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[논문 요약] 독성 환경오염물질에 의한 해양 생물의 산화적 스트레스를 이용한 분자 생물지표 (molecular biomarker)

Contents Physiological cellular process and the role of free radicals Reactive oxygen species, oxidative damage to biomolecules and oxidative stress Biomarkers for free radical damage in biological systems Pollutants of the aquatic environment and oxidative stress in aquatic organisms Conclusions1. Physiological cellular process and the role of free radicals 호기성 대 사 - Reactive oxygen species (ROS) 생성 , 이용 Superoxide anion radical ( O 2 ˙ - ) Hydrogen peroxide ( H 2 O 2 ) Peroxyl radicals ( ROO ˙ ) N itrogen oxide ( NO ˙ ) Redox homeostasis - Essential for health 2-3% 의 free radical 이 항산화 방어 매커니즘 회피 - 산화적 스트레스 Cytochrome P450 generates O 2 ˙ -2. Reactive oxygen species, oxidative damage to biomolecules and oxidative stress ROX 의 주요 생선원 미토콘드리아 - 전자를 산소에 전달할 때 , 의도치 않은 spin-off 주요 연구 대상 Superoxide anion radical (O 2 ˙ - ) Antioxidant vitamins, catecholamines ( 교감신경자극전달물질 ), thiols 산화 각종 효소 비활성화 Hydroxyl radical (HO˙ ) 강한 산화 포텐셜 세포 구성물질들 ( 막 지질 , 효소 단백질 , DNA) 과의 무분별한 반응성 세포막과 DNA 의 음이온은 m소 생산 조절 세포내 각종 항산화 효소 : 반응성 라디칼을 가져오거나 비활성화 세포외 저분자 항산화 물질 (ascorbate, uric acid, etc ) : 체액을 순환하며 자유라디칼과 ROS 를 소거 대표적 항산화 효소 SOD : Superoxide dismutase CAT : Catalase GPx : Glutathion peroxidase2. Reactive oxygen species, oxidative damage to biomolecules and oxidative stress 2.1. Lipid peroxidation and its significance Polyunsaturated fatty acid 이중결합 때문에 ROS 의 산화 반응에 매우 민감 LOOH 는 쉽게 분해됨 Lipid alkoxyl radicals, aldehydes, alkanes, lipid epoxides, and alcohols 대부분이 toxic, mutagens Vitamin E prevents the initiation of peroxidation2. Reactive oxygen species, oxidative damage to biomolecules and oxidative stress 2.1. Lipid peroxidation and its significance Polyunsaturated fatty acid Peroxidized membranes 경화 - 반투과성 상실 Lipid peroxidation 의 축적 작용 죽상동맥경화증 , 용혈성 빈혈 , 허혈 등 Metals and their chelate complexes Cu, Cr, Ni, Cd Lipid peroxidation 과 이후의 발암 촉진에 관여2. Reactive oxygen species, oxidative damage to biomolecules and oxidative stress 2.2 . Reactive oxygen species and DNA damage DNA 의 음이온성 Meta 함께 축적됨 노화와 관련된 효소의 변형 , 축적 - 산화된 단백질을 분해하는 능력의 상실 - 전사 및 번역 매커니즘에 악영향 - 단백질의 산화가 노화와 질병의 원인3. Biomarkers for free radical damage in biological systems Molecular biomarkers 자유라디칼에 의한 생물분자의 산화적 damage 와 다양한 산화 스트레스를 실험 동물을 이용하여 추정하는데 사용 다양한 항산화 방어 매커니즘의 상태 또한 모니터링 가능 효소적 항산화 물질 - Superoxide dismutase (SOD), CAT, glutathione peroxidase (GPX ) 비효소적 항산화 물질 - Glutathione , vitamin E, ascorbate, bcarotene, urate 산화 스트레스는 xenobiotics 의 독성 매커니즘에 중요한 역할 산화 스트레스와 만성 염증은 연관되어 있음 - Noninvasive biomarkers of oxidative stress in human3 .1. Biomarkers of lipid peroxidation 자유라디칼에 의한 조직손상에 대한 집중 연구 분야 세포내 1 차 과산화물 직접 분석 어려움 - 대부분 2 차 과산화물 (Aldehydes, ketones) 을 측정 Malondialdehyde (MDA) formation assay Xenobiotics 에 의한 자유 라디칼 산화 - MDA 증 가 HPLC 와의 combination 으로 detection limit 3 pmol 까지 향상 (1983 년 ) 불포화 지방산의 diene conjugation 측정 민감도가 상대적으로 낮음 Gas Chromatography-Electron capture Detection method 동시에 8 가지 지질 과산화물을 측정 (Acetaldehyde, butanal , hexanal 등 ) 상대적으로 높은 정확도 3. Biomarkers for free radical damage 측정 Noninvasive sampling 이 가능한 biomarker 연구 필요 ( 소변 ) 3. Biomarkers for free radical damage in biological systems3.4. Antioxidant defenses in aerobic organisms as biomarker of oxidative stress 효소적 항산화 시스템 항산화 효소 측정 - Antioxidant status indication 산화 스트레스의 biomarker 로 이용 가능 비효소적 항산화 시스템 주로 저분자물질 Ex) vitamins C/E , urate, retinyl esters, b-carotene, glutathione (GSH ) Biomarkers for adverse health effects by xenobiotics Xenobiotics 노출 - 항산화 효소 감소 몇몇 조건에서는 증가하기도 함 3. Biomarkers for free radical damage in biological systems수중 환경에서의 산화 스트레스 Uptake of pollutants 퇴적물 , 부유 입자 , 먹이 섭취에 의해 발생 섭식 패턴과 생태적 라이프 스타일에 따라 다름 수생생물 : Test species 여과 능력 , caging 의 용이성 , 만성 노출 및 치사 농도에 대한 민감성 高 모델 시스템 제공 : ROS 의 세포 성분 손상 , 세포의 반응 , 복구 , 질병 이행 등 매커니즘 구명 수생생물에 대한 환경 독성 연구 Redox cycling compounds 가 microsomes 에 미치는 영향 구명 : Quinones , aromatic hydrocarbon- quinones , nitropyrene, lindane , paraquat , nitrobenzoic acid 메기 , 무지개 송어 , 넙치 , 홍합 등 이용 4. Pollutants of the aquatic environment and oxidative stress in aqaquatic environment and oxidative stress in aquatic organisms 4.2. Aquatic organisms and oxidative DNA damage 수생생물의 DNA oxidation 조사 어류 – nitrofurantoin (Redox-cycling xynobiotic ) 노출 - 간 조직에서 8-OHdG 증가 홍합 – 오염수역 (in situ) - Cu, Pb 가 8-OxodG 와 강한 양의 상관관계 홍합 – 금속 염 노출 ( 유전독성 검사 , alkaline elution 염색체이상 검사 , 미소핵 검사 수행 ) - 유전독성 : Hg Cu Cd Hg, Cu: DNA 단일가닥 파괴 , 미소핵 발생 증가 홍합 , 편평어 – Nitroaromatic compounds, benzo[a]pyrene 노출 (Single-cell gell electrophoresis 수행 ) - Cytochrome P450 에 의해 DNA strand 파괴 발생 증가 장어 – B[a]P, Arochlor 1254, dioxin 노출 - DNA strand 파괴 , 적혈구 세포자살4. Pollutants of the aquatic environment and oxidative stress in aquatic organisms 4.3. Cellular antioxidant defenses in aquatic organisms 수생생물의 항산화 어류 : 다른 척추동물에 비해 SOD, CAT ↓ , GPx ↑ 효소적 항산화가 중요 ROS 에 의한 염증 - 항산화 효소 농도 증가 But, 오염원 농도가 높으면 효소 농도 감소 어류 - Xenobiotics 노출 , inflammatory cytokines ( 염증 유발 ) 작용 , 대식세포에 의한 식세포 작용시 Mn -SOD 활성 및 전사 증가 Use as Biomarkers 수생생물 항산화 매커니즘의 biomarker 접목 연구 다수 ex) 잉어 , 메기 , 무지개송어 , 노랑촉수 , 홍합 ,ow}

생물학| 2016.01.05| 21페이지| 3,000원| 조회(117)

오염, 생물 지표, 독성, 산화적 스트레스, 분자 마커, 해양 생물, 수생 생물

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[Keith W Waldron의 Advances in biorefineries 챕터 요약] 혐기성 대사와 발효를 통한 바이오메탄(biomethane)과 바이오수소(biohydrogen) 생산

Biomethane and biohydrogen production via anaerobic digestion/fermentationContents Introduction Basic principles of biogas and hydrogen production Biogas and biohydrogen production: technological aspects Production of biogas (methane) and biohydrogen from different feedstocks Current status and limitation Future trendsIntroduction Biogas : M ixture of methane and carbon dioxide Biohydrogen : Intermediate product of anaerobic digestion process → N ot accumulated under normal conditions The sustainable production of hydrogen requires the production of biogas In this study Details of the yields of methane and hydrogen from different feedstocks The drawbacks and potential of applying the above technologiesBasic principles of biogas and hydrogen production Biogas Anaerobic digestion Hydrolysis Carbohydrates → S ugar P roteins → Amino acids L ipids → Glycerol The slowest step A cidogenesis (fermentation ) Hydrolysates → L ow molecular acids and alcohol Acetogenesis Acidogenesis products → Hysugars under anaerobic conditions → High yield of hydrogen Hydrogen productivity (HP) Acetic acid : 33% Butyric acid : 17% Propionic acid : Consuming hydrogen Shifting the metabolism towards acetate and/or butyrate production → High yield of hydrogenBiogas and biohydrogen production: technological aspects Anaerobic bio-reactors Continuous stirred tank reactor (CSTR) Most common configuration : S imple construction , ease of operation, effective homogeneous mixing, temperature and pH controlBiogas and biohydrogen production: technological aspects Anaerobic bio-reactors Anaerobic filters and fluidized beds ( high-rate)Biogas and biohydrogen production: technological aspects Anaerobic bio-reactors Upflow anaerobic sludge bed reactor (UASB, high-rate)Biogas and biohydrogen production: technological aspects Anaerobic bio-reactors Anaerobic baffled reactor (ABR, high-rate)Biogas and biohydrogen production: technological aspects Factors affecting biogas and biohydrogen technology Factors affe hydrogen-producing bacterial activity must be preserved Pretreatment processes : Heating (100 ºC , 15 minutes), acidic treatment (pH 3, 24 hours), aeration, chemical addition (chloroform, acetylene), electric current (3–4.5 V) Under harsh conditions, spore-forming bacterium Clostridium (producer) is more likely to survive than the non-spore-forming bacteria (consumer)Biogas and biohydrogen production: technological aspects Factors affecting biogas and biohydrogen technology Factors affecting the anaerobic digestion Operating conditions (of CSTR) Short solid retention time (SRT ) Loss of active microbial biomass → Low cell concentration and hydrogen productivity Strategies SRT extension Self-granulation or flocculation of microbial biomass under appropriate conditions Microbial immobilization on inert materials (artificial granules) Microbial-based bio-films or retentive membranesBiogas and biohydrogen production: technological aspects Pretreatment methods Acid pretreatment Cellulose con rate High cost of enzymesProduction of biogas (methane) and biohydrogen from different feedstocks Energy crops Plants cultivated for biofuel productionProduction of biogas (methane) and biohydrogen from different feedstocks Crop residues B iomass remaining after harvesting and extraction which cannot be further utilized in the food industries Sugar cane and sweet sorghum bagasse, corn leaves and stover , wheat straw, and forestry residues (hardwoods ) “Second generation biofuels”Production of biogas (methane) and biohydrogen from different feedstocks Manure Heterogeneous mixture of faeces , urine, hair or feathers, food, livestock wastewater and bedding materials (straw, sand, wood chips, etc .) → Mainly lignocellulose Advantages of anaerobic digestion of manure E nergy exploitation with its stabilization , potential hygienation , and odor control Greenhouse gas reduction Conversion of organic nitrogen to ammonium nitrogen → Fertilizer Production of well-stabilized solid materials wanitation step (at 55 ºC) is recommendedProduction of biogas (methane) and biohydrogen from different feedstocks Food wastes H igh organic compound content Carbohydrates, proteins, lipids Obstacles Protein rich → Ammonia production Presence of cations (Sodium from sodium chloride) Strong inhibitor to methanogens (exceeding 10 g/L) Lipid rich → Long-chain fatty acid production Interruption on microbial cell membranes Mixing different types of wastwater → Decreasing toxicant concentrationProduction of biogas (methane) and biohydrogen from different feedstocks Food wastes used for hydrogen productionCurrent status and limitations Typical usage Fuel source to meet the partial or total thermal demand of a waste treatment facility In cases of sufficiently high methane yield Surplus of thermal energy → Additional benefits through selling the electricity Usage as natural gas Biogas enriched in methane → Upgrade to meet natural gas specificationsCurrent status and limitations Feasibility of bio}

화학/생물공학| 2016.01.05| 26페이지| 3,000원| 조회(122)

대체에너지, 재생에너지, 발효, 대체연료, 신재생에너지, 바이오연료, 바이오수소, 바..

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[Keith W Waldron의 Advances in biorefineries 챕터 요약] Green chemistry, biorefineries와 폐기물 재이용을 위한 2세대 전략

Green chemistry, biorefineries and second generation strategies for re-use of waste: an overviewContents Introduction Introduction to biorefineries New renewable feedstocks Conclusion and future trendsIntroduction Green chemistry 위험물질의 사용과 생성을 감소 , 제거하는 화학 물질 및 공정의 설계 배경 화석 자원이 전세계 에너지의 86 % 및 유기 화학 물질의 96 % 를 공급 - 미래의 석유 생산량은 사회의 증가하는 요구량을 충족하기 어려움 환경 영향 및 생산 부산물 등으로 인한 지속가능성의 부족 - 지속가능한 생산 공정의 필요성 대두 ‘Greener and more environmentally friendly’ products - S afer and cleaner chemistryIntroduction Green chemistry 위험물질의 사용과 생성을 감소 , 제거하는 화학 물질 및 공정의 설계 목적 반응물에서 목적 물질로의 변환 최대화 향상된 반응 설계를 통한 부산물 생성 최소화 비위험 원료와 생산물의 사용 및 생산 보다 안전하고 에너지 효율이 높은 공정 재사용 가능한 원료의 사용Introduction Green chemistry 원리 Prevention 생성된 부산물을 처리하는 것 보다는 생성을 사전 예방 Atom economy 합성법은 공정 내 모든 물질의 결합을 최대화하도록 설계 Less hazardous chemical syntheses 합성법은 인체나 환경에 독성이 거의 혹은 전혀 없는 물질을 사용 , 생산하도록 설계 Designing safer chemicals 화학물질은 그 독성을 최소화하면서 본 기능을 수행하도록 설계 Safer solvents and auxiliaries 보조 물질 ( 용제 , 분리제 등 ) 의 사용은 가능하면 불필요하고 무해해야 함Intr합성 경로 이용 부산물의 양과 희귀 자원의 이용을 최소화 에너지 생산 기술 - 희소 금속 이용 매장량이 매우 적음 (Ex: solar panel 핵심 성분인 Indium 은 50 년 이내 고갈 ) 촉매로 이용하는 경우 생산 공정이 원료 지향적이고 낭비적 - 재생 , 재사용이 필수 휘발성 유기 용매 - 물 , 비휘발성 용매 오염된 물은 처리 및 재사용 비용이 매우 높음 Ionic Liquid 등의 비휘발성 용매는 그 비휘발성 때문에 환경 독성이 큼Introduction Green chemistry 생분해성의 중요성 환경친화적 관점에서 높은 생분해성은 매우 중요 물질의 재사용을 위한 관점에서는 낮은 생분해성이 우월할 수 있음 폐기물의 이용 식음료 폐기물 - 재사용 가능한 화학물질 , 소재 , 바이오연료 폐기물 처리 비용의 절감 , 폐기물의 가치화 화학 공정 - 생물 공정 일반적으로 환경 영향적 측면에서 우월 ( 비독성 , 높 은 목표 산물 선택성 ) 시간과 비용이 많이 요구됨 - 생물 공정으로의 완전한 대체는 비현실적Introduction Drivers for change 바이오매스 인간의 자원 소모 주기에 상응하는 시간 내에 재생이 가능한 생물 자원 살아있거나 최근까지 살아있던 유기체에서 유래한 물질Introduction Drivers for change EU 의 혁신 전략 – 선도 시장 형성 계획 재사용 가능한 소모성 자원의 이용 제한되고 점점 비싸지는 화석 자원에의 낮은 의존성 온실가스 배출 감축 가능성 ( 탄소 중립 / 낮은 탄소 영향 ) 지속 가능한 산업적 생산 가능성 잠재적인 사회 보건 향상 지방 개발 지원 혁신적인 환경 - 효율적 생산물을 통한 산업 경쟁력 향상 세계의 다른 지역으로의 이전 가능성 (EU 에서 개발 , 검증된 적정 기술의 이전 )Introduction Product substitution 생산 물질 대체 생산 단계만 고려 - 전체 life cycle 을 포괄 - 진정한 지속가능성 원료 수급 및 사용부터 최종 이용 및 폐기까지Introd통해 비용을 절감 ( 최대 자원 효율 ) , 지역 주민의 삶의 질을 개선함은 물론 환경 영향을 낮춘 공정Introduction to biorefineries Defining biorefineries and bio-processing Bioprocessing 화학적 , 물리적 변환을 위해 생물 유기체 (ex: 효소 ) 를 사용하는 모든 공정 Biorefinery 의 변환 공정 중 일부를 담당 다른 green technology 와 함께 적용 (Microwave 등 ) 다분야 접근은 green chemistry technology 를 이용한 생산품의 가치 최대화에 필수적Introduction to biorefineries Biorefinery types and product areas as defined by feedstocks and waste streams 원료의 종류 Carbohydrate (starch, cellulose, hemicellulose) and lignin 계획 작물 ( 억새 ), 목질계 속성 작물 ( 버드나무 , 포플러 ) 농업 부산물 ( 볏짚 , 밀짚 ) 산업 부산물 ( 제지용 펄프 ) Triglycerides ( 대두 , 야자 , 유 채 , 해바라기 기름 ) 혼합 유기 부산물Introduction to biorefineries Biorefinery types and product areas as defined by feedstocks and waste streams Biorefinery 의 분류 ( 원료 , 공정 , 생산물 기준 ) Phase I : 단일 원료를 단일 공정을 통해 변환하여 단일 목표 생산물을 생산 Biodiesel 생산 Phase II : 단일 원료를 여러 공정 을 통해 변환하여 여러 목표 생산물 을 생산 옥수수 습식 도정 작업에서 얻은 고농도 과당 시럽 , 옥수수 시럽 , 옥수수 기름 , 옥수수 가루로 전분 , 에탄올 , 젖산 생산 Phase III : 여러 원료 를 여러 공정 을 통해 변환하여 여러 목표 생산물 을 생산 외형적 특성으로는 원유 기반 제품과 구분이 불가능하기 때문 ) 1 세대 원료로부터 탈피 ( Agflation 의 위험 ) 폐기물 이용 증대 공급 과정 전반에 걸쳐 , 지속 가능하며 환경 영향이 적은 기술 사용 확실화 - 폐기물 발생 절감 폐기물 가치화 ( European Commission, 2010) Europe 2020 strategy document 공정의 탄소 발자국 및 화석 자원 의존도 경감 효율 증대 및 비용 절감 Closed loop manufacturing 도모New renewable feedstocks Concept of a waste biorefinery Environmental complex ( Montalban , Spain) EU 의 새로운 폐기물 관리 지침을 충족시키기 위해 설치 총 74 개 지자체 관할 ( 주민 약 475,500 명 ) 폐기물의 집중 , 복 원 , 가치화 - 폐기물 매립 최소화 고체 폐기물 수집 ( 생활 폐기물 , 폐지 , 유리 , 전기 기구 ), 수송 , 처리 및 매립지 관리 유기 폐기물 - 고품질 재사용 플라스틱 , 비료 , 전력 ( 바이오가스 발전 , 1.2 MW)수도권 매립지 관리 공사 ( 인천 )New renewable feedstocks Opportunities offered by the use of food supply chain waste 식음료 폐기물은 이상적인 재사용 가능한 물질 전 세계적으로 3 분의 1 의 식량이 유실 / 낭비 ( 약 13 억 ton/year) 식량 유실 : 낙후된 농업 기술로 인한 손실 (ex: 식물병 ) 식음료 폐기물 가치화 기술 개발의 5 가지 이유 기능화된 분자 (ex: 생물고분자 , 단백질 , 탄수화물 ) 가 풍부 풍부한 양 쉽게 이용 가능 유용화되지 않은 상태 재사용 가능New renewable feedstocks Opportunities offered by the use of food supply chain waste 문제점 높은 화학적 , 생물학적 산소 요구량 (C료 폐기물 유용화 사례 영국 초임계 CO 2 를 이용한 곡물 짚으로부터 화학 물질 추출 전분이 풍부한 폐기물 - 카펫 타일 및 여타 소비자 제품을 위한 접착제 제조 프랑스 기름 작물의 가치화 스페 인 식음료 폐기물 유래 아미노산 - 아미노산 유래 계면활성제 ( Ethyl-N- lauroyl -L- arginate HCl or LAE) 합성 그리스 유청 ( 우유 부산물 ) - 올레오케미컬 합성에 이용될 수 있는 미생물 오일 생산New renewable feedstocks Opportunities offered by the use of food supply chain waste 식음료 폐기물 유용화 사례 EU- 인도 (NAMASTE project) 세계 식음료 산업을 대상으로 과일 , 곡물 부산물 유용화 미국 미 중서부 작물 ( 대두 , 옥수수 ) 부산물의 가치화 캐슈넛 껍질액 - 운송 및 브레이크 산업에 이용되는 바인더 수지 생산 ( 높은 내열성 , 불침투성 , 내구성 )New renewable feedstocks From first generation waste re-use to second generation waste re-use 1 세대 식음료 폐기물 재사용 1 차원적 재이용 (ex: 혐기성 발효 , 퇴비화 , 사료화 등 ) 식음 료 폐기물이 내재한 최대 가치를 끌어낼 수 없음 2 세대 식음료 폐기물 재사용 식음료 폐기물의 확장된 가치화 (ex: 화학 물질 추출 후 에너지화 등 ) 장기적 이용에 필요 요건이 많음 ( 가용량 , 지리적 분포 , 규칙적 공급의 보장 , 기능성 화학 물질의 존재 , 추출 및 회수 가능성 , green chemistry 적합성 )New renewable feedstocks From first generation waste re-use to second generation waste re-use 밀짚 의 재사용 Route A 상온에서 물을 이용해 높은 함량의 알칼리 (chloride, K 2 O, SiO 2 ) 추출 Route B

생물학| 2016.01.05| 36페이지| 3,000원| 조회(103)

환경오염, 재활용, 환경영향평가, 녹색성장, 부산물, 재생에너지, 녹색화학, 바이오매..

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[논문 요약] 맹그로브 Rhizophora mucronata의 생장륜, 생장륜 형성 및 연륜 확인

[Paper discussion]Growth Rings, Growth Ring Formation and Age Determination in the Mangrove Rhizophora mucronata1. Introduction지속 가능한 조림/육림 기술에 있어 나무의 수령, 생장속도, 수령에 따른 생산량에 관한 정보는 필수적이다 (Devoe and Cole, 1998). 맹그로브의 경우 이러한 정보가 제한적인데, 대부분의 나무는 나이테 분석을 통해 정보를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 기후 등 환경 변수와 생장과의 관계에 대한 정보도 얻을 수 있어 삼림 역학을 이해하는데 도움이 된다. 하지만, 보통 맹그로브와 같은 열대 수종에는 연륜이 없어 이러한 분석이 어렵다 (Detienne, 1989; Sass et al., 1995; Stahle, 1999). Rhizophora mucronata는 케냐의 우점 맹그로브로, 마찬가지로 생장륜이 없다고 보고되어 있다 (UNEP, 2001). 하지만, 저자가 수집한 R. mucronata 샘플들에서 명확하게 구분된 dark/light brown layers를 확인하였고, 생장륜이 없다는 보고를 재고해야 할 필요가 있었다.나이테의 주기적 특성을 파악하는 간단한 방법은 수령을 아는 나무의 layers를 세는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 정확한 식수시기를 아는 경우에만 제한적으로 이용할 수 있다 (Gourlay, 1995; Worbes, 1995; Eshete and Stahl, 1999). 이에 대한 대안 중 하나인 cambial marking은 형성층에 물리적인 상처를 가해 나무의 상처 반응을 유발하는 방법이다.이번 연구에서, cambial marking 실험 나무들과 조림지 나무들을 이용하여 R. mucronata의 dark/light layers의 주기적 특성을 조사하였다. 또한, 환경 조건에 따른 colored layers의 형성 시기를 추정하고, 수령 파악에 있어 이 layers의 이용 가능성을 논하였다.2. M 또한, cambial mark와 최외각 목질부(수피 바로 밑) 사이의 거리를 측정하여 생장속도(연평균 반지름 증가량)을 조사하였다.2.6. Plantation treesR. mucronata의 stem discs를 Gazi Bay에 있는 조림지에서 수집하였다 (Table 1). 6개의 stem discs 샘플을 1999년 7월(5년생)에, 다시 6개의 샘플을 2002년 5월(8년생)에 각각 같은 장소에서 수집하였다. 또한 1개의 샘플을 Mida Creek에서 최근에 쓰러진 커다란 나무로부터 수집하였다.2.7. Timing of growth layer formation샘플들을 관찰해 dark/light layers의 생산과 강우(계절)의 연관성을 총 3개 시점에 대해 조사하였다. 1999년 7월(long rainy season 말기)과 2002년 5월(long rainy season 중기)은 당시 샘플들의 최외각 목질부(2차 세포벽 비후 지점)를 관찰해 생장단계를 결정하였다. 1999년 11월(short rainy season 말기)의 경우, 당시에 cambial marking을 수행하고 추후 샘플링하여 당시 형성층 시원세포의 위치에서 생장단계를 결정하였다. 생장단계의 결정 기준은 다음과 같다.(a) 생장륜 초기: 최외각 목부를 현미경으로 보면 도관밀도의 변화가 관찰됨(b) 생장륜 중기: 전년도 layers와 비교하였을 때, 최외각 layer가 중간 단계로 보임(c) 생장륜 마감기: 전년도 layers와 비교하였을 때, 최외각 layer가 마감 단계로 보임3. Results and discussion3.1. Macroscopic and microscopic investigationStem discs를 육안으로 관찰하였을 때, 명확한 dark/light brown 생장륜의 반복이 관찰되었다. 현미경으로 관찰하였을 때, light layers는 dark layer보다 도관밀도가 높은 것을 볼 수 있었고, 이러한 colored layers는 도관밀도의 변화에 기인하인 경우였다. 본 연구에서 샘플링한 모든 장소에서 연륜이 있는 샘플들이 발견되었기 때문에, 연륜의 유무는 지정학적 특이성과 연관이 없다고 할 수 있다 (Table 2).생장속도가 0.5mm/year 이하인 나무들은 5개 미만의 생장륜을 형성했다. 생장속도가 낮으면 점진적인 도관밀도의 이행 때문에 도관밀도 차이에 의한 시각적 차이가 약해진다. 때문에, 느리게 자라는 나무는 수령을 결정짓는데 오류가 발생하기 쉽다. 하지만 많은 나무들이 비대칭 생장을 하는 것으로 나타났는데, 이 경우 가장 빠르게 자라는 부분에서 연륜을 쉽게 확인할 수 있었다. 즉, 생장속도가 느린 나무일지라도 비대칭 생장을 한다면 수령 결정이 가능하다. 한편, 생장속도가 0.5mm/year 이상의 나무들의 경우 96%가 발달된 연륜을 보였다. 열대 뿐만 아니라 온대기후에서도 ‘missing’, ‘merging’, ‘double’ rings가 자주 발생한다는 점을 고려했을 때, 이는 주목할만한 발견이다 (e.g. Bertaudiere et al., 1999; Trouet et al., 2001; Rigling et al., 2002).조림지의 샘플들은 130cm 높이에서 수집되었기 때문에 수고가 130cm까지 도달하기까지의 time lag를 계산해야 한다. 이 조림지 맹그로브 묘목의 생장속도는 20-40cm/year로, 130cm에 도달하기까지 약 2-4년이 걸린다 (Kairo, 1995). 5년생 나무의 평균 생장륜 수는 6.5개로 연륜이 3개, 8년생 나무의 경우 11.5개로 연륜이 6개이다. 따라서, 연륜의 숫자와 실제 수령은 2년의 time lag가 있다. 이러한 결과는 R. mucronata의 연륜의 존재에 대한 강한 증거이다.3.4. Timing of growth layer formation1999년 7월에 수집한 샘플들의 경우, 모두 도관밀도가 낮은 dark layer를 생산하고 있는 것으로 나타났다. 1999년 11월에 시행한 cambial mark의 경우, 절반 정도는 dark la재로 간주된다.4. Conclusions맹그로브가 대부분 연륜이 없다고 알려져 있음에도 불구하고, 관련 연구가 매우 적을 뿐 아니라 결과도 실망스러운 경우가 많다. 명확한 layers가 보이지만 형성층 활성의 내생적 조절의 결과로 밝혀져 연륜으로 정의할 수 없었거나(Gill, 1971), 주기가 1년 단위가 아니어서 수령을 대략적으로 추정할 수 밖에 없는 경우 등이 있다 (Duke et al., 1981). 한편, 최근 14C-dating을 이용하여 Rhizophora mangle의 연륜이 존재함을 밝힌 연구가 보고되었다 (Menezes et al., 2003).실제 수령 정보와 cambial marking을 이용해 얻은 데이터는 맹그로브 R. mucronata의 연륜이 존재한다는 강력한 증거들이며, R. mangle의 연륜에 대한 Menezes et al.의 연구를 뒷받침한다. 연륜의 존재가 Rhizophora의 보편적인 특성인가에 대한 것은 아직 단정할 수 없지만, 여전히 R. mucronata의 연륜의 존재는 조림/육림에의 적용에 매우 큰 잠재력이 있다.5. Literature citedBertaudiere V, Montes N, Gauquelin T, Edouard JL. 1999. Dendroecology of thuriferous juniper (Juniperus thurifera L.): example from a French Pyrenean site at Rie mountain. Annals of Forest Science 56: 685-697.Cintron G, Novelli YS. 1984. Methods for studying mangrove structure. 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생물학| 2016.01.05| 10페이지| 3,000원| 조회(81)

연륜, 맹그로브, mangrove, Annual ring, growth ring, 생장륜

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[논문 요약] SDS-전처리 신문지의 효소적 당화와 Saccharomyces cerevisiae와 Pichia stipitis를 이용한 cellulosic ethanol 생산

[Paper discussion]Enzymatic Hydrolysis of Sodium Dodecyl Sulphate (SDS)—Pretreated Newspaper for Cellulosic Ethanol Production by Saccharomyces cerevisiae and Pichia stipitis1. Introduction싱가폴에서는 (2008년 기준) 연간 무려 126만 톤가량의 폐지가 발생하지만, 폐지 재활용 기계 및 시설의 부족으로 인해 대부분을 주변국에 수출하고 있다 [1]. 사용 후 버려진 종이인 폐지는 lignocellulose로 이루어져 있는데, 이를 목질계 바이오에탄올 생산용 원료로서 이용할 수 있다면 폐지 재활용의 유용한 대체수단이 될 것이다. 폐지의 많은 양을 차지하는 폐신문지는 cellulose 40-55%, hemicellulose 20-40%, lignin 18-30%로 구성되어 있는데, 세 구성 성분이 유기적으로 결합하고 있어 분해가 힘들다는 특성 때문에, 그리고 당화 및 발효 효율에 악영향을 미치는 잉크를 제거하기 위해 전처리 공정이 필요하다 [2]. 통상적으로 과산화수소와 암모니아 처리를 통한 전처리 공정이 cellulose fiber 팽창 및 잉크 제거에 효과적이라고 알려져 있으나, 두 처리제의 환경적 문제점들로 인해 Tween, polyethylene glycol과 같은 nonionic surfactants가 주로 이용되고 있다.본 연구에서는 폐신문지의 전처리, 당화, 발효 조건 최적화를 통해 폐신문지 바이오에탄올의 생산 가능성을 검증하고, 다양한 surfactant 전처리 효율의 중요 변수를 탐색하였다. 또한, 두 종류의 효모 Saccharomyces cerevisiae와 Pichia stipitis의 single-culture 및 co-culture에 따른 에탄올 생산 양상 차이를 구명하였다.2. Materials and methods2.1. Materials폐신문지는 싱가폴에서 수집하였으며 cellulose rpm, 40 °C 조건에서 1시간 동안 반응시켰다 [4]. 이후 distilled water (D.W.)로 세척하고, 105 °C 오븐에서 overnight하여 건조하여 polyethylene bag에 넣어 실온에서 보관하였다.2.3. Enzyme hydrolysis폐신문지의 당화 조건 최적화를 위해 FPU/g newspaper, Filter paper unit (FPU)/β-glucosidase unit (cellobiase unit, CBU), solid content에 따른 당화율을 조사하였다. 당 농도는 3,5-dinitrosalicylic acid (DNS) method를 이용해 측정하였으며, 당화율은 g sugar×0.9×100/g cellulose in biomass의 공식으로 계산하였다 [5].2.4. Microorganisms두 종류의 효모 Saccharomyces cerevisiae ATCC 96581와 Pichia stipitis CBS 6054를 발효균으로 이용하였다. P. stipitis는 5탄당 대사가 가능한 효모이다.2.5. Preparation of inoculumsS. cerevisiae와 P. stipites를 50 mL culture medium에서 150 rpm, 30 °C 조건에서 24시간 동안 배양하였다. 각각의 medium 조성은 다음과 같았으며, pH는 2 M NaOH를 이용하여 5.5±0.2로 조정하였다.Culture medium: (g/L) yeast extracts, 10.0; urea, 6.4; KH2PO4, 2.0; MgSO4⋅7H2O, 1.0, and glucose (for S. cerevisiae), 20.0 or xylose (for P. stipitis), 20.0이후 배양액을 2000 g에서 15분 동안 원심분리하여 세포를 분리하고 멸균된 D.W.로 세척한다. 세포를 5 mL fermentation medium에 resuspend하여 suspension 1 mL를 inoculum으로 이용하였다. Ftometer를 이용한 optical density (OD600) 측정을 통해 계산하였고, standard curve 공식 X (g/L) = 0.314 (OD600)를 이용하였다. 환원당과 대사물질들의 측정 및 분석은 high-performance liquid chromatography (HPLC)를 이용하였다.3. Results and discussion3.1. Effect of Different Surfactants on Newspaper PretreatmentElectron irradiation [6], CO2 explosion [7], steam explosion [8], NH3-H2O2 [9] 등의 전처리 공정들이 신문지의 당화 효율 증진을 위해 이용되어 왔지만, 전처리 효율이 높지 않았다. 반면 nonionic surfactant [10]는 저에너지, 저비용, 환경친화적 전처리제로 잉크 등 물리적 방해 요소를 효과적으로 제거함은 물론 당화시 cellulase의 활성을 향상시키기도 한다. 또한, 발효시에도 세포 성장을 억제하지 않아 발효를 저해하지 않는다.실험 조건Surfactant: Tween-80 (T-80), T-20, sodium dodecyl sulfate (SDS), Triton X-100 (T X-100), polyethylen glycol-6000 (P-6000), P-10000Ionic surfactant인 SDS는 당화 효율을 저해할 수 있기 때문에 전처리 후 완전히 제거해야 한다.0.5% solid in 0.05 M citrate buffer pH 4.8FPU/CBU = 15 FPU/g pretreated newspapers50 °C, 72 h최적 조건: SDS (음이온성 ionic surfactant)Nonionic surfactant 중 최고 효율: T X-100Effect of Tween-80 on hydrolysis: 효소 안정성 증진 및 효소-리그닌 비특이적 결합 방지를 통해 당화 효율 증진 [11]3.2. Effect oCBU: 1, 0.5, 0.25 외 언급되지 않은 3개 조건15 FPU/g newspaper5% solid content50 °C, 72 h최적 조건: FPU/CBU = 0.25 (당화율: 98.6%)3.4. Effect of solid content on enzymatic hydrolysis높은 solid content는 높은 농도의 당화액을 생산하여 최종 에탄올 농도를 높일 수 있기 때문에 공정의 경제성 확보에 있어서 매우 중요하다 [13]. 산업적으로 요구되는 solid content는 15% (w/v) 이상이다.실험 조건Solid content: 5-17.5% (w/v)15 FPU/g newspaperFPU/CBU = 0.2550 °C, 72 h최고 수율: 15% (당 농도: 32.4 g/L)다른 바이오매스를 이용했을 때 얻을 수 있는 당 농도에 비해 비교적으로 낮은 수치를 보였는데 [13, 14], 이는 신문지의 낮은 밀도 때문일 수 있다.3.5. Fermentation of Newspaper Hydrolysates최적 조건에서 당화한 신문지 당화액의 환원당 조성은 29.07 g glucose/L, 4.08 g xylose/L였다.실험 조건 (접종 발효균)Single-culture of S. cerevisiaeSingle-culture of P. stipitesCo-culture of S. cerevisiae and P. stipites최적 조건: Single-culture of S. cerevisiae (에탄올 수율: 0.43 g ethanol/g sugar)P. stipitis는 5탄당 대사가 가능하지만, 6탄당 대사 효율이 S. cerevisiae보다 낮다는 단점이 있다. 본 실험에서는 당화액의 xylose 함량이 낮아 P. stipitis의 single-culture의 발효 효율이 높지 않았고, co-culture의 경우도 S. cerevisiae의 single-culture의 효율에 미치지 못했다. 이처럼 당화액의 xylose 함량이 불충분한ture citedPaper Recycling 2008. Available from Hyperlink "http://www.zerowastesg.com/2008/12/08/paper-recycling/" http://www.zerowastesg.com/2008/12/08/paper-recycling/, Accessed Aug 6, 2009.Sun, Y., & Cheng, J. (2002). Bioresource Technology, 83, 1–11.Xin, F., & Geng, A. L. (2009). Applied Biochemistry and Biotechnology, doi:10.1007/s12010-009-8745-2. published on-line.Kim, H. J., Kim, S. B., & Kim, C. J. (2007). Biotechnology and Bioprocess Engineering, 12, 147–151.Miller, G. L. (1959). Analytical Chemistry, 31, 426–428.Khan, A. W., Labrie, J., & McKeown, J. (1987). Radiation Physics and Chemistry, 29, 117-120.Zheng, Y., Lin, H., & Tsao, G. T. (1998). Biotechnology Progress, 14, 890–896.Cantarell, M., Cantarella, L., Gallifuoco, A., Spera, A., & Alfani, F. (2004). Process Biochemistry, 39, 1533–1542.Kim, S. B., & Moon, N. K. (2007). Applied Biochemistry and Biotechnology, 106, 365–373.Park, J. W., Takahata, Y., Kajiuchi, T., & Akehata, T. (1992). Biotechnology and Bioengineering, 39,1-0.

생물학| 2016.01.05| 7페이지| 3,000원| 조회(104)

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