Heavy metal pollution has a harmful impact on human health and is regarded as a vital problem. Preparation of a novel, low cost bio-sorbent for heavy metal sorption is the main target of this research. Non-living Chlorella Vulgaris Alga/Date pit activated carbon composite (1:1), (CV/AC), is a novel bio-sorbent prepared by the wet-chemical method for sorption of Pb (II) and Sr (II) from aqueous media. The optimum pH for sorption reaction is 5 and the equilibrium time is achieved within 1 h. The sorption efficiencies are 90.5% for Pb(II) and 95.7% for Sr(II) with initial concentration Co 10 mg L– 1 at 298 K. The monolayer sorption capacities of CV/AC composite at 298 K and pH = 5 were 6.34 ± 0.059, 5.97 ± 0.22 mg g– 1. The saturation capacities were 98.5 and 125 mg g– 1 for Pb (II) and Sr (II), respectively after 10 days. The sorption process is a spontaneous and endothermic reaction. It follows a pseudo-2nd-order mechanism. The results are suggestive of the need to adopt CV/AC composite as a potential bio-sorbent of Pb (II) and Sr (II) for waste water treatment.

Prediction of the behavior of heavy metals over time is important to evaluate the heavy metal toxicity in algae species. Various modeling studies have been well established, but there is a need for an improved model for predicting the chronic effects of metals on algae species to combine the metal kinetics and biological response of algal cells. In this study, a kinetic dynamics model was developed to predict the copper behavior (5 μg L-1, 10 μg L-1, and 15 μg L-1) for two freshwater algae (Pseudokirchneriella subcapitata and Chlorella vulgaris) in the chronic exposure experiments (8 d and 21 d). In the experimental observations, the rapid change in copper mass between the solutions, extracellular and intracellular sites occurred within initial exposure periods, and then it was slower although the algal density changed with time. Our model showed a good agreement with the measured copper mass in each part for all tested conditions with an elapsed time (R 2 for P. subcapitata: 0.928, R 2 for C. vulgaris: 0.943). This study provides a novel kinetic dynamics model that is compromised between practical simplicity and realistic complexity, and it can be used to investigate the chronic effects of heavy metals on the algal population.

This research aims to study the simultaneous extraction and transesterification of Chlorella vulgaris (C. vulgaris) using microwave irradiation with methanol as solvent and potassium hydroxide (KOH) as catalyst. The microwave-assisted insitu transesterification of C. vulgaris is assessed at various ratios of biomass-to-methanol, reaction times, and catalyst concentrations during the centrifugation and evaporation process. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis is performed to confirm fatty acid methyl ester (FAME) composition. Biodiesel preparation is carried out by simultaneous extraction and transesterification of microalgae from C. vulgaris. The product is then characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR); microalgae are observed using scanning electron microscopy (SEM). The highest amount of FAME is obtained at a biomass-to-methanol ratio of 1:12, reaction time of 40 min, and catalyst concentration of 2 wt%. Biodiesel shows conversion to about 77.64% of methyl ester (methyl myristate, methyl palmitoleate, methyl linoleate, methyl oleate, methyl arachidonate, and methyl 5,8,11,14,17-eicosapentanoate).

This study aimed to investigate growth rate and nutrient consumption of Chlorella vulgaris according to different light irradiation interval. Applied light irradiation intervals were 12 hr, 4 hr, 1 hr, and 1 min. The light source was flexible LED(Blue:Red=1:1), light intensity was 200 PPFD and Light/Dark cycle was 1:1. As a result, growth rate and nutrient removal efficiencies showed no significant differences depending on the light irradiation interval. Considering the reproduction characteristics of applied microalgae cultures of this study, this is thought to be one of the possible reasons of above results. Because Chlorella vulgaris performs an asexual reproduction and it is known that there is no significant relationship between light irradiation interval and growth rate, including nutrient consumption in case of asexual reproduction.

본 연구는 규조류 Nitzschia sp., Phaeodactylum tricornutum, Skeletonema sp.와 녹조류 Chlorella vulgaris의 성장에 미치는 발광다이오드(LED) 단일파장의 영향을 파악하였다. 4종의 미세조류는 청색 LED(450 nm), 황색 LED(590 nm), 적색 LED(650 nm) 그리고 형광램프(복수파장)에서 배양하였다. Nitzschia sp., P. tricornutum 그리고 Skeletonema sp.의 최대성장속도와 최대세포밀도는 청색 LED에서 가장 높았고 형광램프, 적색 LED, 황색 LED 순이지만, C. vulgaris는 적색 LED에서 가장 높았다. 이는 청색 LED는 다른 파장에 비해서 규조류의 성장을 촉진시키는 작용을 하는 것으로 보인다. 따라서 미세조류의 단일파장 하에서 성장속도는 종 특이성 또는 분류군 특이성을 보이는 것으로 생각된다. 또한 이러한 결과는 향후 LED와 미세조류를 활용한 중금속 오염 퇴적물의 복원을 위한 중요한 정보로 활용할 수 있을 것이다.

VFAs like acetate are the major soluble metabolites of food waste leachates after digested. Therefore this study investigates the effect of acetate on growth rate and nutrient removal efficiency of Chlorella vulgaris to treat digested food waste leachates. The initial acetate concentration varied from 0 to 20 mM. As a result, Chlorella vulgaris growth rate was increased as high as the concentrations ranged from 0 to 20 mM. The same trend was observed with NH4-N and PO4-P consumption. The highest growth rate and the highest NH4-N, PO4-P removal rate were observed at acetate concentration of 20 mM. The microalgae growth rate and NH4-N, PO4-P removal rates were 1.5, 1.8, 2.3 times higher than the condition without acetate.

Bioremediation has been recognized as a suitable alternative to conventional methods of removing contaminants, and it uses fungi, bacteria and microalgae. In contrast to other organisms, microalgae are unique in that they have the ability to perform photosynthesis like plants and to utilize organic/inorganic carbon substrates, in a process called phytoremediation. Microalgae can populate a reaction site rapidly and enhance the bioremediation efficiency. In this study, Chlorella vulgaris was used to evaluate the removal potentials of the nutrients (N and P) and heavy metals (Cu and Zn) from swine wastewater. The optimum growth conditions for Chlorella vulgaris and the removal potentials of N, P, Cu, and Zn from synthetic wastewater using Chlorella vulgaris were investigated. Based on the results, the applicability of this microalga to on-site wastewater treatment was examined. Optimal growth conditions for Chlorella vulgaris were established to be 28℃, a pH of 7, and light and dark cycles of 14:10 h. As the concentrations of the nutrients were increased, the efficiencies of N and P removal efficiencies by Chlorella vulgaris were decreased in the single and binary mixed treatments of the nutrients, respectively. Further, the efficiencies of Cu and Zn removal also decreased as the heavy metals concentrations added were increased, both in the single and binary mixed treatments. In addition, the efficiency of Cu removal was higher than that of Zn removal. Our results indicate that Chlorella vulgaris could be used in treatment plants for the removal of nutrients and heavy metals from swine wastewater.

국내의 공공하수처리시설의 고도처리공법은 대부분 A2O 계열과 SBR 계열로 운영되고 있다. SBR 계열의 고도처리시설이 더 많은 개소에 적용되었으나, 대규모 하수처리장은 대부분 A2O 계열의 공법을 적용하기 때문에 가장 많은 양의 하폐수를 고도처리하는 공법이라 할 수 있다. A2O 공법은 혐기조와 무산소조, 호기조로 구성되어있어, 질소 및 인의 동시 제거가 가능하다. 그러나 반송슬러지 내의 용존산소 및 질산성 질소로 인하여 인제거 박테리아의 Luxury uptake 효율을 떨어뜨려 인 제거 효율이 불안정하다는 단점이 있다. 또한 A2O와 같은 고도처리공법을 적용함에도 불구, 방류수 수질기준을 만족시키기 어려운 경우가 종종 발생하여 질소 및 인의 제거효율을 높이는 새로운 공법 개발이 필요한 상황이다. 이에 대한 방안으로 미세조류를 적용한 하폐수처리와 관련된 연구가 활발하게 진행되고 있다. 미세조류는 광합성색소를 가지고 있는 단세포 생물로, 빛 에너지로부터 화학에너지(ATP)를 생성하여 성장할 수 있다. 또한 성장을 위한 영양소로 질소와 인을 필요로 하기 때문에 이를 이용하여 하폐수고도처리가 가능하게 된다. 고도처리공법에 미세조류를 적용하기 위해서는 매일 달라지는 유입수의 성상에 대해 미세조류의 활성이 유지되어야 한다. 이에 본 연구에서는 미세조류의 활성이 저하할 것으로 예상되는 저농도 질소(0, 5, 10, 20 mg-N/L)를 함유한 하수의 유입을 가정하고, 미세조류의 활성이 어떻게 변하는지 관찰하고 활성의 척도로서 광합성량과 호흡량을 측정했다. 그에 따라 미세조류를 적용한 고도처리공법으로 저농도 질소를 함유한 하수를 처리할 수 있는가에 대한 가능성을 평가하고자 했다.

미세조류를 activated sludge와 co-culture시켜 N, P 처리효율을 향상시키는 시도가 활발하다. 이에 따라 co-cultrue 상태에서 미세조류의 활성을 평가하기 위한 method가 필요한데, 과거 대부분의 연구에서는 인공폐수성상을 제조 후, organic carbon, nitrogen, phosphorus 제거량을 통한 미세조류의 활성을 평가하였다. 그러나 위 방법으로는 미세조류의 활성도를 정확하게 정량적으로 측정하여 평가하기에는 한계가 있었다. 위문제점을 해결하기 위해 flow cytometry를 이용하여 미세조류와 activated sludge의 co-culture sample을 제조하여 cell counting 및 미세조류의 활성도를 정량적으로 평가 가능한 protocol을 개발하고자 했다. Flow cytometry 란 장치 내에 존재하는 가느다란 관에서 고속으로 흐르는 세포에 레이저 광을 조사하여 각각의 cell에서 발생되는 반사, 산란광을 순간적으로 측정하여 cell을 선별, 수집하는 기능을 갖는 장치를 말한다. 대부분의 cell live, dead 활성도 평가 논문이 flow cytometry로 측정한 data가 활발히 이용되고 있다. 미세조류와 activated sludge cell의 가장 큰 차이점은 cell 내에 chlorophyll 의 포함 여부이며, 위 차이점을 이용하여 flow cytometry를 이용해 cell을 구별했다. Chlorophyll에 630nm 이상의 빛을 조사하게 되면 excited state가 되고, excited electron이 낮은 전위로 이동할 때 fluorescence를 방출한다. 이를 flow cytometry의 fluorescence detector가 인지하여 상대적으로 낮은 fluorescence를 가지는 activated sludge와 높은 fluorescence를 가지는 미세조류를 구분하고, cell membrane이 손상된 dead cell 만을 염색하는 SYTOX Green 염색시약을 sample에 주입하여 live, dead cell을 구별하고 활성도를 평가하는 것이 가능함을 확인하였다.

국내 하폐수 고도처리 공법 중, A2O 계열이 가장 많은 양의 하폐수를 고도처리하고 있으나, A2O 계열의 공법은 강화된 방류수 수질기준에 비하면 여전히 인 제거효율이 낮다고 할 수 있다. 강화된 수질기준을 만족시키기 위해 응집처리와 같은 물리화학적 처리를 추가적으로 실시하는 실정이며, 그 중에서도 인 제거를 위해 주입되는 응집제는 전체 약품 사용량의 35.8%를 차지하고 있으며, 연간 약 180억원이 사용되고 있어(환경부, 2015), 경제적이고 높은 인 제거효율을 갖는 새로운 기술이 절실히 필요한 실정이다. 미세조류는 하천이나 해수에서 부유하며 성장하는 미생물의 일종이며, 광합성 색소를 가지고 있기 때문에 생태계에서 1차 생산자의 역할을 한다. 미세조류는 물속의 질소와 인을 섭취하면서 성장하기 때문에 녹조나 적조 등의 문제를 일으키기도 하지만, 하폐수 고도처리에 미세조류를 적용할 경우 높은 효율로 영양염류를 제거할 수 있고, 광합성 과정에서 발생하는 산소로 인하여 기존 하폐수 고도처리 공정에서의 폭기 비용을 절감할 수 있다. 또한, 고도처리 후 잉여 미세조류를 수확하여 바이오 에너지로의 활용이 가능하기 때문에 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 미세조류의 성장을 이용한 하폐수 처리는 반세기가 넘도록 연구되어 왔다(Woertz et al., 2009). 그러나 자연계에서 인이 부영양화에 제한인자로 알려져 있음에도 불구하고, 미세조류를 적용한 수처리 연구는 대부분 질소제거에만 집중되고 있다. 이에 본 연구에서는 유기물의 존재 하에 mixotrophic 대사가 가능한 미세조류 Chlorella vulgaris를 이용하여, 인에 대한 제거능을 평가하고자 하였으며, 더 나아가 미세조류의 배양에 있어서 매우 중요한 인자 중 하나인 광도에 따른 미세조류의 인 제거능을 평가하고자 하였다. 연구 결과, autotrophic 조건에서는 광 저해점 이하의 광도 범위에서, 광도가 증가할수록 단위 MLSS 당 인 제거속도는 증가하였으나, 유기물을 주입해 준 mixotrophic 조건에서는 광도가 증가하여도 단위 MLSS 당 인 제거속도에는 유의한 차이가 나타나지 않았다.

미세조류를 바이오 에너지로 활용하는 기술은 3세대 바이오 에너지 생산기술로 많은 주목을 받고 있다. 미세조류는 지구 대부분의 수계에서 발견할 수 있는 단세포 생물로서, 높은 지질 함량을 가질 뿐만 아니라 육상생물에 비해 면적 당 생산수율이 높아 비교적 높은 바이오 디젤 생산효율을 나타낸다는 장점이 있다.(Luisa et al., 2008) 하지만 바이오 에너지로서 미세조류를 사용하기 위해서는 수확과정을 거쳐야 하는데, 미세조류 세포는 크기가 50 ㎛ 이하로 작고, 밀도가 물과 거의 같아 미세조류를 수확하는 작업은 쉽지 않다. (Shin et al., 2011) 이에 미세조류를 효율적으로 수확할 수 있는 방법에 대한 연구들이 많이 진행되었으며, 원심분리법은 그러한 미세조류 수확 방법들 중 하나이다. 원심분리를 통해 미세조류를 수확하는 방법은 규모가 커질수록 많은 비용과 에너지가 들기 때문에, 실제 현장에서 선호되는 방법은 아니지만(Adam and Chandra., 2013), 회수율이 95% 이상으로 높고, 처리시간이 짧을 뿐 아니라, 세포의 활성에 미치는 영향이 적어, 실험실 규모로 미세조류를 농축하고자 할 때 적용 가능하다. 한편, 과도한 원심농축은 미세조류의 활성에 부정적 영향을 미칠 수 있다는 문헌을 찾아볼 수 있으나 (Algal Culturing Techniques., 2005), 실제로 부정적 영향을 미칠 수 있을 수준에 대한 정보는 없다. 또한, 미세조류의 활성에 영향을 미치지 않으면서도 적절한 수준의 회수율을 얻을 수 있게 되는 원심분리 강도 및 시간에 대한 정보 역시 부족하다. 따라서 본 연구에서는 원심분리의 강도와 시간을 달리하여 C. vulgaris 를 농축하였을 때, 적절한 수준의 회수율을 얻기 위한 강도와 시간이 어느 정도인지, 또한 각기 다른 원심분리 강도가 C. vulgaris 의 활성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 기초적인 연구를 수행하였다.

The response of the freshwater microalga, Chlorella vulgaris, to heavy metal stress was examined based on chlorophyll fluorescence analysis to assess the toxic effects of heavy metals in freshwater ecosystems. When toxic effects were analyzed using regular chlorophyll fluorescence analysis, photosystem II activity(Fv/Fm) decreased significantly when exposed to Cu2+ and Hg2+ for 12 h, and decreased in the order of Hg2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ni2+ when exposed for 24h. The effective photochemical quantum yield(Φ′PSII), chlorophyll fluorescence decrease ratio(RFd), minimal fluorescence yield(Fo), and non-photochemical quenching(NPQ), but not photochemical quenching(qP), responded sensitively to Hg2+, Cu2+, and Cd2+. These results suggest that Fv/Fm, as well as Φ′PSII, RFd, Fo, and NPQ could be used to assess the effects of heavy metal ions in freshwater ecosystems. However, because many types of heavy metal ions and toxic compounds co-occur under natural conditions, it is difficult to assess heavy metal toxicity in freshwater ecosystems. When Chlorella was exposed to heavy metal ions for 12 or 24h, Fv/Fm and maximal fluorescence yield(Fm) changed in response to Hg2+ and Cu2+ based on image analysis. However, assessing quantitatively the toxic effects of several heavy metal ions is challenging.

The hydrothermal carbonization is one of attractive thermo-chemical method to upgrade biomass to produce biochar with benefit method from the use of no chemical catalytic. Hydrothermal carbonization improved that the upgrading and dewatering algal biomass, microalga as Chlorella vulgaris, which is conducted at temperatures ranging from 180 to 350℃ with a reaction time of 30 min. These characteristic changes in algal biomass were similar to those of coalification reactions due to dehydration and decarboxylation with increase of hydrothermal reaction temperature. The biochar became a solid fuel substance, the characteristics of which corresponded with fuel between lignite and sub-bituminous coal. The results of this study indicate that hydrothermal treatment can be used as an effective means to generate highly energy-efficient renewable fuel resources using algal biomass.

The response of the freshwater microalga Chlorella vulgaris to mercuric ion (Hg2+) stress was examined using chlorophyll a fluorescence image analysis and O-J-I-P analysis as a way to monitor the toxic effects of mercury on water ecosystems. The levels of photosynthetic pigments, such as chlorophyll a and b and carotenoids, decreased with increasing Hg2+ concentration. The maximum photochemical efficiency of photosystem Ⅱ(Fv/Fm) changed remarkably with increasing Hg2+ concentration and treatment time. In particular, above 200 μM Hg2+, considerable mercury toxicity was seen within 2 h. The chlorophyll a fluorescence transient O-J-I-P was also remarkably affected by Hg2+; the fluorescence emission decreased considerably in steps J, I, and P with an increase in Hg2+ concentration when treated for 4 h. Subsequently, the JIP-test parameters (Fm, Fv/Fo, RC/CS, TRo/CS, ETo/CS, ΦPO, ΨO and ΦEO) decreased with increasing Hg2+ concentration, while N, Sm, ABS/RC, DIo/RC and DIo/CS increased. Therefore, a useful biomarker for investigating mercury stress in water ecosystems, and the parameters Fm, ΦPO, ΨO, and RC/CS can be used to monitor the environmental stress in water ecosystems quantitatively.