Successful cultivation of algal crops at the commercial scale necessitates careful consideration of ecological communities in cultivation platforms that often include undesirable weedy algae, algal grazers, and bacteria. In Chapter 1, I first review literature on agricultural and aquatic systems with consideration of the implementations of key ecological principles in managing commercial-scale algal cultivation. The review suggests that careful management of food-web structure in algal cultivation platforms will be needed to maximize crop protection, and that temporal and spatial diversification of algal crops may also benefit industrial algal biofuels production. While the key ideas of top-down control of algal grazers and the potential advantages of diversifying algal crops have encouraged researchers to explore food-web interactions in algal cultivation platforms, the review further indicates that bacteria and bacterial metabolites can also play substantial roles in achieving sustainable production of algal biomass. In light of these findings, I further explore the less-documented influence of bacteria and bacterial biosurfactant on managing algal cultivation systems in next Chapters. In Chapter 2, I survey and isolate phycosphere bacteria of Chlorella sp. HS2 grown in inorganic growth medium. The results indicate the dominant existence of Rhizobium, a plant growth promoting bacterium (PGPB), in algal culture. The subsequent co-cultivation of axenic Chlorella sp. HS2 with Rhizobium confirms algal growth-promoting influence of this bacterium, although the lipid content of harvested biomass from Chlorella-Rhizobium co-culture system is substantially decreased. While algal growth inhibiting influence of Microbacterium, another isolated bacterium, is confirmed, this bacterium seems to enhance algal lipid content that significantly improved the lipid productivity of Chlorella-Microbacterium co-culture system. The results of Chapter 2 thus indicate that both growth-promoting and growth-inhibiting bacteria can positively contribute to enhancing algal lipid productivity compared to the axenic control, and further support that the implementation of algal-bacterial co-cultivation system must carefully consider target products (e.g., biomass vs. lipid). In addition to bacteria, herbivorous zooplanktons often colonize in open algal cultivation platforms, and their proliferation may devastate biomass production within a few days. In Chapter 3, I propose the application of a biosurfactant produced by Bacillus subtilis C9 (referred to as C9-biosurfactant) for controlling cladoceran grazers commonly found in algal cultivation systems. The results indicate that C9-biosurfactant completely eradicate Daphnia pulex and Moina macrocopa within 24 hours. Moreover, supplying C9-biosurfactant into the cultures of algal crops with and without cladoceran grazers indicates no adverse effect of C9-biosurfactant on the growth and lipid productivity of these selected algal strains, while cladocerans are selectively controlled by C9-biosurfactant even under the presence of their prey. However, to deploy C9-biosurfactant as an effective biocontrol agent for cladoceran grazers, the production costs of bacterial biosurfactant must be reduced substantially. In Chapter 4, I present a laboratory-scale demonstration of fermenting B. subtilis C9 with the acid hydrolysate of defatted Chlorella biomass (referred to hereupon as DCB). While initial hydrolysis of DCB indicates the highest yield of fermentable monosaccharides when autoclaved with 0.25 N HCl, DCB hydrolysate is deemed to be a suitable fermentation medium for the production of biosurfactant. These results thus clearly support the possibility of incorporating non-ethanol fermentation into algal biorefinery through which overall economic outlook of the nascent algae industry could be substantially improved. Overall, this dissertation suggests that bacteria and bacterial biosurfactant can be successfully implemented to achieve high and reliable production of algal biomass and lipids at industrial algal cultivation.
산업 스케일에서 미세조류의 배양을 성공적으로 달성하기 위해서는 미세조류 배양 환경에 존재하는 생태 군집에 대한 이해와 이를 적절히 조절하는 것이 필수적입니다. 1장에서는 먼저, 농업과 수산업에서 널리 적용 혹은 연구되어온 생태적 이론들에 대한 리뷰를 진행하였습니다. 이를 통해, 미세조류 배양 환경에서 작물 보호를 극대화하기 위해서는 먹이 그물에 대한 이해가 필수적이라는 사실과, 작물의 다양성을 증대시키는 방안이 주요하게 고려될 필요가 있음을 확인하였습니다. 먹이사슬의 단순한 피식, 포식의 관계를 넘어서 배양환경에서 관찰되는 박테리아와 박테리아 유래 대사물질 역시도 미세조류의 배양에 효과적으로 활용될 수 있다는 사실에 착안하여, 2장에서는 선정된 클로렐라 균주와 연관된 박테리아를 우선 조사 하였습니다. 그 결과, 식물의 성장을 촉진하는 것으로 잘 알려진 뿌리혹박테리아를 포함한 박테리아의 존재를 확인할 수 있었고, 공배양 실험을 통해 분리된 뿌리혹박테리아가 미세조류의 성장 증대에 긍정적인 기여를 할 수 있음을 검증하였습니다. 하지만, 뿌리혹박테리아와 미세조류 공배양 시스템의 경우 미세조류 바이오매스의 지질 축적이 상대적으로 감소하였음을 확인하였으며, 이는 배양의 목적에 맞게 박테리아 인자를 적용할 필요가 있음을 시사합니다. 박테리아 뿐 만 아니라, 미세조류의 포식자인 동물성 플랑크톤도 빈번하게 미세조류 배양 환경에서 나타나는데, 농업현장에서 발생하는 병충해와 유사하게 이러한 포식자 플랑크톤은 미세조류의 생산에 심각한 부정적인 영향을 끼칠수 있습니다. 3장에서는, 바실러스 균주가 생산하는 생물계면활성제를 적용하여 이러한 미세조류의 포식자를 제어하는 연구를 수행하였습니다. 그 결과, 대표적인 미세조류 포식자인 물벼룩이 24시간 이내 생물계면활성제를 적용하였을 시 사멸됨을 확인하였으며, 이 생물계면활성제는 미세조류의 지질 생산 향상에도 직접 기여할 수 있음을 검증하였습니다. 그러나, 이러한 생물계면활성제가 산업적 스케일에서 적용되기 위해서는 경제적으로 생산되어야만 합니다. 따라서, 4장에서는 바실러스 유래 생물계면활성제를 지질을 추출하고 남은 잔사 미세조류 바이오매스를 활용해 생산하는 것을 구현하였습니다. 산 당화 처리를 통해, 잔사바이오매스가 절반가까이 단당류로 전환가능함을 확인하였고, 이어진 발효 과정을 통해 기존에 활용하였던 배지에서보다 높은 생물계면활성제의 생산이 가능함도 확인하였습니다. 종합하여 보면, 이 학위연구를 통해 박테리아와 박테리아 유래 유용물질이 미세조류의 성공적인 산업적 배양에 적용될 수 있다는 사실과, 미세조류 잔사바이오매스의 자원화를 통해 미세조류 산업공정의 경제성 증대에 충분히 기여할 수 있음을 검증하였으며, 이는 추후 산업현장에서 이러한 점들을 고려하여 미세조류 배양 및 후속공정을 디자인 할 필요가 있음을 시사합니다.
