미생물 mfc 발전기에서 유산균으로 전기를 생산하지 못하나요?
이중챔버 형태의 간이 미생물 mfc발전기를 통해, 발효식품으로 전기를 생산하고자 했으나 성공하지 못했습니다.
빈약했던 격막 등 여러가지 문제요인이 있었지만, 발효식품 문제가 가장 커보였는데요, 실험이 바로 진행되지 못해 김치는 일주일가량 발효가 되었고 요구르트도 일부 발효되어 둘 다 pH가 3 정도가 되었습니다. pH가 너무 낮아서인지 김치의 미생물은 잘 살아있는것 같지 않았고요(기포가 매우 적게 올라왔습니다), 요구르트는 발효가 활발히 이루어져 보이나 전기를 생산하진 못했습니다.
그래서 전 pH가 낮으면 유산균류만 살아남을 수 있지만 유산균은 전기를 생산할 수 없다고 잠정적으로 결론지었는데, 사실일까요? 사실이라면 유산균이 전기를 생산할 수 있도록 할 수 있는 방안이 있을까요? 애초에 발효식품으로 전기 생산 자체가 불가능한 일인가요...
김치나 요구르트처럼 pH가 3 정도로 낮은 환경에서는 대부분의 미생물이 생존하기 어렵습니다.
이러한 환경에서는 산성에 강한 유산균과 같은 특정 미생물만 우점적으로 살아남을 수 있죠.
유산균은 주로 발효를 통해 에너지를 얻고 젖산을 생성합니다. 이 과정에서 전자를 외부 전극으로 직접 전달하여 전기를 생산하는 능력이 매우 제한적이거나 거의 없다고 봐도 무방합니다.
그리고 미생물 연료전지에서 전기를 생산하는 주요 미생물은 외부 전자 수용체로 전극을 활용할 수 있는 전기생성 미생물 또는 전극활성 미생물입니다. 대표적으로 Geobacter, Shewanella 같은 특정 세균들이 이에 해당합니다.
다시 말해 현재로서는 유산균 자체를 직접적으로 전기 생산 능력이 있는 미생물로 전환하는 것은 매우 어렵습니다. 유산균은 대사 경로 자체가 전극을 통한 전자 전달과는 거리가 있기 때문입니다.
물론 앞서 말씀드린 전기생성 미생물을 첨가하고, pH를 조절하고, 전력 생산 미생물이 필요로 하는 적절한 탄소원과 질소원 등 영양분을 충분히 공급하여 미생물 활성을 극대화한다면 다시 시도해 볼 수는 있습니다.
결론적으로 발효식품 자체에 내재된 미생물만으로는 효율적인 전력 생산이 어렵습니다만, 전기생성 미생물을 접종하고, 최적의 환경 조건을 조성하며, MFC의 구조적 문제를 개선한다면 어느정도 가능성은 있습니다. 다음 실험에서는 pH 조절과 함께 전력 생산 미생물 접종을 고려해 보시는 것을 추천합니다.
안녕하세요.
MFC에서 전기를 생산하는 핵심은 전자전달(electron transfer) 능력을 가진 미생물이 필요하다는 점인데요, 이러한 미생물은 자신이 분해한 유기물에서 나온 전자를 전극(anode)으로 직접 또는 간접적으로 전달할 수 있어야 합니다. 대표적인 전기생산성 미생물로는 Geobacter sulfurreducens, Shewanella oneidensis 같은 외부전자전달능력을 가진 세균(exoelectrogens)이 있습니다. 반면, 유산균은 주로 해당과정(glycolysis)을 통해 유기산(주로 젖산)을 만들어내는 발효형 미생물로, 전자전달사슬이 단순하며 외부로 전자를 내보내는 능력이 거의 없습니다. 즉, 유산균은 생리적으로 전자를 전극으로 이동시키는 경로를 가지지 않기 때문에 일반적인 조건에서는 전기를 생산하지 못합니다. pH 3이라는 산성 조건이 미생물 전기 생산에 미치는 영향에 대해서 생각해보자면, 김치와 요구르트가 일주일 발효된 후 pH가 3 수준으로 떨어졌다는 점도 주요 문제였습니다. 일반적인 exoelectrogen 세균은 중성(pH 6.5~7.5) 환경에서 가장 잘 자랍니다. 산성 환경은 이들의 생장을 억제하고, 전자전달을 위한 효소 작용에도 부정적인 영향을 줍니다. 즉, 유산균 중심의 산성 발효 환경은 MFC에 적합하지 않으며, 김치나 요구르트와 같은 고산성 발효식품은 원천적으로 MFC 전기 생산에 부적합한 조건을 제공합니다. 이론적으로는 유산균도 유전자 조작을 통해 외부 전자전달 경로를 부여하거나, 전도성 나노물질(예: graphene, carbon nanotube)을 이용해 전자를 간접적으로 전달하도록 돕는 연구들이 존재합니다. 하지만 이는 고급 생명공학 기술과 특수 조건이 필요한 분야이며, 간이 실험이나 자연발효된 식품에서는 실현하기 어렵습니다. 또한, 일부 연구에서는 유산균이 금속산화물이나 전도성 재료와 접촉했을 때 아주 미약한 수준의 전자전달 가능성이 보고되기도 했지만, 이 역시 실질적인 전기 생산 수준에는 미치지 못합니다. 정리해보자면 유산균 중심의 발효식품(김치, 요구르트)은 MFC에서 전기를 생산하기에 적절하지 않습니다. 전기생산이 가능한 MFC 실험을 하고 싶으시다면, 하수 슬러지, 퇴비, 갯벌 흙, 또는 Geobacter가 자생하는 퇴적토를 전극에 사용해야 합니다. 또한 실험 시, 중성에 가까운 pH 유지, 전도성 높은 전극재료, 그리고 산소가 차단된 혐기성 환경 유지도 필수적입니다. 이를 보완하기 위해서는 김치나 요구르트 속 유산균이 아닌, 외부에서 얻은 Geobacter나 Shewanella를 배양하여 anode에 접종하고, 김치즙이나 요구르트를 유기물 공급원(기질)으로 활용하는 방식은 일부 가능성 있을 수 있습니다. 다만 이 경우에도 발효산물이 너무 산성화되지 않도록 희석하거나 완충(pH buffer) 조건을 설정해줘야 합니다. 요약하자면, 유산균은 본래 전기를 생산하는 미생물이 아니기 때문에 현재의 실험 조건으로는 전기 생산이 어렵습니다. 그러나 MFC에 적합한 조건을 갖춘 exoelectrogen을 활용하고, 유기물로 발효액을 사용하는 식으로 실험 설계를 바꾸면 보다 유의미한 결과를 얻으실 수 있을 것 같습니다.
유산균은 직접적으로 전기를 생산하는 능력이 없어 미생물 연료 전지의 발전원으로 사용하기 어렵습니다. 전기 생산은 미생물이 유기물을 분해하며 얻은 전자를 세포 외부의 전극으로 전달하는 능력을 가져야 가능한데, 유산균은 이러한 외부 전자 전달계가 없어 전자를 체내에서 처리할 뿐 밖으로 방출하지 못합니다. 따라서 유산균이 우점하는 발효식품 환경과 낮은 pH 조건은 전기 생산에 부적합하며, 오히려 다른 전기활성미생물의 생육을 저해하는 요인이 됩니다. 발효식품으로 전기를 생산하려면 산도를 조절하고 전자를 외부로 전달할 수 있는 다른 종류의 전기활성미생물을 별도로 접종하여 우세한 환경을 조성해야 합니다.