▲ 사진=전북대  © 특허뉴스

병원과 제약공장에서 배출되는 항생제 폐수를 효과적으로 정화하면서 동시에 에너지를 생산하는 차세대 환경기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 오염 처리와 자원 회수를 하나의 공정에서 구현한 ‘순환형 수처리 기술’이라는 점에서 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.

전북대학교 생명공학부 오병택 교수 연구팀은 미생물과 전기화학 반응을 결합한 생물전기화학 시스템(BES, Bioelectrochemical System)을 활용해 항생제 오염 폐수를 정화하는 동시에 메탄가스를 생산하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 화학공학 분야 국제 학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF 13.2, 상위 3%) 최신호에 게재됐다.

항생제 폐수는 다양한 약물이 혼합된 형태로 배출되는 경우가 많아 기존 처리 공정으로는 제거가 어렵고, 수계 생태계 교란과 항생제 내성 확산의 원인으로 지목돼 왔다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 미생물 대사 과정에 전기 자극을 결합하는 생물전기화학 시스템에 주목했다.

연구에서는 항생제를 분해하는 미생물 Enterobacter sp.와 메탄을 생성하는 미생물 Methanoculleus sp.를 함께 배양해 시스템에 적용했다. 그 결과 최적 조건에서 6종의 항생제를 모두 79% 이상 제거하는 데 성공했으며, 동시에 누적 7.55±0.78 mmol의 메탄가스를 생산했다.

또한 폐수 오염도를 나타내는 COD(Chemical Oxygen Demand)는 91% 이상 감소해 오염물 제거 효과가 크게 향상된 것으로 확인됐다. 이는 항생제가 단순히 분해되는 수준을 넘어 에너지 자원으로 전환될 수 있음을 실증적으로 보여준 결과다.

연구팀의 분석에 따르면 항생제 분해균은 전극 음극에서 항생제를 산화시켜 휘발성지방산(VFA) 등 중간 대사물질을 생성하고, 메탄 생성균은 양극에서 이를 활용해 메탄을 생산하는 ‘연계 대사 구조’가 형성됐다. 여기에 전기 자극이 미생물 간 전자 이동을 촉진하면서 효소 활성과 성장률을 높여 전체 반응 효율을 크게 향상시켰다.

특히 단일 미생물만 활용한 비교 실험에서는 오염 제거와 에너지 생산을 동시에 달성하지 못해, 두 균주가 결합된 생물전기화학 환경에서 나타나는 대사 시너지가 핵심 원리임이 확인됐다.

Harshavardhan Mohan 박사는 “실제 폐수는 여러 항생제가 혼합돼 있어 처리 난도가 높은데, 이번 기술은 다양한 항생제를 동시에 줄이면서 에너지까지 회수할 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다. 오병택 교수는 “환경오염 저감과 에너지 생산을 동시에 달성하는 통합 수처리 기술은 지속가능한 환경 기술의 중요한 방향”이라며 향후 현장 적용 가능성을 강조했다.

전문가들은 이번 연구가 폐수를 단순한 처리 대상이 아닌 에너지 자원으로 전환하는 새로운 패러다임을 제시하며, 탄소중립 시대 친환경 바이오에너지 기술의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 평가하고 있다.