1. 서론

최근 생물자원은 환경 정화, 바이오에너지, 친환경 산업 소재, 식품 원료, 바이오의약품 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 증가하고 있으며, 이에 따라 전 세계적으로 생물자원의 확보와 연구가 활발히 진행되고 있다(Priyadarshani and Rath 2012; Trivedi et al. 2015; Chia et al. 2020). 2010년 채택된 나고야 의정서는 생물·유전자원에 대한 각 국가의 주권을 인정하고, 자원의 이용을 통해 발생하는 이익을 공정하고 공평하게 공유하기 위한 국제적 규범을 제시하고 있다. 이러한 흐름 속에서 기존 자원을 체계적으로 정리하는 것뿐 아니라, 미개발·미발굴 생물자원의 잠재적 가치를 평가하고 이를 자원화하는 과정의 중요성이 점차 강조되고 있다(Camacho et al. 2019).

미세조류(microalgae)는 고효율 광합성 기작을 통해 대기 중 CO₂를 바이오매스로 전환하고 O₂를 생산할 뿐만 아니라, 단백질, 지질, 색소, 비타민, 아미노산 등 다양한 고부가가치 유기물을 생산하는 대표적인 생물자원이다. 미세조류는 수생태계뿐만 아니라 토양, 극지 등 매우 다양한 서식지에 분포하며, 높은 대사적 가소성과 환경 적응력을 보이는 것으로 알려져 있다(Silva et al. 2025). 현재 지구상에는 약 80만 종 이상의 미세조류가 존재하는 것으로 알려져 있으나, 아직 활용되지 않은 잠재적 자원이 매우 크다고 평가된다(Kumar et al. 2020).

산업적으로 활용 가능한 미세조류의 주요 구성 성분으로는 탄수화물, 단백질, 지질, 색소 등이 있으며, 이들은 식품, 사료, 기능성 소재 및 에너지 자원으로 다양하게 이용되고 있다. 미세조류 유래 단백질은 필수 아미노산을 포함한 균형 잡힌 아미노산 조성을 나타내며, 건강기능식품 및 동물 사료 단백질원으로의 활용 가능성이 높게 평가되고 있다(Priyadarshani and Rath 2012; Rather et al. 2024; Rawindran et al. 2024). 탄수화물과 지질 역시 높은 생산성과 기능성을 바탕으로 바이오에탄올·바이오디젤 등 바이오연료 생산의 기질로 이용될 뿐만 아니라 건강기능식품 소재로도 주목받고 있다(Singh and Gu 2010; Yeh and Chang 2012; Chiappe et al. 2016). 특히, 아이소프레노이드(isoprenoid) 골격을 갖는 지용성 카로티노이드(carotenoid)는 우수한 항산화·항염증 활성을 통해 기능성 식품 및 질환 예방·개선용 소재로의 응용 가능성이 크다. 이와 같이 미세조류로부터 생산되는 주요 대사산물은 다양한 산업 분야에서 높은 응용 가치를 지닌다(Trivedi et al. 2015; Huang et al. 2017; Novoveská et al. 2019).

그러나 이러한 거대분자 및 대사산물의 함량과 조성은 미세조류 분류군(taxon)에 따라 큰 차이를 보일 뿐만 아니라, 동일 종 내에서도 생리·생태 환경 요인에 따라 크게 변화하는 것으로 보고되고 있다(Lee et al. 2016). 예를 들어, Spirulina (Arthrospira) platensis는 35℃에서 배양했을 때 25℃ 조건에 비해 바이오매스 생산성이 약 23% 증가하는 것으로 보고되어, 온도가 미세조류 생산성에 중요한 인자임을 보여준 바 있다(Han et al. 2013). 또한 Chlorella를 비롯한 다양한 미세조류에서 광도 및 광파장 등의 조건에 따라 미세조류의 생장 속도와 지방산 조성이 변화하는 현상이 관찰되었으며, 이와 같은 변화는 종간 차이뿐 아니라 동일 종의 계통에 따라서도 다르게 나타난다(Park et al. 2013; Maltsev et al. 2021). 이러한 결과는 개별 종이 적응해 온 환경 요인에 따라 유용 성분의 조성과 함량이 달라질 수 있으며, 동일 종이라 하더라도 국외 계통과 국내 토착 계통의 활용 가치가 상이할 수 있음을 시사한다. 따라서 생물자원 주권 확보 및 활용성 증대를 위해서는 국내 토착 미세조류의 고유 특성을 규명하고, 생장성이 우수한 자원을 선별하여 목적에 적합하게 이용할 수 있는 기반을 마련함으로써 생물자원의 가치를 평가하는 것이 중요하다.

본 연구에서는 국립낙동강생물자원관 담수생물자원은행(Freshwater Bioresources Culture Collection; FBCC)에 지난 10여 년간 축적된 국내 담수 녹조류 중, 생장성이 우수하고 활용 가능성이 높은 것으로 보고된 Chlorella 3종 및 Mychonastes 4종을 선별하여 그 생장성과 유용성을 평가하였다. 이를 위해 연속 교반식 광생물반응기를 이용하여 각 균주의 생장 특성을 비교하고, 주요 거대분자인 단백질과 탄수화물 함량, 지방산 조성, 색소 함량과 조성을 정량·분석하였다. 이러한 분석을 통해 국내 담수 유용 미세조류의 잠재성을 규명하고, 향후 다양한 생물소재 및 산업용 원료로의 활용 가능성 평가를 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 미세조류의 생장특성 분석

본 연구에서 사용된 7개의 국내 토착 미세조류는 국립낙동강생물자원관(FBCC)에서 분양받았다(Table 1). 초기 생장 증식을 위해 250-mL Erlenmeyer flask에 100 mL의 BG-11배지를 분주한 후, 온도 22±1°C와 광도 50±2 μmol/m²/s의 조건의 진탕 배양기에서 120 rpm으로 교반하며 15일간 배양하였다. 균주의 생장성 및 특성 유지를 위해 매 10일간 계대배양을 수행하였다. 이후 미세조류의 생장성 평가를 위해 0.5 L 기포탑 원통형 광생물반응기(bubble column photobioreactor)에 옮겨 15일간 배양하였다. 광생물반응기 배양 조건은 온도는 22±1°C, 광도 300 μmol/m²/s로 설정하였고, 공기와 2% CO₂ 혼합 기체를 하단부로부터 0.1 vvm (gas volume per liquid volume per minute)로 연속 공급하였다. 미세조류 세포 농도와 크기는 Coulter Counter (Multisizer 4e, Beckman Coulter, Inc., Fullerton, CA, USA)를 이용하여 정밀하게 측정하였다. 수확된 미세조류는 원심분리 후 동결건조하여 실험에 사용하였다. 미세조류의 비생장속도(specific growth rate, μ)와 바이오매스 생산성은 Coulter Counter에서 분석한 세포 농도를 바탕으로 아래의 식을 이용하여 계산하였다(식 (1), 식 (2)). 여기서 μ는 비생장속도(/day)이고 P_x (g/L/day)는 바이오매스 생산성이다. X₁과 X₂는 두 배양 시점 t₁과 t₂에서의 세포 농도(g/L)를 나타낸다.

2.2 미세조류의 탄수화물 및 단백질 함량 분석

총 탄수화물은 페놀–황산법(phenol-sulfuric acid method)을 이용하여 측정하였다. 생체시료(fresh biomass)의 미세조류로부터 탄수화물을 추출하기 위해, 0.25 mL의 세포 배양액에 5% 페놀 용액 0.25 mL를 혼합하였다. 혼합한 각 시료에 1N 황산(H₂SO₄) 1.25 mL를 첨가한 후, 80°C의 수조에서 30분간 반응시켰다. 반응 종료 후 분광광도계(UV-1800, Shimadzu, Kyoto, Japan)로 492 nm에서 흡광도를 측정하였으며, 포도당(glucose)을 이용하여 작성한 검량곡선을 통해 탄수화물 함량을 정량하였다.

총 단백질 함량은 Bradford assay를 적용하여 분석하였다. 생체시료의 세포 배양액을 원심분리하여 세포만을 농축한 후, PBS (phosphate-buffered saline)로 두 차례 세척하여 배양액 내 잔류물을 완전히 제거하였다. 이후 glass bead를 첨가하여 교반하고 파쇄하여 단백질을 추출하였다. 추출액에 Bradford 시약을 혼합한 후, 분광광도계(UV-1800)로 595 nm에서 흡광도를 측정하였으며, bovine serum albumin (BSA, 0.2–0.9 mg/mL) 검량선을 이용하여 단백질 함량을 산출하였다.

2.3 미세조류의 지방산 조성 및 함량 분석

담수 미세조류의 지방산 측정은 직접 전이에스테르화(trans-esterification) 반응을 통한 지방산 메틸 에스테르(fatty acid methyl ester; FAME) 유도체화 후 gas chromatograph (Acme 6000 GC, Young in Chromass, Anyang, Korea)를 이용하여 분석하였다. 동결건조 미세조류 분말 20 mg에 내부표준물질 C19:0 지방산(Supelco, Bellefonte, PA, USA) 100 mL를 첨가하고 methanol로 희석한 5% (v/v) acetyl chloride 0.9 mL를 첨가한 후, 80°C에서 1 h 반응시켰다. 반응 종료 후 n-hexane 1 mL를 첨가하여 FAME을 추출하였다(Park et al. 2020). 초기 오븐 온도 140°C에서 1분간 정치하였고, 240°C까지 5°C/min로 승온하여 10분간 정치하였다. Capillary column (HP-INNOWax, Agilent, CA, USA)으로 유량 3 mL/min의 헬륨가스를 이동상으로 이용하였다. 샘플을 주입하고 FAME standard mixture (F.A.M.E. MixC4-C24, SUPELCO, Bellefonte, PA, USA)와 미세조류 유래 FAME의 체류 시간을 비교하여 미세조류 세포 내 지방산 함량과 조성을 정량하였다.

2.4 미세조류의 색소 함량 및 조성 분석

담수 미세조류의 색소 함량 분석은 photodiode array detector (YL9100, Young In Chromass, Anyang, Korea)가 구비된 high performance liquid chromatograph (HPLC; YL9100, Young In Chromass)로 분석하였다. 동결건조 시료 0.2 g에 90% acetone (Sigma-Aldrich, St. Louis, USA) 10 mL를 첨가하고 초음파추출기(Powersonic 410, Hwashin Tech, Daegu, Korea)로 30 min 추출하였다. 추출액 10 μL를 Waters Spherisorb ODS1 (4.6×250 mm, 5 μm, Milford, USA)에 주입하고 45°C에서 55 min간 분리하였다. 이동상 A는 물: acetonitrile=10:90 (v/v), 이동상 B는 100% methanol로 구성하였으며, 기울기 조건은 7 min 50% B, 10–15 min 100% B, 17 min 50% B, 25 min 50% B (유속 1.0 mL/min)로 설정하였다. 분리된 색소는 445 nm에서 검출하였으며, β-carotene, lutein, zeaxanthin, antheraxanthin, violaxanthin, chlorophyll a, chlorophyll b (Sigma-Aldrich) 표준물질의 검량곡선을 이용하여 정량하였다(Ji et al. 2025).

3. 결과 및 고찰

3.1 담수 미세조류의 생장성 및 바이오매스 생산성 평가

산업적 활용을 위한 미세조류 선별에서 생장성은 바이오매스 생산량과 경제성을 좌우하는 핵심 지표이다. 빠른 생장 속도는 단위 면적당 혹은 단위 부피당 높은 생산성을 보장하며, 배양 주기를 단축시킬 뿐만 아니라 수확·추출 공정 효율성을 증가시킬 수 있다. 본 연구에서는 유용 생물소재로서의 잠재력을 가지는 국내 토착 미세조류 Chlorella 및 Mychonastes 속을 대상으로 광생물반응기에서의 생장성을 평가하고, 바이오매스 생산성을 분석함으로써 산업적 활용을 위한 후보 종을 제시하고자 한다.

Fig. 1은 Chlorella 속의 생장성 및 바이오매스 생산성을 나타내고 있다. C. miniata가 배양 10일차에 최대 2.30±0.50 g/L까지 생장하였으며(Fig. 1(a)), Chlorella 속 내에서 가장 높은 생장률(0.64±0.10 /day)을 나타냈다(Fig. 1(b)). C. vulgaris와 C. sorokiniana의 생장률은 각각 0.57±0.01 /day와 0.51±0.01 /day로 유사하였다(Fig. 1(b)). 바이오매스 생산성은 생장속도와 비례하여 나타났다. C. miniata가 0.23±0.05 g/L/day의 바이오매스 생산성으로 가장 우수하였으며, C. vulgaris와 C. sorokiniana는 각각 0.14±0.02 g/L/day, 0.14±0.01 g/L/day로 유사하였다(Fig. 1(c)).

Fig. 1

Growth performance and biomass productivity of Chlorella species. (a) Comparison of growth curves of Chlorella species. (b) Comparison of specific growth rates among Chlorella species. (c) Comparison of biomass productivity of Chlorella species. Error bars indicate standard deviation (n=2).

한편, Mychonastes 속에서는 M. homosphaera가 배양 12일차에 최대 2.65±0.08 g/L까지 생장하여 분석된 7종 중에서 가장 높은 생장률을 보였으며(Fig. 2(a)), 가장 높은 생장속도(0.65±0.01 /day)를 나타냈다(Fig. 2(b)). M. rotundus와 M. afer의 생장속도는 각각 0.58±0.05 /day와 0.55±0.03 /day로 유사하였으며, M. jurisii는 타종에 비해 상대적으로 낮은 생장속도(0.44±0.02 /day)를 보였다(Fig. 2(b)). 바이오매스 생산성 측면에서도 M. homosphaera는 가장 높은 바이오매스 생산성(0.24±0.00 g/L/day)을 나타낸 반면, M. afer의 바이오매스 생산성은 0.13±0.01 g/L/day로, M. afer보다 생장률이 낮은 M. jurisii의 바이오매스 생산성(0.13±0.01 g/L/day)과 유사하였다(Fig. 2(c)).

Fig. 2

Growth performance and biomass productivity of Mychonastes species. (a) Comparison of growth curves of Mychonastes species. (b) Comparison of specific growth rates among Mychonastes species. (c) Comparison of biomass productivity of Mychonastes species. Error bars indicate standard deviation (n=2).

본 연구의 결과는 기존에 보고된 Chlorella 및 Mychonastes의 생장률과 비교할 때 의의가 있다. Chlorella 종의 생장률은 0.30±0.07~0.64±0.00 /day의 범위로 보고되었으며, Mychonastes 종의 생장률은 0.15±0.01~0.60±0.27 /day의 범위로 보고된 바 있다(Saadaoui et al. 2020; Sözmen et al. 2022). 이는 국내 Chlorella 및 Mychonastes 종이 높은 생장률을 기반으로 우수한 바이오매스 생산성을 확보할 잠재력을 지녔음을 시사한다. 또한, 최근 연구에서는 최적 생장환경에서 Chlorella 종의 생장률이 0.73±0.01 /day 및 1.26 /day까지 증가한 것으로 보고된 바 있다(Ziganshina et al. 2022; Bulynina et al. 2023). 이는 환경 조건의 조절이 미세조류의 생장성과 바이오매스 생산성에 영향을 미칠 수 있음을 보여준다. 따라서, 국내 토착 미세조류를 대상으로 온도, 광도 및 영양염 농도 등의 최적화로 보다 높은 생장성과 바이오매스 생산성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

3.2 탄수화물, 단백질 함량 분석

미세조류의 바이오매스는 활용 분야에 따라 요구되는 주요 물질이 상이하다. 미세조류의 탄수화물은 바이오연료의 원료 물질(feedstock)뿐만 아니라 식품소재, 기능성 화장품 원료 등 다양한 친환경 산업 소재로 활용이 가능하다(Costa et al. 2020; de Carvalho Silvello et al. 2022). 또한, 미세조류의 단백질은 필수 아미노산 함량이 높아 사료 및 식품 첨가제로 활용 가치가 크며, Chlorella와 Spirulina 등은 대표적인 고단백 식품소재로 널리 이용되고 있다(Osathanunkul et al. 2025). 이에 본 연구에서는 국내 토착 미세조류의 다양한 유용물질의 조성을 분석하여 활용 가치가 높은 후보 소재를 제시하고자 수행되었다.

Fig. 3는 미세조류 7종에 대한 탄수화물 함량을 분석한 결과로, 특정 종에 집중되는 극단적인 차이를 보였다. Chlorella 속의 탄수화물 함량은 6.3±0.7~533.3±22.3 mg/g의 편차가 큰 범위를 나타냈고, Mychonastes 속은 121.6±9.3~671.3±105.6 mg/g의 범위로 나타났다(Fig. 3). 미세조류의 탄수화물 함량은 종의 고유적인 성질 및 생장환경에 따라 유동적이다(Juneja et al. 2013; Lakatos et al. 2019; Cheng et al. 2022; de Carvalho Silvello et al. 2022). 특히, 미세조류의 탄소 대사는 종별로 고유한 특성을 가지며, 광합성을 통한 다양한 효소 반응으로 탄수화물 함량에 직접적인 영향을 미친다. 이러한 대사 경로는 유전적·환경적 요인에 의해 조절되며, 이는 동일한 배양 조건에서도 탄수화물 축적에 유리한 종을 달라지게 한다(Narayanan et al. 2025). 선행연구에 따르면 Chlorella의 탄수화물 함량은 8±0.09~38±2.2% (w/w, DCW)까지 보고된 바 있으며, Mychonastes의 경우 ~12% (w/w, DCW)까지 보고되었다(Georgiou et al. 2025; Jo et al. 2025). 또한, 40~50% (w/w, DCW)의 높은 탄수화물 함량은 바이오에너지 생산에 유리함이 보고된 바 있어, 이는 바이오에탄올과 같은 친환경 산업소재로서 활용될 수 있음을 시사한다(Debnath et al. 2021; Park et al. 2023). 따라서, 본 연구의 결과에서 높은 탄수화물 함량을 나타낸 M. afer (671.3±105.6 mg/g DCW; 67% w/w, DCW), C. miniata (533.3±22.3 mg/g DCW; 53% w/w, DCW), C. vulgaris (393.9±40.1 mg/g DCW; 39% w/w, DCW)는 탄수화물 생합성 경로를 변형하여 함량을 증가시킬 수 있을 것으로 여겨진다.

Fig. 3

Comparison of carbohydrate content between Chlorella and Mychonastes species. Error bars indicate standard deviation (n=2).

Fig. 4는 미세조류 7종에 대한 단백질 함량을 분석한 결과를 나타낸 것이다. Chlorella 속의 단백질 함량은 210.1±15.9~509.9±35.0 mg/g의 범위를 보였으며, Mychonastes 속은 93.5±25.7~295.7±65.0 mg/g의 범위를 보였다(Fig. 4). 가장 높은 함량을 나타낸 C. sorokiniana와 가장 낮은 함량을 나타낸 M. homosphaera를 제외하면, 두 속 간의 단백질 함량 차이는 뚜렷하게 나타나지 않았다.

Fig. 4

Comparison of protein content between Chlorella and Mychonastes species. Error bars indicate standard deviation (n=2).

현재 건강 및 기능성 식품으로 널리 사용되는 미세조류의 단백질 함량은 종류에 따라 다르며, 건조중량의 최대 70%에 이를 수 있다(Amorim et al. 2021). 본 연구에서 분석된 국내 미세조류 7종 가운데 C. sorokiniana가 509.9±35.0 mg/g (51% w/w, DCW)으로 가장 높은 함량을 나타내 고단백 소재로 활용 가능할 것으로 판단된다. C. sorokiniana은 단백질 함량이 가장 높았지만, 탄수화물 함량은 6.3±0.7 mg/g (6% w/w, DCW)으로 7종 중 가장 낮았다. 따라서, C. sorokiniana는 사료 및 식품 첨가제 소재로 사용될 수 있으며, 이러한 결과는 국내 토착 미세조류가 가지는 고유한 종별 특성에 따라 특이적인 산업적 응용이 가능하다는 것을 보여준다.

나아가, 미세조류 단백질로부터 유래한 펩타이드는 항산화, 항염과 같은 다양한 생리활성을 나타내며, 이러한 활성은 펩타이드를 구성하는 아미노산의 조성과 배열에 따라 달라진다(Sathya et al. 2022). 미세조류는 lysine, leucine, valine, isoleucine 등 다양한 필수 아미노산을 포함하고 있으며, 이러한 아미노산 조성 분석은 미세조류 단백질의 생리활성 활용 가능성을 평가하기 위하여 중요하다(García-Encinas et al. 2025). 따라서, 본 연구에서 분석된 C. sorokiniana와 같은 단백질 함량이 우수한 종을 대상으로 아미노산의 조성 및 함량에 대한 추가적인 분석을 통해 양적·질적으로 우수한 고단백 소재를 선별할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3 지방산 함량 및 조성 분석

Tables 2와 3은 본 연구에서 분석된 미세조류 7종의 지방산 함량을 나타낸 것이다. Chlorella 속 종들의 지방산 함량은 각각 72.1±0.3 ~140.6±6.4 mg/g의 범위를 보였으며, Mychonastes 속 종들의 지방산 함량은 각각 39.1±0.0 ~107.7±3.7 mg/g로 나타났다. 그 중에서도 C. sorokiniana는 140.6±6.4 mg/g (14% w/w, DCW)으로 가장 우수한 함량을 보였으며, C. miniata (78.6±3.2 mg/g, 8% w/w, DCW), C. vulgaris (72.1±0.3 mg/g, 7% w/w, DCW)의 함량보다 약 2배 높았다(Table 2). Mychonastes 속에서는 M. afer, M. homosphaera가 107.7±3.7 mg/g (11% w/w, DCW), 100.5±1.2 mg/g (10% w/w, DCW)으로 우수한 함량을 보인 반면, M. jurisii는 39.1±0.0 mg/g (4% w/w, DCW)으로 분석된 7종에서 가장 낮은 지방산 함량을 보였다(Table 3).

미세조류의 지방산 함량은 생장 속도에 따라 달라지며, 생장 속도가 빠른 일부 녹조류에서 지방산 함량이 낮은 경향이 보고된 바 있다(Deng et al. 2009; Show et al. 2017). 그러나 본 연구에서 분석한 생장성 평가의 결과와 지방산 함량 간에는 명확한 상관관계가 나타나지 않았으며, 이는 지방산 함량이 생장 속도 외에 다른 요인(e.g., 영양염의 농도, 스트레스 인자 등)의 영향을 받을 수 있음을 시사한다. 본 연구에서 분석된 모든 배양체는 동일한 광도·배지 조건에서 배양된 점을 고려하면, 이러한 차이는 종 고유의 유전적 특성으로 인한 결과일 수 있다. 따라서 생장성 평가와 종별 최적 배양 조건을 병행하여 탐색할 필요가 있으며, 이를 통해 고지방산 생산 후보 종을 규명할 수 있을 것이다(Wang et al. 2026).

미세조류의 지방산 함량 외에 산업적 가치를 결정짓는 핵심은 지방산 조성이다(Morales et al. 2021). 지방산은 탄소 사슬 길이와 이중결합 여부로 포화·불포화지방산으로 나뉘며, 종류에 따라 바이오연료·건강기능성식품 등 적용 분야가 다르다. 특히 불포화지방산은 면역 조절, 대사 건강 개선, 만성 질환 예방 등에 기여해 큰 주목을 받고 있다(Nandoskar et al. 2026).

본 연구에서 분석된 Chlorella와 Mychonastes는 다양한 지방산을 함유하고 있는 것으로 나타났다(Tables 2 and 3). Mychonastes는 8~11종의 지방산이 검출되었으며, 6~9종이 검출된 Chlorella보다 다양성이 높았다. 특히 M. homosphaera와 M. afer는 분석된 16종의 지방산 중 11종으로 가장 다양했다. 불포화지방산 중 C16과 C18계열 함량이 높았으며, palmitoleic acid (C16:1)를 제외하고 Chlorella에서 최대 함량이 높았다. Palmitoleic acid는 대사 조절 및 항염 효과로 건강기능성식품 원료로 유용하며, M. homosphaera에서 30.0±0.8 mg/g으로 가장 높았다(Table 3). Hexadecadienoic acid (C16:2)의 함량은 13.4±0.3 mg/g으로 C. sorokiniana가 가장 높았으며, hexadecatrienoic acid (C16:3)와 hexadecatetraenoic acid (C16:4)는 각각 9.2±0.8 mg/g과 7.2±0.7 mg/g으로 C. miniata가 가장 높았다. Oleic acid (C18:1)와 linoleic acid (C18:2)는 26.8±0.1 mg/g, 40.7±0.8 mg/g으로 C. sorokiniana가 가장 높았으며, α-linolenic acid (C18:3α)는 20.4±0.1 mg/g으로 C. vulgaris가 가장 높았다. 한편, eicosatetraenoic acid (EPA; C20:5)는 3.4±0.0 mg/g으로 C. sorokiniana에서 유일하게 분석되었다(Table 2). 이러한 오메가 계열의 지방산은 항산화 작용, 중추신경계 기능 유지, 신경퇴행성 질환을 예방할 수 있는 중요한 지방산이며, EPA는 심혈관 건강 및 항염 작용에 기여하는 필수지방산으로 알려져 있다(Doughman et al. 2007; Conde et al. 2021). 본 연구 결과는 미세조류가 필수지방산의 지속 가능한 공급원으로 활용될 가능성을 보여주며, 특정 지방산 생산 전략의 탐색이 필요하다는 것을 시사한다. 이는 미세조류의 지방산 조성이 생장배지와 같은 환경요인에 영향을 받기 때문이다(Yim et al. 2022). 구체적으로 낮은 질소 조건은 미세조류의 세포 분열을 통한 생장보다는 세포 내 지방산 대사를 촉진하여 지방산 함량을 유도한다는 결과가 보고된 바 있다(Vooren et al. 2012). 또한, 질소와 인과 같은 영양소 결핍 조건이 특정 지방산의 생산성을 2배 이상 향상시킬 수 있다(Satpati et al. 2016; Yim et al. 2019). 따라서 영양소 결핍 조건을 활용한 지방산 비교 분석은 C. sorokiniana와 M. homosphaera와 같은 우수 미세조류의 산업적 활용 가능성을 높일 수 있을 것이다.

3.4 색소 함량 분석

미세조류는 chlorophyll과 carotenoid 등 주요 색소를 함유하고 있으며, 이는 광합성과 생리 기능에 필수적일 뿐만 아니라 산업적인 측면에서도 중요한 가치를 가진다(García et al. 2017). 광합성에 필수적인 색소인 chlorophyll은 식품 및 제약 산업에서 천연 색소로 활용될 수 있어 중요성이 점차 부각되고 있다(Yaakob et al. 2014). 또한 carotenoid는 2차 대사산물로서 항산화, 항암 등 다양한 생리활성을 나타내며, 화장품, 건강기능성식품, 의료 분야 등에서 폭넓게 응용되고 있어 높은 산업적 가치를 가진다(Barkia et al. 2019; Mohsenpour et al. 2021).

Tables 4와 5는 본 연구에서 분석된 미세조류 7종의 chlorophyll (2종) 및 carotenoid (6종)의 색소 함량을 나타낸 것이다. 분석된 모든 종에서 chlorophyll a는 가장 높은 함량을 보였으며, M. homosphaera와 C. miniata, C. vulgaris가 각각 123.0±0.6 mg/g (12% w/w, DCW), 91.3±0.2 mg/g (9% w/w, DCW), 84.6±1.8 mg/g (8% w/w, DCW)으로 가장 높은 수준을 보였다. Chlorophyll a의 함량은 carotenoid의 함량과 비례하였으며, M. homosphaera는 11.9±0.1 mg/g (1% w/w, DCW)의 carotenoid 함량으로 가장 높았고, C. miniata는 7.0±0.1 mg/g (0.7% w/w, DCW)의 carotenoid 함량으로 뒤를 이었다(Tables 4 and 5). 이는 chlorophyll a에 의해 흡수된 광에너지가 증가할수록 엽록소 보호 및 활성산소 제거를 위해 carotenoid가 축적된 결과로 여겨진다.

Carotenoid의 함량은 사료, 화장품, 건강기능식품 등 다양한 산업에서 활용될 수 있기에 매우 중요하다. Astaxanthin, β-carotene, lutein과 같은 carotenoid는 활용 분야에서 확립되어 있을 정도로 많이 활용되고 있으며, 최근에는 zeaxanthin, violaxanthin, antheraxanthin, fucoxanthin 등 경제적 잠재력을 지닌 carotenoid가 시장에 진입하고 있다(Novoveská et al. 2019). 본 연구에서 검출된 carotenoid의 함량은 종에 따라 상이하였다. Astaxanthin, antheraxanthin, lutein은 대부분의 종에서 검출된 반면, β-carotene은 C. sorokiniana에서만 검출되었다. 또한, violaxanthin은 M. homosphaera, M. jurisii에서만 검출되었으며, zeaxanthin은 M. jurisii에서만 검출되었다. 본 연구에서는 M. homosphaera (11.9±0.1 mg/g; 1% w/w, DCW)와 C. miniata (7.0±0.1 mg/g, 0.7% w/w, DCW)가 비교군 중 높은 carotenoid 함량을 나타내는 것을 확인하였다. M. homosphaera는 2.8±0.0 mg/g의 violaxanthin, 6.2±0.1 mg/g의 lutein으로 가장 높은 함량을 보였다. C. miniata는 5.8±0.1 mg/g의 lutein 함량을 보였으며(Tables 4 and 5), 이러한 violaxanthin과 lutein의 우수한 함량은 항산화 및 항염 효과를 가져 눈과 피부 건강에 기여할 수 있다(Soontornchaiboon et al. 2012; Lin et al. 2015; Hu et al. 2018; Fu et al. 2023). 또한, 광보호 기능 및 항염 작용이 우수한 antheraxanthin은 M. homosphaera에서 2.6±0.1 mg/g으로 검출되었다(Amaral et al. 2021). 이외에 환경조건에 따라 유도되는 zeaxanthin은 대부분의 종에서 검출되지 않았으며, 심혈관 질환 예방, 항암 효과, 화장품 등 건강기능식품 산업 활용 가능성이 높은 astaxanthin은 미량만 검출되었다(Kumar et al. 2022). C. miniata는 0.7±0.0 mg/g의 astaxanthin이 검출되었으나 활용 가능성을 판단하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 여겨진다(Table 4).

미세조류의 색소 함량은 광도, 영양 상태, 스트레스와 같은 환경 조건에 따라 크게 달라지므로, 배양 조건 최적화 및 변화에 따른 색소 함량 분석이 필수적이다(Liang et al. 2019; Saini et al. 2020; Ashokkumar et al. 2023). 이는 C. miniata와 같이 잠재력을 지닌 종을 확인하는 기준이 될 수 있으며, M. homosphaera처럼 다양한 색소 함량을 가진 종에서는 특정 색소를 선택적으로 증가시켜 산업적 활용 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

4. 결론

본 연구에서는 국내 토착 미세조류 Chlorella 및 Mychonastes 속 7종을 대상으로 생장률, 바이오매스 생산성 및 주요 대사산물의 조성을 종합적으로 분석하여 산업적 활용 가능성을 평가하였다. 국내 토착 미세조류는 종마다 차별화된 대사 특성을 지니며, 이를 통해 다양한 산업 분야에 적용 가능한 잠재력을 지닌 생물자원임을 확인하였다. 특히, C. miniata, M. homosphaera는 생장률이 높고, 색소 함량이 우수하여 건강기능식품 소재로 활용될 수 있으며, M. afer는 탄수화물 함량이 높아 바이오에너지와 같은 친환경 소재로 활용될 잠재력을 지닌다. C. sorokiniana는 고단백 소재 및 우수한 지방산 조성으로 의약 소재로 활용될 잠재력을 지닌다. 또한, 환경 조건에 따라 대사산물의 함량이 크게 영향을 받는 만큼, 향후 배양 조건 최적화 연구 및 질소와 같은 특정 영양소의 결핍 연구가 수행된다면 특정 산물의 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 여겨진다. 이러한 결과는 산업 목적에 따라 유용 미세조류를 선별하여 활용할 수 있는 자료를 제공하며, 활용 가능성을 확대하는 데 중요한 학술적·산업적 기반이 될 것이다.