연간 수십 억 유로에 이르는 비용이 매년 발생하는 1조 리터에 달하는 폐수를 처리하는 데 소요될 뿐 아니라, 상당한 양의 에너지 역시 소비되고 있다. 그러나 이러한 폐수는 재생 가능한 자원으로 작용할 수 있으며, 많은 양의 에너지와 비용을 절감할 수 있다.

 

그 이유는 폐수가 전기, 수소 및 가성소다(caustic soda) 같은 고부가 가치의 화학물질 등을 생산하는데 이용될 수 있는 유기 오염물질(organic pollutant)을 함유하고 있기 때문이다.

유기물이 폐수를 정화시키는 동시에 전기화학적 전지에서 전기적으로 활성을 띠는 박테리아에 의해 분해된다면, 폐수로부터 전기를 비롯한 고부가 가치 화학물질을 생성시키는 공정이 달성될 수 있다. 바이오-전기화학적 시스템(bio-electrochemical system)과 같은 사례에는 미생물 연료 전지(MFCs; microbial fuel cells)와 미생물 전기 분해 전지(MECs; microbial electrolysis cells) 등이 포함된다.

EU는 상당한 에너지 절감으로 이어질 수 있는 혁신적 프로젝트를 독려할 수 있는 방안을 찾고 있다. 그러한 이니셔티브 중 하나로 아일랜드 공화국 소속의 연구진은 새로운 연구를 수행했으며, 이 연구는 바이오-전기화학적 시스템의 현장에 초점을 맞추어, 전극 표면 화학을 어떻게 변경하는 것이 더 많은 전기를 생성할 수 있는가를 조명했다.

관련 논문의 제목은 “개선된 미생물 전기촉매 작용을 위한 탄소 양극의 아릴아민 기능화(Arylamine functionalization of carbon anodes for improved microbial electrocatalysis)”이며, 마리 퀴리 프로그램(Marie Curie Programme)의 지원으로 수행됐다. 이 연구는 폐수 처리와 생화학 및 바이오연료 생산 등을 포함한 환경 및 에너지 수행력을 개선하기 위하여 조명된 다수의 분야에 즉각적인 영향을 초래할 수 있을 것으로 기대된다.

프로젝트는 미생물-전극 계면(microbial-electrode interface)을 조사하는 데서 출발했다. 이 계면은 바이오-전기화학적 시스템을 생성하기 위하여 미생물이 고체 전극과 전자를 교환할 수 있게 해주는 복잡한 물리-화학 및 생물학적 상호 작용이 이루어지는 장소이다.

연구팀은 미생물 군집이 전극과 연결하는데 도움을 주고, 따라서 변경되지 않은 전극과 비교하여 보다 더 신속하게 보다 더 많은 전기를 생산한다는 증거를 발견했다. 전자 교환(electron exchange)은 소위 바이오-전기화학적 시스템이라고 불리는 이러한 시스템뿐 아니라 자연적 세계에서 일어나는 반응의 중심이다.

미생물 바이오 전기화학적 시스템(BES; microbial bioelectrochemical system)에서, 다양한 재료와 미생물이 전자를 교환하는 능력을 기반으로 선택된다. 그러나 이러한 시스템에 대한 상대적으로 낮은 전류 밀도와 긴 시동 시간 때문에, 미생물을 이용하는 BES 기술의 진화는 전극 표면에 바이오촉매의 적용 같은 보다 더 효율적인 미생물의 연계를 필요로 한다.

 

전극 표면에 대한 의도적으로 제어된 변경은 박테리아와 전극 사이에 전자 교환 메커니즘을 보다 더 연구하고 집중할 수 있는 경로를 제공한다. 이러한 과정은 실용적인 응용을 가능하게 하는 BES 수행력 강화로 이어진다.

연구팀은 그래파이트 전극에 아릴아민 작용기(arylamine functional group)를 도입했다. 아릴아민은 특정 화학 반응을 촉매화하는 효소이다. 이러한 효소의 추가는 변경되지 않은 양극에서 관찰되는 미생물 생물막(microbial biofilm)에 의한 아세테이트 산화(acetate oxidation)와 관련된 초기 촉매를 개선하는 결과로 이어진다.

연구진은 선을 연결한 미생물이 전기를 보다 더 신속하게 생성 및 수행할 수 있도록 이용 가능하다는 것을 입증했다. 연구는 아일랜드 공화국 서부 골웨이(Galway) 지역에 위치한 바이오분자 전자기기 연구 실험실(Biomolecular Electronics Research Laboratory)에서 수행됐다. 이 연구소는 수년 동안 미생물에 의한 전극의 선택에 대한 조건을 조사해왔다.

그래파이트 전극에 아릴아민 작용기의 도입은 변경되지 않은 양극에서 관찰된 결과와 비교할 때, 미생물 생물막에 의한 아세테이트 산화를 위한 초기 촉매 작용을 개선하는 결과로 이어졌다. 아릴아민으로 변경된 양극이 3.4 A m?2의 전류 밀도를 달성하는 한편, 변경되지 않은 양극은 최초의 배치 피드 주기(batch feed cycle) 동안 1.3 A m?2의 낮은 전류 밀도를 달성했다.

 

표면 기능화 전략(surface functionalization strategy)은 미생물 바이오 전기화학적 시스템 공정 수행력을 강화시키는 경로를 제공하고, 이러한 시스템에 관여하는 복잡한 메커니즘에 대한 연구 경로를 제공한다.

비록 추가적인 연구가 중요한 바이오기술을 보강하는 중요한 생물학 및 공학적 문제를 이해하는데 필요하다고 하더라도, 이러한 실험실 내에서 이루어지는 실험은 바이오-전기화학적 시스템이 작동 가능하다는 것을 보여주었다. 그러나 지금까지 소수의 시범 연구들이 실생활 조건에서 운영되어 왔으며, 더 많은 시범 연구와 규모를 확대한 논증 프로젝트가 시스템의 신뢰성을 입장하는데 필요하다.

부가적으로, 바이오 기술이 상업적 규모로 채용되기 전 이러한 비용은 다른 폐수 처리 및 화학물질 생산 공정과 경쟁해야만 한다. 그러나 최근 이 주제에 대한 유럽 연합 위원회(EC; European Commission)에서 가진 브리핑을 통하여 연구진은 상업적 설치가 2~5년 이내에 실현될 것으로 낙관했다.

 

 

 

(Nanowerk News) Billions of euros are spent treating trillions of litres of wastewater every year, consuming substantial amounts of energy. However, this wastewater could act as a renewable resource, saving significant quantities of energy and money, as it contains organic pollutants which can be used to produce electricity, hydrogen and high-value chemicals, such as caustic soda.

 

This can be achieved if the organic matter is broken down by electrically-active bacteria in an electrochemical cell, which, at the same time, helps clean up the wastewater. Examples of such 'bio-electrochemical systems' include microbial fuel cells (MFCs) and microbial electrolysis cells (MECs).

 

The EU is looking to encourage innovative projects that could lead to significant energy savings. One such initiative has been carried out by a team of researchers in Ireland, which focused on the field of bio-electrochemical systems' and looked into how altering the chemistry of an electrode surface could produce more electricity.

 

The study "Arylamine functionalization of carbon anodes for improved microbial electrocatalysis", funded through the Marie Curie Programme, could have an immediate impact in a number of sectors looking to improve their environmental and energy performance, including wastewater treatment and biochemical and biofuel production.

 

The project began by examining the microbial-electrode interface. This is where complex physical-chemical and biological interactions permit microbes to exchange electrons with solid electrodes, to produce bio-electrochemical systems.

 

The team found evidence that could help microbial communities to connect to the electrode, and thus produce more electricity more rapidly compared to unmodified electrodes. Electron exchange is at the heart of reactions that occur in the natural world, as well as in these so-called bio-electrochemical systems. The team introduced arylamine functional groups to graphite electrodes. Arylamine is an enzyme that catalyses a specific chemical reaction.

 

The addition of this enzyme resulted in improved initial catalysis for acetate oxidation by microbial biofilms over that observed on unmodified anodes. The researchers proved that 'wiring' microbes to conduct and produce electricity faster is feasible.

 

The research was carried out by the Biomolecular Electronics Research Laboratory in Galway, Ireland, which has been working on probing conditions for selection of electrodes by microbes for several years.

 

Although further work is needed to understand important biological and engineering issues that underpin the biotechnology, these laboratory experiments have shown that bio-electrochemical systems can work.

 

So far, however, only a few such pilot studies have been run in real-world conditions and more pilot studies and scaled-up demonstration projects are needed to prove the reliability of the systems. In addition, costs have to be competitive with other wastewater treatment and chemical production processes before the biotechnology can be adopted on a commercial scale.

 

 However, researchers are optimistic that commercial installations could be realised in two to five years' time, according to a recent European Commission briefing on the subject.