The Korean Society For Biotechnology And Bioengineering

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Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 35 , No. 1

[ Research Paper ]
Korean Society for Biotechnology and Bioengineering Journal - Vol. 35, No. 1, pp.44-50
Abbreviation: KSBB J
ISSN: 1225-7117 (Print) 2288-8268 (Online)
Print publication date 31 Mar 2020
Received 10 Sep 2019 Revised 06 Dec 2019 Accepted 12 Dec 2019
DOI: https://doi.org/10.7841/ksbbj.2020.35.1.44

LED-식물공장에서 광합성 세균에서 얻은 추출물이 상추의 생육과 품질에 미치는 영향
박주용1, 2 ; 이혜인3 ; 김상용4 ; 위지향4 ; 김양훈5, * ; 민지호1, *
1전북대학교 화학공학부
2전라북도생물산업진흥원
3전북대학교 LED-농생명융합기술연구센터
4신안산대학교 식품생명과학과
5충북대학교 생명과학부

Effects of Extracted from Photosynthetic Bacteria on the Growth and Quality of Lettuce(Lactuca sativa L.) in a LED-Plant Factory
Ju-Yong Park1, 2 ; Hye-In Lee3 ; Sang Yong Kim4 ; Ji-Hyang We4 ; Yang-Hoon Kim5, * ; Jiho Min1, *
1Graduate School of Semiconductor and Chemical Engineering, Jeonbuk, Jeonju 54896, Korea
2Jeonbuk Institute for Food-Bioindustry, Jeonju 54810, Korea
3LED Agri-bio Fusion Technology Research Center, Chonbuk National University, Iksan 54596, Korea
4Department of Food Science and Biotechnology, Shin Ansan University, Ansan 15435, Korea
5School of Biological Sciences, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Korea
Correspondence to : Graduate School of Semiconductor and Chemical Engineering, Jeonbuk, Jeonju 54896, Korea Tel: +82-63-270-2436, Fax: +82-63-270-2306 E-mail: jihomin@jbnu.ac.krSchool of Biological Sciences, Chungbuk National University, Cheongju 28644, Korea Tel: +82-43-261-3575, Fax: +82-43-264-9600 E-mail: kyh@chungbuk.ac.kr


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Abstract

Photosynthetic bacteria, Rhodobacter spharoides, can grow using carbon dioxide as a carbon source and produce physiologically active compounds. This study was carried out to investigate the impact of R. sphaeroides extract on the growth and quality of lettuce(Lactuca sativa L.) in the LED-plant factory. The concentrations of R. sphaeroides extracts(0, 4, 8 and 12 mg/L) were supplemented in medium on one day and 14 days after transplanting, respectively. The growth of lettuce as affected by extract amount was evaluated at 14, 28 and 35 days after transplanting and the contents of minerals and chlorogenic acid were analyzed at 35 days after transplanting. As a result, higher growth was obtained in the treatment with R. sphaeroides extract than the control. The extract of R. sphaeroides showed the best growth at 4 mg/L concentration(leaf width- 120%, leaf length- 109%, number of leaves- 113%, total leaf area- 144%, fresh weight- top: 153%, root: 142%, dry weight- top: 137%, root: 120%) and the highest effect at the early stage of growth on 14 days after transplanting(leaf width- 115%, leaf length- 123%, number of leaves- 124%, total leaf area- 158%, fresh weight- top: 139%, root: 120%, dry weight- top: 130%, root: 139%). In addition, the extract of 4 mg/L concentration improved the content of minerals and chlorogenic acid contained in lettuce. Therefore, R. sphaeroides extract suggested the possibility of producing high-value crops through promotion of growth and quality improvement of lettuce.


Keywords: Photosynthetic bacteria, Rhodobacter spharoides extract, lettuce(Lactuca sativa L.), LED-plant factory

1. INTRODUCTION

LED-식물공장은 미래 농업의 대안으로 작물의 생장을 과학적으로 관리하여 안전한 작물 생산이 가능하다. 또한 노지에서 재배가 어려운 기능성 작물을 연중 재배함으로써 고부가가치 농업의 실현과 높은 채산성으로 경제성 확보가 가능하다 [1]. 따라서, 경쟁력을 갖는 농작물 재배를 위해 높은 생산성을 갖기 위한 방법으로 광도, 광주기, 광질, 온도 등의 제어를 통해 최적의 재배 조건을 제공하기 위한 연구가 진행되었다 [2-4]. 하지만, 상용화를 위해서는 식물공장의 환경 제어에 투입되는 전기와 물의 절감에 대한 해결 방안이 필요하다. 특히 물의 사용에 있어서 배양액의 지속적 활용 기술과 최적의 양액 개발은 식물공장 운영에 있어 높은 경제성을 갖게 해준다.

광합성 세균 중에서 자색비황세균 (purple non-sulfur bacteria)인 Rhodobacter sphaeroides는 다양한 환경에서 성장이 가능하며, 이산화탄소를 고정화하여 세포 내에서Calvin reductive pentose phosphate pathway by ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase(Rubisco) 대사과정을 통해 유용한 유기물질을 생산할 수 있다 [5,6]. 이러한 특성을 통해 R. sphaeroides는 식품과 의약, 토양과 수질 정화에 대한 환경, 바이오 플라스틱과 생리활성물질을 통한 농업 및 산업 분야 등에서 활용되고 있다. 특히, R. sphaeroides에는 다량의 핵산, 비타민, B, C, E군, 필수아미노산, 카로테노이드, 5-aminolevulinic acid (ALA), 생리활성물질 등을 가지고 있어서 수중생물과 가축의 사료 첨가제로 사용되고 있기 때문에 식물공장에서 작물재배에 대한 생육과 생리활성 증진으로의 활용이 가능하다 [5,7-11]. 뿐만 아니라, R. sphaeroides의 활용은 지구 온난화의 원인 중 하나인 이산화탄소 저감으로 환경적 측면에서 장점을 보이며, 작물 재배에 사용되는 생리활성물질 생산과 더불어 바이오 플라스틱과 고부가가치 바이오 물질 생산을 동시에 할 수 있기 때문에 우수한 경제성을 가진다 [12-15]. 광합성을 할 수 있는 녹조류 중 하나인 클로렐라 또한 단백질, 엽록소, 비타민, 미네랄, 핵산 및 불포화지방산 등을 함유하고 있어, 인간의 영양소와 동물의 먹이뿐만 아니라 농작물에 적용하여 딸기의 당도 향상, 오이탄저병 발생 억제 효과, 밀 수확량 증가 및 콩나물의 생육촉진 효과를 확인한 바 있다 [16-22].

그러나 R. sphaeroides를 활용한 생육 촉진 효과와 수경 재배에서의 활용 방안에 대해서는 아직까지 연구가 미흡하다. 따라서, 본 연구는 식물공장에서 담액수경 재배에 있어서 R. sphaeroides에서 얻은 추출물을 적용하여 상추의 생육과 품질에 미치는 영향 분석을 통해 고품질 엽채류 생산을 위한 방안과 작물 재배 시 사용되는 배양액의 대체물질로의 가능성에 대해 확인하고자 수행되었다.


2. MATERIALS AND METHODS

본 연구는 전북대학교 LED-농생명융합센터에서 수행되었다. 본 실험을 진행 하기 위하여 LED식물공장에서 본 실험에 사용된 작물로는 엽채류의 일종인 Butterhead lettuce (Lactuca sativa L.)를 사용하였다. 파종 후 19일째 밀폐형 식물생산시스템에 상추를 20 cm × 20 cm의 재식밀도로 정식하였다. 주·야간 광주기는 16/8시간으로 하였다. 에너지 절감형 수냉식 LED의 광량은 Quantum 센서(SKP 217, Skye)를 이용하였을 때 광량 평균은 120 μmol/m/s2이 되도록 하였다. 광비율은 blue : Red가 각각 5 : 5의 비율이 되도록 하였다. LED-식물공장에서의 재배환경은 온도 22/18oC(16/8시간), 상대습도 60 ± 5%로 조절하였으며, 전북대 엽채류 배양액 (EC 2.2 ± 0.2 mS/cm, pH 6.0 ± 0.2)에서 정식 후 총 35일간 재배하였다.

Rhodobacter sphaeroides KCT1434는 100 mL 바이알에 60 mL의 sistrom’s minimal medium에서 빛이 있는 혐기 조건에서 30oC, 180 rpm에서 48시간 배양되었다 [23]. 배양된 세포를 7,000 rpm에서 20분 동안 원심 분리하여 세포를 수거한 후 증류수로 2회 세척하여 수거한 세포를 사용된 배양액의 5%에 대한 양의 증류수에 현탁하여 초음파 파쇄기를 통해 분쇄하였다. 분쇄 후 13,000 rpm으로 30분 동안 원심분리하여 상층액을 추출물로 적용하였다. 추출물은 파쇄되기 전 세포의 건조 중량 대비 첨가된 세포의 무게이며, 0, 4, 8, 12 mg/L을 정식 후 1일과 14일차에 배양액에 각각 첨가하고, 처리구별 생장 특성을 분석하였다.

상추의 생육은 엽수, 엽장, 엽폭, 엽면적, 생체중 (지상부와 지하부), 건물중 (지상부와 지하부)에 대하여 조사하였다. 상추의 주요영양성분을 분석하기 위하여 정식 후 35일째 상추를 수확하여 분석기관에 의뢰하여 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 철, chlorogenic acid함량 등을 분석하여 그 결과를 이용하였다.


3. RESULTS AND DISCUSSION

상추의 정식 후 광합성 세균인 Rhodobacter sphaeroides에서 얻은 추출물을 상추의 배양액에 농도에 따라 첨가하였을 때 최종 생육에 대한 결과를 Fig. 1에 나타내었다. Fig. 1 에서 보이는 바와 같이 대조구와 비교하여 추출물을 처리한 상추의 생육이 보다 우수하다는 것을 확인 할 수 있었다. 보다 구체적인 생육단계별 상추의 생육 조사 결과를 Fig. 2에 나타내었다.


Fig. 1. 
Effect of R. sphaeroides extract concentration on development of lettuce grown in a closed-type plant production system. (a) 0 mg/L, (b) 4 mg/L, (c) 8 mg/L, and (d) 12 mg/L.


Fig. 2. 
Growth response of L. sativa L. grown in R. sphaeroides extract supplemented in media. (a) leaf width, (b) leaf length, (c) number of leaves, (d) total leaf area, (e) leaf fresh weight – top, (f) fresh weight – root, (g) dry weight – top, and (h) leaf dry weight – root.


Fig. 3. 
Effect of R. sphaeroides extract concentration on content of minerals and chlorogenic acid contained in lettuce. (a) Na, (b) Mg, (c) K, (d) Ca, (e) Fe, and (f) chlorogenic acid.

R. sphaeoides에서 얻어진 추출물의 농도에 따른 처리구는 대조구에 비하여 생육 증가에 대한 효과를 보였다. R. sphaeroides 추출물의 처리 농도는 0, 4, 8, 12 mg/L으로 처리되었는데, R. sphaeroides 의 추출물 처리구 중에서 4 mg/L의 농도에서 가장 좋은 생육 성장 효과를 보였다. 추출물 8 mg/L의 농도로 처리한 경우는 4 mg/L 의 농도와 유사한 결과로 우수한 생육 효과를 보였지만, 12 mg/L의 경우는 대조구와 비슷하거나 생육 증가 효과가 미비한 결과를 보여주었다. 정식 후 35일이되어 최종적으로 얻어진 상추의 생육결과를 대조구와 추출물 4 mg/L의 처리구와 비교한 결과, 엽폭 (120%), 엽장 (109%), 엽수 (113%), 엽면적 (144%), 생체중(top: 153%, root: 142%), 건물중 (top: 137%, root: 120%)에서의 의미 있는 생육 향상을 보였다 (Fig. 2).

특히, R. sphaeroides 추출물에 의한 생육 증진 효과는 정식 후 14일에서 대조구와 차이가 가장 크게 나타나는 것을 확인하였다. 정식 후 14일째 측정한 대조구와 4 mg/L 의 추출물이 처리된 상추에 대한 생육 결과를 비교한 결과, 엽폭 (115%), 엽장 (123%), 엽수 (124%), 엽면적 (158%), 생체중 (top: 139%, root: 120%), 건물중 (top: 130%, root: 139%)의 생육 결과를 보임으로써, 처리구의 생육 속도가 빠르게 진행되고 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서, 정식 후 35일까지의 상추 생육 결과를 비교하였을 때 R. sphaeroides의 추출물은 상추의 초기 성장에 많은 영향을 준다는 것을 확인할 수 있다. 미생물 중 대표적으로 활용되고 있는 대장균의 성장 시기에 따른 R. sphaeroides의 추출물을 처리한 결과 대장균의 성장 초기 단계에 처리하였을 때 가장 높은 생리활성 효과를 검증한 연구가 보고된 바 있다 [24]. 따라서, R. sphaeroides의 추출물은 미생물과 작물에 있어 성장 초기에 보다 높은 생리활성 효과를 보이고 있음을 확인 할 수 있다.

뿐만 아니라, 추출물이 8 mg/L와 12 mg/L이 처리된 경우에도 대조구에 비교하여 생육향상을 확인하였다. 하지만, 추출물의 농도가 높아짐에 따라 상추의 생육 향상도 함께 증가하는 결과는 얻지 못했다. 이것은 상추의 배양에 있어. R. sphaeroides의 추출물 함량이 과다한 경우 작물의 생리활성 증진 효과가 줄어드는 반면, 적정 농도의 R. sphaeroides의 추출물 처리가 식물체의 생육증진에 효과가 높으며, 초과된 영양분의 제공은 상추의 성장에 있어 향상보다 저해가 되는 결과를 가져왔다.

R. sphaeroides 추출물은 포도당과 같은 탄소원은 아니며, 다양한 물질 중에서5-aminolevulinic acid (ALA), 카로테노이드, 핵산, 아미노산 등이 포함되어 있을 것으로 생각된다. 아미노산 함량을 분석한 결과에서 글루탐산, 글리신, 알라닌 및 라이신이 많이 함유되어 있다는 결과가 확인된 바 있다 [24]. Succinyl-CoA와 글리신의 결합 또는 글루탐산의 C5 pathway에 의해 ALA가 생성되는 경로로 알려졌으며 [25], ALA는 식물생육촉진 효과와 함께 억제 효과를 갖기 때문에 잠재적 제초 및 살충활성을 갖고 있다 [26]. 따라서, R. sphaeroides 추출물에 존재하는 ALA의 영향에 의해 4 mg/L 의 추출물의 농도로 처리하였을 때는 생육 효과가 높았지만, 12 mg/L 의 추출물의 농도로 처리한 경우에는 오히려 생육촉진을 억제하는 효과를 보이는 것으로 생각된다.

R. sphaeroides의 추출물 처리구와 대조구에 대하여 정식 재배 35일 후 얻어진 상추의 무기질 성분과 chlorogenic acid 성분 함량에 대해 분석한 결과, 마그네슘 (127%), 칼륨 (128%), 칼슘 (126%)에서 추출물 4 mg/L의 처리구에서 대조구에 비해 상추에 함유된 무기질 성분의 증가에 대한 유의한 차이의 결과를 얻을 수 있었다. 뿐만 아니라, 나트륨 (118%), 철 (111%), chlorogenic acid (134%)에서도 대조구에 비해 처리구의 상추에서 보다 높은 함량의 양상을 보이고 있음을 확인 할 수 있다. 특히, chlorogenic acid는 폴리페놀 화합물의 일종이며, 과산화지질의 생성 억제 효과, 콜레스테롤 생합성 억제 효과, 항산화 작용 및 항암작용 효과를 보이는 물질로 상추의 chlorogenic acid 함량이 높으면, 보다 높은 상품성을 지닐 수 있을 것으로 생각된다 [27].

결론적으로 광합성 세균인 R. sphaeroides 추출물을 4 mg/L의 농도로 식물공장에서 상추를 재배 시 생육의 향상에 의한 생산량 증가가 가능하며, 상추에 존재하는 무기질 성분과 chlorogenic acid와 같은 폴리페놀 화합물의 함량 향상이 가능하여 생산성과 상품성이 높은 상추 생산이 가능할 것으로 판단된다.


4. CONCLUSION

광합성 세균인 Rhodobacter sphaeroides는 탄소원으로 이산화탄소를 이용하여 성장하며, 생리활성물질을 생산 할 수 있다. 본 연구는 R. sphaeroides 추출물이 LED-식물공장에서 상추 (Lactuca sativa L.)의 생육 및 품질에 미치는 영향을 조사하기 위해 수행되었다.

R. sphaeroides 추출물을 0, 4, 8 및 12 mg/L의 농도로 정식 1일차와 14일차에 각각 배지에 첨가하였다. 정식 후 14, 28 및 35일째 첨가된 추출물에 의한 효과를 확인하기 위해 상추의 생육을 측정 하였으며, 정식 후 35일째에 무기질 성분과 클로로겐산 (chlorogenic acid)의 함량을 분석 하였다.

연구 결과로, R. sphaeroides 추출물은 대조구 보다 더 높은 생육을 보였다. 추출물은 4 mg/L농도에서 가장 좋은 성장을 보였으며 (엽폭-120%, 엽장-109%, 엽수- 113%, 엽면적-144%, 생체중-top: 153%, root: 142%, 건물중- top: 137%, root: 120%), 성장 초기인 정식 후 14일에서 가장 높은 효과를 보였다 (엽폭-115%, 엽장-123%, 엽수-124%, 엽면적-158%, 생체중-top: 139%, root: 120%, 건물중-top: 130%, root: 139%). 또한 4 mg/L농도의 추출물은 상추에 함유된 무기질과 클로로겐산의 함량을 향상 시켰다 (마그네슘-127%, 칼륨-128%, 칼슘-126%, 나트륨-118%, 철-111%, 클로로겐산-134%). 따라서, R. sphaeroides 추출물은 상추의 생육과 품질 향상을 촉진하여 고부가가치를 갖는 작물 생산의 가능성을 제시하였다.


Acknowledgments

이 성과는 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. NRF-2017R1C1B1006847).


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