생물전기화학 시스템 적용… COD 91% 저감·누적 메탄 7.55 mmol 생산

병원과 제약공장에서 배출되는 항생제는 폐수에 섞여 환경오염을 유발한다. 특히 여러 항생제가 동시에 존재하는 혼합 폐수는 처리 난도가 높다. 기존 공정은 오염물 제거에 초점을 맞추지만, 에너지 회수까지 동시에 달성하기는 쉽지 않았다. 전북대학교 생명공학부 오병택 교수 연구팀은 항생제 오염 폐수를 정화하면서 동시에 메탄가스를 생산하는 기술을 개발했다. 연구는 미생물과 전기 자극을 결합한 ‘생물전기화학 시스템(BES, Bioelectrochemical System)’을 기반으로 진행됐다.

연구팀은 항생제를 분해하는 Enterobacter sp.와 메탄을 생성하는 Methanoculleus sp.를 함께 배양해 시스템에 적용했다. 항생제 분해균은 전극의 음극에서 항생제를 산화해 휘발성지방산(VFA) 등 중간 대사산물로 전환한다. 이어 메탄 생성균은 양극에서 이 물질을 이용해 메탄을 생산한다. 한 미생물이 만든 산물을 다른 미생물이 이어받아 에너지를 생산하는 ‘연계 대사 구조’가 형성된 것이다. 전기 자극은 세포외 전자전달을 활성화해 반응 효율을 높였고, 미생물 성장과 효소 활성 증가, 산화 스트레스 감소로 이어졌다.

최적 조건에서 실험한 결과, 6종의 항생제를 모두 79% 이상 제거하는 데 성공했다. 오염도를 나타내는 COD(Chemical Oxygen Demand)도 91% 이상 감소했다. 단순 분해가 아니라, 오염 저감과 에너지 회수를 동시에 달성한 것이다. 누적 메탄 생산량은 7.55±0.78 mmol로 나타났다. 항생제 폐수를 자원화 가능한 에너지로 전환할 수 있음을 실험적으로 확인한 수치다. 비교 실험에서는 항생제 분해균만 단독으로 사용하거나 메탄 생성균만 사용했을 때, 오염물 제거와 에너지 회수를 동시에 달성하지 못했다. 두 균주가 전기화학적 환경 속에서 함께 작용할 때 나타나는 시너지 효과가 핵심이라는 점이 드러났다.

이번 연구는 항생제 폐수를 단순히 처리해야 할 오염원이 아니라, 에너지를 회수할 수 있는 자원으로 전환할 수 있다는 가능성을 제시했다. 환경오염 저감과 바이오에너지 생산을 결합한 통합 수처리 기술의 방향을 보여준 사례다. 연구 결과는 화학공학 분야 국제 학술지 『Chemical Engineering Journal(IF 13.2, 상위 3%)』에 게재됐다. 연구팀은 향후 실제 현장 적용이 가능한 공정으로 기술을 발전시킬 계획이다.

#전북대학교 #항생제폐수 #생물전기화학 #메탄생산 #BES #환경기술 #지속가능수처리