae)으로 나뉜다. 진정홍조강의 엇가지분홍풀은 (Dasysiphonia japonica)는 원시홍조강의 방사무늬김보다 더 복잡한 성장 형태를 가지고 있습니다. 엇가지분홍풀은 본질적으로 분화된 사상체이며 성장 시에는 분지된 엽체를 이룬다. 엇가지분홍풀은 난균류 (Oomycete)인 낭균 (Olpidiopsis heterosiphoniae,한국에서 채집됨)에 의해 감염되나, 5년 이상 숙주와 공존할 수 있으며, 최초병원체에 노출되었을 때(4일) 감염률이 가장 높다. 감염은 시간이 지남에 따라 감소하지만, 여전히 유지된다. 감염된 엇가지분홍풀은 형태학적 및 생리학적 변화를 겪었다. 세포벽염색 (Calcofluor White stain)을 통해 감염된 엽체의 감염되지 않은 세포를 포함하여 전체 엽체가 대조군에 비해 성장이 감소한것으로 나타났다. 감염된 세포의 수는 감염 6일 후에 약 40%로 감소하였다. 감염된 엽체는 대조군에 비해 삼투 스트레스에 대해 훨씬 더 높은 내성을 보였다. 세포벽은 대조군보다 2배 이상 두꺼웠다. 감염 후 4일 및 30일에 전사체 분석을 수행하여 병원체에 의한 전체 엽체의 질병 방어 메커니즘을 조사하였다. 총 19,477개의 상향 조절된 유전자와 905개의 하향 조절된 유전자가 모든 감염 그룹에서 확인되었습니다. PAMP 유발 면역(PTI)의 일부로서 병원체 수용체 유전자(패턴 인식 수용체), MAPK(mitogen-activated protein kinase) 및 CDPK (calcium-dependent protein kinase)가 감염 후 상향 조절되는 것으로 밝혀졌다. ETI (Effector-Triggered Immunity)의 일부로서 R 단백질 도메인 (LRR (leucine rich repeat) 및 TIR (Toll/interleukin-1 receptor))이 감염 후 상향 조절되는 것으로 밝혀졌다. 방사무늬김과 달리 과민성 세포사멸 반응(HR)과 관련된 유전자는 관찰되지 않았지만, 셀룰로오스 신타아제(CESA)는 감염 후 특이적으로 상향 조절되었다. 이상의 결과는 엇가지분홍풀에 선천면역이 존재하고, 낭균 (O. heterosiphoniae) 감염의 경우 세포벽에서 셀룰로오스를 합성하는 셀룰로오스 합성효소 유전자의 발현을 증가시켜 세포벽을 강화시켜 병원체의 추가적인 감염을 저해시키는 것으로 사료된다.엇가지분홍풀을 감염시키는 새로운 낭균 (Olpidiopsis sp.) 병원체가 일본에서 채집되었다. 새로 채집된 Olpidiopsis sp. 는 형태적으로 O.heterosiphoniae 와 형태학적으로나 분자적으로 구별된다. 또한, 감염 후 1개월 이내에 엽체 전체가 감염에 의해 소진되었다. 감염 패턴이 다른 이유를 확인하기 위해 두 종을 비교 분석했다. 낭균 감염 후 세포벽의 셀룰로스의 변화를 알아보기 위해 총 3개의 엇가지분홍풀의 Cellulose synthase 유전자(DjCesA)를 확인하였다. Real-time PCR를 통해 두 종의 낭균 감염 후 감염 시간별로 DjCesA1-3 의 발현을 확인하였다. 그 결과, DjCesA3 는 O.heterosiphoniae 감염 2일 및 4일 후에 상향 조절되었지만 Olpidiopsis sp.감염 후 DjCesA1-3 는 모두 뚜렷한 변화를 보이지 않았다.질병 방어에서 중요한 신호전달 물질인 활성산소가 낭균 감염 후 생성되는지 확인하기 위해 활성산소종 염색 (DCFH-DA)을 수행하였다. O.heterosiphoniae 감염 4일째 활성산소가 숙주 세포막에 축적되었으나Olpidiopsis sp.에서는 활성산소 염색이 관찰되지 않았다. 엇가지분홍풀의 전사체 분석에서 총 4개의 세포막의 활성산소를 생성하는 효소인NADPH-oxidase 유전자를 확인하였다. 엇가지풀의 NADPH-oxidase 유전자 (Djrboh1-4)가 두 종의 낭균 감염 후 감염 시간별로 어떻게 발현하는지확인하기 위해 Real-time PCR을 수행하였다. 그 결과, Djrboh1-3 은 O.heterosiphoniae 감염 4일 후에 상향조절되었지만 Olpidiopsis sp. 의 감염에서는 Djrboh1-4 모두 뚜렷한 변화를 보이지 않았다.이상의 결과는 진정홍조강의 엇가지분홍풀에서 선천적 면역 반응의 존재를처음으로 밝혔고 NADPH-oxidase와 cellulose synthase가 낭균성 병원체의감염에서 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다. 아직 연구가 미비한 홍조류의 다양한 질병 방어 기전을 이해하는 출발점이 되기를 기대한다.

Expansion of alginate, ferredoxin, and transporter related gene families led to the evolution of brown algae in the Stramenopiles

Shin, Younhee Sungkyunkwan university 2020 국내박사

Brown algae (Phaeophyceae) originated from Stramenopile which is different from the evolutionary history of red algae, green algae and land plant. Also, during the evolutionary process, plants communicated actively with the terrestrial environment and brown algae with the marine environment. Nevertheless, there are many parts common to plants, including morphological plasticity, size diversity, and differentiation of specialized tissue. To understand this common features of brown algae, from the evolutionary perspective, we conducted this study by initiating the process of decoding the genetics of four brown algae (i.e., Chorda asiatica, Agarum clathratum, Costaria costata, and Undaria peterseniana) from the taxonomical class of Phaeophyceae and compared with 25 genomes in Stramenopile, including published brown algae i.e., Cladosiphone okamuranus, Ectocarpus siliculosus, Saccharina japonica and Undaria pinnatifida. As a result, we found that the evolutionary relationship of three expanded gene families in brown algae. The first, the evolution of brown algae suitable for the marine environment has been achieved by expanding ferredoxin to increase photosynthetic efficiency and maintaining flavodoxin to prepare for the stress condition. Second, the expansion of the gene that biosynthesis and lyase of alginate, a main component of cell wall, provided the potential to increase the morphological plasticity of brown algae. The third is the expansion of transporter genes related to specific tissue differentiation. All of these are believed to have contributed to the increasing of body size and development of detailed organs in multicellular organisms. All of these features are unique to brown algae in the Stramenopiles. Therefore, we strongly suggest that the specialized tissue differentiation, the diversity of body size and morphological plasticity of brown algae are the result of an efficient photosynthetic system, the increasing of biosynthesis and lysis of alginate, and the expansion of membrane transporter by simultaneously performing cyclic chains. 갈조류 (Phaeophyceae)는 현재 2,000여종이 보고되었으며, 외형 및 크기가 매우 다양하여 해중림을 이루는 주요한 생물군이다. 부착근, 줄기, 엽상체 부분으로 세분화된 조직을 가지고 있어 식물과 유사하다. 그러나 갈조류의 기원은 홍조류, 녹조류 및 육상 식물로 이어지는 진화 역사와는 다른 부등편모조류로부터 유래되었으며, 적응한 환경 또한 육상 식물과는 다른 해양 환경이다. 본 연구는 식물의 진화와는 또다른 메커니즘으로 획득된 갈조류의 진화적 특징을 이해하기위해 끈말 (Chorda asiatica), 구멍쇠미역 (Agarum clathratum), 쇠미역 (Costaria costata) 및 넓미역(Undaria peterseniana) 4종의 유전체를 해독하였다. 신규 유전체 자료는 이미 보고된 4종의 갈조류 유전체 큰실말 (Cladosiphone okamuranus), 참솜털 (Ectocarpus siliculosus), 다시마 (Saccharina japonica) 및 미역 (Undaria pinnatifida)을 포함한 부등편모조류 총 25개 유전체 정보와 생물정보학적 기법을 이용하여 비교 분석 되었다. 분석 결과, 갈조류 유전체에서 특이적으로 증폭된 3개의 유전자 패밀리의 진화 과정을 추정할 수 있었다. 첫째, 광합성 시스템에서 전자 전달에 관여하는 ferredoxin과 flavodoxin 유전자의 확장과 보존이다. 초기 갈조류인 Ectocarpales 종에서 Laminariales 종으로 진화되는 동안 고효율의 전자전달체인 ferredoxin은 유전체내에서 점진적으로 여러 개의 유전자로 증폭되었고, 전자전달 효율은 상대적으로 낮지만, 산화적 스트레스 환경에서 안정적으로 전자를 전달할 수 있는 flavodoxin은 한 카피의 유전자로 유지됨을 관찰하였다. 이는 해양환경에서 효율적이고 안정적인 광합성을 가능케 했을것으로 추정된다. 둘째, 갈조류 세포벽의 주성분인 alginate 생합성과 분해 (lyase) 유전자의 증폭이다. Actinobacter기원의 수평유전자이동을 통해 갈조류로 유입된 이들 유전자들은 외부의 다양한 자극으로부터 세포를 안정적으로 유지하고, 다양한 물질들의 흡수가 가능하도록 세포벽의 유연성을 제공하는 것으로 판단된다. 셋째, 특정 조직의 기능과 연관된 membrane transporter 유전자의 확장이다. 이들 유전자들은 다양한 물질 수송을 통해 다세포 생물의 기관 발달에 기여하는 것으로 보인다. 이들 세가지 특징들은 부등편모조류 중 갈조류에서만 관찰되는 고유한 특징이다. 본 비교유전체 분석 결과, 갈조류는 1) 광합성 시스템의 효율성을 높이고, 2) 알긴산의 생합성과 분해를 쉽게하여 연관된 세포벽 성분의 유연한 조절을 하고, 3) 특화된 막단백질 유전자의 확장을 통해 형태적으로 다양하고 세분화된 조직을 갖는 대형 다시마류로 진화했음을 추정하였다.

해조류 연관 미생물의 군집 분석 및 분류학적 특성 분석 연구

크리스티안토 실비아 중앙대학교 대학원 2023 국내박사

Interactions between algae and bacteria can be assumed as intimate symbiotic relationships that affect each other’s physiology and metabolism. Bacteria communities inhabit algae cell surfaces produce variety of metabolites that can impact the fitness of the algal host. These interactions can be studied by culture-dependent and culture-independent approaches that are limited by culturing biases, especially Planctomycetota that can be classified as unculturable and poorly studied bacteria. This study characterized bacterial communities associated with marine algae samples collected from a rocky surfaces on the East Sea, Republic of Korea. Based on the linear discriminant analysis effect size analysis, the bacterial communities were dominated by phylum Proteobacteria in loosely and tightly associated bacterial communities. However, the existence of phylum Planctomycetota in tightly associated bacterial communities was significantly higher in tightly associated bacteria samples, therefore, I evidenced Planctomycetota as specific bacterial groups associated with algae. At the genus level, Ralstonia, Aeromonas, Enterobacteriaceae _unclassified, Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia and Corynebacterium were predominant in loosely associated bacteria group, whereas Pseudahrensia, Blastopirellula, Rhodobacteraceae_unclassified and Caldilineaceae_ unclassified had significant abundance in the tightly associated bacteria group. The key bacterial strains related to genus Blastopirellula and family Phycisphaeraceae, belonging to Plantomycetota, were successfully isolated from phycosphere and their potential metabolic features were characterized using genomic analysis. Based on genome analysis, strains of Blastopirellula and Phycisphaeraceae can transport various carbon sources and also has various transporters. In the genome of strain of Blastopirellula, the genes involved in the various vitamin biosynthesis pathway, taurine metabolism and GABA synthesis were identified, suggesting that this bacterial strain was capable of synthesizing various B-vitamins and metabolites which were beneficial to algal host. In the genome of strain of Phycisphaeraceae, the genes involved in the various B-vitamin biosynthesis pathways were present, demonstrating that this bacterial strain can deliver the vitamins to the algae through mutualistic interaction. In the course of studying the interaction between marine algae and bacteria, three novel species were isolated from phycosphere and characterized by polyphasic taxonomic approach. Two Gram-stain-negative, yellow-pigmented, motile by gliding, rod-shaped bacterium, designated K20-16T and MSW2, were isolated from a marine red alga (Chondrus species) and seawater collected from the East Sea and Yellow Sea, Republic of Korea, respectively. Phylogenetic analysis based on 16S rRNA gene sequence revealed that strains K20-16T and MSW2 formed a lineage within the genus Tenacibaculum and were most closely related to Tenacibaculum todarodis LPB0136T with 98.3 and 98.0 % 16S rRNA gene sequence similarities, respectively. Based on their distinct taxonomic characteristics, strains K20-16T and MSW2 represent a novel species of the genus Tenacibaculum, for which the name Tenacibaculum aquimarinum sp. nov. is proposed. Two Gram-stain-negative, motile, rod-shaped bacteria, designated G2-23T and J2-29T, were isolated from marine algae Chondrus species and Ulva species, respectively, collected in the East Sea, Republic of Korea. Phylogenetic analysis based on the 16S rRNA gene sequence analysis revealed that strains G2-23T and J2-29T belonged to the genus Hoeflea and were most closely related to Hoeflea halophila JG120-1T (98.7 %) and Hoeflea olei JC234T (98.3 %), respectively. On the basis of their distinct taxonomic characteristics, the two isolates represent two novel species of the genus Hoeflea, for which the names Hoeflea algicola sp. nov. and Hoeflea ulvae sp. nov. are proposed. 조류와 미생물의 상호 작용은 각자의 생리와 대사에 영향을 주는 공생관계로 추정된다. 조류 세포 표면에 서식하는 미생물 군집은 숙주 조류의 건강에 도움을 줄 수 있는 다양한 대사 산물을 생성한다. 이러한 조류-미생물 상호 작용은 특히, 난배양성 미생물로 잘 연구되지 않은 Planctomycetota 문의 균주를 배양 의존적 및 배양 비의존적 방법을 통해 연구할 수 있다. 대한민국 동해의 암석 표면에서 수집한 해양 조류 샘플과 관련된 미생물 군집을 특성화하였다. 선형 판별 분석 효과 크기 분석(LEfSe) 결과 Proteobacteria 문 균주가 느슨하고 밀접하게 관련된 미생물 군집에서 우점하였으나, 밀접하게 관련된 미생물 군집에서는 Planctomycetota 문 균주가 우점하여 Planctomycetota가 조류와 관련된 특정 미생물 그룹으로 구분되었다. 속 수준에서, 느슨하게 연관된 미생물 그룹에서 Ralstonia, Aeromonas, Enterobacteriaceae_unclassified, Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia 및 Corynebacterium가 우세하였으며, Pseudahrensia, Blastopirellula, Rhodobacteraceae_unclassified 및Caldilineaceae_unclassified는 밀접하게 연관된 미생물 그룹에서 풍부하게 존재하였다. Plantomycetota 문에 속하는 Blastopirellula 균주 및 Phycisphaeraceae과에 속하는 주요 미생물 균주는 phycosphere에서 성공적으로 분리되었으며 유전체 분석을 통해 잠재적인 대사 기능을 분석하였다. 유전체 분석을 기반으로 Blastopirellula 및 Phycisphaeraceae 균주는 다양한 탄소원을 수송할 수 있으며, 다양한 수송체를 가지고 있음을 밝혔다. Blastopirellula 균주의 유전체에서 다양한 비타민 생합성 경로, 타우린 대사 및 GABA 합성에 관여하는 유전자가 확인되었으며, 이는 해당 미생물 균주가 조류 숙주에 유익한 다양한 비타민 B군 및 대사산물을 합성할 수 있음을 시사한다. Phycisphaeraceae 균주의 게놈에는 다양한 비타민 B 군의 생합성 경로에 관여하는 유전자가 존재하여, 상호작용을 통해 조류에 비타민 B군을 전달할 수 있음을 보여주었다. 이러한 발견은 해양 환경 내 탄소 및 영양소 순환에 영향을 주는 조류와 미생물 간의 복잡한 상호 작용에 대한 대사 가능성에 대한 이해를 제공한다. Phycosphere에서 분리된 3개의 신종 미생물들에 대해 다상 분류학적 접근법 및 동정을 수행하였다. K20-16T 및 MSW2 균주는 해양 홍조류(Chondrus 종) 및 동해 및 황해에서 채집된 해수로부터 분리되었으며, 그람염색 음성, 황색 색소, 막대형, 운동성을 가지는 특징이 있었다. 16S rRNA 유전자 염기서열을 기반으로 한 계통발생학적 분석 결과, K20-16T와 MSW2 균주는 Tenacibaculum 속 내에서 계통을 형성했으며 각각 98.3%와 98.0%의 16S rRNA 유전자 염기서열 유사성으로 Tenacibaculum todarodis LPB0136T와 가장 밀접하게 관련되었다. 분류학적 특성을 바탕으로 균주 K20-16T 및 MSW2는 신종 미생물 Tenacibaculum aquimarinum 으로 제안되었다. 그리고, 동해에서 채집된 해조류 Chondrus 종 및 Ulva 종으로부터 각각 분리된 G2-23T 및 J2-29T 균주는 그람염색 음성, 운동성, 막대형의 특징을 보였으며, 16S rRNA 유전자 염기서열 분석에 기초한 계통발생학적 분석 결과 G2-23T와 J2-29T 균주는 Hoeflea 속에 속하며 각각 근연종이 Hoeflea halophila JG120-1T(98.7%)와 Hoeflea olei JC234T(98.3%)임을 밝혔다. 분류학적 특성에 기초하여, 두 분리주는 신종 미생물 Hoeflea algicola 와 Hoeflea ulvae 제안되었다.

북방산개구리(Rana dybowskii)와 두꺼비(Bufo gargarizans) 유생(올챙이)의 먹이 습성에 관한 연구

유준혁 호남대학교 대학원 2016 국내석사

올챙이의 먹이 습성을 파악하기 위하여 한국산무미양서류 중 번식시기가 유사한 두꺼비(Bufo gargarizans)와 북방산개구리(Rana dybowskii)의 유생을 대상으로 장내에서의 조류(algae) 섭식물을 조사하였다. 두꺼비와 북방산개구리 유생의 발생단계에 따른 먹이원의 섭식습성을 비교하기 위하여 Gosner(1960)의 분류에 따라 뒷다리가 완전히 분화되기 전인 초기유생단계(Stage 26-36), 뒷다리가 발생된 시기인 후기유생단계(Stage 37-41), 앞다리가 출현한 이후의 변태단계(Stage 42-45)의 3단계로 구분하여 먹이생물이 포함된 혼합물 1㎖를 haemacytometer를 사용하여 직접 계수하였다. 북방산개구리와 두꺼비 모두 두 유생시기(Stage 26-36, Stage 37-41)에는 치설과 장내 내용물이 존재하였으나 변태시기(Stage 42-45) 이후에는 치설과 장내 내용물이 관찰되지 않았다. 북방산개구리와 두꺼비의 유생시기(Stage 26-36, Stage 37-41)에서 섭식한 조류(algae)는 서로 차이를 보였으며, 북방산개구리의 경우 남조류가 1.86%, 규조류가 96.49%, 녹조류가 1.31%, 기타조류가 0.34%의 비율로 존재하는 것으로 나타났고, 두꺼비의 경우 남조류가 3.75%, 규조류가 49.91%, 녹조류가 45.32%, 기타조류가 1.02%의 비율로 존재하는 것으로 나타났다. 북방산개구리의 초기유생단계(26-36 stage)와 후기유생단계(37-41 stage)에는 모두 규조류가 98.23%, 92.63%로 가장 많은 비율을 차지하였다. 두꺼비의 초기유생단계(26-36 stage)에는 규조류가 47.80%, 녹조류가 49.83%의 비율로 나타났으며 후기유생단계(37-41 stage)에는 규조류가 52.05%, 녹조류가 40.75%로 나타나 북방산개구리와 두꺼비 모두 종 내 각 유생단계의 조류(algae) 섭식 비율은 유사한 것을 알 수 있었다. 그러나, 북방산개구리와 두꺼비 유생의 장내 먹이생물의 조류(algae) 구성비율은 서로 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이와 같은 북방산개구리와 두꺼비 유생의 먹이생물 차이는 각 종의 유생의 먹이선호에 따른 선택적 섭식보다는 수온 등 환경적 요인에 따라 조류(algae) 번식에 차이를 보이는 서식지의 먹이생물자원 차이에 기인한 것으로 판단된다. 본 연구는 차후 다양한 양서류 유생의 먹이습성 연구 및 양서류 유생의 증식에 관한 기초자료로 활용될 것으로 사료된다. To determine the food habit of tadpoles, this study examined the intestinal algae feeds of larvae of Bufo gargarizans and Rana dybowskii with similar breeding season among Korean anurans. To compare the feeding habit of food source according to the occurrence stage of larvae of Bufo gargarizans and Rana dybowskii, the stages were divided according to the classification of Gosner (1960), into early-larval stage before the hind legs are completely divided (Stage 26-36), late-larval stage with the hind legs (Stage 37-41), and metamorphic stage after the forelegs appear (Stage 42-45). Then, 1㎖ of mixture including food contents were calculated using a haemacytometer. Both Rana dybowskii and Bufo gargarizans had radula and intestinal content in the two larval stages (Stage 26-36, Stage 37-41), but none of them was found after the metamorphic stage (Stage 42-45). The algae eaten in the larval stages (Stage 26-36, Stage 37-41) of Rana dybowskii and Bufo gargarizans were different between the two. For Rana dybowskii, 1.86% was Cyanophyta, 96.49% was Bacillariophyta, 1.31% was Chlorophyta, and 0.34% was other algae. For Bufo gargarizans, 3.75% was Cyanophyta algae, 49.91% was Bacillariophyta, 45.32% was Chlorophyta, and 1.02% was other algae. Both the early-larval stage (26-36 stage) and late-larval stage (37-41 stage) of Rana dybowskii showed the highest proportion of Bacillariophyta at the rate of 98.23% and 92.63%. For Bufo gargarizans, Bacillariophyta took up 47.80% and Chlorophyta 49.83% in the late-larval stage (26-36 stage), whereas Bacillariophyta took up 52.05% and Chlorophyta 40.75% in the late-larval stage (37-41 stage), indicating that the algae feeding ratio of each larval stage in both Rana dybowskii and Bufo gargarizans was similar. However, it turned out that there was a difference in the algae composition ratio of intestinal food contents of larvae of Rana dybowskii and Bufo gargarizans. Such difference in food contents of larvae of Rana dybowskii and Bufo gargarizans may be due to the difference in food sources of habitats that show difference in algae breeding according to environmental factors such as water temperature, rather than selective feeding according to the food preference of each type of larva. This study will be used as baseline data for research on feeding habits of various amphibian larvae and on proliferation of amphibian larvae.

Analysis of microbiome of marine algae in the east sea of Korea

김경렬 중앙대학교 대학원 2022 국내석사

해조류 주변에 서식하는 세균은 해양 조류와 다양한 공생관계를 맺고 있으며, 핵심 미생물 군집을 확인하기 위해 한국 해안 연안에 서식하는 해양 조류의 미생물 군집을 조사하였다. 7월에 한반도 동해안에서 총 57개의 해양 조류 샘플이 채집되었으며, 해양 조류와 느슨하게 연관 있는 세균 군집과 근접하게 연관 있는 세균 군집 그리고 해수의 세균 군집을 분석하였다. 해양 조류의 세균 다양성과 군집은 채집지를 고려할 때 큰 차이가 없었으나 공간적 근접성에 따라 확연히 차이를 보였다. 흥미롭게도 일부 해양 조류는 숙주 조류에 따라 세균 군집 구조에서 상당한 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 선형 판별 분석 효과 크기를 통해 Acaryochloris, Blastopirellula, Croceitaleas, Granulosicoccus, Hellea, Maribacter, Pleurocapsa, Roseibacillus, Sulfitobacter 속은 느슨하게 연관 있는 세균 군집과 비교하여 근접하게 연관 있는 세균 군집에서 유의하게 구분되었다. 느슨하게 연관 있는 세균과 근접하게 연관 있는 세균 군집을 포함하는 조류권에서 Alteromonas, Marinomonas, Pseudoalteromonas, Psychromonas, Vibrio 속은 해양 조류의 핵심 세균 군집으로 확인되었다. 관찰되지 않은 상태를 재구성하여 지역 사회에 대한 계통 발생학적 조사 분석을 사용하여 조류권 세균의 예측된 기능 능력은 두 단계 신호전달 시스템, 분비 시스템, 세균 운동성 단백질, 전사 인자, 기타 이온 결합 수송체, 세포막 및 세포 내 구조 분자, 세균 분비 시스템 및 세균 주화성과 관련된 유전자가 풍부함을 밝혀냈다. 이러한 유전자는 조류권 내 해양 조류의 세균 군집 사이의 화학적 매개 상호작용을 담당할 수 있다. 더 중요하게 확인된 기능적 상호 작용에는 세포벽을 분해하는 유전자가 포함되어 해양 조류의 세균 군집이 조류의 세포벽을 탄소원으로 활용할 수 있음을 시사한다. 조류와 관련된 세균의 기능 정보와 해양 조류의 핵심 세균 군집에 대한 정보는 세균과 해양 조류의 공생 상호 작용을 이해하기 위한 다음 단계 연구의 기초를 제공할 것이다. Bacteria living near marine algae have various symbiotic relationships with marine algae. Thus the aim of this study was to investigate the microbiome of marine algae in the East Sea of the Korean peninsula. A total of 57 marine algal samples were collected from the East Sea of Korea in July, and their loosely and closely associated bacterial communities, along with the bacterial communities of seawater, were analyzed. Bacterial diversities and communities did not differ significantly according to collection sites, while clearly differed depending on spatial proximity. Interestingly, some marine algae have also been identified that show significant differences in bacterial community structure depending on the host algae. Through linear discriminant analysis effect size analysis, the genera Acaryochloris, Blastopirellula, Croceitalea, Granulosicoccus, Hellea, Maribacter, Pleurocapsa, Roseibacillus, Sulfitobacter were significantly distinguished in the closely associated bacterial communities compared to the loosely associated bacterial communities. In the algal sphere including loosely and closely associated bacterial communities, the genera Alteromonas, Marinomonas, Pseudoalteromonas, Psychromonas, and Vibrio were identified as the core microbiome of marine algae. Predicted functional capabilities of algal sphere bacteria using the phylogenetic investigation of communities by reconstruction of unobserved states analysis revealed the abundance of genes related to the two-component system, secretion system, bacterial motility, transcription factors, other-ion-coupled transporters, membrane and intracellular structural molecules, bacterial secretion system, and bacterial chemotaxis. These genes may be responsible for chemically mediated interaction between the microbiome of marine algae within the algal sphere. Further important identified functional interactions included genes for cell wall degradation, suggesting that the marine algae microbiome can utilize the cell wall of algae as a carbon source. Functional Information of algae-associated bacteria and the core microbiome of marine algae will provide the basis for the next step studies towards understanding the symbiotic interactions of bacteria and marine algae.

정수장애 조류와 조류플럭의 침강 효율에 대한 검정

최수경 仁濟大學校 大學院 2004 국내석사

조류는 일반 유기물 입자보다 밀도가 낮고 형태가 매우 다양한 입자로서 응집혼화, 침전 및 여과의 각 정수공정 단계에서 장애를 일으킬 뿐 아니라 냄새를 발생하여 맛을 떨어뜨리는 원인이 되고 있다. 본 연구는 정수장에서 장애를 일으키는 대표적인 담수조류 14종을 대상으로 침강속도와 플럭침강을 측정하고 조류밀도와 형태에 따른 침강의 차이점을 조사하였다. 침강법과 형광법으로 조류의 침강속도를 측정하였으며 주로 배양조류를 대상으로 하였다. 침강법으로 측정한 조류의 침강속도는 0.3~1.9 cm/hr, 형광법으로 측정한 결과 0.1~2.6 cm/hr 범위였다. 조류의 침강속도는 조류의 종별, 생장주기별, 사멸시키기 전과 후, 전염소처리 전후로 구분하여 비교하였다. 조류의 생장주기에 따른 침강속도를 측정한 결과 쇠퇴기의 조류는 지수기 보다 약 1.7(1.3~2.3)배 높았으며 지수생장기, 정지기 및 쇠퇴기로 갈수록 침강속도는 점진적으로 증가하였다. 포르말린으로 사별시킨 조류의 침강속도를 측정한 결과 0.1~3.3 cm/hr 범위였다. 사멸 조류의 침강속도는 정상조류 보다 약 1.5배(1.0~2.6 cm/hr) 증가하였다. 그러나 형광법의 경우 대상조류 7종 중에서 Scenedesmus acutus, 침강법의 경우 14종 중에서 Synedra acus, A. ambigua m. sporalis, Actinastrum hantzschii, Ankistrodesmus gracilis의 사멸 조류가 정상조류보다 침강속도가 더 낮았다. 규조류의 침강속도가 다른 조류보다 높았으며 조류의 형태에 있어서는 Aulacoseria ambigua, Aulacoseira granulata, Fragilaria crotonensis, Pediastrum boryanum var. longicorne 등 군체형의 침강속도가 단세포조류보다 더 높았다. 조류를 염소처리한 후 침강속도를 측정하였을 때 대부분의 조류는 염소처리전보다 침강속도가 증가하였으나, Stephanodiscus hantzschii f. tenuis와 Asterionella gracillima의 침강속도는 각각 염소처리 전 속도의 30%와 60%에 불과하였다. 배양조류에 PAC 응집제를 처리하여 플럭의 형태로서 S. acus 제거율을 보았을 때 염소 처리시 조류 최종 제거율 60%에서 처리 후 40%로, S. hantzschii f. tenuis는 약 70%에서 40%로 크게 감소하였다. 염소처리시 규조의 경우 조류 유기물이 산화되고 빈껍질만 남았고 군체의 경우 군체당 세포수의 감소로 인해 플럭크기가 작아 제거율이 낮은 것으로 보인다. 한편, 조류의 침강속도와 이론적인 형상계수를 이용하여 밀도를 추정한 결과 밀도와 조류의 형태가 조류 침강속도에 미치는 영향이 매우 컸다. 조류는 단세포 또는 다세포성 군체로서 밀도가 낮고 다양한 형태를 띠었으며 밀도보다 형상계수가 침강속도에 미치는 영향이 켰으며 특히 S. acus와 같이 가늘고 긴 바늘형태의 조류의 침강속도가 특히 낮았다. S. acus는 Synedra ulna와 형태가 비슷하였으나 S. ulna보다 밀도가 더 낮았다. 밀도가 낮고 형상계수가 높은 바늘형 조류의 침강성이 가장 나빴으며 이러한 형태의 조류는 상대적으로 응집 침전장애가 높고 여과지를 폐색시키는 빈도가 매우 높은 것으로 추정된다. The algal density is generally lower than the other organic particles and algae is special particles with diverse morphology. They usually make many problems in water treatment process and deteriorate the drinking water by producing the odorous compounds. The purpose of this study is to determine the settling velocity of algae and their flocculants, for the important species in the natural waters and in water treatment process. Our research were centered upon the algal density and algal shape to affect the settling. The settling velocity was measured with methods column (SETCOL) and fluorometric methods. Cultivated algae were largely used in the experiments. The settling velocity ranged from 0.3 to 1.9 cm/hr by SETCOL method and from 0.1 to 2.6 cm/hr by fluorometric method. The settling velocity of algae was different with the growth phase, living or formalin-fixed conditions, chlorination. The settling velocity of algae were stationary phases which measures settling velocity algae increased the algal of faster towards the growing days and those of the stationary phase significantly increased approximately 1.7(1.3~2.3) times comparing with exponentially growing phase. Dead cell or colony were more faster than the normally living algae. Exceptionally, The velocity of Scenedesmus acutus are more faster than farmalin-fixed algae. Most colonial algae had more faster settling velocity than unicellular (ex. Aulacoseria ambigua, Aulacoseira granulata, Fragilaria crotonensis, Pediastrum boryanum var. longicorne). settlings of diatoms were more faster others algal groups. Chlorination enhance significantly settling velocity of the algae settling velocity of Stephanodiscus hantzschii f. tenuis and Asterionella gracillima(C5) accounted for 30% and 60% of that before chlorination. The PAC coagulation it controls and when the removal rate by settling. After PAC coagulants were treated to the algae, the removal rate by settling were very low The chloride would oxidize the cellular materials of diatoms and empty frustales dropped the settling velocity or removal rates. On the other hand, algal density was estimated with settling velocity and theoretical form coefficient, density and algal shapes were highly correlated with the settling. In the process that algae were formed to flocs with other particles or organic matters, the longer algae would make less dense flocs to weaken the algal settling. Actually, the compactness of the algal flocs were less dense than that of the other organic particles. The longer algae such as Synedra acus world make less compact or dense flocs to weaken the settling or removing. The problematic algae enhance the buoyancy and simultaneously overflow to the filtration basins to clog the sand pores.

수소 생산에서 알칼리 열처리의 효율 향상을 위한 바이오매스 전처리

임재완 한국교통대학교 일반대학원 2022 국내석사

In this paper, biomass was processed in a variety of ways to improve the efficiency of the biomass gasification process. The pretreatment methods were cellulose and green algae treatment using an ionic liquid, green algae treatment using soxhlet extraction, and green algae treatment using high pressure homogenizer. The purpose of this paper is to study the effect of the preceding pretreatment on the structural and thermal properties of cellulose and green algae. Pretreating cellulose and green algae with ionic liquids such as 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 4-butyl-4-methyl morpholinium chloride, 1-butyl-1-methylpiperidinium chloride, and 1,3-dimethylimidazolium methylphosphite was investigated in this study as an alternative to highly toxic organic solvents. The cellulose treated with the ionic liquids is characterized by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, and Fourier-transform infrared spectroscopy. It was applied to green algae after the impact of biomass pretreatment of [BMIM]Cl using MCC was confirmed. To prove the pretreatment effect, the structural and thermal properties of green algae pretreated with [BMIM]Cl were examined, as well as the gas produced during hydrogen production. After that, fatty acids were eliminated to see if they had any effect on green algae decomposition temperature. Fatty acids were removed using the Soxhlet extraction, and the percentage of fatty acids taken from green algae was estimated using an examination of the algae's components. The structural and thermal properties of green algae that had their fatty acids removed, as well as the gas producted in hydrogen generation, were studied. The green algae were processed via a high-pressure homogenizer to see if the particle size of the algae impacts the decomposition temperature. Particle size analysis confirmed the change in particle size of green algae treated with homogenizer, and structural and thermal characteristics were investigated. In addition, the impact of green algae particle size on hydrogen production was investigated. 본 연구에서는 바이오매스의 가스화를 이용한 수소 생산 공정의 효율을 향상시키기 위해 바이오매스를 다양한 방법으로 전처리 하였다. 전처리 방법은 이온성 액체를 이용한 셀룰로오스 및 녹조류 처리, 속슬렛 추출을 이용한 녹조류 처리, 고압 균질기를 이용한 녹조류 처리로 진행하였다. 앞의 세가지 방법으로 처리된 녹조류의 구조 및 열적 특성을 분석하였으며 특성 변화에 따른 수소 생산 반응에서 발생하는 가스의 생성 거동을 평가하였다. 먼저 셀룰로오스와 녹조류를 독성이 강한 유기용매의 대안으로 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 4-butyl-4-methyl morpholinium chloride, 1-butyl-1-methylpiperidinium chloride, and 1,3-dimethy-limidazolium methylphosphite와 같은 이온성 액체로 전처리 하여 특성의 변화를 확인하였다. [BMPip]Cl을 제외한 세가지 이온성 액체로 처리된 셀룰로오스는 SEM과 XRD 분석을 통해 결정도가 40% 이상 감소하였으며 열분해 온도도 약 70℃가 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 특성의 변화는 FT-IR 분석을 이용하여 이온성 액체가 셀룰로오스의 분자간의 수소결합이 약화시키기 때문에 생기는 것을 증명하였다. MCC를 이용하여 이온성 액체의 전처리 효과를 확인한 후 녹조류에 적용하였다. [BMIM]Cl로 전처리한 녹조류는 분해 온도가 90℃ 감소하였다. 또한 전처리 하지 않은 녹조류는 미분해산물이 32wt%가 남는 반면, 800℃에서 잔류물 없이 완전히 분해 되는 것을 확인하였다. 이 효과는 실제 수소생산에 적용하였을 때, 수소의 발생량이 29% 증가하는 결과를 보여주었다. 다음으로, 지방산을 제거하여 녹조류 분해온도에 영향을 미치는지 확인하였다. 속슬렛 추출법을 이용하여 녹조류에서 지방산을 제거하였으며 실제 제거되는 지방산의 성분을 확인하기 위해 녹조류의 성분을 조사하여 제거된 지방산의 양을 계산하였다. 녹조류의 지방산은 50% 이상 제거되었다. 하지만 지방산이 제거된 녹조류는 처리하지 않은 녹조류와 비슷한 온도에서 열분해가 되었다. XRD 결과에서 지방산을 제거하여도 특정한 peak가 확인되지 않는 보아 녹조류에 남아있는 점액질이 열분해 온도가 낮아지는 것을 방해하는 것으로 해석될 수 있다. 하지만 지방산이 제거된 녹조류에서 수소가 생성되는 온도가 500℃ 이하로 이동되었음을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 초고압 호모게나이저를 이용하여 녹조류를 처리하였으며 녹조류의 입자 크기가 분해 온도에 미치는 영향을 확인하였다. 초고압 호모게나이저로 처리된 녹조류의 입자 크기는 평균 4μm로 원료 대비 20배 정도 작아졌다. 하지만 열분해 온도는 원료 녹조류와 같은 양상을 보였으며 수소 생산에서도 전처리 효과가 크게 나타나지 않았다. 이것은 녹조류의 입자크기는 수소 생산에 영향이 없는 것으로 판단할 수 있다.

Sustainable production of liquid biofuels from renewable algae biomass

Ok Kyung Lee 경희대학교 일반대학원 2015 국내박사

Algae as sustainable feedstock for liquid biofuel production has received a lot of attention due to their fast growth rate and ability to accumulation high quantity of lipid and carbohydrate inside cell for biodiesel and bioethanol production, respectively. Despite their obvious potential, commercial-scale quantities of fuel from algae are not currently economically feasible. Thus, in this PhD study, to commercialize algae-based liquid biofuel production, all of the components of algal biomass intend to be used for various liquid biofuels production. In microalgae-based biofuel production, most of cellular components were utilized for sequential production of biofuels such as biodiesel and bioethanol to enhance the economic feasibility. First of all, biodiesel were biosynthesized from microalgae by dimethylcarbonateeco friendly solvent and lipase. DMC was used as the reaction solvent and acyl donor for the biosynthesis of FAMEs from the triglycerides of microalgae. In the second step, the lipidextracted residual biomass after preparation of biodiesel was used as the as biomass to produce bioethanol. To obtain high ethanol, polysaccharides have to be converted to monosaccharide. Therefore, saccharification is essential process for high reducing sugar production. In order to optimize saccharification using the residual biomass, various experiments were carried out. The saccharification yield based on the total amount of carbohydrates of the residual biomass after biodiesel production was more than 80% (w/w) through chemical saccharification. Bioethanol was produced from the saccharification solution using yeast and the fermentation yield was up to 80% of the theoretical fermentation yield. These study demonstrated microalgae biomass could be completely used for an integrated production of various liquid biofuels. In order to enhanced economics in the production of biofuel using the brown algae, alginate can be utilized for bioethanol production. Major sugar components of brown macroalgae are alginate, mannitol, laminarin and fucoidan. The sugars from laminarin and mannitol can be easily used for bio fermentation, alginate cannot be used because industrial microbes are not able to metabolize the alginate component. First of all, A novel oligoalginate lyase possessing endo- and exolytic alginate lyase activity was identified from Stenotrophomonas maltophilia KJ-2 and characterized. The culture and expression conditions for the recombinant Escherichia coli HMS174 (DE3) harboring the KJ-2 oligoalginate gene were optimized, and the volumetric total activity was enhanced. The 80% of saccharification yield(yield of unsaturated uronate) was obtained by batch saccharification of 4 %(w/v) alginate using the recombinant E. coli cell lysates containing KJ-2 oligoalginate lyase at optimal condition. Also, the metabolic pathway of E. coli was engineered to produce bioethanol from unsaturated urinate. Through this, the yield of bioethanol from brown algae derived sugar was improved.