해양 바이오 매스인 다시마로부터 가치 산물을 생산할 수 있는 새로운 잠재 미생물, Enterobacter sp. JMP3

Abstract

몇 차례에 걸친 석유파동과 지구온난화 등의 환경문제로 인해 대체 에너지에 대한 관심이 급증하면서 바이오매스 에너지에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 바이오 매스로부터 생산되는 산물 중에서도 바이오 에탄올은 옥탄가가 높고 혼합연료로 기존 내연기관에 완벽히 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 바이오 에탄올 생산과정에서 발생하는 각종 유기산 또한 바이오 케미컬로 전환시켜 다양한 목적으로 사용될 수 있다. 이러한 가치산물들은 현재까지 옥수수, 당밀과 같은 1세대 바이오 매스와 목질계의 2세대 바이오 매스로부터 생산되어 왔다. 하지만 식량안보 문제 및 낮은 에탄올 생산성 등의 문제에 직면하게 되면서 새로운 바이오 매스인 해조류에 대한 관심이 증가하였다. 해조류는 연간 수확시기가 기존의 원재료에 비해 높기 때문에 바이오 매스 확보에 용이할 뿐만 아니라 탄수화물의 함량 또한 높아 가치산물의 생산에 적합하다는 장점을 가지고 있다. 해조류 중에서도 갈조류는 최대 60m까지 자라고 그 수확량 또한 다른 해조류에 비해 높기 때문에 더 적합한 바이오 매스라 할 수 있다. 갈조류는 alginate, cellulose, laminaran, fucoidan의 다당류와 mannitol 이라는 당 알코올로 구성되어 있다. 이러한 갈조류로부터 가치산물을 생산하기 위해서는 다당류들을 구성하고 있는 단당류 성분들이 발효 미생물에 의해 에탄올로 전환 가능한 당이어야 한다. 하지만 갈조류에서 가장 많은 부분을 차지하는 성분인 mannitol과 alginate의 단당류인 guluronate와 mannuronate는 현재 가장 널리 사용되고 있는 에탄올 생산 미생물인 Saccharomyces cerevisiae 와 Zymomonas mobilis에 의해 발효가 되지 않는다고 알려져 있다. 그렇기 때문에 이 연구에서는 쉽게 발효가 되지 않는 갈조류의 주요 구성물질을 에탄올과 유기산으로 전환시킬 수 있는 새로운 미생물을 동정함으로써 가치산물의 생산성을 보다 높이고자 하였다. 특히, 에탄올 생산성을 더욱더 향상시킬 수 있는 SSF나 CBP공정으로의 적용가능성을 고려하여 혐기적 조건하에서 이러한 미생물을 동정 하고자 하였다. 이러한 미생물들은 해조류를 주식으로 하는 소라의 내장에서 동정하였으며, 16S rRNA 분석 결과 Serratia sp., Enterococcus sp., Enterobacter sp. 로 밝혀졌다. 3가지 동정 미생물들이 해조류의 다당류 성분을 단당류 전환할 수 있는지 파악하기 위해 alginate lyase, laminarinase와 cellulase 3가지 효소에 대한 활성도를 측정하였으며 그 결과 3가지 미생물 모두 3가지 효소에 대해 활성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 특히 Enterobacter sp. JMP3는 생장속도가 빠르고 intra와 extracellular에 대한 활성을 모두 나타낼 뿐만 아니라 glucose보다 mannitol로부터 에탄올을 더 많이 생산할 수 있는 것으로 보고 되어 있다. 따라서 이 연구에서는 이 미생물을 이용하여 에탄올과 유기산 생산을 위한 발효 연구를 진행하였다. 발효를 진행하기 이전, 에탄올로 전환될 수 있는 당류 및 mannitol의 함량에 전처리가 미치는 영향을 분석해본 결과, 큰 긍정적 효과가 없었으며, 따라서 본 연구에서는 산 및 알칼리의 전처리 없이 pure culture system 유지를 위한 열처리만을 사용하였다. 발효 결과 Enterobacter sp. JMP3가 mannitol과 guluronate 를 사용하여 에탄올 및 4가지 다른 유기산을 생산하는 것을 확인하였다. 1 g의 건조 다시마로부터 0.086 g의 에탄올이 생산되었고 0.13 g의 총 유기산이 생산되었다. 이러한 에탄올 수율은 또 다른 mannitol 발효 미생물인 Zymobacter palmae에 비해 높은 편이며 이 미생물이 산소를 필요로 하는 것과는 달리 동정미생물의 경우 혐기적 조건에서 mannitol을 발효시킬 수 있기 때문에 SSF공정으로의 적용 가능성이 더 크다고 할 수 있다. 그리고 상대적으로 낮은 에탄올 생산 수율은 다른 Enterobacter sp.을 이용한 연구에 비해 낮게 접종한 초기 cell의 양을 증가시키고 pH 인자 조절을 통해 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Marine biomass is a potent biomass for the production of valuable products such as ethanol and organic acids. Among them, brown algae are attractive because of the fast growth rate, great yield, and high carbohydrate contents. However, majority of carbohydrates from brown algae are not easily utilized by most microorganisms, which contributes to the low availability of brown algae as a source for marine biorefinery. Three facultative anaerobes, Serratia sp. JMP1, Enterococcus sp. JMP2 and Enterobacter sp. JMP3, were isolated from the gut of turban shell, Batillus cornutus which is a marine animal fed Laminaria japonica, one of the most abundant brown algae in Korea, for cultivation. All of isolated bacteria showed activities of alginate lyase, cellulase and laminarinase so that they could saccharify brown seaweed consisting of three polysaccharides (alginate, cellulose and laminarin)

and release monosaccharides which are used for ethanol and organic acids production by microorganisms. Also we tested the fermenting activity of Enterobacter sp. JMP3, one of isolated bacteria. During fermentation, this bacterium utilized both mannitol and guluronate in L. japonica, and produced ethanol and four organic acids of 0.086 and 0.22 g/g dried seaweed, respectively. This yield of ethanol was higher than that produced by Zymobacter palmae, another mannitol fermenting bacterium. Enterobacter sp. JMP3 is worthwhile because they can ferment mannitol under anaerobic condition, giving that it has availability for microbial simultaneous saccahrification and fermentation. In addition, the yield of ethanol would be increased through high density of inoculums, pH control and optimization of fermentation condition.