본 연구의 목적은 여러 홍조류의 메탄 저감 가능성과 반추위 발효 성상에 미치는 영향을 평가하고, 최적의 건조 방법과 첨가 농도를 결정하여 우수 종에 대한 이상적인 사료 형태를 수립하는 것이다. 아울러, 메탄 저감 관련 반추위 발효 기전의 변화를 제시하기 위해 홍조류의 최종 사료 형태가 미생물 군집, 효소, 그리고 대사 경로에 미치는 영향을 구명하였다.
첫 번째 연구(2장)는 38종의 홍조류의 메탄 저감 능력과 그들이 반추위 발효 성상에 미치는 영향을 파악하였다. 모든 시료는 자연 건조되었고, 각각은 semi-closed in vitro batch cultures에 10% OM의 농도로 첨가되었다. 모든 종 중에서, 11 종이 가스 생산량을 감소시켰고 6종이 메탄 생산량을 저감했다. 각각 35.68%와 30.47%의 메탄 발생량을 감소시킨 참가시우무(Hypnea charoides)와 채찍꼬시래기(Gracilaria chorda)는 메탄 생산량과 메탄 비율을 모두 저감하는데 효과적이었다. 해당 후보군은 또한 전체 및 개별 휘발성 지방산과 암모니아 생산량에 유의적인 변화를 보이지 않았다. 이는 참가시우무와 채찍 꼬시래기가 반추위 발효 성상에 부정적인 영향 없이 효과적으로 메탄 생산을 감소할 수 있음을 시사한다.
두 번째 연구(3장의 연구1)의 목적은 메탄 생산량, 반추위 발효 성상, 그리고 할로겐화 메탄 유사체의 함량을 기반으로 하여, 채찍꼬시래기에 대한 최적의 건조 공정을 결정하는 것이었다. 채찍꼬시래기 원물의 건조 공정은 40℃ 오븐 건조 (OV40), 60℃ 오븐 건조(OV60), 105℃ 오븐 건조(OV105), 그리고 -80℃ 동결건조(FD)로 실시하였다. 각각의 시료는 semi-closed in vitro batch cultures에 10% OM의 농도로 첨가되었다. 서로 다르게 4가지 방법은 특별히 가스 생산량에 영향을 끼치진 않았지만, 모든 처리구에서 메탄 생산량과 메탄 비율이 유의성 있게 감소하였다. OV105 처리구는 12, 24, 그리고 48시간대에 각각 46.08, 29.78, 그리고 17.63%의 메탄 저감율을 보여 건조 방법에 있어서 가장 이상적인 형태인 것으로 확인되었다. 다른 가공법(OV60, OV40 및 FD) 또한 모든 샘플 채취 시간대에 메탄 생산량을 줄였고, 그 중에서 FD가 가장 약한 메탄 저감 능력을 보였다. 모든 처리구에서 pH가 증가하였으며 암모니아는 오직 OV(OV105, OV60 및 OV40) 처리구에서만 증가하였다. 총 휘발성 지방산 생산량은 서로 다른 건조 방법에 의해 영향받지 않은 한편, 아세트산 대 프로피온산 비율은 증가하였다. 유의미한 낙산의 감소가 관찰되었으며, 프로피온산과 이소부티르산과 이소발레르산을 포함하는 분지 지방산에는 효과가 없었다. 브로모폼과 디브로모클로로메탄과 같은 대표적인 할로겐화 메탄 유사체는 양성대조군으로 활용한 바다고리풀(Asparagopsis taxiformis)을 제외한 다른 방법으로 건조된 그 어떤 채찍꼬시래기 샘플에서도 검출되지 않았다. 이러한 결과는 OV105 방법으로 건조한 채찍꼬시래기가 메탄 저감용 천연 첨가제로서 사용되는 데에 가장 적합한 건조 방법으로 제안된다.
세 번째 연구(3장의 연구2)의 목적은 메탄 생산량, 반추위 발효 성상, 그리고 할로겐화 메탄 유사체의 함량을 기반으로 하여, 채찍꼬시래기의 최적 첨가 농도를 선정하는 것이었다. 고온 건조된 채찍꼬시래기는 semi-closed in vitro batch cultures에 0, 0.625, 1.25, 2.5, 5, 10, 그리고 20% OM으로 총 7가지 농도로 첨가하였다. 실험 결과, 가장 높은 농도 처리구만 모든 시간대에서 가스 생산량을 낮춘 반면, 5, 10, 그리고 20% OM 처리 수준은 각각 18.87~31.36%, 25.68~52.47%, 그리고 45.25~72.89%의 메탄 저감율을 보이면서 실험 기간 전체에 걸쳐 메탄 생산량을 감소시켰다. 이와 동시에, 메탄 비율 또한 발효 종료 시점을 기준으로 똑같은 농도에서 감소하였다. 반추위 pH와 아세트산은 10%와 20% OM의 채찍꼬시래기 처리구에서 증가하였지만, 총 휘발성 지방산 생산량과 프로피온산에는 변화가 없었다. 아세트산 대 프로피온산 비율은 20% 처리구에서 증가하였고, 5% OM 첨가부터 유의미한 낙산의 감소가 확인되었다. 가장 높은 농도의 채찍꼬시래기는 분지 지방산(이소부티르산 및 이소발레르산)과 발레르산을 감소시켰다. 이러한 결과는 5% OM 이상의 채찍꼬시래기의 사료 내 첨가는 반추위 발효에 부정적인 영향이 없이 메탄 저감을 위한 천연 사료 첨가제로서의 잠재력을 시사한다.
마지막 연구(4장)는 메타게놈 분석을 통해 채찍꼬시래기가 미생물 군집, 효소, 그리고 대사 경로에 미치는 영향을 구명하였다. 5% OM의 고온건조한 채찍꼬시래기를 첨가한 반추위액이 16S rRNA 시퀀싱에 사용되었다. 분석 결과, 처리구는 Methanobrevibacter속과 메탄 대사의 상대 풍부도를 감소시켰다. 특히, 프로피린 중에서 코발라민(비타민 B₁₂) 대사에 연관된 다양한 유전자들인 cobU/cobT, cobS/cobV, cobP/cobU, cbiB/cobD, cobQ/cbiP, cobH/cbiC, cbiD, cbiG, cobM/cbiF 및 cobJ/cbiH이 메탄 생산량과의 강한 양의 상관관계를 보이면서 하향 조절되었다. 아세트산 합성 경로에 연관된 acyP와 K15024 유전자의 상향 조절과 더불어 프로피온산 대사와 K15024 유전자의 상대 풍부도가 증가하였다. 처리구에서 Lachnospiraceae과와 Butyrivibrio속 뿐만 아니라 낙산 합성과 관련된 fadN, paaH/hbd/fadB/mmgB, 그리고 gcdH 유전자의 상대적 풍부도가 감소하였다. 이는 채찍꼬시래기 내의 이차 대사산물이 코발트로부터의 코발라민 합성을 저해함으로써 반추위 메탄생성경로의 코발라민 의존성 coenzyme M methyltransferase 단계의 활성도를 저해한 것으로 생각된다.
요약하면, 채찍꼬시래기는 반추위 메탄 저감에 유용한 홍조류 종 중 하나였고, 첨가 농도 5% OM의 고온건조물은 메탄 저감 효과를 유지하면서도 반추위 발효에 최소한의 영향을 미칠 수 있는 가장 최적의 사료 형태였다. 메타게놈 분석은 채찍꼬시래기의 항메탄생성 능력은 Methanobrevibacter속의 감소가 원인으로 보이며, 이는 또한 반추위 메탄생성과정 속 coenzyme M methyltransferase의 필수 보조 인자인 코발라민의 합성을 하향조절 했기 때문인 것으로 생각된다. 종합적으로 보아, 채찍꼬시래기는 반추위 발효 성상에 부정적인 영향이 없는 천연 메탄 저감제로서 활용될 잠재성을 가진다.