KR20220040409A - Method of Relieving Toxicity of Carbon Monoxide and Enhancing Stability of Biological Conversion of Carbon Monoxide Using Nanofluid - Google Patents

Method of Relieving Toxicity of Carbon Monoxide and Enhancing Stability of Biological Conversion of Carbon Monoxide Using Nanofluid Download PDF

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KR20220040409A
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정규열
황동수
최유성
차상학
강태욱
양재성
제화헌
강응수
백원흠
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포항공과대학교 산학협력단
충남대학교산학협력단
서강대학교산학협력단
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Abstract

Related is a method for decreasing the toxicity of carbon monoxide using a nanofluid and enhancing the stability of carbon monoxide metabolism of microorganisms. More specifically, related is a method which inhibits the toxic effect of carbon monoxide by using a biopolymer-based nanofluid capable of capturing carbon monoxide, to reduce a substrate inhibition effect of the carbon monoxide on microorganisms and enhancing the substrate metabolic stability of carbon monoxide metabolizing microorganisms.

Description

나노유체를 이용한 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법{Method of Relieving Toxicity of Carbon Monoxide and Enhancing Stability of Biological Conversion of Carbon Monoxide Using Nanofluid}Method of Relieving Toxicity of Carbon Monoxide and Enhancing Stability of Biological Conversion of Carbon Monoxide Using Nanofluid

본 발명은 나노유체를 이용한 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일산화탄소 포집이 가능한 바이오폴리머 기반 나노유체를 사용하여 일산화탄소의 독성 영향을 저해시킴으로써 미생물에 대한 일산화탄소의 기질 저해 효과를 감축시키고 일산화탄소 대사 미생물의 기질 대사 안정성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the toxicity of carbon monoxide and improving the stability of carbon monoxide metabolism of microorganisms using a nanofluid. It relates to a method for reducing the substrate inhibitory effect of the carbon monoxide and improving the substrate metabolic stability of carbon monoxide metabolizing microorganisms.

미생물 발효 공정을 이용한 화학 물질의 생산은 기존의 화학적 생산 방법의 한계점을 극복할 수 있는 기술로 여겨지고 있으며, 이러한 미생물 기반 화학물질 생산의 가격 경쟁력을 높이기 위해서 값싸고 풍부한 탄소원을 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 일산화탄소는 철강 제련 공정을 포함하는 다양한 산업 공정으로부터 발생하는 부생가스에 다량 포함되어 있다고 알려져 있으며, 부생가스로부터의 수득이 용이하다는 점 때문에 차세대 탄소원으로서 주목을 받고 있다(Office of Air and Radiation. Technical support document for the iron and steel sector: proposed rule for mandatory reporting of greenhouse gases.(U.S. Environmental Protection Agency, 2009)). 최근 자연적으로 일산화탄소를 대사할 수 있는 여러 미생물들이 발견되고 연구되어짐에 따라 미생물 발효 공정의 차세대 탄소원으로써 일산화탄소의 잠재력이 더욱 고평가되고 있다(Im, H. S. et al., Biotechnol. Bioprocess Eng. 24, 232-239(2019); Liew, F. et al., Front. Microbiol. 7, 694(2016); Molitor, B. et al., Bioresour. Technol. 215, 386-396(2016)).The production of chemicals using the microbial fermentation process is regarded as a technology that can overcome the limitations of the existing chemical production methods, and studies to utilize cheap and abundant carbon sources to increase the price competitiveness of the production of these microorganism-based chemicals are actively conducted. is in progress In particular, it is known that carbon monoxide is contained in a large amount in the by-product gas generated from various industrial processes including the steel smelting process, and is attracting attention as a next-generation carbon source because it is easy to obtain from the by-product gas (Office of Air and Radiation. Technical support document for the iron and steel sector: proposed rule for mandatory reporting of greenhouse gases. (US Environmental Protection Agency, 2009). Recently, as several microorganisms that can naturally metabolize carbon monoxide have been discovered and studied, the potential of carbon monoxide as a next-generation carbon source for microbial fermentation processes is being evaluated more highly (Im, HS et al., Biotechnol. Bioprocess Eng . 24, 232- 239 (2019); Liew, F. et al., Front. Microbiol . 7, 694 (2016); Molitor, B. et al., Bioresour. Technol . 215, 386-396 (2016)).

그럼에도 불구하고, 일산화탄소 기반의 미생물 배양은 지속적이고 안정적인 공정의 운영이 어렵다는 한계점을 가지고 있으며, 상기 일산화탄소 기반 미생물 배양의 불안정성의 원인으로는 일산화탄소가 가지는 미생물에 대한 독성이 대표적인 것으로 여겨진다. 일산화탄소는 미생물 내에 존재하는 금속 효소에 강하게 부착되어 해당 효소들의 활성을 감소시키는 특성을 가지고 있으며, 이러한 기작에 의해 미생물의 호흡이나 DNA 복제, 에너지 생산 등이 저해될 수 있다(Davidge, K. S. et al., J. Biol. Chem. 284, 4516-4524(2009); Nobre, L. S. et al., Antimicrob. Agents Chemother. 51, 4303-4307(2007)). 이러한 일산화탄소의 독성은 미생물의 전체 대사 활성을 급감시키는 주요한 원인이 될 수 있으며, 이는 결론적으로 일산화탄소 기반 미생물 발효 공정의 불안정성을 야기한다(Ainala, S. K. et al., Biotechnol. Biofuels 10, 80(2017)). 상기 미생물에 대한 일산화탄소의 독성을 경감시키기 위해서 기존에는 미생물 배양 조건을 최적화하거나 미생물의 생리학적 특성을 개량하는 방향으로 연구가 진행되어왔다. 배양 조건 최적화를 통해서 일산화탄소의 독성을 경감시키기 위해서는 물질 전달 제한(mass transfer limitation) 조건을 활용할 수 있다. 물질 전달 제한 조건이란 기체 형태의 일산화탄소가 배지로 녹아 들어가는 속도(mass transfer rate)보다 미생물이 배지 내 용존 일산화탄소를 소모하는 속도가 빠른 조건을 의미한다(Chan, M. et al., Chem. Eng. Sci. 47, 3541-3548(1992)). 해당 조건에서는 배지에 녹아 든 용존 일산화탄소가 미생물에 의해 빠른 속도로 소모되기 때문에 독성을 가지는 용존 일산화탄소의 농도를 매우 낮은 수준으로 낮출 수 있고, 이를 통해 일산화탄소의 독성을 최소화할 수 있다. 하지만, 일산화탄소 대사 미생물의 대사 활성은 다양한 원인에 의해서 시간의 흐름에 따라 점진적으로 감소할 수 있으며, 미생물에 의한 일산화탄소 소모 속도의 감소는 지속적이고 안정적인 물질 전달 제한 조건의 유지를 어렵게 한다. 한편, 미생물 자체의 특성 개량을 통해서도 일산화탄소의 독성에 의한 효과를 감소시킬 수 있으며, 이러한 연구는 진화적인 방법을 통해 일산화탄소에 대한 미생물의 내성을 향상시키는 방향으로 진행된 바 있다9. 하지만, 미생물의 진화적 개량을 통해 일산화탄소에 대한 내성을 향상시킨 연구는 사례가 많지 않으며, 각 균주마다 균주의 특성에 맞는 특이적인 개량이 필요하다는 한계점이 있다. 또한, 진화적 방법을 통한 미생물 균주 개량의 경우, 진화된 균주에서도 높은 일산화탄소 농도에서는 여전히 일산화탄소 독성에 의한 효과가 나타났다는 점에서 한계가 있다(Kang, S. et al., Front. Microbiol. 11, 402(2020)).Nevertheless, carbon monoxide-based microbial culture has a limitation in that it is difficult to operate a continuous and stable process, and toxicity to microorganisms of carbon monoxide is considered to be a representative cause of instability of the carbon monoxide-based microbial culture. Carbon monoxide is strongly attached to the metal enzymes present in microorganisms and has a characteristic of reducing the activity of the enzymes, and by this mechanism, respiration of microorganisms, DNA replication, energy production, etc. may be inhibited (Davidge, KS et al. , J. Biol. Chem . 284, 4516-4524 (2009); Nobre, LS et al., Antimicrob. Agents Chemother . 51, 4303-4307 (2007)). The toxicity of carbon monoxide can be a major cause of a sharp decrease in the overall metabolic activity of microorganisms, which in turn causes instability of the carbon monoxide-based microbial fermentation process (Ainala, SK et al., Biotechnol. Biofuels 10, 80 (2017)). ). In order to reduce the toxicity of carbon monoxide to the microorganism, research has been conducted in the direction of optimizing the microbial culture conditions or improving the physiological characteristics of the microorganism. In order to reduce the toxicity of carbon monoxide through optimization of culture conditions, mass transfer limitation conditions can be used. The mass transfer limiting condition refers to a condition in which the rate at which the gaseous carbon monoxide is dissolved into the medium (mass transfer rate) is faster than the rate at which the microorganisms consume dissolved carbon monoxide in the medium (Chan, M. et al., Chem. Eng . Sci. 47, 3541-3548 (1992)). Under these conditions, the concentration of toxic dissolved carbon monoxide can be reduced to a very low level because the dissolved carbon monoxide dissolved in the medium is consumed at a fast rate by microorganisms, thereby minimizing the toxicity of carbon monoxide. However, the metabolic activity of carbon monoxide metabolizing microorganisms may gradually decrease over time due to various causes, and the decrease in the rate of carbon monoxide consumption by microorganisms makes it difficult to maintain continuous and stable mass transfer limiting conditions. On the other hand, the effects of carbon monoxide toxicity can be reduced by improving the properties of microorganisms themselves, and these studies have been conducted in the direction of improving the resistance of microorganisms to carbon monoxide through an evolutionary method 9 . However, there are not many studies that improve resistance to carbon monoxide through evolutionary improvement of microorganisms, and there is a limitation that specific improvement is required for each strain according to the characteristics of the strain. In addition, in the case of microbial strain improvement through the evolutionary method, there is a limitation in that the effect due to carbon monoxide toxicity was still shown at a high carbon monoxide concentration even in the evolved strain (Kang, S. et al., Front. Microbiol. 11, 402 (2020)).

한편, 나노유체(nanofluid)란 나노미터 크기의 입자를 포함하는 유체로, 통상적으로 직경이 100 nm보다 작거나 유사한 수준의 나노입자들이 안정적으로 분산된 분산액을 의미한다. 최근에는 표면이 기능화된 나노입자를 도입한 나노유체(nanofluid)를 도입하여 다양한 생물학적 목적으로 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있다(George, J. et al., Nanotechnol. Sci. Appl. 8, 45-54(2015)). 하지만, 기존에 사용되던 무기물 기반의 산화물, 질화물 및 카바이드 세라믹스, 금속 및 금속 산화물, 그리고 카본 나노튜브 기반의 나노입자를 사용했을 때에는 세포에 대한 독성 때문에 생물학적인 목적으로 다양한 적용이 어렵다는 한계점이 존재했다. 반면, 셀룰로오스를 기반으로 제작되는 셀룰로오스 나노입자(cellulose nanocrystal, CNC)를 사용할 경우 해당 나노입자가 가지는 세포 친화적인 특성 때문에 다양한 생물학적인 목적으로의 적용이 가능하다는 장점이 있다(George, J. et al., Nanotechnol. Sci. Appl. 8, 45-54(2015)). 이러한 셀룰로오스 나노입자의 경우 효소의 고정이나 항미생물질이 생산, 환경친화적 촉매 및 약물 전달 시스템의 개발 등 다양한 생물학적 목적에 활용된 바 있으며, 대한민국 등록특허 제10-2139352호에 셀룰로오스 기반 나노유체를 C1 가스 생물전환 공정에서 세포 내 C1 가스의 전달 효율을 높이기 위한 목적으로 활용된 바가 기재되어 있을 뿐이다.Meanwhile, a nanofluid is a fluid containing nanometer-sized particles, and typically refers to a dispersion in which nanoparticles having a diameter smaller than or similar to 100 nm are stably dispersed. Recently, research is underway to introduce nanofluids with surface-functionalized nanoparticles and use them for various biological purposes (George, J. et al., Nanotechnol. Sci. Appl . 8, 45-). 54 (2015)). However, when conventional inorganic-based oxide, nitride and carbide ceramics, metal and metal oxide, and carbon nanotube-based nanoparticles were used, various applications for biological purposes were difficult due to toxicity to cells. . On the other hand, when cellulose nanoparticles (CNC) manufactured based on cellulose are used, there is an advantage that they can be applied for various biological purposes due to the cell-friendly properties of the nanoparticles (George, J. et al . ., Nanotechnol. Sci. Appl . 8, 45-54 (2015)). In the case of these cellulose nanoparticles, they have been used for various biological purposes, such as the immobilization of enzymes, the production of antimicrobial substances, and the development of environmentally friendly catalysts and drug delivery systems. Only the bar used for the purpose of increasing the transfer efficiency of intracellular C1 gas in the gas bioconversion process is described.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고 미생물에 대한 일산화탄소의 독성을 경감시켜 미생물의 일산화탄소 대사 안정성을 향상시키기 위하여 예의 노력한 결과, 타닌-전이금속 복합체가 도입된 바이오폴리머 기반 나노유체를 사용할 경우 미생물에 대한 일산화탄소의 독성을 경감시킬 뿐만 아니라, 미생물의 일산화탄소 대사 안정성을 향상시킬 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have made diligent efforts to solve the above problems and improve the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms by reducing the toxicity of carbon monoxide to microorganisms. It was confirmed that not only to reduce the toxicity of carbon monoxide, but also to improve the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms, the present invention was completed.

대한민국 등록특허 제10-2139352호Republic of Korea Patent Registration No. 10-2139352

1. Office of Air and Radiation. Technical support document for the iron and steel sector: proposed rule for mandatory reporting of greenhouse gases.(U.S. Environmental Protection Agency, 2009)1. Office of Air and Radiation. Technical support document for the iron and steel sector: proposed rule for mandatory reporting of greenhouse gases. (U.S. Environmental Protection Agency, 2009) 2. Im, H. S. et al. Isolation of novel CO converting microorganism using zero valent iron for a bioelectrochemical system(BES). Biotechnol. Bioprocess Eng. 24, 232-239(2019)2. Im, H. S. et al. Isolation of novel CO converting microorganism using zero valent iron for a bioelectrochemical system(BES). Biotechnol. Bioprocess Eng. 24, 232-239 (2019) 3. Liew, F. et al. Gas fermentation-a flexible platform for commercial scale production of low-carbon-fuels and chemicals from waste and renewable feedstocks. Front. Microbiol. 7, 694(2016)3. Liew, F. et al. Gas fermentation-a flexible platform for commercial scale production of low-carbon-fuels and chemicals from waste and renewable feedstocks. Front. Microbiol. 7, 694 (2016) 4. Molitor, B. et al. Carbon recovery by fermentation of CO-rich off gases - turning steel mills into biorefineries. Bioresour. Technol. 215, 386-396(2016)4. Molitor, B. et al. Carbon recovery by fermentation of CO-rich off gases - turning steel mills into biorefineries. Bioresour. Technol. 215, 386-396 (2016) 5. Davidge, K. S. et al. Carbon monoxide-releasing antibacterial molecules target respiration and global transcriptional regulators. J. Biol. Chem. 284, 4516-4524(2009)5. Davidge, K. S. et al. Carbon monoxide-releasing antibacterial molecules target respiration and global transcriptional regulators. J. Biol. Chem. 284, 4516-4524 (2009) 6. Nobre, L. S., Seixas, J. D., Romγo, C. C. & Saraiva, L. M. Antimicrobial action of carbon monoxide-releasing compounds. Antimicrob. Agents Chemother. 51, 4303-4307(2007)6. Nobre, L. S., Seixas, J. D., Romγo, C. C. & Saraiva, L. M. Antimicrobial action of carbon monoxide-releasing compounds. Antimicrob. Agents Chemother. 51, 4303-4307 (2007) 7. Ainala, S. K., Seol, E., Kim, J. R. & Park, S. Citrobacter amalonaticus Y19 for constitutive expression of carbon monoxide-dependent hydrogen-production machinery. Biotechnol. Biofuels 10, 80(2017)7. Ainala, S. K., Seol, E., Kim, J. R. & Park, S. Citrobacter amalonaticus Y19 for constitutive expression of carbon monoxide-dependent hydrogen-production machinery. Biotechnol. Biofuels 10, 80 (2017) 8. Chan, M., Morsi, B. I. Solubilities and mass transfer coefficient of carbon monoxide in a gas-inducing reactor operating with organic liquids under high pressures and temperatures. Chem. Eng. Sci. 47, 3541-3548(1992)8. Chan, M., Morsi, B. I. Solubilities and mass transfer coefficient of carbon monoxide in a gas-inducing reactor operating with organic liquids under high pressures and temperatures. Chem. Eng. Sci. 47, 3541-3548 (1992) 9. Kang, S., Song, Y et al. Adaptive laboratory evolution of Eubacterium limosum ATCC 8486 on carbon monoxide. Front. Microbiol. 11, 402(2020)9. Kang, S., Song, Y et al. Adaptive laboratory evolution of Eubacterium limosum ATCC 8486 on carbon monoxide. Front. Microbiol. 11, 402 (2020) 10. George, J., Sabapathi, S. N. Cellulose nanocrystals: synthesis, functional properties, and applications. Nanotechnol. Sci. Appl. 8, 45-54(2015)10. George, J., Sabapathi, S. N. Cellulose nanocrystals: synthesis, functional properties, and applications. Nanotechnol. Sci. Appl. 8, 45-54 (2015)

본 발명의 목적은 바이오폴리머 기반 나노유체를 사용하여 CO를 탄소원으로 활용할 수 있는 미생물에 대한 일산화탄소의 독성을 저감시켜 미생물의 일산화탄소 대사 안정성을 향상시키는 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a method for improving the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms by reducing the toxicity of carbon monoxide to microorganisms that can utilize CO as a carbon source using a biopolymer-based nanofluid.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 타닌-전이금속 복합체가 도입된 바이오폴리머 나노입자가 매질에 분산되어 있는 나노유체를 함유하는 배지내 CO를 탄소원으로 활용할 수 있는 미생물을 배양하는 단계를 포함하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성의 향상방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes the step of culturing a microorganism capable of utilizing CO as a carbon source in a medium containing a nanofluid in which biopolymer nanoparticles into which the tannin-transition metal complex is introduced are dispersed. To provide a method for reducing the toxicity of carbon monoxide and improving the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms.

본 발명에 따른 미생물의 일산화탄소 독성 경감과 이를 통한 일산화탄소 대사 안정성의 향상은 일산화탄소 기반 미생물 배양의 경제성을 높일 수 있으며, 해당 미생물 배양을 통한 산업 부생가스 내 독성가스 제거 및 고부가가치 물질의 생산 등의 분야에서 다양하게 활용될 수 있다.Reduction of carbon monoxide toxicity of microorganisms according to the present invention and improvement of carbon monoxide metabolic stability through this can increase the economic feasibility of culturing carbon monoxide-based microorganisms. can be used in a variety of ways.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 타닌-철 나노입자의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2(a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자의 첨가 농도에 따른 유박테리엄 리모섬에 대한 일산화탄소의 독성 저감 효과를 나타낸 그래프이다.
도 2(b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자의 구성 성분을 각기 첨가한 조건에서 유박테리엄 리모섬에 대한 일산화탄소의 독성 저감 효과를 비교한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자의 첨가 농도에 따른 클로스트리듐 오토에타노제넘에 대한 일산화탄소의 독성 저감 효과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 일산화탄소의 물질 전달 제한 조건의 탐색 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자가 도입된 배지 내에서 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사 안정성의 향상 효과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자가 도입된 배지내에서 물질전달계수(KLa) 향상 효과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자가 도입된 배지 내에서 일산화탄소 용해도 향상 효과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자가 도입된 배지의 점도 및 표면장력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9(a)은 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자 및 이를 구성하는 타닌-전이금속 복합체 및 셀룰로오스 나노입자가 도입된 배지의 CO가스 버블 안정화 효과를 나타낸 그래프이다.
도 9(b)은 본 발명의 일 실시예에 따라 타닌-철 나노입자 및 이를 구성하는 타닌-전이금속 복합체 및 셀룰로오스 나노입자가 도입된 배지의 CO가스 버블 상승 속도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10(a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 표면증강라만분광법(SERS)를 이용하여, 배양 배지 내 타닌-철 나노입자 나노유체 도입에 따른 타닌-철 나노입자의 일산화탄소 흡착을 나타낸 도면이다.
도 10(b)는 본 발명의 일 실시예를 따라 표면증강라만분광법(SERS)를 이용하여, 배양 배지 내 타닌-철 나노입자 나노유체 도입에 따른 타닌-철 나노입자의 일산화탄소 탈착을 나타낸 도면이다.
1 is a schematic diagram showing the structure of tannin-iron nanoparticles prepared in Example 1 of the present invention.
2(a) is a graph showing the effect of reducing the toxicity of carbon monoxide on Eubacterium limosum according to the concentration of tannin-iron nanoparticles added according to an embodiment of the present invention.
2 (b) is a graph comparing the toxicity reduction effect of carbon monoxide on Eubacterium limosum under the condition that each component of tannin-iron nanoparticles is added according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the effect of reducing the toxicity of carbon monoxide to Clostridium autoethanogenum according to the concentration of tannin-iron nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a search result of a carbon monoxide mass transfer restriction condition according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the effect of improving the carbon monoxide metabolic stability of Eubacterium limosum in a medium to which tannin-iron nanoparticles are introduced according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the effect of improving the mass transfer coefficient (K L a) in a medium to which tannin-iron nanoparticles are introduced according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the effect of improving carbon monoxide solubility in a medium to which tannin-iron nanoparticles are introduced according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing changes in viscosity and surface tension of a medium to which tannin-iron nanoparticles are introduced according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 (a) is a graph showing the effect of stabilizing CO gas bubbles in the medium to which the tannin-iron nanoparticles and the tannin-transition metal complex and cellulose nanoparticles are introduced according to an embodiment of the present invention.
9 (b) is a graph showing the change in the rate of rise of CO gas bubbles in the medium to which the tannin-iron nanoparticles and the tannin-transition metal complex and cellulose nanoparticles constituting the tannin-iron nanoparticles are introduced according to an embodiment of the present invention.
10 (a) is a view showing carbon monoxide adsorption of tannin-iron nanoparticles according to the introduction of tannin-iron nanoparticles nanofluid into a culture medium using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) according to an embodiment of the present invention; FIG. .
10 (b) is a diagram showing carbon monoxide desorption of tannin-iron nanoparticles according to the introduction of tannin-iron nanoparticles nanofluid into a culture medium using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) according to an embodiment of the present invention; FIG. .

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In general, the nomenclature used herein is those well known and commonly used in the art.

본 발명은 C1 가스 생물전환 공정에 활용된 셀룰로오스 기반 나노유체의 경우 나노입자 표면에 기능화된 타닌-철 복합체가 C1 가스를 흡착/탈착할 수 있는 것을 근거로 하여 타닌-전이금속 복합체가 도입된 셀룰로오스 나노입자 기반 나노유체를 미생물에 대한 일산화탄소의 독성을 저감시키기 위한 목적으로 활용할 경우, 미생물에 대한 일산화탄소의 독성을 저감시킴으로써 미생물의 일산화탄소 대사 안정성을 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다.The present invention is based on the fact that in the case of a cellulose-based nanofluid used in the C1 gas bioconversion process, the tannin-iron complex functionalized on the nanoparticle surface can adsorb/desorb C1 gas, and the tannin-transition metal complex introduced cellulose When the nanoparticle-based nanofluid is used for the purpose of reducing the toxicity of carbon monoxide to microorganisms, it was confirmed that carbon monoxide metabolic stability of microorganisms can be improved by reducing the toxicity of carbon monoxide to microorganisms.

따라서, 본 발명은 일 관점에서 타닌-전이금속 복합체가 도입된 바이오폴리머 나노입자가 매질에 분산되어 있는 나노유체를 함유하는 배지에서 CO를 탄소원으로 활용할 수 있는 미생물을 배양하는 단계를 포함하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성의 향상방법에 관한 것이다.Therefore, the present invention in one aspect tannin-transition metal complex introduced biopolymer nanoparticles in a medium containing a nanofluid dispersed in the medium of carbon monoxide comprising the step of culturing a microorganism that can utilize CO as a carbon source It relates to a method for reducing toxicity and improving the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 있어서, 나노유체(nanofluid)란 나노미터 크기의 입자를 포함하는 유체로, 통상적으로 직경이 100 nm보다 작거나 유사한 수준의 나노입자들이 안정적으로 분산된 분산액을 의미하고, 나노입자(nanoparticles)란 나노미터 크기의 입자를 의미한다.In the present invention, a nanofluid is a fluid containing nanometer-sized particles, and typically refers to a dispersion in which nanoparticles having a diameter smaller than or similar to 100 nm are stably dispersed, and nanoparticles ) means nanometer-sized particles.

또한, 본 발명에 있어서, 바이오폴리머(biopolymer)란 생물이 생성하는 고분자 물질로 생물체를 구성하는 탄수화물, 지방, 단백질, 핵산과 이들의 복합체 등이 생물체 내에서 합성되어 체외로 분비하는 다양한 종류의 고분자 물질을 일컫는다.In addition, in the present invention, a biopolymer is a polymer material produced by living organisms, and carbohydrates, fats, proteins, nucleic acids and complexes thereof constituting the living organism are synthesized in the organism and secreted outside the body of various types of polymers. refers to the substance.

본 발명은 타닌-철 복합체와 같은 타닌-전이금속 복합체가 도입된 셀룰로오스 등과 같은 바이오폴리머 나노입자를 포함하는 나노유체를 사용하여 미생물에 대한 일산화탄소의 독성 저감 및 이를 통해 미생물의 일산화탄소 대사 안정성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.The present invention uses a nanofluid containing biopolymer nanoparticles such as cellulose to which a tannin-transition metal complex is introduced, such as a tannin-iron complex, to reduce the toxicity of carbon monoxide to microorganisms and thereby improve the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms characterized in that

본 발명에 있어서, 배양은 기체상태의 일산화탄소가 액체배지로 전달되는 속도가 미생물에 의한 일산화탄소 대사 속도보다 빠른 효소 활성 제한조건 혹은 미생물에 의한 일산화탄소 대사 속도가 기체상태의 일산화탄소가 액체배지로 전달되는 속도보다 빠른 물질 전달 제한조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the culture, the rate at which gaseous carbon monoxide is transferred to the liquid medium is faster than the rate of carbon monoxide metabolism by microorganisms under enzyme activity limiting conditions or the rate of carbon monoxide metabolism by microorganisms is the rate at which gaseous carbon monoxide is transferred to the liquid medium It is characterized in that it is performed under faster mass transfer constraints.

본 발명의 일 실시예에서의 배양은 1) 독성 평가를 위해서는 효소 활성 제한 조건에서, 2) 안정성 평가를 위해서는 물질 전달 제한조건에서 수행되었다.Cultivation in an embodiment of the present invention was 1) under conditions of restriction of enzyme activity for toxicity evaluation, and 2) under conditions of restriction of mass transfer for evaluation of stability.

본 발명에 있어서, 상기 전이금속은 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo) 및 크롬(Cr)으로 구성된 군에서 1종 이상 선택할 수 있고, 바람직하게는 철(Fe)을 사용하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the transition metal may be one or more selected from the group consisting of iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), molybdenum (Mo) and chromium (Cr), preferably iron (Fe) ), but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 일산화탄소의 생물학적 대사는 자연적으로 일산화탄소를 대사하는 여러 미생물들을 통해 이루어질 수 있으며, 상기 미생물은 일산화탄소 대사 미생물이고, 상기 일산화탄소 대사 미생물로는 대표적인 예로는 Eubacterium limosum, Moorella thermoacetica, Clostridium ljungdahlii, Citrobactor amalonaticus Y19, Clostridium autoethanogenum, Citrobactor amalonaticus Y19, Acetobacterium Woodii 또는 Alkalibaculum bacchi 등이 있다. 이들은 일산화탄소를 이산화탄소로 전환 가능한 일산화탄소 탈수소 효소를 가지고 있으며, 해당 효소를 통해 일산화탄소를 이산화탄소로 산화시킴으로써 환원력을 얻게 되는데 이 때 얻어진 환원력을 사용하여 미생물의 성장 및 생존에 필요한 에너지를 생산하는 것으로 알려져 있다.In the present invention, the biological metabolism of carbon monoxide can be achieved through various microorganisms that naturally metabolize carbon monoxide, the microorganisms are carbon monoxide metabolizing microorganisms, and representative examples of the carbon monoxide metabolizing microorganisms include Eubacterium limosum , Moorella thermoacetica , Clostridium ljungdahlii , Citrobactor amalonaticus Y19, Clostridium autoethanogenum , Citrobactor amalonaticus Y19, Acetobacterium Woodii or Alkalibaculum bacchi . They have a carbon monoxide dehydrogenase that can convert carbon monoxide to carbon dioxide, and obtain reducing power by oxidizing carbon monoxide to carbon dioxide through the enzyme. It is known that using the reducing power obtained at this time, it is known to produce energy necessary for the growth and survival of microorganisms.

본 발명의 구체적 예에 있어서, 상기 일산화탄소 대사균주는 박테리아, 고세균으로 구성된 군에서 선택하는 것을 특징으로 할 수 있고, 바람직하게는 유박테리엄(Eubacterium) 속 미생물, 클로스트리듐(Clostridium) 속 미생물, 시트로박터(Citrobactor) 속 미생물, 무렐라(Moorella) 속 미생물, 알칼리바큘럼(Alkalibaculum) 속 미생물 및 아세토박테리움(Acetobacterium) 속 미생물로 구성된 군에서 1종 이상 선택할 수 있고, 바람직하게는 유박테리엄 리모섬(Eubacterium limosum) 또는 클로스트리듐 오토에타노제넘(Clostridium autoethanogenum)일 수 있다. 하지만, 본 발명에서 사용되는 일산화탄소 대사균주는 일산화탄소를 생물학적으로 대사가능한 미생물이면 특별히 한정되지 않는다.In a specific example of the present invention, the carbon monoxide metabolizing strain may be selected from the group consisting of bacteria and archaea, preferably Eubacterium genus microorganisms, Clostridium genus microorganisms, Citrobacter ( Citrobactor ) genus microorganisms, Murella ( Moorella ) genus microorganisms, alkaline baculum genus microorganisms and Acetobacterium ( Acetobacterium ) One or more species can be selected from the group consisting of microorganisms, preferably Eubacterium It may be Eubacterium limosum or Clostridium autoethanogenum . However, the carbon monoxide metabolizing strain used in the present invention is not particularly limited as long as it is a microorganism capable of biologically metabolizing carbon monoxide.

본 발명에 있어서, 상기 바이오폴리머는 셀룰로오스(cellulose), 키토산(chitosan), 폴리감마글루탐산(poly-gamma-glutamic acid, PGA), 폴리락트산(polylactic acid, PLA), 폴리하이드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA), 폴리하이드록시부틸산(polyhydroxybutyric acid, PHB) 및 폴리올레핀(polyolefin, PL)으로 구성된 군에서 1종 이상 선택할 수 있고, 바람직하게는 셀룰로오스를 이용하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the biopolymer is cellulose, chitosan, poly-gamma-glutamic acid (PGA), polylactic acid (PLA), polyhydroxyalkanoate (polyhydroxyalkanoate) , PHA), polyhydroxybutyric acid (PHB) and polyolefin (polyolefin, PL) may be selected from the group consisting of at least one, preferably using cellulose, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 나노유체는(a) 바이오폴리머에 산을 첨가하여 바이오폴리머 나노입자를 제조하는 단계; 및(b) b) 상기 바이오폴리머 나노입자를 타닌 용액과 전이금속 용액에 첨가하여 분산시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.In the present invention, the nanofluid comprises the steps of (a) adding an acid to the biopolymer to prepare biopolymer nanoparticles; and (b) b) adding and dispersing the biopolymer nanoparticles to a tannin solution and a transition metal solution.

본 발명에 있어서, 상기 산은 황산, 염산, 질산, 인산, 불산 및 포름산으로 구성된 군에서 1종 이상 선택할 수 있다.In the present invention, the acid may be selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid and formic acid.

본 발명에 있어서, 상기 바이오폴리머 나노입자는 0.1 내지 50nm의 직경과 10~1㎛의 길이를 갖는 실린더 형태일 수 있다. 바람직하게는 실린더의 직경은 1 내지 25nm일 수 있으며, 길이는 40 내지 800nm일 수 있다. 셀룰로오스에 산을 첨가하여 해중합함으로써 실린더 형태의 나노입자를 대량 생산할 수 있으며, 실린더 형태는 길이 방향을 따라 넓은 표면적을 가짐으로써 타닌-전이금속 복합체를 도입하기에 유리하다.In the present invention, the biopolymer nanoparticles may have a cylindrical shape having a diameter of 0.1 to 50 nm and a length of 10 to 1 μm. Preferably, the diameter of the cylinder may be 1 to 25 nm, and the length may be 40 to 800 nm. By depolymerizing cellulose by adding acid, cylindrical nanoparticles can be mass-produced, and the cylindrical shape has a large surface area along the longitudinal direction, which is advantageous for introducing tannin-transition metal complexes.

본 발명에 있어서, 타닌(tannin)은 식물에 의해 합성되는 폴리페놀의 일종으로서 그 분자량은 500 내지 20000일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 체내의 노화를 유발하는 활성산소를 제거하고 동맥의 혈전을 없애줌으로써 동맥경화를 예방하는 기능이 있는 것으로 알려져 있다.In the present invention, tannin is a kind of polyphenol synthesized by plants, and its molecular weight may be 500 to 20000, but is not limited thereto. It is known to have the function of preventing arteriosclerosis by removing free radicals that cause aging in the body and removing blood clots in the arteries.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀룰로오스 나노입자 함유 나노유체에서 타닌-철 복합체는 타닌이 철 이온과 배위결합을 형성한 것일 수 있다. 도 1에서 타닌이 철 이온과 배위결합을 형성하고 있는 타닌-철 복합체가 셀룰로오스 나노입자와 결합되어 있다. 타닌산은 분자 내에 다수의 갈로일 그룹(galloyl group)을 포함하고 있으며, 상기 그룹은 제조 과정에서 철염으로부터 발생하는 철 이온과 배위결합을 형성하여 안정적인 착화합물(타닌-철 복합체)을 이루게 된다. 이 때 타닌산이 가지는 갈로일 그룹이 서로 다른 철 이온과 배위결합을 이룸으로써 가교결합(cross link)을 형성할 수도 있다. 상기 타닌-철 복합체는 수소결합을 통해 셀룰로오스와 결합함으로써 타닌-철 나노셀룰로오스를 형성할 수 있다.In the nanofluid containing cellulose nanoparticles according to a preferred embodiment of the present invention, the tannin-iron complex may be one in which tannins form a coordination bond with iron ions. In FIG. 1 , a tannin-iron complex in which tannins form a coordination bond with iron ions is combined with cellulose nanoparticles. Tannic acid contains a plurality of galloyl groups in the molecule, and the group forms a coordination bond with iron ions generated from iron salts during the manufacturing process to form a stable complex (tannin-iron complex). At this time, the galloyl group of tannic acid may form a cross link by coordinating with different iron ions. The tannin-iron complex may form tannin-iron nanocellulose by bonding with cellulose through hydrogen bonding.

여기서 철은 FeCl3, FeCl2, Fe(NO3)3, Fe(NO3)2, Fe2(SO4)3, FeSO4, 나노영가철(nano zerovalent iron), Fe2O3 및 Fe3O4로 구성된 군에서 선택된 1종 이상으로부터 유래된 것일 수 있고, 자성을 갖는 철 입자일 수 있다.where iron is FeCl 3 , FeCl 2 , Fe(NO 3 ) 3 , Fe(NO 3 ) 2 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , FeSO 4 , nano zerovalent iron, Fe 2 O 3 and Fe 3 It may be derived from at least one selected from the group consisting of O 4 , and may be iron particles having magnetism.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀룰로오스 나노입자 함유 나노유체에서 셀룰로오스 나노입자에 철을 포함하는 복합체를 도입한 경우, 자석을 이용하여 나노입자 함유 나노유체로부터 나노입자를 회수할 수 있다. 상기 복합체는 타닌과 상기와 같은 철 또는 철 염이 300:1 내지 1:1의 중량 비율로 혼합되어 형성될 수 있다.When a complex containing iron is introduced into cellulose nanoparticles in the nanofluid containing cellulose nanoparticles according to a preferred embodiment of the present invention, nanoparticles can be recovered from the nanofluid containing nanoparticles using a magnet. The complex may be formed by mixing tannin and iron or iron salt as described above in a weight ratio of 300:1 to 1:1.

본 발명에 있어서, 상기 나노유체에서 상기 바이오폴리머 나노입자와 상기 타닌-전이금속 복합체의 중량비는 1:10 내지 1:1000일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀룰로오스 나노입자 함유 나노유체에서 셀룰로오스 나노입자와 상기 복합체는 1:10 내지 1:1000 중량 비율, 바람직하게는 1:100 내지 1:150 중량 비율로 존재할 수 있으며, 상기 범위의 중량 비율을 사용했을 때 셀룰로오스 나노입자 표면에 상기 복합체의 가장 효율적인 코팅이 가능하다.In the present invention, the weight ratio of the biopolymer nanoparticles and the tannin-transition metal complex in the nanofluid may be 1:10 to 1:1000. In the nanofluid containing cellulose nanoparticles according to a preferred embodiment of the present invention, the cellulose nanoparticles and the composite may be present in a weight ratio of 1:10 to 1:1000, preferably 1:100 to 1:150 by weight, The most efficient coating of the composite on the surface of the cellulose nanoparticles is possible when the weight ratio in the above range is used.

본 발명에 따른 셀룰로오스 나노입자 함유 나노유체에서 매질은 물, 에탄올, 프로판올 및 아세트산과 같은 극성 용매로 구성된 군에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the nanofluid containing cellulose nanoparticles according to the present invention, the medium may be selected from the group consisting of a polar solvent such as water, ethanol, propanol and acetic acid, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 타닌-전이금속 복합체가 도입된 바이오폴리머 나노입자와 상기 매질의 중량비는 1:5000 내지 1:50일 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀룰로오스 나노입자 함유 나노유체에서 셀룰로오스 나노입자와 매질은 1:5000 내지 1:50 비율(중량), 바람직하게는 1:1000 내지 1:200 비율(중량)로 존재할 수 있으며, 상기 타닌-전이금속 복합체가 도입된 바이오폴리머 나노입자와 상기 매질의 비율이 상기 범위일 때, 미생물에 대한 일산화탄소의 독성이 저감되는 효과가 극대화되며, 이로 인한 미생물의 일산화탄소 대사 안정성이 향상되는 효과가 있다. 상기 범위보다 낮은 비율을 사용했을 때에는 나노유체의 독성 저감 효과가 상대적으로 감소할 수 있으며, 상기 범위보다 높은 비율을 사용했을 때에는 DNA나 효소의 활성 저해 등 세포 내에서 나노 크기의 입자 자체가 가지는 독성에 의해 미생물의 대사 활성이 저해될 수 있기 때문에 원하는 일산화탄소 대사 안정성의 향상을 효과적으로 이뤄내기 어려울 수 있다.In the present invention, the weight ratio of the biopolymer nanoparticles to which the tannin-transition metal complex is introduced and the medium may be 1:5000 to 1:50. In the nanofluid containing cellulose nanoparticles according to a preferred embodiment of the present invention, the cellulose nanoparticles and the medium are present in a ratio of 1:5000 to 1:50 (weight), preferably 1:1000 to 1:200 ratio (weight). When the ratio of the biopolymer nanoparticles to which the tannin-transition metal complex is introduced and the medium is within the above range, the effect of reducing the toxicity of carbon monoxide to microorganisms is maximized, thereby improving the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms has the effect of being When a ratio lower than the above range is used, the effect of reducing the toxicity of the nanofluid may be relatively reduced. Because the metabolic activity of microorganisms may be inhibited by

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention, but the following examples are merely illustrative of the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention, It goes without saying that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

[실시예][Example]

제조예 1: 타닌-철 복합체가 도입된 나노유체의 제조Preparation Example 1: Preparation of tannin-iron complex-introduced nanofluid

20g의 셀룰로오스를 350mL의 H2SO4 수용액(H2SO4 함량: 수용액에 대하여 64 중량%)에 첨가하고, 50℃의 온도에서 45분 동안 지속적으로 교반하여 셀룰로오스 나노입자가 포함된 슬러리를 제조하고, 이로부터 셀룰로오스 나노입자를 수득하였다. 셀룰로오스 나노입자 및 1mg/mL 농도의 타닌 수용액 5mL와 0.3mg/mL 농도의 염화철(FeCl3) 수용액 5mL를 각각 준비하여 혼합하였다. 그리고 나서, 혼합물의 pH가 7 이상이 될 때까지 인산 완충 용액을 점적하여 타닌-철 복합체가 도입된 셀룰로오스 나노입자 함유 나노유체를 제조하였다(도 1).20 g of cellulose was added to 350 mL of H 2 SO 4 aqueous solution (H 2 SO 4 content: 64% by weight relative to the aqueous solution), and stirred continuously for 45 minutes at a temperature of 50° C. to prepare a slurry containing cellulose nanoparticles and cellulose nanoparticles were obtained therefrom. Cellulose nanoparticles and 5 mL of an aqueous tannin solution having a concentration of 1 mg/mL and 5 mL of an aqueous solution of iron chloride (FeCl 3 ) having a concentration of 0.3 mg/mL were prepared and mixed, respectively. Then, a phosphate buffer solution was added dropwise until the pH of the mixture reached 7 or more to prepare a nanofluid containing cellulose nanoparticles into which the tannin-iron complex was introduced (FIG. 1).

실시예 1: 미생물에 대한 일산화탄소의 독성 감소를 위한 타닌-철 복합체가 도입된 나노유체의 활용Example 1: Use of tannin-iron complex introduced nanofluid for reducing the toxicity of carbon monoxide to microorganisms

1-1. 일산화탄소 대사 균주 및 셀룰로오스 나노입자의 선정1-1. Selection of carbon monoxide metabolizing strains and cellulose nanoparticles

셀룰로오스 나노입자가 도입된 나노유체를 사용하여 일산화탄소 대사 미생물에 대한 일산화탄소의 독성 저감 및 이를 통한 미생물의 일산화탄소 대사 안정성을 향상시키고자 하였다.An attempt was made to reduce the toxicity of carbon monoxide to carbon monoxide metabolizing microorganisms and improve the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms through the use of nanofluids introduced with cellulose nanoparticles.

일산화탄소 대사균주로는 유박테리엄 리모섬과 클로스트리듐 오토에타노제넘이 사용되었다. 해당 균주들은 일산화탄소를 단일탄소원으로 사용할 수 있는 대표적인 일산화탄소 대사균주들로서, 일산화탄소로부터 아세트산을 주요 발효산물로 생산하는 우드-융달 대사경로(Wood-Ljungdahl pathway)를 가지고 있다. 셀룰로오스 나노입자의 경우 타닌-철 복합체가 도입된 나노입자를 선택하였다. 본 발명자들은 타닌-철 복합체가 기능화된 셀룰로오스 나노입자를 사용할 경우, 배지 내 용존 일산화탄소가 타닌-철 복합체에 흡착됨에 따라 용존 일산화탄소의 미생물에 대한 영향력을 감소시킬 수 있고, 이를 통해 일산화탄소의 독성 효과를 저감시킬 수 있을 것이라고 가정하였다. 또한, 이러한 일산화탄소의 독성 저감 효과를 통해 미생물의 대사 활성 감소를 완화시킴으로써 미생물의 일산화탄소 대사 안정성을 향상시킬 수 있을 것이라고 가정하였다.As carbon monoxide metabolizing strains, Eubacterium rimosum and Clostridium autoethanogenum were used. These strains are representative carbon monoxide metabolizing strains that can use carbon monoxide as a single carbon source, and have a Wood-Ljungdahl pathway that produces acetic acid as a major fermentation product from carbon monoxide. In the case of cellulose nanoparticles, nanoparticles into which the tannin-iron complex was introduced were selected. The present inventors found that when cellulose nanoparticles in which the tannin-iron complex is functionalized are used, as dissolved carbon monoxide in the medium is adsorbed to the tannin-iron complex, it is possible to reduce the influence of dissolved carbon monoxide on microorganisms, thereby reducing the toxic effect of carbon monoxide. It was assumed that it could be reduced. In addition, it was hypothesized that carbon monoxide metabolic stability of microorganisms could be improved by alleviating the decrease in metabolic activity of microorganisms through the toxicity reduction effect of carbon monoxide.

1-2. 미생물 배양1-2. Microbial culture

유박테리엄 리모섬과 클로스트리듐 오토에타노제넘의 배양은 산소 분자가 없는 혐기성 조건에서 진행되었다. 균주 성장을 위한 배지로는 RCM 배지(10 g/L peptone, 10 g/L beef extract, 3 g/L yeast extract, 5 g/L dextrose, 5 g/L NaCl, 0.5 g/L L-cysteine·HCl, 3 g/L sodium acetate, and 0.02 g/L resazurin)가 사용되었다. 일산화탄소의 대사를 위한 배지로는 유박테리엄 리모섬의 경우 변형된 PBBM 배지(3 g/L yeast extract, 0.9 g/L NaCl, 0.3 g/L MgSO4·7H2O, 0.2 g/L CaCl2·2H2O, 1.0 g/L NH4Cl, 50 mM potassium phosphate buffer(pH 7.0), 1.0 g/L L-cysteine·HCl, 20 mL trace mineral solution, 20 mL vitamin solution, 0.02 g/L resazurin), 클로스트리듐 오토에타노제넘의 경우 변형된 최소(minimal) 배지(0.5 g/L yeast extract, 1.0 g/L NaCl, 0.52 g/L MgCl2, 0.1 g/L CaCl2·2H2O, 1.0 g/L NH4Cl, 0.33 g/L KCl, 1.0 g/L NaHCO3, 50 mM potassium phosphate buffer(pH 7.0), 1 g/L L-cysteine·HCl, 20 mL trace mineral solution, 20 mL vitamin solution, 0.02 g/L resazurin)가 사용되었다. 혐기적 균주배양을 위해서 75 mL 혹은 500 mL 크기의 밀봉된 시럼 바이알에서 실험이 진행되었다. 일산화탄소를 탄소원으로 제공하기 위해서 시럼 바이알의 기체 부분을 고순도 질소 가스 혹은 일산화탄소/질소 혼합 가스로 교체하였으며, 제공해주는 가스 내에 포함된 미량의 산소 분자를 모두 제거하기 위해서 Model 1000 O2 Filter를 사용하였다. 균주 배양은 37

Figure pat00001
, 200 rpm 조건에서 수행되었으며, pH 값을 7.0 수준으로 유지하기 위해서 10 M NaOH를 사용하였다.Cultures of Eubacterium limosum and Clostridium autoethanogenum were performed under anaerobic conditions in the absence of molecular oxygen. As a medium for strain growth, RCM medium (10 g/L peptone, 10 g/L beef extract, 3 g/L yeast extract, 5 g/L dextrose, 5 g/L NaCl, 0.5 g/L L-cysteine· HCl, 3 g/L sodium acetate, and 0.02 g/L resazurin) were used. As a medium for carbon monoxide metabolism, in the case of Eubacterium limosum, modified PBBM medium (3 g/L yeast extract, 0.9 g/L NaCl, 0.3 g/L MgSO 4 .7H 2 O, 0.2 g/L CaCl 2 2H 2 O, 1.0 g/L NH 4 Cl, 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0), 1.0 g/L L-cysteine HCl, 20 mL trace mineral solution, 20 mL vitamin solution, 0.02 g/L resazurin) , for Clostridium autoethanogenum, modified minimal medium (0.5 g/L yeast extract, 1.0 g/L NaCl, 0.52 g/L MgCl 2 , 0.1 g/L CaCl 2 .2H 2 O; 1.0 g/L NH 4 Cl, 0.33 g/L KCl, 1.0 g/L NaHCO 3 , 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0), 1 g/L L-cysteine HCl, 20 mL trace mineral solution, 20 mL vitamin solution, 0.02 g/L resazurin) was used. For anaerobic strain culture, the experiment was carried out in a sealed serum vial of 75 mL or 500 mL size. In order to provide carbon monoxide as a carbon source, the gas part of the syrup vial was replaced with high-purity nitrogen gas or carbon monoxide/nitrogen mixed gas, and a Model 1000 O 2 Filter was used to remove all trace oxygen molecules contained in the provided gas. Strain culture 37
Figure pat00001
, was performed under 200 rpm conditions, and 10 M NaOH was used to maintain the pH value at a level of 7.0.

실험에 필요한 유박테리엄 리모섬 및 클로스트리듐 오토에타노제넘의 세포 양을 얻기 위해서 RCM 배지가 사용되었다. 배양은 글리세롤 스탁으로부터 시작되었으며, RCM 배지 기반의 배양을 통해서 원하는 양의 세포가 얻어지면 일산화탄소 대사를 위해 필요한 효소(일산화탄소 탈수소 효소)의 발현을 유도해 주었다. 해당 효소 발현의 유도를 위해, 배양을 통해 얻어진 균주를 30배로 농축한 뒤 일산화탄소/질소 혼합가스(10:90, v/v)를 2시간 간격으로 총 16시간 동안 제공해 주었다. 상기의 과정을 일산화탄소 적응 과정이라 칭한다. 이렇게 일산화탄소에 적응된 균주는 원심분리를 통해 얻어진 뒤 변형된 PBBM 배지 혹은 변형된 최소(minimal) 배지에 원하는 농도로 재현탁되어 본 배양에 사용되었다.RCM medium was used to obtain the cell amounts of Eubacterium rimosum and Clostridium autoethanogenum required for the experiment. The culture was started from a glycerol stock, and when a desired amount of cells was obtained through RCM medium-based culture, the expression of an enzyme (carbon monoxide dehydrogenase) required for carbon monoxide metabolism was induced. In order to induce the expression of the enzyme, the strain obtained through culture was concentrated 30-fold and then a carbon monoxide/nitrogen mixed gas (10:90, v/v) was provided at 2 hour intervals for a total of 16 hours. This process is called carbon monoxide adaptation process. The strain adapted to carbon monoxide was obtained through centrifugation, and then resuspended in a modified PBBM medium or a modified minimal medium at a desired concentration and used for the main culture.

유박테리엄 리모섬 및 클로스트리듐 오토에타노제넘 균주의 배양은 각각 효소 활성 제한 조건 혹은 물질 전달 제한 조건에서 수행되었다. 본 발명에서 효소 활성 제한 조건이란, 미생물에 의한 일산화탄소 대사 속도가 기체로부터 액체 배지로의 일산화탄소의 물질 전달 속도보다 느린 상태를 말하며, 해당 조건에서는 액체 배지 내에 용존 일산화탄소가 존재하기 때문에 미생물이 일산화탄소의 독성 효과를 받게 된다. 본 발명에 있어서, 효소 활성 제한 조건은 유박테리엄 리모섬 및 클로스트리듐 오토에타노제넘의 세포 농도가 OD600 기준 0.5 이하인 조건을 의미하며, 미생물의 일산화탄소 대사 활성 및 이를 통한 일산화탄소의 독성 평가를 위해 사용되었다. 본 발명에서 물질 전달 제한 조건이란, 미생물에 의한 일산화탄소 대사 속도가 기체로부터 액체 배지로의 일산화탄소의 물질 전달 속도보다 빠른 상태를 말하며, 해당 조건에서는 미생물들이 배지 내 존재하는 용존 일산화탄소를 빠른 속도로 소모하여 용존 일산화탄소 농도가 매우 낮은 상태로 유지되기 때문에 일산화탄소에 의한 독성 효과를 거의 받지 않게 된다. 본 발명에 있어서, 상기 물질 전달 제한 조건은 20.3 kPa의 일산화탄소 분압일 때 유박테리엄 리모섬의 세포 농도가 OD600 기준 20인 조건을 의미하며, 이는 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사 안정성 평가를 위해 사용되었다.Cultures of Eubacterium limosum and Clostridium autoethanogenum strains were carried out under enzyme activity-restricting conditions or mass transfer-restricting conditions, respectively. In the present invention, the enzyme activity limiting condition refers to a state in which the rate of carbon monoxide metabolism by the microorganism is slower than the mass transfer rate of carbon monoxide from the gas to the liquid medium. will take effect In the present invention, the enzyme activity limiting condition means a condition in which the cell concentration of Eubacterium rimosum and Clostridium autoethanogenum is 0.5 or less based on OD 600 , and the carbon monoxide metabolic activity of microorganisms and through this It was used to evaluate the toxicity of carbon monoxide. In the present invention, the mass transfer limiting condition refers to a state in which the rate of carbon monoxide metabolism by microorganisms is faster than the mass transfer rate of carbon monoxide from the gas to the liquid medium. Since the dissolved carbon monoxide concentration is kept very low, it is hardly affected by the toxic effects of carbon monoxide. In the present invention, the mass transfer restriction condition means a condition in which the cell concentration of Eubacterium limosum is 20 based on OD 600 when the partial pressure of carbon monoxide is 20.3 kPa, which is for evaluation of carbon monoxide metabolic stability of Eubacterium limosum was used

배양 중 세포의 성장은 UV-1700 분광 광도계(spectrophotometer)를 사용하여 600 nm에서 흡광도를 측정함으로써 정량하였다. 그 결과값은 OD600 값 혹은 OD600 단위 1당 0.31 g DCW/L로 환산되어 계산되었다. 또한, 미생물 배양시 조건에 따른 일산화탄소 대사활성 및 안정성을 평가하기 위해서 시럼 바이알의 기체상에 존재하는 가스샘플을 분석하였다. 가스 샘플의 분석을 위해서는 Clarus 680 GC system을 사용하였으며, 각 물질들의 분리 및 정량을 위해서 Carboxen 1010 PLOT 컬럼(30m x 0.53 mm)과 열전도율 검출기(TCD)를 사용하였다.Cell growth during culture was quantified by measuring absorbance at 600 nm using a UV-1700 spectrophotometer. The result was calculated as an OD 600 value or 0.31 g DCW/L per OD 600 unit. In addition, in order to evaluate the carbon monoxide metabolic activity and stability according to the conditions of culturing microorganisms, a gas sample present in the gas phase of the serum vial was analyzed. A Clarus 680 GC system was used for the analysis of gas samples, and a Carboxen 1010 PLOT column (30 m x 0.53 mm) and a thermal conductivity detector (TCD) were used for separation and quantification of each material.

1-3. 타닌-철 나노유체를 통한 일산화탄소의 독성 저감 효과의 확인1-3. Confirmation of the effect of reducing the toxicity of carbon monoxide through tannin-iron nanofluid

타닌-철 복합체가 도입된 셀룰로오스 나노유체를 사용함으로써 미생물에 대한 일산화탄소의 독성을 저감시킬 수 있는지 확인하였다. 유박테리엄 리모섬의 경우, 일산화탄소를 탄소원으로 사용할 수 있음에도 불구하고 일산화탄소의 분압이 증가할 경우 미생물의 일산화탄소 대사활성이 저해됨이 도 2(a)에서와 같이 확인되었다. 도 2(a)에서 나타낸 바와 같이 일산화탄소 분압이 일정 수준(약 20 kPa) 이상일 때 일산화탄소 분압이 증가함에 따라 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사활성이 감소하는 경향이 나타났다. 이는 유박테리엄 리모섬에 대한 일산화탄소의 독성을 보여주는 것으로써, 이는 미생물이 용존 일산화탄소에 노출되었을 경우 유박테리엄 리모섬에 의해 효율적이고 안정적인 일산화탄소 대사가 불가능하게 하는 원인이 된다.It was confirmed whether the toxicity of carbon monoxide to microorganisms could be reduced by using the cellulose nanofluid into which the tannin-iron complex was introduced. In the case of Eubacterium limosum, although carbon monoxide can be used as a carbon source, when the partial pressure of carbon monoxide is increased, it was confirmed that the carbon monoxide metabolic activity of microorganisms is inhibited, as shown in FIG. 2(a). As shown in Fig. 2(a), when the partial pressure of carbon monoxide was higher than a certain level (about 20 kPa), as the partial pressure of carbon monoxide increased, the carbon monoxide metabolic activity of Eubacterium limosum showed a tendency to decrease. This shows the toxicity of carbon monoxide to Eubacterium limosum, which causes efficient and stable carbon monoxide metabolism by Eubacterium limosum when the microorganism is exposed to dissolved carbon monoxide.

이러한 일산화탄소 독성에 의한 유박테리엄 리모섬의 대사활성 저하를 해결하기 위해서, 타닌-철 복합체가 도입된 나노입자를 사용하였다. 타닌-철 나노입자를 사용했을 때 유박테리엄 리모섬에 대한 일산화탄소의 독성이 감소하는지 여부를 확인하기 위해서, 다양한 농도(0, 0.25, 0.5 1 g/L)의 타닌-철 나노입자가 첨가된 조건에서 일산화탄소 분압(0, 5.1, 10.1, 30.4, 60.8, 101.3 kPa)에 따른 유박테리엄의 일산화탄소 대사 활성을 측정하였다. 해당 실험은 효소 활성 제한 조건에서 진행되었다. 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 타닌-철 나노입자가 첨가되지 않은 조건에서는 일정 수준(약 20 kPa) 이상으로 일산화탄소 분압이 증가했을 때 유박테리엄 리모섬의 대사 활성이 감소한 반면, 타닌-철 나노입자가 첨가된 조건에서는 상대적으로 높은 일산화탄소 분압(약 20 kPa 이상)에서의 일산화탄소 대사 활성이 회복됨이 확인되었다. 이러한 유박테리엄의 일산화탄소 대사 활성의 회복 효과는 첨가된 타닌-철 나노입자의 농도가 증가함에 따라 더욱 극명하게 나타남을 도 2(a)에서와 같이 확인하였다. 이러한 연구 결과는 타닌-철 나노입자의 활용을 통한 일산화탄소 독성의 저감 효과를 의미한다.In order to solve the decrease in metabolic activity of Eubacterium limosom due to the carbon monoxide toxicity, tannin-iron complex-introduced nanoparticles were used. To determine whether the toxicity of carbon monoxide to Eubacterium limosum was reduced when using tannin-iron nanoparticles, various concentrations (0, 0.25, 0.5 1 g/L) of tannin-iron nanoparticles were added. The carbon monoxide metabolic activity of Eubacterium was measured according to the partial pressure of carbon monoxide (0, 5.1, 10.1, 30.4, 60.8, 101.3 kPa) under the conditions. The experiment was conducted under enzyme activity limiting conditions. As shown in Fig. 2(a), when the partial pressure of carbon monoxide was increased to a certain level (about 20 kPa) or more in the condition in which tannin-iron nanoparticles were not added, the metabolic activity of Eubacterium limosum decreased, whereas tannin- It was confirmed that the carbon monoxide metabolic activity was restored at a relatively high partial pressure of carbon monoxide (about 20 kPa or more) under the condition in which iron nanoparticles were added. As shown in Fig. 2(a), it was confirmed that the effect of restoring the carbon monoxide metabolic activity of Eubacterium was more pronounced as the concentration of the added tannin-iron nanoparticles increased. The results of this study indicate the effect of reducing carbon monoxide toxicity through the use of tannin-iron nanoparticles.

타닌-철 나노입자의 첨가를 통한 일산화탄소 독성의 저감효과를 정량적으로 평가하기 위해서 해당 결과를 모노드식의 기질 저해 모델에 적용하였다. 본 발명에서는 얻어진 결과를 상기 모델에 적용하여 Ks 값과 Ki 값을 계산함으로써, 타닌-철 복합체가 도입된 나노입자를 사용했을 때 유박테리엄 리모섬에 대한 일산화탄소의 결합친화력과 일산화탄소의 기질 저해 효과를 각각 평가하고자 하였다. 이를 위해 모노드 식의 기질 저해 모델로부터 변수 1/m와 1/S를 각 축으로 하는 라인위버-버크 식을 플롯하였으며, 해당 플롯을 기반으로 Ks 값과 Ki 값을 계산하였다(표 1). 타닌-철 나노입자의 첨가 농도에 따른 Ks 값을 비교해 볼 때, 해당 나노입자의 첨가 농도가 약 0.5 g/L 수준으로 증가할 때까지 Ks 값이 크게 변화하지 않음(최대 1.2배 증가)을 확인하였다. 이러한 결과는 해당 나노입자를 사용하더라도 일정 수준의 농도까지는 유박테리엄 리모섬에 대한 일산화탄소의 결합친화력이 크게 감소하지 않음을 보여준다. 한편, Ki 값은 타닌-철 나노입자의 첨가농도가 증가함에 따라 증가하는 추세를 보였으며, 해당 나노입자를 넣지 않은 경우와 1 g/L 수준의 나노입자를 첨가한 경우를 비교하였을 때 Ki 값이 최대 약 8.6배 증가함이 확인되었다. 이로써 본 발명에서는 타닌-철 나노입자를 도입을 통해 일산화탄소에 의한 기질저해 효과를 감소시킬 수 있음을 정량적으로 확인하였다.In order to quantitatively evaluate the reduction effect of carbon monoxide toxicity through the addition of tannin-iron nanoparticles, the results were applied to the monod type substrate inhibition model. In the present invention, by applying the obtained results to the above model and calculating the Ks and Ki values, the binding affinity of carbon monoxide to Eubacterium limossum and the substrate inhibitory effect of carbon monoxide when nanoparticles introduced with tannin-iron complexes were used. were evaluated for each. To this end, the Lineweaver-Burke equation was plotted with the variables 1/m and 1/S as each axis from the substrate inhibition model of the Monod equation, and Ks and Ki values were calculated based on the plots (Table 1). When comparing the Ks values according to the concentration of tannin-iron nanoparticles added, it was confirmed that the Ks value did not change significantly (up to a 1.2-fold increase) until the concentration of the nanoparticles increased to about 0.5 g/L. did These results show that even when the corresponding nanoparticles are used, the binding affinity of carbon monoxide to Eubacterium limosum does not significantly decrease up to a certain level of concentration. On the other hand, the Ki value showed a tendency to increase as the concentration of tannin-iron nanoparticles increased, and when comparing the case where the nanoparticles were not added and the case where the nanoparticles were added at a level of 1 g/L, the Ki value This maximum increase of about 8.6 times was confirmed. Accordingly, in the present invention, it was quantitatively confirmed that the substrate-inhibiting effect caused by carbon monoxide could be reduced through the introduction of tannin-iron nanoparticles.

타닌-철 나노입자 첨가 농도(g/L)Tannin-iron nanoparticles added concentration (g/L) 00 0.250.25 0.50.5 1One Ks 값(mM)Ks value (mM) 22.1822.18 26.9426.94 25.2725.27 39.9439.94 Ki 값(mM)Ki value (mM) 5.545.54 7.587.58 31.0231.02 47.6247.62

유박테리엄 리모섬의 배양조건에서 확인된 타닌-철 나노입자의 일산화탄소 독성저감 효과가 셀룰로오스 나노입자 혹은 타닌-철 복합체에 의해 독립적으로 나타나는 현상이 아니라 타닌-철과 셀룰로오스 나노입자가 함께 첨가되어야 나타나는 현상임을 확인하기 위한 연구를 수행하였다.The carbon monoxide reduction effect of tannin-iron nanoparticles confirmed in the culture conditions of Eubacterium limosum is not a phenomenon that occurs independently by cellulose nanoparticles or tannin-iron complex, but appears only when tannin-iron and cellulose nanoparticles are added together. A study was conducted to confirm the phenomenon.

이를 위해서, 셀룰로오스 나노입자, 타닌-철 복합체, 타닌-철 나노입자를 각기 첨가해 준 조건에서 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사활성을 도 2(b)에서와 같이 확인하였다. 도 2(b)에서 나타낸 바와 같이, 셀룰로오스 나노입자 혹은 타닌-철 복합체만을 첨가한 조건과 비교했을 때, 셀룰로오스 나노입자와 타닌-철 복합체가 함께 첨가된 조건에서 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사 활성이 보다 큰 폭으로 향상됨을 확인하였다. 해당 결과는 타닌-철 나노입자의 미생물에 대한 일산화탄소 독성 저감 효과가 타닌-철 복합체 혹은 셀룰로오스 나노입자에 의해 독립적으로 나타나는 것이 아니라, 두 물질의 시너지 효과에 의해 나타나는 현상임을 의미한다.To this end, the carbon monoxide metabolic activity of Eubacterium limosum under the conditions in which cellulose nanoparticles, tannin-iron complex, and tannin-iron nanoparticles were added was confirmed as shown in FIG. 2(b). As shown in Fig. 2(b), compared to the condition in which only cellulose nanoparticles or tannin-iron complex were added, carbon monoxide metabolic activity of Eubacterium limosum in the condition in which cellulose nanoparticles and tannin-iron complex were added together It was confirmed that the improvement was significantly greater than this. This result means that the effect of reducing carbon monoxide toxicity of tannin-iron nanoparticles to microorganisms is not independently exhibited by the tannin-iron complex or cellulose nanoparticles, but by the synergistic effect of the two substances.

해당 독성 저감 효과의 범용성을 확인하기 위해서 또 다른 일산화탄소 대사균주인 클로스트리듐 오토에타노제넘 균주에도 타닌-철 나노입자 기반 나노유체를 적용해 보았다. 클로스트리듐 오토에타노제넘 균주도 유박테리엄 리모섬의 경우와 마찬가지로 일산화탄소를 탄소원으로 활용할 수 있는 균주임에도 불구하고 일산화탄소의 분압이 일정 수준 이상으로 증가했을 때 해당 미생물의 일산화탄소 대사 활성이 급격하게 저해됨을 확인하였다(도 3).To confirm the versatility of the toxicity reduction effect, another carbon monoxide metabolizing strain, Clostridium autoethanogenum, was also tested with a tannin-iron nanoparticle-based nanofluid. Even though the Clostridium autoethanogenum strain is a strain that can utilize carbon monoxide as a carbon source as in the case of Eubacterium rimosum, when the partial pressure of carbon monoxide is increased to a certain level or more, the carbon monoxide metabolic activity of the microorganism is abruptly increased. It was confirmed that the inhibition was (FIG. 3).

이러한 일산화탄소 독성에 의한 클로스트리듐 오토에타노제넘 균주의 대사 활성 저하 문제를 해결하기 위해서, 타닌-철 복합체가 도입된 나노입자를 사용하였다. 타닌-철 나노입자를 다양한 농도(0, 1, 1.5, 2 g/L)로 첨가했을 때 일산화탄소 분압(0, 10.1, 50.7, 101.3 kPa)에 따른 클로스트리듐 오토에타노제넘의 일산화탄소 대사 활성을 측정하였다. 해당 실험은 효소 활성 제한 조건에서 진행되었다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 타닌-철 나노입자가 첨가되지 않은 조건에서는 일정 수준(50.7 kPa) 이상으로 일산화탄소 분압이 증가했을 때 미생물의 대사 활성이 크게 감소한 반면, 타닌-철 나노입자가 첨가된 조건에서는 해당 일산화탄소 분압에서의 대사 활성이 큰 폭으로 회복됨을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 타닌-철 나노입자가 미생물에 대해 범용적으로 일산화탄소 독성 저감 효과를 가짐을 의미한다.In order to solve the problem of lowering metabolic activity of the Clostridium autoethanogenum strain due to carbon monoxide toxicity, tannin-iron complex-introduced nanoparticles were used. Carbon monoxide metabolic activity of Clostridium autoethanogenum according to carbon monoxide partial pressure (0, 10.1, 50.7, 101.3 kPa) when tannin-iron nanoparticles were added at various concentrations (0, 1, 1.5, 2 g/L) was measured. The experiment was conducted under enzyme activity limiting conditions. As shown in FIG. 3 , in the condition in which tannin-iron nanoparticles were not added, when the partial pressure of carbon monoxide was increased to a certain level (50.7 kPa) or more, the metabolic activity of microorganisms was greatly reduced, whereas in the condition in which tannin-iron nanoparticles were added In this study, it was confirmed that the metabolic activity at the corresponding partial pressure of carbon monoxide was significantly restored. The results of this study mean that tannin-iron nanoparticles have a universal carbon monoxide toxicity reduction effect on microorganisms.

실시예 2. 타닌-철 나노유체 기반의 일산화탄소의 독성 감소를 통한 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상 효과의 확인Example 2. Confirmation of the effect of improving the carbon monoxide metabolic stability of microorganisms by reducing the toxicity of carbon monoxide based on tannin-iron nanofluid

2-1. 물질 전달 제한 조건의 확립2-1. Establishment of mass transfer restrictions

상기한 바와 같이, 유박테리엄 리모섬을 포함하는 다양한 미생물들이 일산화탄소에 의해 대사 활성 저해 영향을 받는다. 따라서, 일산화탄소의 생물학적 전환 공정은 일산화탄소의 독성을 최소화하기 위한 물질 전달 제한 조건에서 수행된다. 본 발명에서는 타닌-철 복합체가 도입된 나노입자에 의한 일산화탄소의 독성 감소 효과를 활용하였을 때, 실제 공정과 유사한 물질 전달 제한 조건에서의 일산화탄소 대사 안정성 또한 향상되는지 확인하고자 하였다. 본 발명에서는, 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사 안정성을 평가하기에 앞서 물질 전달 제한 조건을 탐색하고자 하였다. 이를 위해 다양한 농도의 유박테리엄 리모섬(OD600 기준 각각 0, 5, 10, 20, 50, 100)을 20.3 kPa의 일산화탄소 분압 조건에서 배양하였고, 이 때의 일산화탄소 대사 활성을 측정하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 사용한 유박테리엄 리모섬의 농도가 OD600 기준 약 20 수준 이상일 때 더 이상 균주의 농도가 증가하더라도 전체 일산화탄소 대사 활성은 증가하지 않음을 확인하였다. 이는 유박테리엄 리모섬에 의한 전체 일산화탄소 대사 속도가 증가하더라도 기체에서 줄어드는 일산화탄소의 양에는 변함이 없음을 뜻하기 때문에, 상기에 명시한 물질 전달 제한 조건을 의미한다. 해당 실험을 통해서 특정 일산화탄소 분압(20.3 kPa)에서의 물질 전달 제한 조건을 탐색하는 데에 성공하였으며, 이로써 본 발명에서는 물질 전달 제한 조건에서의 일산화탄소 대사 안정성 평가를 위해 OD600 기준 20 수준의 유박테리엄 리모섬의 세포 농도를 사용하였다.As described above, various microorganisms including Eubacterium limosum are affected by metabolic activity inhibition by carbon monoxide. Therefore, the bioconversion process of carbon monoxide is performed under mass transfer limiting conditions to minimize the toxicity of carbon monoxide. In the present invention, when the effect of reducing the toxicity of carbon monoxide by nanoparticles into which the tannin-iron complex is introduced is utilized, it was attempted to check whether the metabolic stability of carbon monoxide is also improved under conditions of restriction of mass transfer similar to the actual process. In the present invention, before evaluating the carbon monoxide metabolic stability of Eubacterium limosum, it was attempted to explore the mass transfer restriction conditions. For this, various concentrations of Eubacterium limosum (0, 5, 10, 20, 50, and 100, respectively, based on OD 600 ) were cultured under a carbon monoxide partial pressure of 20.3 kPa, and carbon monoxide metabolic activity at this time was measured. As shown in FIG. 4 , it was confirmed that even if the concentration of the strain was increased, the total carbon monoxide metabolic activity did not increase when the concentration of Eubacterium rimosum used was higher than about 20 levels based on OD 600 . This means that even if the total carbon monoxide metabolism rate by Eubacterium limosum is increased, the amount of carbon monoxide reduced from the gas does not change, so it means the mass transfer restriction conditions specified above. Through this experiment, we succeeded in exploring the mass transfer restriction condition at a specific partial pressure of carbon monoxide (20.3 kPa), and thus, in the present invention, for the evaluation of carbon monoxide metabolic stability under the mass transfer restriction condition, Eubacterium at a level of 20 based on OD 600 The cell concentration of limosum was used.

2-2. 타닌-철 나노유체 기반 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상2-2. Improved carbon monoxide metabolic stability of tannin-iron nanofluid-based microorganisms

탐색된 일산화탄소의 물질 전달 제한 조건에서 타닌-철 나노입자의 첨가 농도에 따른 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사 안정성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 0 g/L 혹은 5 g/L의 타닌-철 나노입자가 첨가된 일산화탄소 분압 20. kPa 조건에서 유박테리엄 리모섬(세포 농도 OD600 기준 20)을 배양하였다. 배양 시 12시간 혹은 24시간마다 가스 샘플을 분석하였으며, 매 분석 시간마다 20.3 kPa 분압의 일산화탄소를 시럼 바이알의 기체상에 제공해 주었다. 이 때, 유박테리엄 리모섬의 시간에 따른 일산화탄소 소모량을 도 5에 나타내었다. 도 5에서 나타낸 바와 같이 타닌-철 나노입자가 도입됨에 따라 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사 안정성이 향상됨을 확인하였다. 해당 나노입자가 도입되지 않은 조건에서는 배양 시작 24시간 이후부터 매우 급격한 일산화탄소 대사량의 감소가 관찰되었으며, 이는 일산화탄소 물질 전달 제한 조건의 붕괴로 인해 해당 미생물이 일산화탄소 독성의 영향을 크게 받았기 때문인 것으로 추측된다. 반면, 타닌-철 나노입자가 도입된 조건의 경우 시간에 따른 유박테리엄 리모섬의 일산화탄소 대사량 감소 현상이 확연히 적게 나타남을 확인하였다. 이는 배양 시작 후 물질 전달 제한 조건이 붕괴되어 배지 내 용존 일산화탄소의 농도가 증가했을 때, 타닌-철 나노입자가 용존 일산화탄소를 흡착하였고, 이로 인해 용존 일산화탄소의 기질 저해 효과가 감소했기 때문인 것으로 생각된다. 이러한 일산화탄소 대사 안정성의 향상 효과는 배양 후반부에 더욱 극명하게 나타났다. 특히, 배양 시작 후 48시간과 72시간 사이의 일산화탄소 대사량이 대조군에 비해 약 6.6배 증가함이 확인되었다. 결과적으로 약 5 g/L 수준의 타닌-철 나노입자를 첨가한 경우 총 96시간의 배양 동안 전체 일산화탄소 대사량이 대조군에 비해 약 1.7배 증가하였다. 이러한 연구 결과는 타닌-철 나노입자를 통한 일산화탄소의 독성 저감 효과가 미생물 배양을 통한 일산화탄소의 안정적인 전환 공정에 있어 매우 효율적인 접근임을 보여준다.The purpose of this study was to evaluate the carbon monoxide metabolic stability of Eubacterium limosum according to the concentration of tannin-iron nanoparticles under the searched carbon monoxide mass transfer restriction conditions. To this end, Eubacterium limosum (20 based on cell concentration OD 600 ) was cultured under conditions of 0 g/L or 5 g/L of tannin-iron nanoparticles added with carbon monoxide partial pressure of 20. kPa. During incubation, gas samples were analyzed every 12 or 24 hours, and carbon monoxide at a partial pressure of 20.3 kPa was provided in the gas phase of the syrup vial at every analysis time. At this time, the amount of carbon monoxide consumption according to time of the Eubacterium limosum is shown in FIG. 5 . As shown in FIG. 5 , it was confirmed that the carbon monoxide metabolic stability of Eubacterium limosum was improved as the tannin-iron nanoparticles were introduced. Under the condition in which the nanoparticles were not introduced, a very rapid decrease in carbon monoxide metabolism was observed from 24 hours after the start of culture, which is presumed to be because the microorganism was greatly affected by carbon monoxide toxicity due to the breakdown of the carbon monoxide mass transfer restriction condition. On the other hand, it was confirmed that, in the case of the condition in which the tannin-iron nanoparticles were introduced, the decrease in the carbon monoxide metabolism of Eubacterium limosum with time was significantly less. This is thought to be because, after the start of culture, when the mass transfer restriction condition was disrupted and the concentration of dissolved carbon monoxide in the medium increased, the tannin-iron nanoparticles adsorbed the dissolved carbon monoxide, which reduced the substrate inhibitory effect of the dissolved carbon monoxide. The effect of improving the carbon monoxide metabolic stability was more pronounced in the latter half of the culture. In particular, it was confirmed that the amount of carbon monoxide metabolism increased by about 6.6 times compared to the control group between 48 and 72 hours after the start of the culture. As a result, when the tannin-iron nanoparticles were added at a level of about 5 g/L, the total carbon monoxide metabolism increased by about 1.7 times compared to the control during a total of 96 hours of incubation. These study results show that the effect of reducing the toxicity of carbon monoxide through tannin-iron nanoparticles is a very efficient approach in the stable conversion process of carbon monoxide through microbial culture.

실시예 3. 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 미생물 배지 내 도입에 따른 물질전달계수(KExample 3. Tannin-Iron nanoparticle-based nanofluid according to the introduction of the mass transfer coefficient into the microbial medium (K LL a) 변화량 및 용해도 비교분석a) Comparative analysis of change amount and solubility

3-1. 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 도입에 따른 물질전달계수(K3-1. The mass transfer coefficient (K) according to the introduction of the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid LL a) 변화a) change

실시예 2에서 나타난 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 첨가에 따른 미생물의 일산화탄소 독성 저감 효과 및 배양 안정성 향상 효과를 이해하기 위한 연구를 수행하였다. 가장 먼저, 배양 배지 내 타닌-철 나노입자에 도입에 의한 가스 전달 효과 변화를 확인 하기 위해서 나노입자 적용 농도에 따른 상대 물질전달 계수(KLa)를 측정 및 분석하였다. 물질전달 계수(KLa)는 5 L 배양시스템을 이용하여 측정하였으며, 5 L 배양시스템의 경우, 크게 가스 공급기, 발효조, 유량측정기, 용액 내 산소 측정장치 4가지로 나뉘며, 세부적으로는 공급기로부터 가스가 주입되어 용액과 반응이 일어나는 발효조, 발효조 내·외부로의 가스 유량을 측정, 조절해주는 유량 측정기 및 실제 용액 내 용존 산소를 측정하는 용존 산소 측정 장치(Dissolved oxygen probe), 산소보관용기, 가스조절기 등이 있으며, 공급기로부터 공급되는 가스가 실제 배지내부에서 공급될 수 있도록, 발효조 내부에는 구경 1/5 inch 크기의 스테인리스 가스 공급관(Sparger)을 설치하였다. 이어서, 발효조 내부로 산소를 일정하게 공급해주기 위해 Alicat scientific 사의 유량 조절기를 이용하였으며, 물질전달계수 측정을 위한 미생물 배양배지는 상위 실시예 1-2 와 같은 방법으로 제조한 PBBM 배지 1.5 L에 타닌-철 나노입자를 0-0.1 %(w/v)농도로 적용하여 이용하였다. 또한, 가스 유량에 따른 차이를 확인하기 위해, 유량 범위 0.2-0.3 L/min 두 구간에서 진행하였다. 구체적으로, 측정은 상위 실시예 1-2 와 같이 PBBM 배지를 제조하고, 타닌-철 나노입자를 PBBM 배지에 현탁 시킨 후, 초음파 분쇄기(Ultrasonicator)를 이용하여, 용액 내 잔여가스를 제거한 이후 진행되었다. 이어서, PBBM 배지 1.5 L를 발효조 내부로 옴겨 준 후, 배양기 내 교반 속도(Agitation)를 400 rpm으로 설정 후, 산소를 발효조 내부로 공급하여 외부로 빠져나가는 단위시간당 가스의 유량 및 용액 내 용존 산소도 변화양을 측정하여, 물질전달 계수(KLa)를 측정하였다. 이후, 타닌-철 나노입자를 도입하지 않은 기존 PBBM 배지의 물질전달계수를 바탕으로, 타닌-철 나노입자 도입농도에 따른 상대 물질전달계수를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 나타낸 바와 같이 타닌-철 나노입자 도입농도가 높아짐에 따라, 기존 물질전달 계수 대비, 상대적으로 23~ 123 %까지 증대되는 것을 확인하였다. 해당 나노입자의 도입에 따른 물질전달 계수 상승은, 일산화 탄소 이용 미생물의 배양 시 물질 전달 제한 조건시에도, 배지 내 일산화 탄소 고갈 없이 안정적인 배양 조건을 유지하는 데에 기여할 것으로 추측된다.A study was conducted to understand the effect of reducing carbon monoxide toxicity and improving culture stability of microorganisms according to the addition of the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid shown in Example 2. First, the relative mass transfer coefficient (K L a) according to the concentration of nanoparticles applied was measured and analyzed in order to confirm the change in the gas transfer effect due to the introduction of tannin-iron nanoparticles in the culture medium. The mass transfer coefficient (K L a) was measured using a 5 L culture system, and in the case of the 5 L culture system, it is largely divided into four types: gas supply, fermenter, flow meter, and oxygen measuring device in solution. A fermenter where gas is injected and reacts with a solution, a flow meter that measures and controls the gas flow into and out of the fermenter, and a dissolved oxygen probe that measures dissolved oxygen in the actual solution, oxygen storage container, gas There is a regulator, etc., and a stainless steel gas supply pipe (Sparger) with a diameter of 1/5 inch is installed inside the fermenter so that the gas supplied from the feeder can be supplied from the inside of the actual medium. Then, in order to constantly supply oxygen to the inside of the fermenter, Alicat scientific's flow controller was used, and the microbial culture medium for measuring the mass transfer coefficient was tannin- Iron nanoparticles were used by applying a concentration of 0-0.1% (w/v). In addition, in order to check the difference according to the gas flow rate, the flow rate range was 0.2-0.3 L/min in two sections. Specifically, the measurement was carried out after preparing a PBBM medium as in Example 1-2 above, suspending tannin-iron nanoparticles in the PBBM medium, and removing residual gas in the solution using an Ultrasonicator. . Then, after 1.5 L of PBBM medium was brought into the fermenter, the stirring speed (Agitation) in the incubator was set to 400 rpm, and then oxygen was supplied to the inside of the fermenter and the flow rate of the gas per unit time and the dissolved oxygen in the solution By measuring the amount of change, the mass transfer coefficient (K L a) was measured. Then, based on the mass transfer coefficient of the conventional PBBM medium to which tannin-iron nanoparticles were not introduced, the relative mass transfer coefficient according to the concentration of tannin-iron nanoparticles introduced is shown in FIG. 6 . As shown in FIG. 6 , as the concentration of tannin-iron nanoparticles increased, it was confirmed that the mass transfer coefficient was relatively increased by 23 to 123% compared to the existing mass transfer coefficient. The increase in the mass transfer coefficient due to the introduction of the nanoparticles is expected to contribute to maintaining stable culture conditions without depleting carbon monoxide in the medium, even under conditions of restriction of mass transfer during culturing of carbon monoxide-using microorganisms.

3-2. 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 도입에 따른 배지 내 용해도 변화3-2. Changes in solubility in the medium according to the introduction of tannin-iron nanoparticle-based nanofluids

배양 배지 내 타닌-철 나노입자 도입에 의해 일산화탄소 용해도가 증가하는지 확인하기 위해, 기-액 흡수 평형상태에서 용해도를 측정, 분석하였다. 용해도 측정에 사용된 용해도 분석 장치는 크게 가스 공급기, 반응기, 압력계측기 3가지로 나뉘며, 일정한 온도와 주변 압력을 유지하기 위해, 흄 후드(Hume-Hood) 내에 설치하여 항온(25℃) 상태를 유지시켜 주었다. 세부적으로는 일산화탄소 가스(99.999 %)를 저장하는 가스 공급기, 실제 기-액 흡수 평형 반응이 일어나는 반응기, 기-액 평형 반응 전 후의 공급기와 반응기 내부 압력을 나타내는 압력계측기로 이루어져 있으며, 공급기와 반응기는 기-액 흡수 평형 반응 시 외부로 가스가 누출되지 않도록 스테인리스 재질로 내부 부피 101.11 cm3의 원통형태로 제작하였다. 또한, 실제 반응용액에 일산화 탄소가 충분히 접촉할 수 있도록, 1/8 인치 테프론-관(1/8 inch interface tubing)을 공급기의 외부로부터 반응기 내 하부까지 연결하였다. 그 외, Alicat scientific 사의 유량 조절기를 통해 가스 공급기 내로 일정양의 일산화탄소 및 헬륨 가스를 제공하였다. 구체적으로 기-액 흡수 평형상태에서 용해도 측정의 경우, 상위 실시 예 1-2와 같이 PBBM 배지를 제조한 후, 타닌-철 나노입자를 PBBM에 분주 하여, 반응기 내부로 50 mL 공급한 후, 헬륨 가스를 200 mL/min 속도로 30 분간 공급하여, 반응기 내부 잔존 기체를 모두 제거한후, 공급기 및 반응기 외부와 연결되는 밸브를 모두 잠가 외부공기와의 노출을 최소화하였다. 이후, 일산화 탄소 가스 용기로부터 공급기로 부분 압 0~1bar 사이로 일산화탄소를 정량 주입하여, 공급기에 연결된 압력계측기의 표기압력이 2분동안 변화가 없을 때, 공급기와 가스용기 사이의 밸브를 잠가, 기-액 흡수 평형반응을 준비하였다. 이어서, 반응기와 공급기 사이의 밸브를 열어, 공급기에 포집된 일산화 탄소를 반응기 내부로 공급하여, 기-액 흡수 반응을 진행한 후, 공급기와 반응기에 연결된 압력계측기의 표기 압력이 5분간 변화가 없을 때, 기-액 흡수평형 상태를 도달한 것으로 간주하고, 기-액 흡수 평형 반응 전 후의 압력차이와 배양배지의 부피, 반응상태에서의 온도를 계측하여 헨리의 법칙을 통해 타닌-철 나노입자 도입에 따른 PBBM 배지내 기-액 흡수 평형상태에서의 용해도를 계산하였다. 이후, 타닌-철 나노입자가 도입되지 않은 PBBM 배지의 용해도 값을 100% 로 보고, 타닌-철 나노입자 도입 농도에 따른 상대 용해도를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 나타낸 바와 같이 타닌-철 나노입자 도입농도 0.025 %(w/v)에서는 기존 배양배지 PBBM 대비, 용해도가 증가하지 않으나, 타닌-철 나노입자 도입농도 0.05 %(w/v)와 0.1 %(w/v)에서는 기존 대비 16 %가량 증가한 것을 확인할 수 있었다.In order to confirm whether carbon monoxide solubility is increased by the introduction of tannin-iron nanoparticles into the culture medium, solubility was measured and analyzed in a gas-liquid absorption equilibrium. The solubility analyzer used for solubility measurement is largely divided into three types: gas supply, reactor, and pressure gauge. In order to maintain a constant temperature and ambient pressure, it is installed in a fume-hood and maintained at a constant temperature (25℃). made it In detail, it consists of a gas supply that stores carbon monoxide gas (99.999%), a reactor where the actual gas-liquid absorption equilibrium reaction takes place, a supply before and after gas-liquid equilibrium reaction, and a pressure gauge indicating the internal pressure of the reactor. It was manufactured in a cylindrical shape with an internal volume of 101.11 cm 3 made of stainless steel to prevent gas leakage to the outside during the gas-liquid absorption equilibrium reaction. In addition, a 1/8 inch Teflon-tube (1/8 inch interface tubing) was connected from the outside of the feeder to the lower part of the reactor so that carbon monoxide could sufficiently contact the actual reaction solution. In addition, a certain amount of carbon monoxide and helium gas was supplied into the gas supply through a flow regulator of Alicat scientific. Specifically, in the case of solubility measurement in the gas-liquid absorption equilibrium state, after preparing a PBBM medium as in Example 1-2 above, tannin-iron nanoparticles are dispensed into the PBBM, and 50 mL is supplied into the reactor, and then helium After gas was supplied at a rate of 200 mL/min for 30 minutes to remove all residual gas inside the reactor, all valves connected to the feeder and the outside of the reactor were closed to minimize exposure to outside air. After that, carbon monoxide is quantitatively injected from the carbon monoxide gas container to the feeder at a partial pressure between 0 and 1 bar. A liquid absorption equilibrium reaction was prepared. Then, by opening the valve between the reactor and the feeder, the carbon monoxide collected in the feeder is supplied to the inside of the reactor, and the gas-liquid absorption reaction proceeds. At this time, it is considered that the gas-liquid absorption equilibrium has been reached, and the pressure difference before and after the gas-liquid absorption equilibrium reaction, the volume of the culture medium, and the temperature in the reaction state are measured to introduce tannin-iron nanoparticles through Henry's law. Solubility in gas-liquid absorption equilibrium in PBBM medium was calculated according to Thereafter, the solubility value of the PBBM medium in which tannin-iron nanoparticles were not introduced was regarded as 100%, and the relative solubility according to the concentration of tannin-iron nanoparticles introduced was shown in FIG. 7 . As shown in FIG. 7 , at the tannin-iron nanoparticle introduction concentration of 0.025% (w/v), the solubility did not increase compared to the conventional culture medium PBBM, but the tannin-iron nanoparticle introduction concentration of 0.05% (w/v) and 0.1% (w/v) showed an increase of about 16% compared to the previous one.

실시예 4. 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 미생물 배지 내 도입에 따른 유체특성 및 CO 가스 버블 관찰 및 비교분석Example 4. Observation and comparative analysis of fluid properties and CO gas bubbles according to the introduction of tannin-iron nanoparticle-based nanofluid into a microbial medium

4-1. 타닌-철 나노입자 기반 나노유체 도입에 따른 미생물 배양 배지 표면장력 및 점도 변화 관찰4-1. Observation of changes in surface tension and viscosity of microbial culture medium according to the introduction of tannin-iron nanoparticle-based nanofluids

실시예 3의 타닌-철 나노입자 도입에 의한 배양배지 내 물질전달계수(KLa)상승 효과 및 용해도 향상 효과가 타닌-철 나노입자 도입에 의한 배양배지의 유체 특성 변화에 의한 것인지 확인하기 위해, 표면장력과 점도를 측정하였다. 표면 장력 측정은 표면장력 측정기(Surface tension meter)를 이용하여 측정하였으며, 점도 측정은 레오미터(Rheometer)를 이용하여 측정하였다. 구체적으로 상위 실시예 1-2와 같은 제조방법으로 제조한 PBBM 배양배지에 타닌-철 나노입자를 0-0.1 %(w/v) 농도로 분주 한 뒤, SEO사의 표면장력 측정기 내부 100 mL 비커에 PBBM 배양배지 50 mL를 공급하여, buoyancy method를 기반으로 표면장력을 계산, 측정하였다. 이어서, 점도 측정은 타닌-철 나노입자 0-0.1 %(w/v) 농도로 주입된 PBBM 배양배지 10 mL를 anton paar 사의 레오미터(Rheometer)에 공급한 후, 전단 속도 100-700 s-1 범위에서 전단응력의 변화량을 측정, 계산하여, 타닌-철 나노입자 도입농도에 따른 PBBM 배양배지의 표면장력 변화와 점도의 변화를 도 8에 나타내었다. 도 8과 같이 타닌-철 나노입자 도입 유무에 따른 PBBM 배양 배지의 표면장력 및 점도는 차이가 없는 것을 확인하였다. 실시예 3의 타닌-철 나노입자 도입에 의한 용해도 상승효과 및 물질전달계수(KLa) 향상은 유체 특성변화에 의한 것은 아닌 것을 확인하였다.In order to confirm whether the tannin-iron nanoparticles of Example 3 increase the mass transfer coefficient (K L a) effect and the solubility improvement effect in the culture medium by the introduction of the tannin-iron nanoparticles are due to the change in the fluid properties of the culture medium by the introduction of the tannin-iron nanoparticles , the surface tension and viscosity were measured. Surface tension was measured using a surface tension meter, and viscosity was measured using a rheometer. Specifically, tannin-iron nanoparticles were dispensed at a concentration of 0-0.1% (w/v) in the PBBM culture medium prepared in the same manner as in Example 1-2, and then placed in a 100 mL beaker inside the SEO's surface tension meter. 50 mL of PBBM culture medium was supplied, and the surface tension was calculated and measured based on the buoyancy method. Subsequently, for viscosity measurement, 10 mL of PBBM culture medium injected at a concentration of 0-0.1% (w/v) of tannin-iron nanoparticles was supplied to an anton paar rheometer, followed by a shear rate of 100-700 s -1 By measuring and calculating the amount of change in shear stress in the range, the change in surface tension and viscosity of the PBBM culture medium according to the concentration of tannin-iron nanoparticles introduced is shown in FIG. 8 . As shown in FIG. 8 , it was confirmed that there was no difference in the surface tension and viscosity of the PBBM culture medium according to the presence or absence of introduction of tannin-iron nanoparticles. It was confirmed that the solubility synergistic effect and the mass transfer coefficient (K L a) improvement by the introduction of tannin-iron nanoparticles of Example 3 were not due to the change in fluid properties.

4-2. 타닌-철 나노입자 기반 나노유체 도입에 따른 미생물 배지 내 일산화 탄소 가스 버블 형태, 이동속도 비교 관찰4-2. Comparative observation of carbon monoxide gas bubble form and movement speed in microbial medium following introduction of tannin-iron nanoparticle-based nanofluid

실시예 3의 타닌-철 나노입자 도입에 의한 배양배지 내 물질전달계수(KLa)상승 효과 및 용해도 향상 효과가 타닌-철 나노입자와 배양배지 내 일산화탄소 가스와의 상호작용에 의한 현상인지 확인하기 위해, 배양 배지 내 타닌-철 나노입자 와 타닌-철 나노입자를 구성하는 구성성분 도입에 따른 일산화 탄소 가스 버블(gas-bubble)의 형태 및 배양 배지 내 가스 버블의 상승속도를 초고속 카메라(High-speed camera)를 이용하여 촬영, 분석하였다.To determine whether the tannin-iron nanoparticles of Example 3 increase the mass transfer coefficient (KLa) and solubility improvement effect in the culture medium by the introduction of the tannin-iron nanoparticles are a phenomenon due to the interaction between the tannin-iron nanoparticles and carbon monoxide gas in the culture medium , The shape of carbon monoxide gas bubbles (gas-bubble) and the rate of rise of gas bubbles in the culture medium according to the introduction of components constituting the tannin-iron nanoparticles and tannin-iron nanoparticles in the culture medium were recorded using a high-speed camera (high-speed camera). camera) was used for filming and analysis.

구체적으로 실시예 1-2와 같은 제조방식으로 제조한 PBBM 배양배지에, 타닌-철 나노입자 및 타닌-철 나노입자를 구성하는 타닌-철(Ta-Fe3+) 복합체, 셀룰로오스 나노입자(CNC)를 0.05 %(w/v)로 각각 주입하여 시료를 준비한 후, 일산화 탄소 가스가 용액 내부로 공급될 수 있도록, 0.04-0.08cm2 직경의 가스공급 구멍이 뚫린 1/6 인치 테프론 관을 1L 부피 폴리스티렌(polystyrene) 재질 수조에 설치한 후, 상기 시료를 0.5L 공급해주었다. 이어서, 일산화 탄소 가스 보관용기로부터 연결된 가스 유량조절기를 이용하여 400 mL/min의 일정 유량으로 가스를 공급해 주면서, 초고속 카메라를 이용해, 초당 24000 프레임으로 배양 배지내 가스 버블의 거동을 관찰, 0.03초 간격으로 가스 버블의 형태, 상승속도를 도 9과 같이 나타내었다. 도 9(a)와 같이, 기존 배양 배지에서 일산화 탄소 가스버블은 공급과 동시에 응집되는데 반해, 타닌-철 나노입자(TA-Fe3+CNC) 0.05 %(w/v) 적용시, 가스 버블이 응집없이 비교적 작은 크기로 균일하게 공급, 이는, 타닌-철 나노입자를 구성하는 표면 타닌-철(TA-Fe3+)의 가스 버블 안정화를 바탕으로 한 결과임을 도 9(a)와 같이 일부, 확인할 수 있었다. 이어서, 타닌-철 나노입자(TA-Fe3+CNC) 0.05 %(w/v) 및 타닌-철 복합체(TA-Fe3+), 셀룰로오스 나노입자의 배지 내 도입에 따른 일산화 탄소 가스 버블 상승속도를 나타낸, 도 9(b)와 같이 타닌-철 나노 입자(TA-Fe3+CNC) 0.05 %(w/v) 및 타닌-철 복합체(TA-Fe3+) 0.05 %(w/v)를 배지에 적용한 경우, 가스 버블과의 상호작용에 의해, 기존 배지(PBBM) 대비 버블 상승속도가 느려지는 것을 확인하였다. 도 9의 타닌-철 나노입자 도입에 따른 균일한 가스 버블 공급 및 가스버블 상승속도 감소 결과는, 타닌-철 나노입자(TA-Fe3+CNC)를 구성하는 표면 타닌-철 복합체(TA-Fe3+)가 일산화 탄소 가스 버블과 상호작용을 하면서 나타나는 현상으로 추측된다.Specifically, in the PBBM culture medium prepared in the same manner as in Example 1-2, tannin-iron nanoparticles and tannin-iron nanoparticles constituting tannin-iron (Ta-Fe 3+ ) complexes, cellulose nanoparticles (CNC ) at 0.05 % (w/v), respectively, to prepare the sample, and then 1 L of 1/6-inch Teflon tube with a 0.04-0.08 cm 2 diameter gas supply hole so that carbon monoxide gas can be supplied into the solution. After installation in a volumetric polystyrene material tank, 0.5 L of the sample was supplied. Then, using a gas flow controller connected from the carbon monoxide gas storage container, supplying gas at a constant flow rate of 400 mL/min, using a high-speed camera, observe the behavior of gas bubbles in the culture medium at 24000 frames per second, every 0.03 seconds As shown in FIG. 9, the shape of the gas bubble and the rate of rise were shown. As shown in FIG. 9(a), in the conventional culture medium, carbon monoxide gas bubbles aggregate at the same time as supply, whereas when tannin-iron nanoparticles (TA-Fe 3+ CNC) 0.05% (w/v) are applied, gas bubbles are Uniformly supplied in a relatively small size without agglomeration, which is a result based on gas bubble stabilization of surface tannin-iron (TA-Fe 3+ ) constituting tannin-iron nanoparticles, could check Subsequently, tannin-iron nanoparticles (TA-Fe 3+ CNC) 0.05% (w/v) and tannin-iron complex (TA-Fe 3+ ), carbon monoxide gas bubble rise rate according to the introduction of cellulose nanoparticles into the medium As shown in FIG. 9(b), tannin-iron nanoparticles (TA-Fe 3+ CNC) 0.05% (w/v) and tannin-iron complex (TA-Fe 3+ ) 0.05% (w/v) When applied to the medium, it was confirmed that the bubble rising rate was slower than that of the conventional medium (PBBM) due to interaction with gas bubbles. The result of uniform gas bubble supply and reduction of the gas bubble rising rate according to the introduction of tannin-iron nanoparticles of FIG. 9 shows the tannin-surface tannin -iron complex (TA-Fe 3+ ) is assumed to be a phenomenon that occurs while interacting with carbon monoxide gas bubbles.

실시예 5: 미생물 배양 배지 내 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 도입의 일산화탄소 흡/탈착 비교 결과Example 5: Comparative results of carbon monoxide adsorption/desorption of tannin-iron nanoparticle-based nanofluid in microbial culture medium

실시예 4의 결과가 실제 배양 배지 내 타닌-철 나노유체가 일산화탄소 가스와의 흡탈착에 의해 나타난 현상인지 확인하기 위한 연구를 수행하였다. 배양 배지 내 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 도입에 따른 일산화탄소 흡/탈착 현상을 분석하기 위해 표면증강라만분광법(SERS)를 활용하였다. 구체적으로, 표면증강라만분광법을 이용하기 위해 0.5 cm x 0.5 cm 크기의 유리 기판에 금-팔라듐 코어-껍질 나노입자 단일층을 전사하였다. 제작된 나노구조체는 기-액 반응기의 액체 상에 도입하였고 해당 나노구조체에 785 nm 레이저 조사 시 발생하는 일산화탄소 분자의 라만 신호를 통해 용존 일산화탄소 농도를 측정하였다.A study was conducted to confirm that the result of Example 4 was a phenomenon caused by the adsorption/desorption of tannin-iron nanofluids with carbon monoxide gas in the actual culture medium. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) was used to analyze the carbon monoxide adsorption/desorption phenomenon following the introduction of tannin-iron nanoparticle-based nanofluids into the culture medium. Specifically, a single layer of gold-palladium core-shell nanoparticles was transferred to a glass substrate having a size of 0.5 cm x 0.5 cm in order to use surface-enhanced Raman spectroscopy. The prepared nanostructure was introduced into the liquid phase of the gas-liquid reactor, and the dissolved carbon monoxide concentration was measured through the Raman signal of the carbon monoxide molecule generated when the nanostructure was irradiated with a 785 nm laser.

우선 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 도입에 따른 일산화탄소 흡착 현상을 확인하기 위해 기-액 반응기의 액상에 1.2 ml PBBM 버퍼(buffer)를 주입한 후, 기상에 10 % 일산화탄소 가스를 30 ml/min의 일정 유량으로 공급해주었다. 기-액 평형에 도달한 후, 추가적으로 0.8 ml PBBM 버퍼를 넣은 경우와 0.8 ml 타닌-철 나노입자 기반 나노유체를 넣은 경우를 비교해보았다. 도 10(a)와 같이 PBBM 버퍼를 넣은 경우에는 일산화탄소의 라만 신호의 세기가 변하지 않았지만, 이에 반해 타닌-철 나노입자 기반 나노유체를 넣은 경우에는 일산화탄소의 라만 신호의 세기가 감소하는 것을 확인하였다. 도 10(a)의 타닌-철 나노입자 기반 나노유체 도입에 따른 일산화탄소의 라만 신호 세기의 감소 결과는 타닌-철 나노입자 표면의 타닌-철 복합체에 용존 일산화탄소가 흡착하면서 나타나는 현상으로 추측된다.First, 1.2 ml of PBBM buffer was injected into the liquid phase of the gas-liquid reactor to confirm the carbon monoxide adsorption phenomenon following the introduction of tannin-iron nanoparticle-based nanofluid, and then 10% carbon monoxide gas was added to the gas phase at 30 ml/min. was supplied at a constant flow rate of After reaching the gas-liquid equilibrium, the case of adding 0.8 ml of PBBM buffer and the case of adding 0.8 ml of tannin-iron nanoparticle-based nanofluid were compared. As shown in FIG. 10( a ), when the PBBM buffer was added, the intensity of the Raman signal of carbon monoxide did not change. On the other hand, when the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid was added, it was confirmed that the intensity of the Raman signal of carbon monoxide was reduced. The result of the reduction of the Raman signal intensity of carbon monoxide according to the introduction of the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid in FIG.

타닌-철 나노입자 기반 나노유체에 흡착된 일산화탄소의 가역적인 탈착 현상을 확인하기 위해 두 개의 기-액 반응기 중 하나는 액상에 1.2 ml의 PBBM 버퍼를 주입하였고, 다른 하나는 액상에 1.2 ml의 타닌-철 나노입자 기반 나노유체를 주입하였다. 각 기-액 반응기의 기상에는 99.9% 일산화탄소 가스를 주입한 후 밀봉시켜주었다. 기-액 평형에 도달한 후, 두 개의 기-액 반응기를 일산화탄소가 없는 대기에 노출시키고 시간에 따른 용존 일산화탄소의 농도를 측정하였다. 도 10(b)와 같이 PBBM 버퍼를 주입한 경우에는 용존 일산화탄소가 기상으로 물질전달을 통해 확산됨에 따라 용존 일산화탄소의 라만 신호가 감소하는 것을 관찰하였다. 이에 반해 타닌-철 나노입자 기반 나노유체를 주입해준 경우에는 용존 일산화탄소의 라만 신호가 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 타닌-철 나노입자 표면의 타닌-철 복합체에 흡착되어 있는 일산화탄소가 탈착되어 용존 일산화탄소 농도가 증가하면서 나타나는 현상으로 추측된다.To confirm the reversible desorption of carbon monoxide adsorbed to the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid, one of the two gas-liquid reactors injected 1.2 ml of PBBM buffer into the liquid phase, and the other was the liquid phase with 1.2 ml of tannin. -Iron nanoparticle-based nanofluid was injected. 99.9% carbon monoxide gas was injected into the gas phase of each gas-liquid reactor and then sealed. After reaching the gas-liquid equilibrium, two gas-liquid reactors were exposed to a carbon monoxide-free atmosphere and the concentration of dissolved carbon monoxide over time was measured. As shown in FIG. 10(b) , when the PBBM buffer was injected, it was observed that the Raman signal of the dissolved carbon monoxide decreased as the dissolved carbon monoxide diffused through mass transfer into the gas phase. On the other hand, when the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid was injected, it was observed that the Raman signal of dissolved carbon monoxide increased. This is presumed to be a phenomenon that occurs when carbon monoxide adsorbed to the tannin-iron complex on the surface of the tannin-iron nanoparticles is desorbed and the dissolved carbon monoxide concentration increases.

이로써 본 실시예에서는 타닌-철 나노입자 기반 나노유체가 일산화탄소에 대한 흡착 및 탈착 특성을 가짐을 확인할 수 있었다.Accordingly, in this example, it was confirmed that the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid had adsorption and desorption properties for carbon monoxide.

결론적으로, 실시예 3과 4에서 확인된 해당 타닌-철 나노입자 기반 나노유체 도입에 따른 일산화탄소의 물질전달계수와 배지 내 일산화탄소의 용해도 향상 및 일산화탄소 가스 버블의 안정화는 타닌-철 나노입자 기반 나노유체의 가역적 일산화탄소 흡/탈착에 의한 것으로 여겨지며, 이는 종합적으로 실시예 2에서 확인된 미생물의 독성 저감 및 배양 안정화에 기여한 것으로 보여진다.In conclusion, the mass transfer coefficient of carbon monoxide and the stabilization of carbon monoxide gas bubbles in the medium and the mass transfer coefficient of carbon monoxide according to the introduction of the tannin-iron nanoparticle-based nanofluid confirmed in Examples 3 and 4 were tannin-iron nanoparticle-based nanofluids. It is believed to be due to the reversible carbon monoxide adsorption/desorption of

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, it will be clear to those of ordinary skill in the art that these specific descriptions are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereby. will be. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present invention be defined by the claims and their equivalents.

Claims (11)

타닌-전이금속 복합체가 도입된 바이오폴리머 나노입자가 매질에 분산되어 있는 나노유체를 함유하는 배지에서 CO를 탄소원으로 활용할 수 있는 미생물을 배양하는 단계를 포함하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
Reduction of carbon monoxide toxicity and microbial stability of carbon monoxide metabolism, including the step of culturing microorganisms that can utilize CO as a carbon source in a medium containing a nanofluid in which biopolymer nanoparticles into which the tannin-transition metal complex is introduced are dispersed How to improve.
제1항에 있어서, 상기 배양은 기체상태의 일산화탄소가 액체배지로 전달되는 속도가 미생물에 의한 일산화탄소 대사 속도보다 빠른 효소 활성 제한조건 혹은 미생물에 의한 일산화탄소 대사 속도가 기체상태의 일산화탄소가 액체배지로 전달되는 속도보다 빠른 물질 전달 제한조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
The method according to claim 1, wherein in the culture, the rate of gaseous carbon monoxide transferred to the liquid medium is faster than the rate of carbon monoxide metabolism by microorganisms under enzyme activity limiting conditions or the rate of carbon monoxide metabolism by microorganisms is gaseous carbon monoxide transferred to the liquid medium A method for reducing the toxicity of carbon monoxide and improving the stability of carbon monoxide metabolism of microorganisms, characterized in that it is carried out under the limiting conditions for mass transfer faster than the rate.
제1항에 있어서, 상기 전이금속은 철, 니켈, 코발트, 몰리브덴 및 크롬으로 구성된 군에서 1종 이상 선택하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
The method of claim 1, wherein the transition metal is selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, molybdenum and chromium.
제1항에 있어서, 상기 미생물은 Eubacterium limosum, Moorella thermoacetica, Clostridium ljungdahlii, Clostridium autoethanogenum, Citrobactor amalonaticus Y19, Acetobacterium WoodiiAlkalibaculum bacchi로 구성된 군에서 1종 이상 선택하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
According to claim 1, wherein the microorganism is Eubacterium limosum , Moorella thermoacetica , Clostridium ljungdahlii , Clostridium autoethanogenum , Citrobactor amalonaticus Y19, Acetobacterium Woodii and Alkalibaculum bacchi Reduction of toxicity and carbon monoxide of microorganisms characterized in that at least one selected from the group consisting of bacchi A method for improving carbon monoxide metabolic stability.
제1항에 있어서, 상기 바이오폴리머는 셀룰로오스, 키토산, 폴리감마글루탐산, 폴리락트산, 폴리하이드록시 알카노에이트, 폴리하이드록시 부틸산 및 폴리올레핀으로 구성된 군에서 1종 이상 선택하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
According to claim 1, wherein the biopolymer is cellulose, chitosan, polygamma glutamic acid, polylactic acid, polyhydroxy alkanoate, polyhydroxy butyric acid and polyolefin, characterized in that at least one selected from the group consisting of carbon monoxide A method for reducing toxicity and improving the stability of microbial carbon monoxide metabolism.
제1항에 있어서, 상기 나노유체는 (a) 바이오폴리머에 산을 첨가하여 바이오폴리머 나노입자를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 바이오폴리머 나노입자를 타닌 용액과 전이금속 용액에 첨가하여 분산시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
The method of claim 1 , wherein the nanofluid comprises: (a) adding an acid to the biopolymer to prepare biopolymer nanoparticles; and (b) adding and dispersing the biopolymer nanoparticles to a tannin solution and a transition metal solution.
제6항에 있어서, 상기 산은 황산, 염산, 질산, 인산, 불산 및 포름산으로 구성된 군에서 1종 이상 선택하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
The method of claim 6, wherein the acid is selected from the group consisting of sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid and formic acid.
제1항에 있어서, 상기 바이오폴리머 나노입자는 0.1 내지 50nm의 직경과 10~1㎛의 길이를 갖는 실린더 형태인 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
The method of claim 1, wherein the biopolymer nanoparticles have a cylindrical shape having a diameter of 0.1 to 50 nm and a length of 10 to 1 μm.
제1항에 있어서, 상기 나노유체에서 상기 바이오폴리머 나노입자와 상기 타닌-전이금속 복합체의 중량비는 1:10 내지 1:1000인 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
The method of claim 1, wherein the weight ratio of the biopolymer nanoparticles and the tannin-transition metal complex in the nanofluid is 1:10 to 1:1000.
제1항에 있어서, 상기 매질은 극성용매인 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.
The method of claim 1, wherein the medium is a polar solvent.
제1항에 있어서, 상기 타닌-전이금속 복합체가 도입된 바이오폴리머 나노입자와 상기 매질의 중량비는 1:5000 내지 1:50인 것을 특징으로 하는 일산화탄소의 독성 저감 및 미생물의 일산화탄소 대사 안정성 향상방법.The method of claim 1, wherein the weight ratio of the biopolymer nanoparticles into which the tannin-transition metal complex is introduced and the medium is 1:5000 to 1:50.
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