에너지 위기, 물 부족 및 오염은 지속 가능한 환경 존재에 직면 한 주요 과제 중 하나입니다. 지속 가능한 공급 원료에서 파생 된 재생 가능한 에너지는 화석 연료의 부하를 줄이고 온실 가스 (GHG) 배출량을 줄일 수 있습니다. 바이오 연료, 특히 바이오 에탄올 및 바이오 디젤은 밀레니엄이 시작된 이래 가장 독특하고 녹색 대안 중 하나로 선전되었습니다. 이와 관련하여, Algal 유래 바이오 연료는 우리의 줄어든 화석 연료 매장량의 구세주가 될 가능성이 있습니다.
조류는 시아 노 박테리아 (microalgae)에서 거대한 켈프 (거대 조류)에 이르는 광합성 유기체의 다양한 그룹 (~ 100,000 균주)입니다. 미세 조류 하네스 Co 2 및 대기에서 햇빛으로 단백질, 탄수화물, 지질 및 부가가치 제품 (카로티노이드, 비타민 및 스테롤)을 포함한 생체 분자를 합성합니다. 에너지가 풍부한 화합물, 특히 세포 내 지질 예비군은 바이오 디젤 생산을위한 잠재적 원료로서 작용하고; 축적 된 탄수화물은 간단한 발효에 의해 바이오 에탄올로 전환 될 수 있으며, 조류 부가가비 제품은 대체 영양소의 공급원이 될 수있다. 또한, 미세 조류는 Co 2 를 포착 할 수 있습니다 환경 및 산업 폐기물 스트림에서 중금속을 완화하여 친환경 영향을 제공합니다.
바이오 연료에 대한 잠재력과 중금속의 완화 가능성이 큰 미세 조류에도 불구하고 대규모의 활용은 여전히 길고 있습니다. 바이오 연료 생산 및 금속 생물 정화의 경제적 인 생산을 신속하게 생산할 수있는 주요 요인은 조류 바이오 매스 생산성 증가, 풍부한/풍부한 공급 원료의 활용, 지질/탄수화물의 비용 효율적인 추출, 고급 제품에 대한 잔류 바이오 매스의 이용을 포함한다. 관개에 적합하지 않은 해수 또는 뇌한 물의 활용은 이러한 미생물을 배양하기 위해 담수, 땅 및 영양소와 경쟁이 없기 때문에 조류 농업 딜레마를 해결합니다.
이를 위해, 우리의 연구 노력은 해수에서 자랄 수있는 지역 호수에서 높은 지질 축적 미세 조류 균주의 생체 관습에 초점을 맞추었다. 분리 된 균주 중 Sceneedesmus sp. IITRIND2는 자연 해수 (35 g/L 바다 염)를 견딜 수 있었으며, 높은 지질 및 탄수화물 함량의 축적과 함께 빠른 성장 속도를 나타 냈습니다. 실험실 및 파일럿 규모 (실제 온도 및 빛 변동을 모방하기 위해 여름 야외 조건에서 작동하는 광선 반응기에서)에서 일련의 생리적 및 생화학 적 연구는 마이크로 얄가의 해수 순응 특성에 대한 상세한 통찰력을 제공했습니다. 이러한 적응은 포도당, 만노스, 갈락토스, 푸코스 및 리보스를 포함한 구조적 및 저장 기능과 관련된 중성 설탕의 증가에 기인한다.
.탄수화물 재 배열은 높은 염분의 유해한 효과를 우회하는 데 세포 성분 및 막 투과성을 다시 제기하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 기존 디젤 엔진에서 바이오 디젤의 적용 가능성은 미국 및 유럽 연합 연료 표준 프로토콜을 사용하여 연료 특성을 분석하여 검증되었습니다.
그런 다음 우리는 조류 생물 학자와 산업에 중요한 관심사를 이해하기 시작했습니다. 담수 마이크로 알가가 그러한 높은 식염수 조건에 적응 한 얼마나 정확하게 우리는 담수와 달리 해수에서 재배 될 때 유전자, 단백질 및 대사 산물 수준에서 발생하는 마이크로 알가의 변화를 해독하기 위해 체계적인 워크 플로우를 설계했습니다. 결과는 마이크로 얄가가 이온 채널을 제한하여 표면 전위를 감소시키고 담수 배지와 비교하여 추가 다당류를 배설함으로써 막 투과성을 리모델링했다는 것을 보여 주었다.
.흥미롭게도, 큰 지질 축적 및 100% ASW 배양에서 세포 구조의 무질서와 함께 세포 크기의 증가는 대조군 세포와 비교하여 마이크로 알 GA의 전자 현미경 사진에서 시각화되었다. 프로테오믹스, 대사체 및 지질학으로 구성된 "통합 omics 접근법"에 기초하여, 염분 중심의 대사 경로는 대사 모델의 발달과 비 영역 전류 종 공학을위한 유전 적 표적을 식별하는 데 도움이되는 가설을 세웠다.
.다음 과제는 환경에 존재하는 독성 중금속의 개선을 위해이 특정 미세 조가를 활용하는 것이 었습니다. 이로 인해 비소 및 카드뮴과 같은 중금속을 바이오 디젤 생산과 함께 완화하기위한 상승성 모드 Operandi의 발전으로 이어졌습니다. sceneedesmus sp. IITRIND2는 500 mg/L의 비소 형태 (III, V) 및 100 mg/L의 카드뮴을 견딜 수있는 탁월한 용량을 보여 주었다. 비소 (III, V)에 대해 87 %의 높은 제거 효율 및 카드뮴의 경우 95 %는 잘 물을 모방하는 배양 배지에서 50 mg/L의 초기 금속 농도에서 기록되었다. 마이크로 얄가는 또한 중금속 스트레스 하에서 재배 할 때 건조 세포 중량의 ~ 40-45% 지질 함량을 보여 주었다. 지질에서 생성 된 바이오 디젤은 또한 국제 바이오 디젤 표준과 준수하여 이러한 하이브리드 접근법의 타당성을 나타냅니다.
.실제로, 우리는 결국 sceneedesmus 의 잠재력을 탐구함으로써 한 걸음 더 나아가기를 희망합니다. sp. 실제 폐수와 침출수를 사용하여 인도 토양에 열린 경마장 연못에서 iitrind2. 이를 향한 작은 단계는 Indian Institute of Technology Roorkee 캠퍼스에서 얻은 현지 일기 폐수 에서이 마이크로 알가를 배양함으로써 우리 그룹에 의해 시작되고 있습니다. 폐수의 생물 정화 측면에서 얻은 결과는 ~ 75% 총 유기 탄소, ~ 94% 화학적 산소 수요, ~ 90% 총 질소 및 ~ 93% 총 인 (~ 91%), 플루오 린 (~ 89%) 및 브롬화물 (~ 66%)의 완화 (~ 66%)의 제거로 매우 유망합니다. 마이크로 얄가는 또한 바이오 디젤과 바이오 에탄올로 전환 된 높은 세포 내 지질 및 탄수화물을 축적했다.
.요약하면, 우리는 해수를 배양 배지로 테스트, 대사 모델 개발, 바이오 연료 생산을 폐수 및 중금속 치료와 통합하는 것을 포함하여 조류 농업에 대한 상용화 장벽 중 일부를 체계적으로 해결했습니다. 이러한 공동 노력은 바이오 연료 및 생물 정화를위한 대규모 미세 조류 재배의 초기화에 중점을두고 있으며, 이는 가까운 시일 내에 지속 가능한 응용을 촉진 할 수 있습니다. 실제로, sceneedesmus 과 같은 강력하고 생산적인 미세 조류 균주 sp. IITRIND2는 에너지 위기, 기후 악화 및 식수 오염으로부터 지구를 구하기위한 해답이 될 수 있습니다. 우리는 우리의 연구가 조류 기반 바이오 경제의 실현을 향한 기초 단계가 될 수 있다고 생각하고 그 후 조류가 세계의 요구를 불러 일으키는“녹색 광산”이되도록 도와줍니다.
.참조 :
- Arora, N. et al. 높은 염분 조건 하에서 담수 마이크로 알가의 향상된 지질 생산 특성에 대한 통찰력. Ind. Eng. 화학 해안 56, 7413–7421 (2017).
- Arora, N. et al. Halotolerant Scenedesmus sp.의 독특한 생리적 반응을 설명합니다. 바이오 연료 생산을 위해 해수에서 재배. Algal Res. 37, 260–268 (2019).
- Arora, N. et al. 통합 OMICS 접근법을 사용하여 Halotolerant Microalga의 분자 반응을 묘사하여 향상된 태그 생산을위한 유전자 공학 표적을 식별합니다. 바이오 테크놀. 바이오 연료 1–17 (2019). doi :10.1186/s13068-018-1343-1
- Arora, N. et al. 녹색 마이크로 얄가에서 비소 (III, V)의 완화 동안 차등 세포 반응을 설명하기위한 NMR 기반 대사 적 접근. ACS Omega 3, 11847–11856 (2018).
- Arora, N. et al. 비소 해독을 유학성 미세 조류를 사용하여 바이오 디젤 생산과 통합하는 하이브리드 접근법. Algal Res. 24, 29–39 (2017).
