고염도 환경에서 고전압 미생물 연료전지: 고세균 활용

초록

본 연구는 고염도 배양액에서 성장 가능한 고세균 Haloferax volcanii와 Natrialba magadii를 양극 미생물 촉매로 사용한 미생물 연료전지(MFC)를 구축하고, 전해질 전도도 증가가 내부 저항을 감소시켜 전력 생산을 향상시키는지를 평가하였다. 매개체 없이도 H. volcanii는 E. coli 대비 100배 이상의 전력 밀도를 달성했으며, 중성레드(NR) 매개체를 추가하면 전력 밀도가 최대 5배까지 증가하였다. 고전도성 전해질을 이용한 고염도 MFC는 기존 저염도 시스템 대비 스케일업 가능성을 제시한다.

상세 분석

이 논문은 미생물 연료전지(MFC)의 핵심 성능 제한 요인 중 하나인 내부 저항(R_int)을 전해질의 이온 강도(IS)를 높여 감소시키는 전략을 고세균을 이용해 검증하였다. 고세균 Haloferax volcanii와 Natrialba magadii는 각각 2.68 M·(≈2.7 M)와 3.63 M 수준의 고염도 배양액에서 정상적으로 성장한다는 점이 핵심이다. 이러한 고전도성 전해질은 전극 간 전위 손실을 최소화하여 전류 전달 효율을 크게 향상시킨다. 실험에서는 동일한 10 cm² 토레이 탄소지 전극과 Nafion® 115 막을 사용해 전극 구조와 전해질 조건만을 변수로 두었다.

전압-전류(Polarization) 및 전력-전류(Power) 곡선을 통해 H. volcanii 기반 MFC는 매개체 없이도 최대 전력 밀도 P_max = 11.87 ± 0.54 µW cm⁻², 전류 밀도 j = 49.67 ± 0.81 mA cm⁻²를 기록하였다. 이는 동일 조건 하의 E. coli( P_max ≈ 0.12 µW cm⁻², j ≈ 0.58 mA cm⁻²) 대비 약 100배·100배 향상된 수치이다. 통계적 t‑검정(p ≤ 0.01)으로 두 종의 전력 출력 차이가 유의함을 확인하였다.

중성레드(NR)를 0.1 mM 농도로 추가했을 때, H. volcanii의 P_max은 50.98 µW cm⁻²까지 상승했으며, N. magadii는 5.39 µW cm⁻²를 기록하였다. 이는 전자 전달 경로에 외부 전자 매개체가 개입함으로써 미생물 세포와 전극 사이의 전하 전달 저항이 크게 감소했음을 의미한다. NR의 표준 환원 전위(−325 mV vs. SHE)는 NADH와 유사해 미생물 대사 단계와 직접 전자 교환이 가능하다는 점에서 선택이 타당했다.

내부 저항 분석에서는 고염도 전해질이 R_int을 크게 낮추어(예: H. volcanii MFC에서 약 150 Ω 이하) 전압 손실을 최소화함을 확인했다. 이는 전해질 저항이 전체 R_int의 60~70%를 차지하는 전통적 MFC와 대비해 전도도 향상이 직접적인 성능 개선으로 이어짐을 보여준다. 또한, 전해질 내 페리시안화물(Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻)을 양극에서 산화제로 사용해 양극 전위 안정성을 확보했으며, 고염도 환경에서도 전해질 부식이나 전극 부식이 크게 발생하지 않았다.

전기화학적 사이클릭 전압법(CV) 분석을 통해 H. volcanii 배양액 자체에 전자 전달을 촉진할 수 있는 내재적 매개체가 거의 없음을 확인했으며, 이는 외부 매개체(NR)의 효과가 더욱 두드러지는 이유를 설명한다. 또한, 고염도 조건에서 전극 표면에 형성되는 바이오필름의 전도성 및 두께가 제한적이었음에도 불구하고 높은 전류 밀도를 달성한 점은 고세균의 세포벽 구조(고전하성 S‑layer)와 전해질 내 높은 이온 이동성이 시너지 효과를 냈다고 추정할 수 있다.

연구의 한계로는 고염도 전해질이 실제 응용에서 부식 및 비용 문제를 야기할 수 있다는 점, 그리고 현재는 실험실 규모(1 L)에서만 검증되었으며 대규모 스택 설계 시 전해질 순환 및 전극 교체 주기 등에 대한 추가 연구가 필요함을 언급한다. 그러나 고염도 전해질을 이용한 MFC는 기존 저염도 시스템 대비 전도도 10배 이상 향상된 전력 생산을 가능하게 하여, 해양·염수 폐수 처리, 해양 심층수 전력 회수 등 특수 환경에서의 스케일업 가능성을 크게 열어준다.