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청정 에너지를 촉진하는 박테리아
연구소 2013-04-01 4492

박테리아는 건강에 필수적인 임무를 수행하는 인간의 체내에 상주하며 종종 질병을 유발하거나 유사한 특성과 관련이 있다. 미국 애리조나 주립대학(ASU; Arizona State University) 바이오디자인 연구소(Biodesign Institute) 소속의 연구원인 Joseph Miceli는 ARB(anode respiring bacteria)라고 알려져 있는 특정 미생물을 연구했다. 그러나 Miceli는 건강과 질병에서 ARB의 역할을 조사하기 보다는 이러한 미생물이 폐기물을 정화하고 전기 또는 수소 형태의 유용한 에너지를 생산할 수 있는 능력에 대하여 조사했다.

바이오디자인 연구소의 Swette 환경 생명기술 센터(Swette Center for Environmental Biotechnology)에서 미생물 전기화학 전지 연구팀 책임자인 Krajmalnik-Brown과 Cesar Torres의 책임 하에서 Miceli는 연구를 수행했다. 이 센터는 환경오염 제거(특히 수자원에서)와 폐수로부터 청정에너지 생산을 포함한 사회 문제를 해결하기 위하여 미생물의 연구에 헌신하고 있다.

산소를 필요로 하는 박테리아를 언급하면서, 연구진이 식품 가공에서 이러한 오염원으로부터 폐수를 처리하는 방법 중 하나는 호기성 미생물(aerobic organism)을 사용하는 것이라고 Miceli는 밝혔다. 따라서 연구진이 호기성 미생물을 활용하고자 한다면, 화학적 오염물질을 분해할 수 있는 박테리아에 영양을 공급하는 것을 돕기 위하여 시스템에 산소를 주입해야만 한다고 Miceli는 설명했다. 이러한 산소의 투입에는 상당한 비용이 소요된다. 실제로 이전의 연구들은 호기성 미생물에 공급되어야만 하는 추가 에너지가 폐수 처리에 투입되는 에너지 가격의 약 50%를 차지한다고 제안한 바 있다.

반대로, Miceli는 ARB라고 알려져 있는 산소가 없는 환경에서 생존하는 혐기성 미생물(anaerobic organism)에 초점을 맞추었다. 따라서 폐수 처리를 위한 연구진의 성공적인 응용은 상당히 비용을 낮추었지만, 이것은 절반의 성공이다. ARB는 미생물의 호흡 활동 중 수확이 가능한 에너지를 생산하는 또 다른 인상적인 성과를 수행할 수 있었다.

Swette 환경 생명기술 센터에서 Miceli 같은 연구진은 미생물 전기화학 전지(MXC; microbial electrochemical cell) 기술의 다양한 측면을 연구하고 있다. 이 연구에서 ARB는 전자를 생물 배터리에서 일종의 양극(anode) 또는 음극 단자(negative terminal)로 전달한다. 이후 전자는 공정에서 사용 가능한 전류를 생성시키는 배터리의 양극 단자(positive side) 또는 음극(cathode)으로 흘러 해리된다.

이러한 유형의 MXC는 미생물 연료 전지(MFC; microbial fuel cell)로 알려져 있다. MEC의 변형된 형태의 디자인은 반응의 음극 쪽에서 수소(hydrogen)의 생산이 가능하다. MXC 기술은 아직까지 실험 단계에 있지만, 생물 분해되는 돼지 분뇨에서 식품 가공 폐기물에 이르는 다양한 유기 폐수 처리에 유망한 한편, 공정에서 청정에너지를 추출할 수 있어 윈윈 전략이라 할 수 있다. 한편, MEC 배치에서의 장치를 이용하여 출력의 형태로 전기보다는 수소를 형성하기 위한 전기분해(electrolysis)를 수행할 수 있다. 이 과정은 현재 수소 제조에 사용되고 있는 천연가스 및 다른 화석 연료의 사회적 의존도를 줄여주는데 도움을 줄 것이다.

Miceli는 이러한 연구가 공학 및 미생물학, 분자 생물학 및 화학 등이 고려된 장치 디자인이 결합된 광범위한 다학제 연구를 필요로 한다고 강조했다. 이러한 통합적인 접근에서는 미생물 생태계가 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 필수적이며, 따라서 통합적 접근이 대중 건강과 지속 가능성을 개선하는데 적용될 수 있을 것이다.

미생물 전기화학 전지는 두 가지 부분으로 구성된다. 장치에서 Miceli는 벤치-톱(bench-top) 연구를 사용했다. 벤치-톱은 일반적으로 유리 용기 크기의 챔버로 이루어지고 배터리에서 두 개의 단자로 구성된다. ARB는 음극 단자 또는 양극 챔버에서 성장하여 유기물 섭취가 허용된다.

영양분으로 유기 기질을 소모하기 때문에, 박테리아는 대사 경로의 일환으로 과도한 전자를 넘겨 줄 필요가 있다. 자연적으로 발생하는 상태에서, 많은 박테리아는 이러한 공정을 수행하기 위하여 환경에 존재하는 철을 이용하지만, MXC에서는 양극 챔버에 있는 전극이 전자 수용체(electron acceptor)로 작용한다. ARB는 이러한 전극에 자발적으로 단단히 부착하여 단백질과 당의 살아 있는 기질을 형성한다. 끈적끈적한 축적은 생물막(biofilm)이라고 알려져 있다.

Miceli는 특히 ARB의 다양성과 얼마나 다른 박테리아 가계가 두 가지 필수적인 활동을 잘 수행할 수 있는지에 관심을 가졌다. 두 가지 필수적인 활동은 ① 수많은 다른 유기 첨가물로 구성된 기질을 소비하는 공정, ② 높은 전류 밀도를 생성하기 위하여 양극으로 효과적으로 전자를 전달하는 공정 등이다. 여기서 전류 밀도는 단위 면적 당 전류의 측정으로 얻어진다. 예를 들면, 가장 일반적으로 연구되는 ARB인 지오박터(Geobacter)는 높은 전류 밀도를 생산하는 데 유리하지만, 지방산인 아세트산염(acetate) 화합물을 선호한다.

미생물 전기화학 전지 기술이 직면한 한계 중 하나는 기질에서 높은 전류 밀도를 지닌 양극으로 전자의 채널링과 생물막을 형성하는 다양한 미생물의 부족에 있다.

ARB로 작용하는 다양하고 광범위한 미생물을 얻기 위하여, Miceli는 습지, 호수 침전물, 염분성 미생물 매트(saline microbial mats) 및 혐기성 토양 등으로부터 시료를 채집하여 동료 연구진에게 자문을 구했다.

연구진은 전 세계로부터 13개 시료를 수거하여 MXC의 양극 챔버에서 배양시켜, 퍼텐시오스타트(potentiostat)를 구비한 전극에서 특정 전압을 가했다. 이 장치는 작업 전극(working electrode)에서 전기화학적 힘(electrochemical force)을 생성하여 이러한 종류의 반응이 일어나는 것을 규명했다.

실험실에서 수립된 이전의 연구는 특정 에너지 수준에서 전극의 평형을 유지한다면, 박테리아의 성장을 촉진할 수 있어 더 높은 전류 밀도를 생성할 수 있었다. 연구진이 구상한 연구는 이러한 미생물이 풍부한 경우 어떠한 생물학적 시료 즉, 폐수 또는 침전물 시료에 상관없이 전극에 부착하여 공정을 수행한다는 점이라고 Miceli는 밝혔다.

연구진은 13개 시료 중 7개의 시료에 대하여 높은 전류 밀도를 나타낸다는 것을 실험을 통하여 규명했다. 잘 알려져 있는 지오박터는 두 개의 시료 군집에서만 우세한 반면, 다른 성공적인 시료는 다른 ARB를 포함하고 있었다. 추가적인 노력이 시료에서 발견된 개별적인 박테리아 유형을 특성화하고, 전기 생산, 폐수 처리, 생물정화 및 수소 생산 등에 대한 적합성을 조사하는데 도움을 줄 것이다.

그림1> 벤치-톱 미생물 연료 전지(MFC; Bench-top Microbial Fuel Cell) : 박테리아는 배터리의 양극에 자발적으로 부착하고 금속 쪽으로 전자를 전달한다. 이후 이러한 전자는 음극 쪽으로 흘러 공정에서 이용 가능한 전기를 생성한다.
그림2> 미생물 전기화학전지(MXC; microbial electrochemical cell)의 다양한 기질

출처 : http://phys.org/news/2013-03-bacterial-boost-energy.html

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