미세 조류
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1. 개요
미세 조류는 광합성을 하는 단세포 또는 군체 형태의 조류를 통칭하며, 지구 생태계에서 중요한 역할을 한다. 이들은 대기 중 이산화탄소를 흡수하고 산소를 생산하며, 먹이 그물의 기초를 형성하여 생태계의 에너지 흐름에 기여한다. 미세 조류는 생물 다양성이 풍부하여 다양한 종류가 존재하며, 카로티노이드, 항산화제, 지방산, 효소 등 다양한 화학 물질을 생산한다. 또한, 미세 조류는 환경 조건에 따라 화학적 조성을 변화시키고, 영양 순환과 탄소 고정에도 기여한다. 미세 조류는 식품, 바이오 연료, 화장품, 의약품 등 다양한 상업적 용도로 활용되며, 배양 시스템의 성공 요인은 용기, 빛, 세포 농도, 영양 수준 등이다.
미세조류는 박테리아와 함께 먹이 그물의 기초를 형성하여 상위 영양 단계에 에너지를 제공한다.[36] 미세조류 바이오매스는 종종 농도로 측정되며 잠재적 생산량의 지표로 활용될 수 있다.[36]
미세조류의 화학적 조성은 종과 재배 조건에 따라 달라진다. 일부 미세조류는 환경 변화에 적응하기 위해 화학적 조성을 바꾸기도 한다. 예를 들어 인이 부족한 환경에서는 인지질을 비인막 지질로 대체하기도 한다.[39] 온도, 조도, pH, CO2 공급, 염분, 영양소 등의 환경 요인을 조절하면 미세조류가 원하는 생성물을 더 많이 만들도록 할 수 있다.
2. 생태계
2. 1. 광합성과 생태계 기여
광합성을 하는 미세조류는 지구 생태계에 매우 중요하다. 이들은 대기 중 산소의 약 절반을 생산하고,[34] 동시에 온실가스인 이산화 탄소를 흡수하여 지구 온난화 완화에 기여한다. 해양에서는 시아노박테리아와 함께 식물 플랑크톤이라 불리는 미세조류가 광합성의 주된 역할을 담당한다.[35] 미세조류는 먹이 그물의 기초를 형성하여 상위 영양 단계에 에너지를 제공한다.[36]
미세조류는 영양분 순환과 무기 탄소를 유기 분자로 고정하는 과정, 해양 생물권에서 산소 발생에 큰 역할을 담당한다. 또한, 인이 부족한 환경에서는 인지질을 비인막 지질로 대체하는 능력이 있다.[28] 온도, 조명, pH, CO2 공급, 염분, 영양소 등의 환경 요인을 조절하여 미세조류 내에 특정 생성물을 축적시킬 수도 있다. 녹조 등 일부 미세조류는 유독한 화학 물질을 생성하기도 한다.[29]
2. 2. 생물 다양성
미세조류는 매우 다양한 종으로 구성되어 있으며, 아직 밝혀지지 않은 종도 많다. 약 200,000~800,000 종이 존재하는 것으로 추정되며, 그 중 약 50,000종이 기술되어 있다.[37] 조류 바이오매스로부터 카로티노이드, 항산화제, 지방산, 효소, 폴리머, 펩타이드, 독소, 스테롤 등 15,000개 이상의 새로운 화합물이 발견되었다.[38]
2. 3. 특이한 미세조류
엽록소가 없는 프로토테카는 기생 생활을 하며, 인간과 동물에게 프로토테코시스라는 질병을 유발한다.[38]
3. 화학적 특성
미세조류는 먹이 선택, 방어, 회피 등에 관여하는 화학적 신호를 만든다. 이러한 신호는 조류 번성과 같은 대규모 생태 구조에 영향을 미치지만, 단순 확산이나 층류 이류를 통해 전달된다.[40] 미세조류는 이매패류 등 다양한 양식 생물의 주요 먹이가 된다.
3. 1. 환경 적응
미세조류는 종과 재배 조건 등 다양한 요인에 따라 화학적 조성이 변한다. 일부 미세조류는 환경 변화에 따라 화학적 조성을 바꾸어 적응하기도 한다. 특히, 인이 부족한 환경에서 인지질을 비인막 지질로 대체하는 능력이 주목받고 있다.[39] 온도, 조도, pH, CO2 공급, 염분, 영양소 등의 환경 요인을 조절하여 미세조류가 원하는 생성물을 축적하도록 유도할 수 있다.
미세조류는 먹이 선택, 방어, 회피 등에 영향을 미치는 화학적 신호를 생성한다. 이러한 화학 신호는 조류 번성과 같은 대규모 생태 구조에 영향을 주지만, 단순 확산과 층류 이류를 통해 전달된다.[40] 미세조류는 이매패류를 포함한 다양한 양식 종의 주요 먹이원이기도 하다.
3. 2. 화학적 신호
미세조류는 먹이 선택, 방어 및 회피에 기여하는 화학적 신호를 생성한다. 이러한 화학적 신호는 조류 번성과 같은 대규모 열대 구조에 영향을 미치지만 단순 확산 및 층류 이류에 의해 전파된다.[40] 미세조류는 특히 이매패류를 비롯한 수많은 양식 종의 주 먹이가 된다.
3. 3. 영양학적 가치
생선 기름은 오메가-3 지방산 함량으로 유명하지만, 생선은 실제로 오메가-3를 생성하지 않고 미세조류를 섭취하여 오메가-3 저장량을 축적한다.[39] 이러한 오메가-3 지방산은 이를 생산하는 미세조류로부터 직접 인간의 식단에서 얻을 수 있다.
미세조류는 종 및 재배 조건에 따라 상당한 양의 단백질을 축적할 수 있다. 비경작지에서 자라는 미세조류는 인간이 섭취하거나 동물 사료를 위한 대체 단백질 공급원을 제공할 수 있다.[41] 미세조류 단백질은 또한 식품 산업에서 동물성 단백질을 대체하기 위해 농축제[42] 또는 에멀젼 및 거품 안정제[43]로 조사된다.
일부 미세조류는 추출하여 착색제로 사용할 수 있는 엽록소, 카로티노이드 또는 피코빌리단백질과 같은 발색단을 축적한다.[44]
4. 광합성 및 화학합성
미세조류는 생물권에서 영양 순환과 무기 탄소를 유기 분자로 고정하고 산소를 발생시키는 데 중요한 역할을 한다.
생선 기름의 오메가-3 지방산은 미세조류를 통해 축적된다. 생선은 오메가-3를 직접 생성하지 않고 미세조류를 섭취하여 축적하기 때문이다. 따라서, 이러한 오메가-3 지방산은 미세조류로부터 직접 얻을 수 있다.
미세조류는 종 및 재배 조건에 따라 상당한 양의 단백질을 축적할 수 있으며, 비경작지에서도 자랄 수 있어 인간이나 동물의 대체 단백질 공급원으로 활용될 수 있다.[41] 미세조류 단백질은 식품 산업에서 동물성 단백질을 대체하기 위한 농축제[42], 에멀젼, 거품 안정제[43]로도 연구되고 있다.
일부 미세조류는 엽록소, 카로티노이드, 피코빌리단백질과 같은 발색단을 축적하여 착색제로 사용할 수 있다.[44]
4. 1. 공생 관계
광합성 및 화학 합성 미생물은 숙주 유기체와 공생 관계를 형성할 수 있다. 이들은 스스로 합성할 수 없는 이매패류의 성장에 필요한 비타민과 다가불포화 지방산을 제공한다. 또한 세포는 수성 현탁액에서 성장하기 때문에 물, CO2 및 기타 영양소에 더 효율적으로 접근할 수 있다.4. 2. 탄소 고정
미세조류는 해양 생물권에서 영양 순환 및 무기 탄소를 유기 분자로 고정하고 산소를 발현하는 데 중요한 역할을 한다.[41] 미세 조류는 영양 순환에 중요한 역할을 하며 무기 탄소를 유기 분자로 고정하고 해양 생물권에서 산소를 배출한다.[29]5. 미세조류의 배양
다양한 미세조류 종이 상업적 목적으로 배양되고 있다. 미세조류는 인간 영양, 바이오 연료, 양식업, 의약품 제조, 화장품, 바이오 비료 등 다양한 방식으로 사용된다.[45][46][47][48][49] 그러나 낮은 세포 밀도는 특히 저가 상품의 상업적 생존 가능성에 있어 주요 병목 현상이다.[50]
5. 1. 활용 분야
다양한 미세조류 종은 사육장에서 생산되며 인간 영양[45], 바이오 연료[46], 다른 유기체의 양식업[47], 의약품 제조, 화장품[48], 바이오 비료[49]를 포함하여 상업적 목적을 위해 다양한 방식으로 사용된다. 그러나 낮은 세포 밀도는 많은 미세조류 유래 제품, 특히 저가 상품의 상업적 생존가능성에 있어 주요 병목 현상이다.[50]미세 조류 배양 시스템의 성공 조건은 다음과 같다.
- 미세 조류가 배양되는 용기/광생물 반응기의 치수
- 빛에의 노출/조사
- 반응기 내 세포의 농도
5. 2. 배양 조건
연구에 따르면 미세조류 사육 시스템의 성공에 대한 주요 요인은 다음과 같다.[21][22]- 배양 시스템의 기하학적 구조와 규모 (광생물 반응기)
- 광도
- 기체 상태의 이산화 탄소(CO2) 농도
- 영양 수준 (주로 N, P, K)
- 배양액 혼합
5. 3. 낮은 세포 밀도 문제
미세조류는 다양한 종이 사육장에서 생산되며 인간 영양[45], 바이오 연료[46], 다른 유기체의 양식업[47], 의약품 제조, 화장품[48], 생물비료[49] 등 상업적 목적으로 다양하게 사용된다. 그러나 낮은 세포 밀도는 많은 미세조류 유래 제품, 특히 저가 상품의 상업적 생존가능성에 있어 주요 병목 현상이다.[50]미세조류는 식용[30], 바이오 연료[31], 화장품[32] 등 광범위하게 이용되고 있지만, 세포 밀도가 낮아 생산 효율이 낮아 고가 제품 외에는 채산성이 악화되고 있다.[33]
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