메탄가스 생성과 폐기물 처리

환경과 생물공학

 

간은 보다 많은 물질적인 풍요를 누리기 위하여 산업화라는 이름하에 자연으로 원료물질을 획득하고, 제품을 생산 사용 및 처분하는데 이러한 일련의 과정을 서 다양한 폐기물질을 양산하고 있다. 오늘날 인류가 직면하고 있는 여러 가지 들 가운데 환경오염과 자원의 부족 현상은 매우 심각한 상황이다. 고품위의 지석이 고갈되어감에 따라 현재의 회수 공법으로는 기술적, 경제적 이유로 인해 곤란한 저 품위 광석을 새롭고 경제적인 방법을 이용하여 개발할 필요성이  각종 폐기물을 미생물학적으로 처리하면 경제적일 뿐 아니라 쓰레기의 양도 알 수 있다.

 

특히 유기성 폐기물의 미생물학적 처리는 대체연료 생산과 환경문제 해결이라는 관점에서 매우 중요하다. 날로 증대되어 가고 있는 석탄 및 석유 같은 연료의 무분별한 사용으로 대기 환경은 심하게 오염되어 가고 있는데 화석연 미생물학적 처리에 의하여 오염에 커다란 부분을 담당하는 유기 및 무기 황을 할 수 있다. 실제로 미생물에 공학적 기법을 도입하여 환경을 정화하거나 새로 물질의 생산을 시도하는 사례는 최근 산업적 규모로 사용되고 있거나, 개발되어있다.

 

이 장에서는 미생물을 이용한 생물공학적인 접근에 관한 몇 가지 사례를 통하여 논하고자 한다. 축산폐기물, 개인 거주 지역으로부터의 음식쓰레기, 하수처리장으로의 오니, 통조림 가공공장의 공정에서 생겨나는 쓰레기 등으로부터 생성되는 물질이 풍부한 유기성 폐기물은 메탄가스 생성을 위하여 사용될 수 있다.

 

메탄은 열에너지뿐만 아니라 전기 에너지를 생산하는데 이용될 수 있고, 특히 가 나 공장에서 천연가스를 대신하는 연료로서 사용될 수 있다. 미생물에 의한 생 환 반응에 사용되는 기질로서 유기성 폐기물을 사용하게 되면 메탄과 같은 새로운 자원을 얻을 뿐만 아니라, 폐기물의 양을 줄이고 기존의 에너지를 소 소비하지 않고 폐기물을 처리하여 재순환시키는 등의 여러 가지 장점을 갖게 된다. 유기성 폐기물은 균질(homogeneous) 한 것뿐만 아니라, 비균질(heterogenous) 한 것 도 처리 가능하다.

 

일반적으로 유기성 폐기물로부터 유래하는 전체 반응기 작은 미 생물 간의 상호 보완적 관계 또는 공생 관계에 의해서 일어난다. 혐기성 환경하에서 유기물의 미생물학적 분해는 최종 전자 수용체로서 산소가 아닌 다른 분자들을 이용할 수 있는 미생물에 의하여 얻어진다. 이 혐기성 분해는 궁 극적으로 메탄, 이산화탄소, 소량의 수소, 질소, 황화수소 등의 생물가스를 생산한 다. 전체 화학반응은 흔히 다음과 같다: 혐기성 분해는 제14장에서 설명한 것과 같이 일반적으로 가수분해 (hydrolysis), 산의 형성(acid production) 그리고 메탄 형성 (methane production) 등의 3가지 단계로 진행된다.

 

첫째로 가수분해는 미생물이 분비하는 세포외 효소에 의해서 탄 수 화물, 단백질, 지방 등의 거대 유기분자를 분해되기 쉬운 분자량이 작은 단당류, 아 미노산, 지방산 및 글리세롤 등으로 액화(liquefaction)시키는 과정이다. 두 번째 단 계는 산의 형성으로서 초기 분해산물들은 미생물의 세포막을 통해 세포 내로 들어가 이용될 수 있다. 미생물의 세포막은 영양물질의 유입을 선택적으로 조절하며 그 과 정에서 생긴 여러 가지 유기산과 같은 대사 물질들은 세포 밖으로 내보내 진다.

 

세 번째 단계는 메탄 형성 단계로서 이는 산의 형성 단계에서 생성된 저분자량의 유기산들이 메탄생성균에 의해 메탄과 이산화탄소로 분해되는 것이다. 이들 세균들은 유기물 산화(organic oxidation)와 이산화탄소 환원 반응을 연결할 수 있는 독특한 능력을 가지고 있다. 이 과정에서 이산화탄소는 최종 수소 수용체가 된다. 메탄생성 세균에는 Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus, Methanosarcina 등이 있다. 유기성 폐기물의 메탄으로의 전환에 관여하는 미생물들은 균형 있는 로 구성되어야 한다.

 

이와 같은 조건은 산업적 이용을 위한 반응조 미생물이 활발히 메탄생성을 할 수 있도록 설계되어야 한다. 그림 |서 사용될 수 있는 메탄가스 생성을 위한 반응조를 보여준다. 미생물에 의한 탈황 화석연료에는 무기 황(inorganic sulfur) 뿐 아니라 여러 가 || 황(organic sulfur), 그리고 소량의 금속 황화물이 존재한다. 석탄 관련된 유기 황은 구조적으로 복잡하고 다양하며 dibenzyl disulfide, zothiophenes, dibenzothiophenes 등은 대표적인 유기황으로 미생물에 수 있다. 인간의 산업활동에 의해서 다량의 황을 포함하는 화석연료 -황산 가스를 생성하여 대기오염의 원인이 되며 산성비(acid rain)와 환경오염 문제를 일으킬 수 있다.

 

거리에서 세균은 유기 및 무기 황화합물을 줄이기 위해서 중요한 역할 데, 화석연료의 생물학적 탈황(desulfurization)은 물과 반응하여 ·용성의 중간 대사물을 생성하는 생물학적인 개념에 근거를 둔다. pseudomonas, Rhodococcus, Sulfolobus, Thiobacillus 속에 의한 황화합물 알려져 있다. 이들 미생물들은 기질 특이성, 영양 요구성 및 황의 서의 대사물질 등이 다르다. 화석연료의 미생물학적 탈황에 대한 연구는 석탄과 석유에 존재하는 dibenzothio phene(DBT) 같은 화합물을 대상으로 수행되었다.

 

미생물에 의한 DBT의 탈황 기작 은 탄소-분해 경로(코다마 경로)[carbon-destructive pathway(Kodama pathway)] 와 황-특수 경로(sulfur-specific pathway)의 두 가지 경로가 제안되었다. 전자의 경로는 DBT로부터 직접 황을 제거하는 것이 아니라, 수산화(hydroxylation)에 의한 주변 방향족 고리 구조의 열림에 의하여 석탄으로부터 수용성의 대사산물로 전환 시 키는 것으로 naphthalene의 분해 방식과 유사하다.

 

이 경로는 Pseudomonas와 Beijerinckia 속에 의하여 수행되는 것이 보고되었다. 후자는 DBT가 2-hydroxybiphenyl을 형성하는 과정에서 황산염의 형태로 황을 제거하는 경로로서, Rhodococcus, Coryme bacterium, Brevibacterium 속 등의 미생물이 이 경로를 갖는 것으로 알려져 있다. 그림 17.2는 미생물에 의한 DBT의 대사경로를 설명하고 있다. DBT와 석유에 존재하는 황은 Pseudomonas CP89에서 n-alkane과의 공동대사 (cometabolism)에 의해서 수 행 되며, 특히 석유의 유기 황화합물은 67%까지 제거된다고 보고되었다.