병원과 제약공장 등에서 배출되는 항생제는 폐수에 섞어 환영오염의 원인이 되고 있다. 특히 여러 종류가 함께 섞여 있는 경우가 많아 처리하기 까다롭다.

이렇게 항생제로 오염된 폐수를 효과적으로 정화하면서, 동시에 바이오에너지를 생산할 수 있는 새로운 기술을 전북대학교 오병택 교수팀(생명공학부)이 개발해 화제다. 오 교수와 Harshavardhan Mohan 박사(Post doc.)가 이 연구를 주도했다.

이번 연구 성과는 화학공학 분야의 국제 저명 학술지 『Chemical Engineering Journal』(IF 13.2, 상위 3%) 최신호에 게재됐다.

연구팀은 처리가 까다로운 항생제에 대한 문제 해결을 위해 ‘생물전기화학 시스템(BES)’이라는 기술에 주목했다. 이 기술은 미생물의 작용에 전기 자극을 더해 오염물질 분해를 돕는 방식이다.

연구팀은 항생제를 분해하는 미생물(Enterobacter sp.)과 메탄을 생성시키는 미생물(Methanoculleus sp.)을 함께 배양해 시스템에 적용했다.

그 결과, 최적의 조건에서 6종의 항생제 모두 79% 이상 제거하는 데 성공했으며, 동시에 메탄가스를 생산했다. 누적 메탄 생산은 7.55±0.78 mmol에 달했다.

오염도를 나타내는 COD 역시 91% 이상 줄어들어, 항생제가 단순히 분해되는 데 그치지 않고 에너지 자원으로 전환될 수 있음을 확인했다.1

메커니즘 분석 결과도 주목된다. 먼저 항생제를 분해하는 ACD-08 균주는 전극의 음극에서 항생제를 분해(산화)해 휘발성지방산(VFA)과 같은 중간 물질로 전환한다. 이어 메탄을 생성하는 MB-04 균주는 양극에서 이 물질을 이용해 메탄을 생산한다. 즉, 한 미생물이 만든 산물을 다른 미생물이 이어받아 에너지를 만드는 ‘연계 대사 구조’가 형성된 것이다.

또한 생물전기화학 시스템에서 가해진 전기 자극은 미생물 간 전자 이동(세포외 전자전달)을 활발하게 만들어 반응 효율을 높였다. 그 결과 미생물의 성장과 효소 활성이 증가하고, 분해 과정에서 발생할 수 있는 산화 스트레스도 줄어들면서 전체 처리 성능이 향상됐다.

특히 항생제 분해균만 사용하거나, 메탄 생성균만 단독으로 사용한 비교 실험에서는 오염물 제거와 에너지 회수를 동시에 달성하지 못했다. 이는 전기화학적 환경 속에서 두 균주가 함께 작용할 때 나타나는 ‘시너지 효과’가 이번 성과의 핵심임을 보여준다.

Harshavardhan Mohan 박사는 “현장의 폐수는 여러 항생제가 섞여 있어 처리 난도가 높다”며 “이번 연구는 다양한 항생제를 동시에 줄이면서 메탄까지 회수할 수 있다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다. 오병택 교수는 “환경오염을 줄이는 동시에 에너지를 생산하는 통합 기술은 지속가능한 수처리의 중요한 방향”이라며 “향후 실제 현장 적용이 가능한 기술로 발전시키겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 항생제 폐수를 단순히 처리해야 할 ‘오염물’이 아닌, 에너지를 회수할 수 있는 ‘자원’으로 전환할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 주목받고 있다.