Dark Fermentative Biohydrogen Production from Fructose-rich Resources by the Photosynthetic Purple Bacterium Rhodospirillum rubrum
이 연구는 광합성 세균인 *Rhodospirillum rubrum*이 암흑 및 저산소 조건에서 과당이 풍부한 농산업 잔류물로부터 바이오수소를 효율적으로 생산할 수 있음을 입증하며, 가수분해된 당밀을 사용한 혐기성 생물 반응기에서 가장 높은 생산성을 달성하였다.
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수십 년 동안 과학자들은 화석 연료를 태우지 않고 깨끗한 연료를 생산하는 방법을 찾기 위해 자연을 주목해 왔습니다. 한 유망한 방안은 햇빛과 유기물을 깨끗하게 연소되는 에너지원인 수소 가스로 바꿀 수 있는 아주 작은 단세포 생물을 이용하는 것입니다. 이 생물들은 '광합성 자색 박테리아'로 알려져 있으며, 환경에서 사용 가능한 것에 따라 먹고 숨 쉬는 방식을 바꿀 수 있는 대사적 카멜레온입니다. 보통 연구자들은 광발효라고 불리는 과정을 유도하기 위해 빛이 가득한 커다란 탱크에서 이들을 배양하려고 시도해 왔습니다. 그러나 이 방식은 큰 벽에 부딪혔습니다. 박테리아가 증식하고 탱크 안의 액체가 걸쭉해짐에 따라, 빛이 세포가 있는 중간 부분까지 충분히 침투하지 못하기 때문입니다. 이러한 한계는 이 기술이 실질적인 대규모 산업으로 발전하는 것을 가로막아 왔습니다.
다른 경로가 존재하는데, 이는 공기를 정교하게 제어할 수 있다면 어둠 속에서도 수소를 생산할 수 있는 박테리아의 능력에 의존하는 것입니다. '암발효(dark fermentation)'라고 알려진 이 방법은 값비싼 조명 시스템을 필요로 하지 않으며 훨씬 더 밀도 높은 박테리아 배양을 가능하게 합니다. 과제는 세포를 죽이거나 에너지를 낭비하지 않으면서 암흑 생산을 유도할 수 있는 적절한 조건을 찾는 것이었습니다. 독일 비버라흐 응용과학대학교의 연구팀은 특정 종류의 자색 박테리아인 Rhodospirillum rubrum이 식품 산업의 폐기물을 먹이로 사용하여 어둠 속에서도 효율적으로 수소를 생산하도록 유도할 수 있는지 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다.
연구진은 특별한 기술을 가진 독특한 Rhodospirillum rubrum 균주에 집중했습니다. 이 균주는 산소 수치가 낮지만 완전히 없지는 않은 상태로 유지될 경우, 어둠 속에서도 내부의 빛 수확 기구를 구축할 수 있습니다. 과학자들이 '반호기성(semiaerobic)'이라고 부르는 이 상태는 박테리아가 산소를 호흡하는 동시에 당을 발효할 준비를 할 수 있게 해줍니다. 연구팀은 정해진 실험실 레시피로 시작하여 실제 폐기물로 옮겨가는 방식으로 대형 스테인리스 스틸 탱크에서 이 박테리아를 키웠습니다. 그들은 두 가지 특정 유형의 폐기물을 테스트했습니다. 화이트 와인을 만드는 과정에서 남은 껍질과 씨앗에서 짜낸 즙인 포도 포마스(grape pomace) 즙과, 사탕수수 정제 과정에서 남은 걸쭉하고 달콤한 시럽인 당밀입니다. 당밀을 사용하기 전, 연구진은 복잡한 당을 박테리아가 먹을 수 있는 단순한 형태로 분해하기 위해 효소로 처리했습니다.
실험 결과, 박테리아는 이러한 어둡고 산소가 제어된 환경에서 잘 번식하는 것으로 나타났습니다. 연구진이 탱크의 산소 상태를 약간 있는 상태에서 전혀 없는 상태로 전환했을 때, 박테리아는 수소 가스를 방출하기 시작했습니다. 이는 실험실의 단순한 먹이와 복잡한 폐기물 즙 모두에서 일어났습니다. 이 과정이 작동한 이유는 박테리아가 포도 즙과 당밀 모두에 들어있는 당의 일종인 과당을 더 작은 분자로 분해하면서 부산물로 수소를 방출했기 때문입니다. 연구진은 박테리아가 빛을 사용할 수 없을 때 에너지를 조절하기 위해 이 과정 중에 다른 유기산들을 혼합하여 생성한다는 것을 발견했습니다.
결과는 테스트된 두 가지 주요 조건 사이의 명확한 차이를 보여주었습니다. 탱크를 완전히 무산소 상태로 유지했을 때, 박テリア는 소량의 산소가 남아 있을 때보다 훨씬 더 빠르게, 그리고 더 많은 양의 수소를 생산했습니다. 최고의 성능은 가수분해된 당밀에서 나타났습니다. 이 당분이 풍부한 시럽을 먹인 탱크에서 박테리아는 리터당 시간당 1.12 밀리몰의 수소 생산율을 달성했습니다. 이는 표준 실험실 먹이나 포도 즙에서 달성한 것보다 현저히 높은 수치였습니다. 포도 즙은 성공적이긴 했으나, 높은 당 농도가 박테리아에 해를 끼치는 것을 방지하기 위해 희석이 필요했으며 수소 생산 속도는 더 느렸습니다.
또한 이 연구는 박테리아가 어떻게 가스를 만드는지 명확히 했습니다. 이 생물들은 수소를 만들기 위해 빛을 이용하는 효소로 유명하지만, 연구진은 어둠 속에서 다른 효소 세트가 역할을 이어받는다는 것을 발견했습니다. 이 효소들은 포메이트(formate)라는 분자를 수소와 이산화탄소로 변환함으로써 작동합니다. 연구팀은 박테리아가 가스를 만들기 위해 빛을 이용하는 기구에 의존하는 것이 아니라, 산소가 부족할 때 촉발되는 발효 경로를 사용하고 있음을 확인했습니다. 흥-미롭게도, 박테리아는 과정이 효율적으로 계속 유지되도록 베이킹 소다와 같은 화합물 형태로 첨가된 이산화탄소를 꾸준히 공급받아야 했습니다. 이 첨가물이 없으면 수소 생산이 느려지거나 멈췄습니다.
연구진이 자신들의 결과를 다른 연구들과 비교했을 때, 생산율이 과학계 전체에서 기록된 가장 높은 수치는 아니었지만, 빛을 사용하지 않고 유전자 변형을 거치지 않은 공정치고는 인상적이라는 것을 발견했습니다. 다른 연구들은 높은 수치를 얻기 위해 강렬한 조명이나 특수한 돌연변이 균주에 의존하는 경우가 많지만, 이 작업은 자연 상태의 야생형 박테리아가 저렴하고 재생 가능한 폐기물을 사용하여 표준 산업용 탱크에서 효과적으로 수소를 생산할 수 있음을 입증했습니다. 어두운 대형 탱크을 사용할 수 있다는 능력은 빛의 침투라는 물리적 문제로 어려움을 겪는 빛 의존적 방식보다 훨씬 더 쉽게 규모를 확장할 수 있음을 의미합니다.
연구진은 이 접근 방식이 농업 폐기물을 깨끗한 에너지로 바꾸는 실행 가능한 경로를 제공한다고 결론지었습니다. Rhodosphirillum rubrum의 암발효 능력을 활용함으로써, 산업계는 그들의 당분이 풍부한 부산물인 당밀과 포도 포마스 등을 처리하여 수소를 생성하는 동시에 비료나 동물 사료로 사용될 수 있는 가치 있는 바이오매스를 생산할 수 있습니다. 이 연구는 박테리아가 얼마나 빨리 가스를 생산할 수 있고 얼마나 많은 양을 낼 수 있는지에 대한 구체적인 데이터를 제공하여 향후 연구를 위한 새로운 기준을 세웠습니다. 효율성을 개선할 여지는 여전히 남아 있지만, 이 작업은 해당 기술이 실현 가능하다는 것을 증명하며, 박테리아가 더 큰 규모에서 테스트될 준비가 되었음을 보여줍니다.
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