Valorization of digestates and vermicompost as alternative culture media for Chlorella vulgaris: biomass production, biochemical composition and biodiesel quality

에너지와 식량을 향한 세상의 갈망은 종종 서로 상반된 방향으로 움직입니다. 연료를 위해 작물을 재배하는 것은 식량 생산이나 자연 생태계를 지원하는 데 쓰일 수 있는 광활한 토지와 막대한 양의 물을 필요로 합니다. 동시에 축산 분뇨와 같이 농업 및 산업에서 발생하는 폐기물은 적절히 관리되지 않을 경우 환경 문제를 일으키며 쌓여갑니다. 과학자들은 미세조류라고 불리는 아주 작은 단세포 생물이 이러한 과제들 사이의 가교 역할을 할 수 있는 잠재적 대안으로서 오랫동안 주목해 왔습니다. 이 미생물 식물들은 이산화탄소를 흡수하고 햇빛을 가치 있는 기름, 단백질, 당분으로 전환하며 빠르게 성장할 수 있습니다. 만약 이들을 저렴하고 효율적으로 재배할 수 있다면, 식량 작물과 토지 경쟁을 하지 않으면서도 바이오 연료와 동물 사료의 지속 가능한 공급원이 될 수 있을 것입니다. 그러나 주요한 장애물은 항상 이들에게 먹이를 주기 위해 필요한 액체 영양액, 즉 배양액의 비용이었습니다. 전통적인 방식은 값비싼 화학 제조 성분에 의존하기 때문에 대규모 생산을 경제적으로 어렵게 만듭니다.

멕시코의 한 연구팀은 이 값비싼 합성 혼합물을 훨씬 더 접근하기 쉬운 것, 즉 폐수 처리 과정에서 나오는 액체 부산물로 대체할 수 있는지 알아보기 위해 나섰습니다. 그들은 두 가지 특정 유형의 폐기물 유래 액체에 집중했습니다. 첫 번째는 지렁이가 유기물을 분해하여 토양을 풍부하게 만든 형태인 버미컴포스트(지렁이 퇴비)에서 나온 것이었습니다. 두 번째는 산소가 없는 환경에서 박테리아가 소와 돼지의 분뇨를 분해한 후 남은 액체인 소화액(digestate)이었습니다. 과학자들은 이 폐기물 유래 액체들이 표준 실험실 혼합물만큼, 혹은 그보다 더 잘 미세조류의 일종인 클로렐라 불가리스(Chlorella vulgaris)를 영양 공급할 수 있는지 알고 싶었습니다. 그들은 다양한 액체가 담긴 플라스크에서 조류를 키웠으며, 조류가 얼마나 성장했는지, 세포 내에 어떤 영양소를 저장했는지, 그리고 그들이 생산한 기름이 고품질 바이오디젤로 전환될 수 있는지 면밀히 측정했습니다.

결과는 폐기물 기반의 액체들이 단순히 실행 가능한 대안일 뿐만 아니라, 여러 경우에서 값비싼 합성 표준 물질보다 뛰어난 성능을 보였다는 것을 보여주었습니다. 가장 성공적인 혼합물은 소와 돼지의 분뇨 소화액을 섞은 것이었습니다. 조류를 이 혼합 액체에서 키웠을 때, 표준 합성 배지에서 키운 것보다 생물량(biomass)이 43% 더 많이 생성되었습니다. 연료 생산 측면에서 더 중요한 점은, 혼합 분뇨 액체에서 자란 조류가 바이오디젤로 전환될 수 있는 지방인 지질(lipids)을 159% 더 많이 저장했다는 것입니다. 모든 종류의 가축 분뇨를 처리하는 대규모 대학형 소화조에서 나온 액체는 모든 것 중 가장 높은 지질 농도를 기록하며 합성 표준을 172% 초과했습니다. 연구진은 또한 이 폐기물 액체에서 자란 조류가 단백질과 탄수화물을 현저히 더 많이 축적했다는 것을 발견했으며, 이는 이 생물들이 폐기물에 포함된 복합 영양소 덕분에 번성하고 있음을 시사합니다.

단순한 성장량을 넘어, 조류가 무엇을 먹느냐에 따라 품질도 변했습니다. 연구진은 조류 세포 내부의 지방산을 분석하여 어떤 종류의 연료를 만들 수 있는지 확인했습니다. 그들은 폐기물 기반 배지가 합성 배지에 비해 조류가 더 다양한 종류의 지방산을 생산하도록 유도한다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 혼합 분뇨 액체에서 자란 조류는 9가지 유형의 지방산 구성 요소를 생산한 반면, 합성 액체에서의 조류는 4가지만 생산했습니다. 이러한 다양성은 매우 중요한데, 왜냐하면 서로 다른 지방산이 최종 연료의 성능을 결정하기 때문입니다. 연구진은 이 조류 오일로부터 만들어질 수 있는 바이오디젤의 예상 품질을 계산했습니다. 그 결과, 버미컴포스트와 단일 유형의 분뇨 소화액에서 유래한 연료는 바이오디젤에 관한 5가지 국제 품질 표준을 모두 충족했습니다. 반면, 합성 배지에서 나온 연료는 5가지 표준 중 4가지만 충족했습니다. 구체적으로, 소 분뇨 소화액에서 나온 바이오디젤은 탁월한 안정성과 점화 품질을 보여주어 특히 강력한 연료 후보가 되었습니다.

이 연구는 모든 폐기물 액체가 동일하게 작용하는 것은 아니라는 점도 강조했습니다. 혼합 분뇨 액체는 전반적인 성장과 지방 생산을 촉진했지만, 순수 소 분뇨에서 나온 액체는 오히려 조류 성장이 가장 낮았습니다. 연구진은 이것이 아마도 소 분뇨 액체가 너무 어두워 조류가 광합성에 필요한 햇빛을 차단했기 때문일 것이라고 설명했습니다. 이 발견은 단순히 폐기물을 사용하는 것이 마법 같은 해결책은 아니라는 점을 분명히 합니다. 폐기물의 구체적인 구성이 매우 중요합니다. 일부 액체의 어두운 색상은 성장을 방해할 수 있는 반면, 다른 액체의 영양 균형은 성장을 폭발적으로 촉진할 수 있습니다. 연구진은 최선의 접근 방식은 원하는 결과에 달려 있다고 결론지었습니다. 만약 목표가 최대한 많은 연료를 생산하는 것이라면 혼합 분뇨 소화액이나 대학 규모의 소화액이 우수합니다. 만약 목표가 매우 안정적이고 고품질인 연료를 생산하는 것이라면, 전체적인 성장은 낮더라도 소 분뇨 소로가 가장 유망합니다.

이러한 발견은 폐기물 관리와 에너지 생산이 매끄럽게 함께 작동하는 미래를 향한 방향을 제시합니다. 농업 및 퇴비화 과정에서 나오는 액체 부산물을 미세조류의 먹이로 사용함으로써, 폐기 처리가 문제인 것을 자원으로 바꿀 수 있습니다. 이 연구는 이러한 대안 배지가 값비싼 합성 화학 물질 없이도 왕성한 성장과 고품질의 기름 생산을 뒷받حظ할 수 있음을 입증합니다. 이 접근 방식은 폐기물이 다른 공정의 연료가 되는 순환 경제의 원칙과 일치합니다. 비록 이 연구는 실험실 규모의 소규모 연구였으나, 결과는 이를 대규모로 확장하는 것이 화석 연료와 화학 비료에 대한 의존도를 줄이면서 농업 폐기물을 정화하는 지속 가능한 바이오 연료 및 동물 사료 생산 경로를 제공할 수 있음을 시사합니다.