(NIBIO-researcher Lu Feng and colleagues from NIBIO and NMBU have documented how biofilm-based processes can be used to produce biomethane with over 96% purity. Credit: John Olav Oldertrøen)
(Small plastic pieces from Biowater Technology called biofilm carriers, which are widely used in water and waste treatment systems. These provide a surface where helpful bacteria can grow and carry out their function in an efficient way. Credit: Lu Feng)
생물막 (biofilm)은 세균들이 만드는 얇은 막 같은 매트리스 구조물로 세균을 거친 외부환경에서 보호하는 역할을 합니다. 세균 감염의 주요 수단이 되기 때문에 과학자들은 주로 생물막을 막기 위해 많은 연구를 진행해 왔지만, 사실 병원균이 아니라 인간에게 유익한 세균이라면 굳이 생물막을 제거하기 위해 노력할 필요가 없을 것입니다.
노르웨이 생물경제 연구소 (Norwegian Institute of Bioeconomy Research, NIBIO)의 연구팀은 생물막을 이용해 이산화탄소와 일산화탄소를 친환경 연료로 만드는 연구를 진행했습니다.
이산화탄소는 지구 온난화의 주범이고 일산화탄소는 대기 오염 물질의 일종이지만, 일부 미생물에게는 요긴한 원료 물질이 될 수 있습니다. 연구팀은 메타노서모박터 (Methanothermobacter)라는 메탄 생성 고세균의 생물막을 이용해 이산화탄소와 일산화탄소를 원료로 메탄가스 생성을 최대로 늘리는 방법을 연구했습니다.
이 고세균이 산소가 없는 환경에서 이산화탄소와 일산화탄소를 이용해 메탄을 만들 수 있다는 사실은 이미 알려져 있습니다. 하지만 산업적인 용도로 쓸 수 있을 만큼 생산량이 많지 않았습니다. 연구팀은 생산량을 높이기 위해 AnMBBR (Anaerobic Moving Bed Biofilm Reactor)라는 반응 용기를 개발해 반응 표면적을 늘리고 암모니아가 많은 환경에서도 생산량을 유지하는 방법을 개발했습니다.
바이오 연료를 만들기 위해 공장이나 혹은 음식물/생활 쓰레기 폐기물에서 나온 이산화탄소를 사용할 경우 부패 과정에서 만들어지는 황화수소 (H2S)는 미생물에도 독성을 지닌 물질입니다. 실제로 연구팀은 황화수소를 제거하지 않을 경우 생산량이 크게 감소한다는 사실을 확인했습니다. 그래서 이를 견딜 수 있는 생물학 반응기 디자인했습니다.
다른 한편으로 수소를 공급하면 메탄 생성이 크게 증가하는 경향이 있는데, 이는 메탄이 탄소 원자 하나에 수소 원자 4개로 구성되어 있음을 생각하면 당연한 일입니다. 하지만 이것도 어느 정도 한계가 있어 최적의 농도를 유지해야 최선의 수율을 얻을 수 있음을 확인했습니다.
물론 실제 상업적인 생산을 위해서 갈길이 멀긴 하지만, 이런 노력들을 통해 새로운 길이 보이지 않을까 생각해 봅니다. 연구팀은 다양한 연구 결과를 5편의 논문으로 발표했습니다.
참고
https://techxplore.com/news/2025-08-thin-biofilm-renewable-energy.html
Getachew Birhanu Abera et al, Impact of hydrogen sulphide on biomethanation and the potential mechanisms of mitigation, Biomass and Bioenergy (2025). DOI: 10.1016/j.biombioe.2025.108051
Getachew Birhanu Abera et al, Mitigating ammonia inhibition in in-situ biomethanation using anaerobic moving bed biofilm reactor, Journal of Environmental Chemical Engineering (2025). DOI: 10.1016/j.jece.2025.118355
Begüm Bilgiç et al, Syngas biomethanation using trickle bed reactor, impact of external hydrogen addition at high loading rate, Bioresource Technology Reports (2025). DOI: 10.1016/j.biteb.2025.102197
Lu Feng et al, Bioaugmentation by enriched hydrogenotrophic methanogens into trickle bed reactors for H2/CO2 conversion, Bioresource Technology (2024). DOI: 10.1016/j.biortech.2024.131225
Getachew Birhanu Abera et al, Biofilm application for anaerobic digestion: a systematic review and an industrial scale case, Biotechnology for Biofuels and Bioproducts (2024). DOI: 10.1186/s13068-024-02592-4
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