KR101327984B1 - 조류 바이오매스 생산과 품질의 동시증진을 위한 화합물의 이용방법 - Google Patents

조류 바이오매스 생산과 품질의 동시증진을 위한 화합물의 이용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조류 바이오매스 생산과 품질의 동시증진을 위한 화합물 이용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 식물 정유를 포함한 천연물을 유효성분으로 하는 조류 바이오매스의 생산 및 품질 동시 증진용 또는 위해성(危害性) 조류 방제용 조성물 및 상기 조성물을 이용한 방제방법으로, 상기 조성물 및 이를 이용한 방법은 유해 또는 경쟁 생물의 제어, 목표 조류 종의 생장촉진, 세포내 유용성분 함량 축적 유도 등을 동시에 가능케 함으로써 고품질 조류 바이오매스의 대량 확보에 적용할 수 있어, 미래 환경과 석유자원 고갈을 대비한 바이오매스 산업에 크게 기여할 것이다.

Description

조류 바이오매스 생산과 품질의 동시증진을 위한 화합물의 이용방법{Method for enhancing the biomass production and quality by a chemical application during algae cultivation}
본 발명은 조류 바이오매스 생산과 품질의 동시증진을 위한 화합물의 이용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 식물 정유를 포함한 천연물을 유효성분으로 하는 조류 바이오매스의 생산 및 품질 동시 증진용 또는 위해성(危害性) 조류 방제용 조성물 및 상기 조성물을 이용한 방제방법에 관한 것이다.
미래 환경과 석유자원 고갈을 대비하기 위한 방안으로서 조류 바이오매스(algal biomass)의 활용이 중요하게 인식되고 있으며 산업에 요구되는 수준의 경제성을 맞추기 위해서는 바이오매스 전환공정의 효율화 이외에 저비용 시스템에서의 조류 배양, 세포내 유용성분 함량이 높은 바이오매스의 생산성 증대 등이 선결되어야 한다.
상기 문제점을 해결하기 위해서는 첫째, 조류 배양중의 생산성 감소요인을 잘 제어할 수 있어야 한다. 즉, 저비용으로 조류 바이오매스를 생산하려면 조류가 온실 또는 야외에서 가능한 폐수(wastewater)를 이용하여 개방형 시스템으로 배양되어야 하는데 이 경우, 유해 조류나 해충 및 식물 병원균의 발생이 예상된다. 따라서 조류 바이오매스를 안정적으로 대량생산 하려면 이들의 피해를 최소화시켜야 할 뿐만 아니라, 생장에 있어서 경쟁관계에 있는 타 조류의 혼입을 막아야 하는데 이를 위한 유용한 기술이 아직까지 활발히 연구되고 있지 않다(Park 등, Bioresource Technology 102:35-42, 2011). 둘째, 개방형 시스템에서 단순히 바이오매스 생산만 증진시키는 것이 아니라 유용성분 함량이 높은 조류를 대량 생산할 수 있는 방안이 필요하다. 상기 문제점을 해결하기 위해 현재 일반적으로 적용하고 있는 기술은 일차적으로 바이오매스 생산을 높이고, 이어서 이차단계에서 환경 또는 양분결핍 등을 통해 조류생장을 억제시키면서 목적하는 유용성분 함량이 축적되도록 하는 방법을 활용하고 있다. 그러나 이들 방법은 시간과 노력이 상대적으로 많이 소요되고, 만일 조류 생장을 방해하는 생물적 요인(해충, 병원균, 유해조류 등)이 발생했을 때에는 대처 방안 없이 손실을 감수해야하는 상황이다.
따라서 배양중인 조류에는 영향을 끼치지 않고 조류 생장을 방해하는 생물들을 효과적으로 제어하면서 아울러 배양 조류의 품질을 개선시킬 수 있는 방법이 있다면 이는 조류 바이오매스 산업의 활성화에 매우 큰 기여를 할 것이나 아직까지는 이에 충족된 기술개발이 이루어지고 있지 않다.
한편, 식물 정유는 살충 및 살균 효과를 가지고 있는 것이 보고된 바 있다(Dayan et al. 2009. Bioorganic & Medicinal Chemistry 17: 40224034; Bakkali et al. 2008. Food and Chemical Toxicology 46:446-475; Kordali et al. 2008. Bioresource Technology 99: 87888795; Winward et al. 2008. Water research 42:2260-2268). 그러나 상기의 식물 정유는 살충 및 살균에 대해서만 제시되어 있을 뿐 배양 조류의 생장증진, 배양조류의 유용성분(예, 지질성분)에 대한 함량 축적 증진 등의 효과에 대해서는 아직 보고된 바 없다.
KR 10-0611248 B1, 2005년 07월 08일
Park 등, Bioresource Technology 102:35-42, 2011 Dayan et al. 2009. Bioorganic & Medicinal Chemistry 17: 40224034
이에 본 발명자들은 식물 정유를 포함한 천연물을 대상으로 유해조류를 선택적으로 방제할 수 있는 화합물을 검색하던 중 특정 화합물을 미세조류 배양시 처리함으로써 배양조류의 생장증진, 배양조류의 유용성분(예, 지질성분) 함량 축적 증진 효과를 동시에 얻을 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 잔류 독성이 없으며, 부작용을 야기하지 않는 환경 친화적 조류 배양용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 조성물을 미세조류 배양시 처리함으로써 효율적인 조류 바이오매스의 생산 및 품질을 동시에 증진하고, 위해성(危害性) 조류를 효율적으로 방제할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 유효성분으로 식물 정유를 포함한 천연물을 미세조류 배양시 처리하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양 또는 위해성(危害性) 조류 방제용 조성물을 제공한다.
본 발명에 있어서, “위해성(危害性) 생물”이란 특정 배양 조류에는 독성이 적으면서 유해조류 또는 유해하지 않더라도 목표 배양 조류의 생장을 방해하는 생물 즉, 유해조류 또는 혼입 조류, 해충, 병원균 등이 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본 발명에 있어서, “위해성(危害性) 조류”란 유해조류 또는 목표 배양 조류의 생장을 방해하는 다른 혼입 조류가 본 발명의 범위 내에 포함된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
우선 조류 생장을 방해하는 생물적 요인(위해성 조류, 해충, 병원균 등)을 제어할 수 있는 수단을 탐색하고자 하였다. 특히, 유해조류 중에는 배양 조류와 비슷한 생활습성을 가지고 있는 마이크로시스티스(Microcystis aeruginosa) 속, 아나베나(Anabaena) 속 등과 같이 독소를 분비하는 종들을 선택적으로 방제할 수 있는 기술이 확보하고자 하였고, 조류 생장을 방해하는 생물적 요인(위해성 조류, 해충, 병원균 등)을 산업적 수준에서 종합적으로 제어하기 위해 식물 정유를 포함한 천연물을 활용할 목적으로 화합물을 탐색, 선발하고자 하였다.
그 결과, 바이오매스 생산성을 증진시킴과 동시에 지질함량 축적 또는 유용성분 조성의 증진 등의 품질개선에 영향을 미칠 수 있는 특정 화합물을 선발할 수 있었고, 상기 식물 정유를 포함한 천연물을 유효성분으로 하는 조류 바이오매스의 생산 및 품질 동시 증진용 또는 위해성(危害性) 조류 방제용 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 상기 조성물은 미세조류의 총 지질 함량 또는 특정 지질성분의 상대적 함량을 증진시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 조성물은 세포 내 지질함량이 높은 미세조류의 생산을 위한 것으로, 이는 조류의 생산수율을 증가시키고 나아가 바이오매스의 품질을 근본적으로 개선하기 위한 것이다.
보다 상세하게는 미세조류의 총 지질 함량 증진은 미세조류에 함유되어 있는 지질(C12 - C40)의 총량이 증가되어 탄화수소의 종합적 활용도를 높일 수 있음을 의미하는 것으로, 본 발명에 있어 상기 지질을 구성하는 지방산은 탄소수가 12 내지 26개로 구성되며, 바람직하게는 탄소수 16 내지 22개로 구성되는 것으로, 그 예로는 팔미트 산(palmitic acid), 스테아릭 산 (stearic acid), 올레 산(oleic acid), 리놀레익 산(linoleic acid), 리놀레닉 산(linolenic acid), DHA(docosahexaenoic acids), EPA(eicosapentaenoic acids) 등이 있다.
특히, 특정 지질의 증가는 해당 지질의 생산성을 높여 그 활용도를 높일 수 있는 바, 예를 들면 올레 산은 바이오디젤 품질을 높이고, 리놀레익 산 및 리놀레닉 산은 생분해성 바이오폴리머 생산에 보다 유효하며, C20 이상의 지질은 항공유, 계면활성제 등의 생산에 사용될 뿐만 아니라 생리활성기능이 우수한 성분들이 있어 이를 건강기능성 물질로도 많이 사용하고 있다. 또한, 팔미트 산 및 스테아릭 산과 같은 포화지방산은 쉽게 산화되지 않아 산화방지 첨가제, 방청제, 기타 화장품 및 식품분야에서 많이 사용되고 있는 지질이다. 상기와 같이 특정 지질 성분들의 용도에 대해서는 당 분야의 전문가에게는 잘 알려진 사실로서 미세조류에서 이들 특정 성분이 증가되면 해당 지질의 수율이 증가됨으로 산업적으로 보다 유용한 바이오소재가 된다.
본 발명에 따른 상기 조성물은 유효성분 기준으로 0.01 내지 700 ppm 농도가 되도록 처리할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 유효성분은 바실(Basil), 카르바크롤(Carvacrol), 카마모일 검(Chamomile Gem), 시나몬 오일(Cinnamon oil), 시트로넬라(Citronella), 클라리 세이지(Clary sage), 클로브 오일(Clove oil), 사이프러스(Cypress), 케슈넛 오일(CNSL), 유칼립투스(Eucalyptus, GROD), 유게놀(Eugenol), 펜넬(Fennel), 게라니올(Geraniol), 제라이눔(Geranium), 레몬(Lemon), 레몬그라스(Lemongrass), 린시드 오일(Linseed oil), 마누카 오일(manuka oil), 메틸 자스모네이트(Methyl jasmonate), 님 오일(neem oil), 오렌지(Orange), 오레가노(Oregano), 펠라곤 산(Pelargonic acid), 페퍼민트 오일(Peppermint oil), 로즈마리 오일(Rosemary oil), 사사프라스 오일(Sassafras oil), 해바라기 오일(Sunflower oil), 타라곤 오일(Tarragon oil), 테르피네올(Terpineol), 트렌스-아네톨(Trans-anethole), 티몰(Thymol)로부터 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 유효성분은 마누카 오일(manuka oil), 님 오일(neem oil), 티몰(thymol), 펠라르고닉 산(pelargonic acid), 타라곤 오일(Tarragon oil), 케슈넛 오일(CNSL)로부터 선택되는 1종 이상인 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 미세조류는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 클로렐라(Chlorella) 속, 세네데스무스(Scenedesmus) 속, 스피룰리나(Spirulina) 속, 및 보트리오코쿠스(Botryococcus) 속으로부터 선택되는 1종 이상인 녹조류인 것으로, 본 발명의 조성물은 상기 유용 미세조류의 배양시에 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 위해성(危害性) 조류는 마이크로시스티스(Microcystis) 속, 아나베나(Anabaena) 속, 오실라토리아(Oscillatoria) 속, 아파니조메논(Aphanizomenon) 속, 노듈라리아(Nodularia) 속, 코클로디늄(Cochlodinium) 속, 및 스테파노디스커스(Stephanodiscus) 속으로부터 선택되는 1종 이상인 것으로, 보다 바람직하게는 본 발명에 따른 조성물에 의해 마이크로시스티스(Microcystis) 속, 오실라토리아(Oscillatoria) 속, 및 아나베나(Anabaena) 속 등과 같은 유해 남조류가 선택적으로 방제되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성물은 조성물의 효과를 저해하지 않는 범위 내에서 효과의 안정적 발현, 적용 대상 생물로의 부착 증진, 운반 및 처리의 간편화를 위해 제제학적으로 허용 가능한 고체 담체, 액체 담체, 액체 희석제, 액화된 기체 희석제, 고체 희석제, 또는 기타 적당한 보조제, 예를 들면 유화제, 분산제 또는 기포제 등의 계면활성제를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물은 바람직하게는 유제, 수화제, 입제, 분제, 캅셀형 및 젤상의 제형으로 제제화될 수 있고, 제제의 부력을 위해 도넛형과 같은 제형을 통한 접촉제로서 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 조성물을 미세조류 배양시 유효성분 기준으로 0.01 내지 700 ppm 농도가 되도록 처리하는 것을 특징으로 하는, 조류의 배양방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법은 조류 바이오매스의 생산 및 품질 동시 증진 또는 위해성(危害性) 조류 방제하는 방법으로, 보다 상세하게는 유용조류 배양시에 일회 이상 1 내지 400 ppm 농도로 처리함으로써 배양 조류의 생장을 촉진시키거나 또는 총 지질 함량이 증진되거나 지질 성분 중 팔미트 산(palmitic acid), 올레 산(oleic acid), 리놀레 산(linoleic acid) 등의 상대적 함유량이 증가된 미세조류 바이오매스를 생산할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 방법은 위해성(危害性) 생물이 발생했거나 발생이 예상되는 곳에 처리하는 바, 유효성분의 농도가 너무 낮은 경우에는 방제 효과가 미미할 수 있고, 유효성분의 농도가 너무 높은 경우에는 배양조류를 모두 죽이거나 환경생태에 대한 부정적 영향이 나타날 수 있기 때문에, 상기 조성물을 유효 성분 기준으로 0.01 내지 700 ppm의 농도가 되도록 처리하는 것이 바람직하며, 이는 방제대상 생물의 종류, 발생밀도, 생육 정도, 수질 환경 등을 고려하여 적절하게 조절할 수 있다.
구체적인 방법으로는 클로렐라(Chlorella) 속 또는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속으로부터 선택되는 1종 이상의 미세조류 배양시 마누카 오일(manuka oil)을 유효성분 기준으로 40 내지 200 ppm 농도범위로 처리할 수 있다.
구체적인 방법으로는 클로렐라(Chlorella) 속 또는 보트리오코쿠스(Botryococcus) 속으로부터 선택되는 1종 이상의 미세조류 배양시 님 오일(neem oil)을 유효성분 기준으로 10 내지 400 ppm 농도범위로 처리할 수 있으며, 세네데스무스(Scenedesmus) 속 미세조류 배양시 타라곤 오일(Tarragon oil)을 유효성분 기준으로 10 내지 150 ppm 농도범위로 처리할 수 있다.
구체적인 방법으로는 세네데스무스(Scenedesmus) 속, 클로렐라(Chlorella) 속, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 및 보트리오코쿠스(Botryococcus) 속으로부터 선택되는 1종 이상의 미세조류 배양시 펠라르고닉 산(pelargonic acid)을 10 내지 50 ppm 농도범위로 처리할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 방법은 특정 유용 조류를 개방형 시스템으로 실내외에서 배양할 때, 목표 배양 조류의 생장을 방해하는 생물 즉, 위해성(危害性) 생물(유해조류 또는 혼입 조류, 해충, 병원균)들을 효과적으로 제어할 수 있기 때문에 배양조류 종의 생산성 감소요인을 차단함과 동시에 위해성(危害性) 조류 오염에 의한 간접피해를 방지할 수 있다. 뿐만 아니라 상기 생물제어 기능을 마친 후에 배양조류의 탄소원 또는 질소원으로 활용되어 생육증가에 기여할 뿐만 아니라 배양 조류의 대사과정에도 영향을 주어 체내 유용물질, 예를 들면 지질 및 지방산 함량의 축적, 지방산 조성의 변화 등을 꾀하여 상대적으로 산화 안정성이 양호한 조류 오일(algal oil)의 생산성 증가에 기여할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 조성물은 특정 배양 조류에는 독성이 적으면서 유해 남조류 또는 목표 배양 조류의 생장을 방해하는 생물 즉, 위해성(危害性) 생물(유해조류 또는 혼입 조류, 해충, 병원균)들을 효과적으로 제어할 수 있으므로, 유용한 특정조류를 개방형 시스템으로 실내외에서 배양할 때, 목표하는 조류종의 생산성 감소요인을 차단하면서 유해조류 오염에 의한 간접피해를 방지하는데 사용될 수 있어, 조류 바이오매스의 안정적, 경제적 대량생산에 크게 기여할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조성물은 유해 또는 경쟁 생물의 제어, 목표 조류 종의 생장촉진, 세포내 유용성분 함량 축적 유도 등을 동시에 가능케 함으로써 고품질 조류 바이오매스의 대량 확보에 적용할 수 있어, 미래 환경과 석유자원 고갈을 대비한 바이오매스 산업에 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 조성물의 유효성분인 마누카 오일(manuka oil)에 대한 담수조류 9종(A: 녹조류, B:남조류)에 대한 생육억제활성의 상대적 차이를 나타낸 그래프이고,
(Bb2: 보트리오코쿠스 부라우니 UTEX 572, Bb3: 보트리오코쿠스 부라우니 UTEX 2441, Cs: 클라미도모나스, Cv:클로렐라 불가리스 UTEX 265, Ss: 세네데스무스, Af: 아나베나 아피니스, Ma: 마이크로시스티스 아에루기노사 UTEX 2388, Ot: 오실라토리아 테누이스 UTEX1566, Sp: 스피룰리나 플라텐시스)
도 2는 본 발명에 따른 조성물의 유효성분인 님 오일(neem oil)에 대한 담수조류 9종(A: 녹조류, B:남조류)에 대한 생육억제활성의 상대적 차이를 나타낸 그래프이며,
(Bb2: 보트리오코쿠스 부라우니 UTEX 572, Bb3: 보트리오코쿠스 부라우니 UTEX 2441, Cs: 클라미도모나스, Cv:클로렐라 불가리스 UTEX 265, Ss: 세네데스무스, Af: 아나베나 아피니스, Ma: 마이크로시스티스 아에루기노사 UTEX 2388, Ot: 오실라토리아 테누이스 UTEX1566, Sp: 스피룰리나 플라텐시스)
도 3은 본 발명에 따른 조성물의 유효성분인 )에 대한 담수조류 9종(A: 녹조류, B:남조류)에 대한 생육억제활성의 상대적 차이를 나타낸 그래프이다.
(Bb2: 보트리오코쿠스 부라우니 UTEX 572, Bb3: 보트리오코쿠스 부라우니 UTEX 2441, Cs: 클라미도모나스, Cv:클로렐라 불가리스 UTEX 265, Ss: 세네데스무스, Af: 아나베나 아피니스, Ma: 마이크로시스티스 아에루기노사 UTEX 2388, Ot: 오실라토리아 테누이스 UTEX1566, Sp: 스피룰리나 플라텐시스)
본 발명은 하기 실시예에 의하여 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 어떤 의미로든 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
[실시예 1] 다양한 화합물의 여러 담수조류에 대한 살조활성 스펙트럼 조사
다양한 시험 화합물을 대상으로 여러 가지 담수조류에 대한 살조활성 스펙트럼을 알아보기 위하여 실험하였다.
(1) 시험생물
한국생명공학연구원 생물자원센터에서 분양받아 Allen's medium 또는 SOT medium, 온도 25℃, 광주기 14시간, 광도 50 μmolm-2s-1 조건에서 계대배양한 하기 표 1의 담수조류(녹조류 5종, 남조류 4종)를 사용하였다.
하기 남조류는 위해성(危害性) 조류로 유해조류 및 혼입 조류를 포함한다.
Figure 112011078518353-pat00001
(2) 실험에 사용한 화합물
시중에서 구입하기 용이한 33종의 화합물을 택하여 실험에 사용하였다.
(3) 살조활성 검정
상기 담수조류에 처리할 시험 용액을 Tween 20™이 포함된 아세톤에 용해시킨 후 동일 용매를 이용하여 여러 농도로 조제하였다. 결국, 배양액 내의 아세톤과 Tween 20의 최종 농도는 각각 1% 및 2 ㎍/㎖이었다. 시험약제 처리시 조류 초기 농도는 microplate reader를 이용하여 A670 nm = 0.05 내지 0.08 내외로 조정하였으며, 각각의 배지로 조제한 시험용액 10 ㎖를 100 ㎖ 유리 배양병에 분주한 후 아래와 같이 조제된 시험 용액 및 대조군 용액 100 ㎕를 각각 조류 배양액에 투여하였다. 모든 처리는 3회 반복으로 실시하였다. 온도는 25℃, 광주기 14시간, 광도 40μmolm-2s-1에서 6일 배양한 후 약제의 효과를 검정하였다.
Chlorella vulgaris(Cv), Scenedesmus spp(Ss), Microcystis aeruginosa(Ma)에 대한 약제처리 효과는 사전에 설정해 둔 흡광도-건물중 상관식(Kim et al. 2006. Aquatic Botany 85:1-6)을 통해 무처리에 대한 건물중 억제정도(%)로 나타내었지만 Botryococcus braunii(Bb), Chlamydomonas spp(Cs), Spirulina pratensis(Sp), Anabaena affinis(Af)에 대한 약제처리 효과는 흡광도의 무처리 대비 억제정도(%)로서 나타내었다.
그러나 Oscillatoria tenuis(Ot)의 경우에는 세포가 뭉쳐 자라기 때문에 배양액의 흡광도 측정이 곤란하여 흡광도 대신에 배양조류로부터 엽록소를 추출하여 그 함량을 통해 생육정도를 분석하였다. 즉, 조류 배양액을 여과지(GF/F filter, 직경 47 mm)에 거른 다음 이를 에탄올 용매에 넣어 엽록소를 추출하고 분광광도계로 648.5, 664.6, 750 nm 파장에서 흡광도를 측정한 후 정량식을 통해 엽록소 a 함량을 구한 다음[Nusch, 1980, Arch. Hydrobiol. Beih. (Ergebn. Limnol.), 14:14-36; Shin&Im, 2000, J. Kor. Water Resources Association 33(2):145-157)], 대조군에 대한 엽록소 함량 감소정도를 구하여 약제처리 효과를 나타내었다.
(4) 선택활성이 우수한 화합물 선발
시험한 화합물 중에서 유해조류인 마이크로시스티스 아에루기노사(Microcystis aeruginosa)와 유용조류인 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)에 대한 처리 농도 대비 생육억제활성 정도를 조사하였다.
Figure 112011078518353-pat00002
Figure 112011078518353-pat00003
그 결과 상기 표 2 및 3에서도 확인할 수 있듯이, 유해조류인 마이크로시스티스 아에루기노사(Microcystis aeruginosa)과 유용조류인 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)에 대한 생육억제활성이 처리 농도 대비 상대적으로 양호한 식물 정유를 포함한 천연물을 하기 표 2 및 표 3과 같이 각각 10종 및 9종 선발할 수 있었다.
[실시예 2] 식물 정유를 포함한 천연물의 여러 담수조류에 대한 살조활성 스펙트럼 조사
상기 실시예 1에서 선발된 식물 정유를 포함한 천연물 중에서 유용조류에 대한 생육억제 활성이 낮고, 반면에 위해성(危害性) 조류에 대한 방제활성이 우수하여 선택성이 보다 뚜렷했던 마누카 오일(manuka oil), 님 오일(neem oil), 타라곤 오일(Tarragon oil)에 대해서는 살조활성 스펙트럼을 추가로 조사하였다.
(1) 마누카 오일(Manuka oil)의 미세조류 생육억제 활성 특성
도 1에서도 확인할 수 있듯이, 마누카 오일(Manuka oil) 200 ppm 처리는 녹조류인 클로렐라(Chlorella)와 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속의 생장을 약간 저해시켰지만 위해성(危害性) 조류에 대해서는 거의 완전한 생육억제 효과를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 위해성(危害性) 조류 중에서는 유해조류인 마이크로시스티스(Microcystis) 속의 방제력이 가장 양호하여 10 ppm 미만의 처리로도 초기발생 억제에 효과가 뛰어 났으며, 혼입 조류인 스피룰리나(Spirulina) 속의 경우 12.5 ppm 이상 처리에서 95% 이상의 생육억제가 있어, 상기의 결과로부터 마누카 오일(Manuka oil)은 2종 이상의 위해성(危害性) 조류를 대상으로 동시에 적용가능 한 유용한 화합물임을 확인할 수 있었다.
(2) 님 오일(Neem oil)의 미세조류 생육억제 활성 특성
도 2에서도 확인할 수 있듯이, 님 오일(Neem oil)의 경우는 200 ppm 처리시 녹조류인 클로렐라(Chlorella) 속은 전혀 영향이 없었으나 보트리오코쿠스 브라우니 UTEX 2441(Botryococcus braunii UTEX 2441) 경우는 60% 정도의 생육억제를 나타냈으며, 기타 조류 종은 모두 방제되었다.
한편, 님 오일(Neem oil) 400 ppm 처리시에는 클로렐라(Chlorella) 속만 약 20% 생육억제를 나타내었고, 나머지는 모두 고사하는 것을 확인할 수 있었다.
상기의 결과로부터 님 오일(Neem oil)은 클로렐라(Chlorella) 속 배양시 유해조류 및 기타 조류 혼입방지에 유용하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있었고 특히, 위해성(危害性) 조류 중에서는 유해조류인 마이크로시스티스(Microcystis) 속과 오실라토리아(Oscillatoria)속에 대한 방제력이 특히 양호한 화합물임을 확인할 수 있었다.
(3)타라곤 오일(Tarragon oil)의 미세조류 생육억제 활성 특성
도 3에서도 확인할 수 있듯이, 타라곤 오일(Tarragon oil)은 다른 식물 정유에 비해 조류 종간의 선택성 폭이 상대적으로 좁은 경향이 있었지만 적당한 농도 설정을 하면 불필요한 조류의 방제에 유용하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다. 즉, 타라곤 오일(Tarragon oil) 100 내지 150 ppm 처리에서는 세네데스무스(Scenedesmus) 속만을 선택적으로 20 내지 60% 정도 생육을 억제하였으나 기타 다른 조류의 경우는 모두 방제되는 것을 확인할 수 있었고 특히, 위해성(危害性) 조류 중에서는 유해조류인 마이크로시스티스(Microcystis) 속과 혼입 조류인 스피룰리나(Spirulina) 속에 대한 방제력이 양호한 화합물임을 확인할 수 있었다.
상기 선발된 식물 정유를 포함한 천연물은 미세조류 배양시 적당한 농도를 처리함으로써 현재 지질생산을 위해 널리 배양되고 있는 특정 녹조류(Chlorella , Chlamydomonas, Botryococcus, Scenedesmus)는 살리고, 위해성(危害性) 조류 즉, 유해조류 또는 불필요한 조류를 비교적 용이하게 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 이들 식물 정유는 살충 및 살균 효과도 보유하고 있는 것으로 알려지고 있기 때문에 부수적으로 조류생장에 해를 끼치는 생물의 제거를 충분히 기대할 수 있을 것이다.
[ 실시예 3] 실내배양에서의 화합물 처리에 의한 조류 생장 및 지질대사 변화
미세조류 배양시 특정 화합물을 처리함으로써 목표 조류 종의 생장에 방해가 되는 다른 조류 종과 해충 및 식물 병원균의 제어가 가능하다. 뿐만 아니라 이들 특정 화합물은 배양조류의 탄소원 또는 질소원으로 활용되어 생육증가에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라 배양 조류의 대사과정에 영향을 주어 체내 유용물질의 축적도 기대할 수 있을 것이다.
따라서 본 실험에서는 세네데스무스(Scenedesmus) 속 우점 조류 종을 대상으로 실내 및 온실배양을 하면서 사전 연구를 통해 유해 위해성(危害性) 조류의 생육을 억제하는 몇 가지 특정 화합물을 처리한 다음, 배양조류 종의 생장정도와 지질함량 및 지방산 조성 변화를 조사하였다.
(1) 실내 생육실에서의 배양
5 L 부피의 페트병에 1/4 strength Allen's medium 2L를 넣은 후, 세네데스무스(Scenedesmus) 속 우점 조류를 680 nm에서의 초기 흡광도가 약 1.0이 되도록 접종하였다. 접종 후 1일째에 시험 화합물을 조제하여 처리하였다.
시험 화합물 중 수용성 화합물의 경우 0.1% tween 20을 포함한 증류수에 적당 농도로 용해하였고, 비수용성 화합물의 경우는 0.1% 트윈 20(tween 20)이 포함된 아세톤(acetone)으로 녹인 다음 증류수로 희석하여 조제하였다. 이 때 트윈 20과 아세톤의 최종 농도는 각각 0.0001%, 0.01%였다. 시험 화합물의 종류와 각각의 처리 농도는 마누카 오일(manuka oil) 40 ppm, 케슈넛 오일(CNSL-Na) 2.5 ppm, 님 오일(neem oil) 10 ppm, 티몰(Thymol) 5 ppm, 펠라곤 산(Pelargonic acid) 50 ppm 이었다. 약제처리 후 25±1℃, 14시간 광주기의(50-60 μmolm-2s-1) 생육실에 15일간 두어 배양하였으며, 하루에 한 번 씩 밑에 가라앉은 조류를 흔들어서 잘 섞어 주었다.
조류의 생장 조사를 위해서는 2일마다 A680 nm에서 흡광도를 측정하고, 배양 종료시에는 PAC 응집제를 20 ppm 처리하고 8000 rpm에서 10분간 원심분리하여 얻어진 세포를 모아 동결건조한 후 건조된 무게를 측정하였다.
한편 배양조류의 지질 함량 정량을 위해서는 동결건조된 시료 100 mg을 chloroform : methanol = 2:1 용매를 사용하여 지질을 추출하고 이를 감압건조 시킨 후 무게를 측정하였다. 그리고 관행방법(saponification)으로 지방산을 분리한 다음, 이를 acidic methanol로 에스테르화 반응을 실시한 후 지방산 에스테르를 헥산으로 분리, GC/MS 분석을 지방산 조성을 조사하였다. 본 실험에서 사용한 GC/MS는 일본 시마쯔사 제품(GCMS-QP5050, Shimadzu, Japan)와 컬럼은 SP™2330(Supelco)을 사용하였다. Carrier gas는 99.999%의 초고순도 헬륨 가스를 사용하여 column inlet pressure 4kPa, column flow는 분당 1.1 ㎖, split ratio는 45, total flow는 분당 50 ㎖로 하였다. 온도조건은 80℃에서 5분간 지속 후 170℃까지 분당 3℃ 상승하여 170℃에서 15분간 두었으며, injection temperature 200℃, interface temperature 200℃로 하였고, scan mode로 정량분석을 실시하여 WILEY8 library search를 통해 지방산을 동정하였다.
세네데스무스 속 우점조류 실내 배양시 몇 가지 화합물 처리가 조류의 생장, 지질 및 지방산 함량에 미치는 효과를 하기 표 4에 나타내었다.
Figure 112011078518353-pat00004
그 결과, 상기 표 4에서도 확인할 수 있듯이 흡광도 및 세포 건물중을 통해 생장조사를 했을 때 대조구 보다 증가된 생장을 보인 것은 케슈넛 오일(CNSL-Na) 처리구, 대조구 보다 생장이 둔화된 것은 마누카 오일(manuka oil) 처리구, 기타 처리구는 대조구와 비슷한 수준을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 건물대비 총 지질 또는 지방산 함량이 증가된 것은 마누카 오일(manuka oil), 님 오일(neem oil), 및 펠라곤 산(Pelargonic acid)을 처리한 처리구인 것을 확인할 수 있었다.
한편, 세네데스무스 속 우점조류 실내배양시 몇 가지 화합물 처리에 의한 조류의 지방산 조성 변화를 조사하였고, 하기 표 5에 나타내었다.
Figure 112011078518353-pat00005
그 결과, 상기 표 5에서도 확인 할 수 있듯이, 지방산 조성 변화를 조사했을 때 화합물에 따라 약간씩 다르기는 하지만 식물 정유 처리 대부분에서 팔미트 산(palmitic acid)(16:0)과 스테아르 산(stearic acid)(18:0)의 비율이 상대적으로 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
보다 상세하게는 마누카 오일(manuka oil)과 펠라곤 산(pelargonic acid) 처리에서는 팔미트 산(palmitic acid)과 리놀레 산(linoleic acid)의 상대적 함량이 무처리구에 비해 증가되었고, 케슈넛 오일(CNSL-Na)과 님 오일(neem oil) 처리에서는 팔미트 산(palmitic acid)과 스테아르 산(steric acid)의 함량 비율이 증가되었으며, 티몰(thymol) 처리에서는 스테아르 산(steric acid)과 올레 산(oleic acid)의 함량 비율이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 온실에서의 배양
5 L 부피의 페트병에 1/4 strength Allen's medium 2 L를 넣은 후, 세네데스무스(Scenedesmus) 속 우점 조류를 680 nm에서의 초기 흡광도가 약 1.0이 되도록 접종하였다. 접종 후 1일째에 시험 화합물을 조제하여 처리하였다. 약제처리된 조류 배양병을 25±1℃, 14시간 광주기의(일부 시간 보광) 온실 조건에서 15일간 키웠다. 기타 실험방법은 실내 생육실 시험에서와 동일하였다.
세네데스무스 속 우점조류 온실배양시 몇 가지 화합물 처리가 조류의 생장, 지질 및 지방산 함량에 미치는 효과를 하기 표 6에 나타내었다.
Figure 112011078518353-pat00006
상기 표 6에서도 확인할 수 있듯이, 흡광도 및 세포 건물중을 통해 생장조사를 했을 때 대조구 보다 증가된 생장을 보인 것은 티몰(thymol), 펠라곤 산(pelargonic acid) 및 케슈넛 오일(CNSL-Na) 처리구, 대조구 보다 생장이 둔화된 것은 마누카 오일(manuka oil) 처리구인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 건조중량 대비 지질함량이 뚜렷하게 증가된 처리구는 펠라곤 산(pelargonic acid), 마누카 오일(manuka oil) 처리구, 약간의 증가는 님 오일(neem oil) 및 티몰(thymol) 처리구에서 확인할 수 있었다. 건조 중량 대비 지방산 함량이 뚜렷하게 증가된 처리구는 펠라곤 산(pelargonic acid), 마누카 오일(manuka oil), 님 오일(neem oil) 처리구, 케슈넛 오일(CNSL-Na)과 티몰(thymol)은 약간 감소하는 경향을 확인할 수 있었었다.
전체적으로 건물대비 총 지질 및 지방산 함량이 모두 증가된 것은 마누카 오일(manuka oil), 님 오일(neem oil), 펠라곤 산(pelargonic acid) 처리구인 것을 확인할 수 있었다.
한편, 세네데스무스 속 우점 조류 온실 배양시 몇 가지 화합물 처리에 의한 조류의 지방산 조성 변화를 하기 표 7에 나타내었다.
Figure 112011078518353-pat00007
상기 표 7에서 확인할 수 있듯이, 지방산 조성 변화를 조사했을 때, 화합물에 따라 약간씩 다르기는 하지만 식물정유 처리 대부분에서 팔미트 산(palmitic acid)(16:0)과 스테아르 산(stearic acid)(18:0)의 비율이 상대적으로 증가하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
보다 상세하게는 마누카 오일(manuka oil) 처리에서는 팔미트 산(palmitic acid)이 증가되었고, 케슈넛 오일(CNSL-Na oil)과 님 오일(neem oil) 처리에서는 팔미트 산(palmitic acid)과 스테아르 산(steric acid)의 함량 비율이, 티몰 오일(thymol oil) 처리에서는 스테아르 산(steric acid)과 리놀레 산(linoleic acid)의 함량 비율이 증가되는 경향을 보였으며, 펠라곤 산(pelargonic acid) 처리에서는 팔미트 산(palmitic acid)과 리놀레 산(linoleic acid)의 상대적 함량이 무처리구에 비해 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 전반적으로 실내배양 실험 결과와 유사하였으며 지질 대사 변화정도가 보다 뚜렷하게 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 결과는 상기 본 발명의 식물 정유의 처리가 산화 안정성이 양호한 조류 오일(algal oil)의 생산성 증가에 기여할 수 있음을 확인한 결과이며, 배양환경 및 영양요인과 병행처리하면 그 효과가 증폭될 수 있음을 확인한 결과이기도 하다.
또한, 미세조류 옥외 배양시 본 발명의 식물 정유를 포함한 천연물을 처리함으로써 목표 조류종의 생장촉진, 위해 또는 경쟁 생물의 제어, 세포내 유용성분 조성의 변화 등의 목적을 동시에 달성할 수 있음을 확인한 결과이기도 하다.

Claims (13)

  1. 마누카 오일(manuka oil), 님 오일(neem oil), 티몰(thymol), 펠라르고닉 산(pelargonic acid), 타라곤 오일(tarragon oil), 케슈넛 오일(CNSL)로부터 선택되는 1종 이상의 식물 정유를 유효성분으로 포함한 천연물을 미세조류 배양시 처리하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양 또는 위해성(危害性) 조류 방제용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 미세조류는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 클로렐라(Chlorella) 속, 세네데스무스(Scenedesmus) 속, 스피룰리나(Spirulina) 속, 및 보트리오코쿠스(Botryococcus) 속으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 조성물.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 위해성 조류는 마이크로시스티스(Microcystis) 속, 아나베나(Anabaena) 속, 오실라토리아(Oscillatoria) 속, 아파니조메논(Aphanizomenon) 속, 노듈라리아(Nodularia) 속, 코클로디늄(Cochlodinium) 속, 및 스테파노디스커스(Stephanodiscus) 속으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 조성물.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 조성물은 유효성분 기준으로 0.01 내지 700 ppm 농도가 되도록 처리하는 것을 특징으로 하는 조성물.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 조성물은 미세조류의 총지질 함량 또는 탄소수 12~26의 지방산으로 구성된 탄소수(C12~C40)의 지질성분의 상대적 함량을 증진시키는 것을 특징으로 하는 조성물.
  8. 제 1항 및 제 4항 내지 제 7항에서 선택되는 어느 한 항에 따른 조성물을 미세조류 배양시 처리하는 것을 특징으로 하는, 미세조류 배양 또는 위해성(危害性) 조류 방제방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 방법은 조성물을 유효성분 기준으로 0.01 내지 700 ppm 농도가 되도록 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 방법은 클로렐라(Chlorella) 속 또는 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속으로부터 선택되는 1종 이상의 미세조류 배양시 마누카 오일(manuka oil)을 유효성분 기준으로 40 내지 200 ppm 농도범위로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 방법은 클로렐라(Chlorella) 속 또는 보트리오코쿠스(Botryococcus) 속으로부터 선택되는 1종 이상의 미세조류 배양시 님 오일(neem oil)을 유효성분 기준으로 10 내지 400 ppm 농도범위로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 방법은 세네데스무스(Scenedesmus) 속 미세조류 배양시 타라곤 오일(Tarragon oil)을 유효성분 기준으로 10 내지 150 ppm 농도범위로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 방법은 세네데스무스(Scenedesmus) 속, 클로렐라(Chlorella) 속, 클라미도모나스(Chlamydomonas) 속, 및 보트리오코쿠스(Botryococcus) 속으로부터 선택되는 1종 이상의 미세조류 배양시 펠라르고닉 산(pelargonic acid)을 10 내지 50 ppm 농도범위로 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
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