1.서론

   산업혁명 이후로 CO₂의 배출량은 급증하였고, 과도한 CO₂에 의한 온실효과로 해수면 상승, 기온 상승, 사막화 등 심각한 환경 문제가 초래되고 있다 [1]. 이러한 상황에서 대기 중 CO₂의 배출을 줄이기 위한 포집, 저장 및 활용 기술의 필요성이 증가하고 있다. 현재까지 개발된 CO₂ 포집 및 전환 공정은 주로 물리적, 화학적 방법을 사용하는데 [2], CO₂가 에너지적으로 매우 안정적인 화합물이기 때문에, 이를 다른 화합물로 전환하는데 많은 에너지를 필요로 한다는 단점이 있다 [3].

   그러나 생물학적 촉매로 미생물을 활용하는 경우, 기존 방법보다 적은 에너지로 CO₂를 전환할 수 있는 가능성을 제공한다 [4]. Bioelectrochemical System (BES)는 전기화학적 반응과 생물학적 반응을 결합한 하이브리드 시스템으로, 폐수 속 유기물이나 CO₂와 같은 물질을 전기에너지 혹은 고부가가치 화합물로 전환할 수 있는 기술이다 [5-7]. BES는 기본적으로 산화반응이 일어나는 양극(anode)과 환원반응이 일어나는 음극(cathode)로 구성되어 있고, 미생물이 기질을 산화시켜 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 Microbial Fuel Cell (MFC)와 수소로 전환하는 Microbial Electrolysis Cell (MEC)가 있다 [5-7]. 특히 MEC 기술을 활용한 Microbial Electrosynthesis System (MES)은 미생물의 기질 산화를 통해 생성된 전자 에너지와 외부 전기에너지를 사용하여 CO₂로부터 다양한 고부가가치 화합물을 생산할 수 있어, CO₂ 포집 및 활용 기술의 중요한 도구로 주목받고 있으며, 여기서 한 단계 더 나아간 기술인 Microbial Carbon capture Cell (MCC)은 MFC와 MEC 기술을 결합하여 폐수처리와 CO₂ 포집, 고부가가치 화합물 생산이 가능하다 [5-7].

   본 기고문에서는 MES을 이용하여 CO₂를 다양한 고부가가치 화합물로 전환하는 연구에 대해서 소개하고자 한다.

 그림 1. 네 가지 유형의 bioelectrochemical system (BES). (A) microbial fuel cell (MFC), 미생물의 기질 산화를 통해서 화학에너지를 전기에너지로 전환한다. (B) microbial electrolysis cell (MEC), 미생물의 기질 산화를 통해서 화학에너지를 전기에너지로 전환하고, 추가적인 전기에너지의 공급으로 수소를 생산한다. (C) microbial electrosynthesis system (MES), ①직접적인 전자 전달을 통한 CO2를 products로 환원한다, ②간접적인 전자 전달을 통한 CO2를 products로 환원한다. (D) microbial carbon capture cell, 미생물의 기질 산화를 통해서 화학에너지를 전기에너지로 전환하고, 이 과정에서 발생한 CO2를 product로 환원한다 [6].

​2. 본론

   MES을 이용하여 CO₂를 고부가가치 화합물로 전환하려면 미생물이 전극에서 전자를 효과적으로 전달받아야 한다. 이를 위해 전극에서 미생물로의 효율적인 전자 전달이 필요하며, 이는 MES의 성능을 향상시키고 CO₂ 전환 효율성을 높이는 핵심 요소이다. 따라서 본문에서는 전극에서 미생물로의 전자 전달 방법과 이를 적용한 다양한 생산 사례를 다루고자 한다.

2-1. 직접 전자 전달을 통한 전환

   전극에서 미생물로 직접적인 전자 전달 방법은 주로 음극(cathode)표면에 미생물이 바이오필름을 형성하여 이루어진다 [8]. 바이오필름은 Extracellular Polymeric Substance (EPS)와 flagella, pili, adhesins과 같은 성분으로 구성되어 있으며, 그 중 cytochrome C와 nanowire라는 단백질이 전기 전도성에 핵심적인 역할을 하고 있는 것으로 알려져 있다 [9].

   직접 전자 전달은 과전압을 감소시키고, 생물학적촉매와 생성물의 분리공정이 간편하다는 장점이 있다 [8, 10]. Geobacter sulfurrenducens, Shewanella oneidensis, Sporomusa ovata, Clostridium scatologenes 와 같은 미생물은 전극으로부터 직접 전자를 받아서 succinate, formate, acetate, butyrate, ethanol과 같은 유용한 화학 물질로 전환하는데 성공한 연구 사례가 존재한다 [11-14]. 그러나 바이오필름의 존재는 CO₂와 같은 기질이 내부로 확산되거나 생산된 화합물이 외부로 확산되는데 어려움을 초래할 수 있어 직접 전자 전달 방식의 효율성을 제한할 수 있는 요소로 작용한다 [8, 10].

그림 2. 전극에서 미생물로의 전자전달 방법. (A) 직접 전자 전달 방법, (B) 수소를 통한 전달 방법, (C) electron shuttle을 통한 전달 방법, (D)formate를 통한 전달 방법이다.
 

2-2. 간접 전자 전달을 통한 전환

   전극과 미생물 사이에 매개체에 의해서 간접적인 전자 전달이 이루어질 수 있다. 이때 사용되는 매개체에는 여러 종류가 있다. 

   첫 번째는 수소를 매개체로 이용하는 방법이다. 양극(anode)에서 물 분해 반응을 통해서 수소이온과 산소가 발생하고, 음극(cathode)에서 수소이온이 전자를 받아서 수소로 환원된다 [15]. 이렇게 생산된 수소가 미생물에 전자를 전달하는 매개체로 이용되는 방법이다. 물 분해 반응을 통해서 지속적인 수소의 생산이 가능하고, 수소는 미생물에 toxicity가 없다는 장점이 있다 [15]. Cupriavidus necator H16, Clostridium ljungdahlii 와 같은 미생물이 이 방법을 통해서 poly(3-hydroxybutyrate), acetate, glycine, ethanolamine과 같은 유용한 화학 물질로 전환하는데 성공한 연구 사례가 존재한다 [16, 17]. 그러나 수소는 용해도가 낮으며, 물 분해를 통해서 수소를 생산하는 반응은 상대적으로 높은 과전압을 요구하여 이로 인해 에너지 효율이 떨어질 수 있다 [8]. 최근에 수소 생산 효율이 높으며 미생물에 대한 독성이 낮은 전극촉매 개발을 통해 일체형 생물-전기시스템에서 PHB가 고효율로 생산된 융합 연구 결과가 보고된 바 있다 [16].

 그림 3. 일체형 생물-전기 융합시스템. 전기화학적 물분해 반응과 미생물 배양을 일체화하여 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환 가능한 플랫폼 기술 [16].​

   두 번째는 electron shuttle을 이용하는 방법으로, 가역적으로 산화 및 환원 반응이 일어나는 매개체를 통해 미생물로 전자를 전달할 수 있다 [6, 8]. Electron shuttle은 수소보다 용해도가 높고, 과전압이 낮다는 장점이 있다 [8]. Neutral red, 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, rivoflabin, methyl viologen과 같은 electro shuttle을 첨가하여 미생물 군집이 CO₂를 acetate로 전환하였으며 [18, 19], methyl viologen을 첨가하여 Methylobacteria sp.가 CO₂를 formate로 전환한 연구 사례가 있다 [20]. 그러나 종류에 따라서 안정성과 독성이 다를 수 있기 때문에 미생물과의 호환성을 고려해서 적절한 electron shuttle을 선택할 필요가 있다 [8]. 

   세번째는 CO₂를 formate 로 전환한 후 이 화합물을 전자전달 매개체로 이용하는 방법이다. 전극에서 전기화학 반응을 통해 CO₂를 formate로 환원한 다음, 생성된 formate를 미생물이 전자 전달 매개체로 사용하여 다른 화합물로 전환하는 방식이다 [21, 22]. 또는 앞선 직접 전달 방법에서 언급한 바와 같이 미생물을 통해 CO₂를 formate로 전환하는 것도 가능하다. 전기화학 반응을 통해 생성된 formate를 이용해 C. necator가 poly(3-hydroxybutyrate)를 생산한 연구가 있다 [21, 22]. Formate 는 수소보다 용해도가 높으며, 전자전달을 위한 매개체이자 탄소원으로 사용될 수 있는 장점이 있다 [8, 21, 22]. 그러나 현재까지 이 방법에 대한 연구는 많이 진행되지 않았기 때문에, 앞으로 더 많은 연구가 필요하다.

3. 결론

   MES에서 CO₂를 고부가가치 화합물로 전환하기 위한 효과적인 전자 전달을 위한 방법들을 소개했다. 직접 전자 전달은 과전압 감소와 공정의 간편성을 제공하지만, 바이오필름으로 인한 확산에 어려움이 있으며, 간접 전자 전달 방식은 수소, electron shuttle, 또는 formate를 매개체로 사용하여 전자를 전달할 수 있고 각 방법은 장단점이 존재한다. 이런 다양한 전자전달 방법의 이해와 적용은 MES 기술의 발전에 중요한 기반이 될 것이다. 전극 소재와 배양액의 최적화와 효율적인 전자 전달 매개체의 개발을 통해서 미래에는 MES를 이용하여 CO₂를 더욱 효과적으로 고부가가치 화합물로 전환할 수 있을 것으로 기대된다.

참고 문헌

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