과학자들은 폐수 오염 물질을 가치 있는 화학 물질로 전환하여 전통적인 화학 제조에 대한 지속 가능한 대안을 제공하는 햇빛 기반 방법을 개발했습니다. 중국과학원 심천첨단기술연구소 연구원 Gao Xiang과 하얼빈 공과대학 교수 Lu Lu가 이끄는 연구진은 햇빛을 이용해 폐수 오염 물질을 가치 있는 화학 물질로 전환하는 새로운 방법을 제안하여 지속 가능하고 환경 친화적인 화학 제조의 길을 열었습니다. 이 연구는 Nature Sustainability 저널에 10월 16일 게재되었습니다.
전통적인 방법의 과제
전통적인 화학 제조는 에너지 집약적인 공정에 의존합니다. 반도체 바이오하이브리드 소재는 효율적인 광 수확 소재와 고품질의 살아있는 세포를 결합하여 화학 생산에 태양 에너지를 활용하는 데 있어 흥미로운 발전을 제공합니다. 그러나 문제는 이 기술을 확장하기 위한 경제적으로 실행 가능하고 환경 친화적인 방법을 찾는 것입니다.
본 연구에서 연구진은 폐수 환경에서 직접적으로 폐수의 오염 물질을 반도체 생체 혼합물로 변환하는 작업에 착수했습니다. 이 개념에는 폐수에 존재하는 유기 탄소, 중금속 및 황산염 화합물을 원료로 사용하여 이러한 생물학적 혼합물을 만든 다음 이를 귀중한 화학 물질로 전환하는 것이 포함됩니다.
선전첨단기술연구소(Shenzhen Institute of Advanced Technology)와 하얼빈공과대학(Harbin Institute of Technology)의 연구원들은 햇빛을 사용하여 폐수 오염 물질을 가치 있는 화학 물질로 전환하는 방법을 개발했습니다. 이 공정은 폐수 오염 물질에서 직접 생산된 반도체 바이오하이브리드를 사용하여 화학 생산에 태양 에너지를 활용합니다. 이미지 출처: SIAT
폐수 복잡성 및 솔루션
그러나 실제 산업폐수는 일반적으로 주요 유기오염물질, 중금속, 복합오염물질의 조성이 다르기 때문에 박테리아 세포에 독성이 있고 효과적으로 대사되기 어려운 경우가 많습니다. 또한 높은 수준의 염분과 용존 산소를 함유하고 있어 호기성 황산염 환원 능력을 갖춘 박테리아가 필요합니다. 따라서 폐수를 박테리아 공급원료로 활용하는 것은 어려운 일입니다.
이 문제를 극복하기 위해 연구진은 높은 염분 농도에 대한 특별한 내성과 다양한 탄소원 활용 능력을 갖춘 빠르게 성장하는 해양 박테리아인 Vibrionatrigens를 선택했습니다. 그들은 그람 음성 해양 박테리아인 V. natriegens에 호기성 황산염 환원 경로를 도입하고, 이러한 폐수에서 직접 반도체 바이오 하이브리드를 생산하기 위해 다양한 금속 및 탄소 공급원을 활용하도록 조작된 균주를 훈련했습니다.
그들이 생산하는 주요 대상 화학물질은 귀중한 필수 화학물질인 2,3-부탄디올(BDO)입니다.
그들은 V. natriegens 균주를 조작하여 황화수소를 생산했는데, 이는 빛을 효율적으로 흡수하는 CdS 나노입자의 생산을 촉진하는 데 핵심적인 역할을 했습니다. 생체적합성으로 잘 알려진 이 나노입자는 현장에서 반도체 바이오하이브리드의 생성을 가능하게 하고 비광합성 박테리아가 빛을 활용할 수 있도록 합니다.
결과는 이러한 햇빛에 의해 활성화된 바이오하이브리드가 박테리아 세포 단독으로 달성한 것보다 훨씬 향상된 BDO 생산을 나타냄을 보여주었습니다. 또한 이 프로세스는 실제 폐수를 사용하여 5리터 규모의 태양열 BDO 생산이 가능해 확장성을 입증했습니다.
Gao 교수는 "전통적인 박테리아 발효 및 화석 연료 기반 BDO 생산 방법과 비교할 때 바이오하이브리드 플랫폼은 탄소 배출량이 낮을 뿐만 아니라 제품 비용도 줄여 전체적으로 환경에 미치는 영향이 적습니다. 이러한 바이오믹스는 다양한 폐수 소스를 사용하여 생산할 수 있다는 점에 주목할 가치가 있습니다."라고 말했습니다.