철 화합물이 혐기소화에 미치는 영향

철은 자연계뿐 아니라 다양한 산업에서도 풍부하게 이용되는 원소이기 때문에, 산업 현장으로부터 나오는 폐수나 폐기물에도 풍부한 양의 철이 함유되어 있다(Kim, 2004). 철 화합물은 형태와 양에 따라서 생물학적 폐수/폐기물 처리 공정에서 특정 미생물이나 효소에 미치는 영향이 다르다. 혐기소화(anaerobic digestion)는 혐기성 환경에서 가장 주요하게 일어나는 생물학적 반응 중 하나이며, 매년 식물과 조류(algae)에 의해 고정되는 탄소의 1.6%에 달하는 양이 혐기소화 과정을 거쳐 순환된다(Liu & Whitman, 2008). 자연계에서 혐기소화를 통해 발생된 메탄은 대기권으로 방출되는 전체 메탄의 74%가량을 차지한다(Liu & Whitman, 2008; Whitman et al., 2014). 유기성 폐기물을 혐기소화 과정으로 처리하면 오염물질 처리와 동시에 메탄을 주성분으로 하는 바이오가스를 생산할 수 있기 때문에, 환경?에너지 문제 해소를 위한 재생에너지기술로 혐기소화를 적극 활용하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 혐기소화 과정에 철이 존재하게 되면, 다양한 미생물의 에너지 대사 및 생물화학적 반응에 직?간접적으로 영향을 미치게 되며 궁극적으로는 메탄 발생의 효율에도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 다양한 철 화합물들이 미량원소(trace element)나 영양 물질로서 가지는 기능이나 미생물 활성에 미치는 영향에 대하여 보고된 자료들에 비하여, 메탄 생성 반응에 미치는 영향에 대하여 정리된 자료는 상대적으로 부족한 실정이다.

혐기소화 과정에서 철 화합물의 첨가가 메탄 생성 반응에 미치는 영향을 조사한 연구들은 상반되는 결과들을 제시하고 있다. 예를 들어, 0가 철(zero-valent iron)을 혐기소화조에 첨가하면, 물에 의한 0가 철의 산화에 의해 수소가 더 많이 발생하게 되고, 수소는 메탄 생성 반응의 기질로 쓰일 수 있기 때문에 결과적으로 메탄 생성이 촉진된다고 보고된 바 있다. 또한, 0가 철 자체가 가지는 환원력 때문에 더 강한 환원조건(reducing condition)을 형성시키면서 혐기성 미생물들에게 긍정적인 영향을 미친다고 보고되었다(Feng et al., 2014; Kong et al., 2016; Suanon et al., 2016). 쉽게 용해되는 철 산화물의 경우 Fe(II)나 Fe(III)와 같은 이온들을 많이 생성할 수 있고, 이들은 미생물의 활성과 전자전달에 긍정적인 영향을 미침으로써 궁극적으로 메탄 생성 효율을 높일 수 있다고 보고되었다(Bosch et al., 2010). 한편, 유기산을 산화하는 박테리아(fatty acid-oxidizing bacteria)와 메탄생성균 사이에 전자를 주고 받는 과정이 수소나 포름산 등의 전자운반체를 통해 일어나는 간접전자전달(indirect interspecies electron transfer; IIET)뿐 아니라 전자운반체가 필요 없는 직접전자전달(direct interspecies electron transfer; DIET)을 통해서도 가능하다는 것이 최근 들어 보고되었다(Morita et al., 2011; Rotaru et al., 2014b). 종간직접전자전달 반응이 전도성 철 화합물을 비롯한 전도성 물질에 의해 촉진될 수 있다는 결과가 많은 연구에서 보고되고 있다(Baek et al., 2016; Kato et al., 2012; Li et al., 2015). 하지만 이와는 반대로, 철 화합물을 첨가하여 메탄 생성이 저해됨을 보고한 사례들도 다수 존재한다. 예를 들어, Fe(III)가 풍부하게 존재하는 혐기성 환경에서는 철환원균과 메탄생성균이 공통 기질인 수소와 아세트산에 대해서 기질 경쟁 관계에 놓이게 된다(Qu et al., 2004; Roden & Wetzel, 2003; Roden & Wetzel, 1996). 메탄 생성 반응에 비하여 철 환원 반응이 더 낮은 기질 한계치(substrate threshold)를 가지며 열역학적으로 더 유리한 반응이기 때문에(Lovley & Phillips, 1987), 철이 풍부하게 함유된 토양이나 퇴적물 등에서는 이러한 경쟁 관계의 영향으로 메탄 생성 반응의 저해가 관찰되기도 한다(Roden & Wetzel, 2003). 또한, 다른 중금속들과 마찬가지로 철 화합물이 높은 농도로 존재할 때에는 메탄생성균을 포함한 다양한 미생물에 대하여 독성을 유발할 수 있다(Mudhoo & Kumar, 2013). 철 이온이나 0가 철, 특히 나노 입자 0가 철의 경우에는 혐기소화에 관여하는 미생물들에게 독성을 유발하여 메탄 생성 감소를 일으킨다는 결과들이 보고된 바 있다(Auffan et al., 2008; Chen et al., 2011; Yang et al., 2013).

위에서 서술한 바와 같이 철 화합물들에 따라 메탄 생성 반응에 미치는 영향이 다른 것은 각 화합물들이 가지는 서로 다른 물리화학적 특성 때문이다. 여러가지 특성 중 가장 중요한 요인은 생물학적 이용가능성(bioavailability)에 영향을 미칠 수 있는 인자인 용해도(solubility)와 결정화도(crystallinity)이다. 용해도가 높고 결정화도가 낮은 철 화합물들이 Fe(II)나 Fe(III)와 같은 철 이온들을 더 쉽게 방출할 수 있으며, 이에 따라 메탄 생성 반응에 관여하는 미생물들의 대사 반응과 활성에 더 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 산화환원 특성(redox property)은 혐기소화조 내의 산화환원 전위(oxidation-reduction potential; ORP)를 결정짓는 주요한 요소이며, 일반적으로 효과적인 메탄 생성을 위해서는 -300mV 이하로 유지되어야 한다고 알려져 있다. 한편, 전기전도성은 앞서 언급한대로 서로 다른 미생물 간의 전기적 공생 관계를 촉진시킬 수 있는 주요한 특성이다. 본 교재에서는 기존 문헌과 최근 연구 결과를 바탕으로 다양한 철 화합물들이 메탄 생성 반응에 미칠 수 있는 직?간접적인 영향과 그 기작을 알아보고, 이와 관련된 물리화학적인 특성들을 비교하여 정리하고자 한다.

1. 머리말3



2. 철 화합물의 역할과 기능에 대한 이해

2.1. 미생물에 의한 철 대사반응

2.2. 철 화합물의 특성



3. 철 화합물에 의한 메탄 생성 촉진

3.1. 환원제로서의 0가 철

3.2. 종간직접전자전달 반응의 촉진

3.3. 철 이온의 침출 및 영양분으로서의 활용



4. 철 화합물에 의한 메탄 생성 저해

4.1. 철환원균과 메탄생성균의 경쟁 관계

4.2. 독성 효과



5. 맺음말



참고문헌

백가현