비자연적(Electron Shuttle) vs 자연적(Self-mediated) 전자전달 매커니즘 비교

1. 비자연적 전자전달 매커니즘

비자연적 전자전달 매커니즘은 외부에서 합성된 화합물을 미생물 연료전지에 첨가하여 미생물이 생성한 전자를 전극으로 전달하는 방식입니다. 이러한 매개체는 미생물과 전극 사이에서 전자를 운반하는 역할을 하며, 대표적인 물질로는 페리시안화물(Ferricyanide), 메틸렌 블루(Methylene Blue), 뉴트랄 레드(Neutral Red) 등이 있습니다.

이러한 비자연적 매개체는 일반적으로 높은 산화환원 전위를 가지며, 전자전달 속도가 빠르고 효율이 높습니다. 예를 들어, 페리시안화물은 강력한 산화제로서 빠른 전자전달을 통해 MFC의 전류 출력을 증가시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 매개체는 장기 사용 시 독성 문제와 환경 오염의 우려가 있으며, 비용 측면에서도 부담이 될 수 있습니다. 따라서 비자연적 매개체를 사용할 때는 이러한 한계를 고려해야 합니다.

 

2. 자연적 전자전달 매커니즘

자연적 전자전달 매커니즘은 미생물이 스스로 생성하는 물질을 통해 전자를 전극으로 전달하는 방식입니다. 이러한 매개체는 미생물의 대사 과정에서 자연적으로 생성되며, 대표적인 물질로는 플라빈(Flavin)과 퀴논(Quinone) 계열이 있습니다.

플라빈은 일부 미생물이 생성하는 천연 전자전달 물질로, 미생물 연료전지에서 자연적으로 발견됩니다. 예를 들어, Shewanella oneidensis와 같은 미생물은 리보플라빈(Riboflavin)을 생성하여 전자를 전극으로 전달합니다. 퀴논은 세균 세포막에 존재하는 전자전달 매개체로, 세포 내 막을 통해 전자를 이동시키고, 일부는 외부로 분비되어 전극과 반응합니다. Geobacter sulfurreducens와 같은 미생물이 대표적입니다.

자연적 매개체는 친환경적이며, 미생물의 대사 과정에서 지속적으로 생성될 수 있어 지속 가능성이 높습니다. 그러나 전자전달 속도가 비자연적 매개체에 비해 느릴 수 있으며, 특정 미생물에서만 효율적으로 작용하는 한계가 있습니다.

 

 

3. 비자연적 매개체의 장점과 한계

비자연적 전자전달 매개체의 주요 장점은 높은 전자전달 효율과 빠른 전자 이동 속도입니다. 이러한 특성은 미생물 연료전지의 전력 출력을 향상시키는 데 기여합니다. 예를 들어, 페리시안화물은 강력한 산화제로서 빠른 전자전달을 통해 MFC의 전류 출력을 증가시킬 수 있습니다.

 

그러나 비자연적 매개체를 사용할 때는 다음과 같은 한계를 고려하여 적용해야 합니다. 

• 독성 문제: 일부 비자연적 매개체는 미생물이나 환경에 독성을 나타낼 수 있습니다.
• 환경 오염 우려: 장기 사용 시 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
• 비용 부담: 합성 및 사용에 따른 비용이 발생하여 경제적 부담이 될 수 있습니다.

 

4. 자연적 매개체의 장점과 단점

장점

• 친환경성: 미생물이 스스로 생성하는 물질로, 환경에 부정적인 영향을 주지 않습니다.
• 지속 가능성: 미생물의 대사 과정에서 지속적으로 생성되어 장기적인 사용이 가능합니다.

단점

• 전자전달 속도 제한: 비자연적 매개체에 비해 전자전달 속도가 느릴 수 있습니다.
• 특정 미생물 의존성: 특정 미생물에서만 효율적으로 작용하여 적용 범위가 제한될 수 있습니다.

이러한 단점은 미생물 연료전지의 전력 출력에 영향을 미칠 수 있으므로, 적용 시 주의가 필요합니다.

 

5. 비자연적 및 자연적 매개체의 성능 비교 및 응용 분야

비자연적 매개체와 자연적 매개체의 성능을 비교한 연구에 따르면, 비자연적 매개체를 사용한 미생물 연료전지는 초기 전력 출력이 높지만, 장기적인 안정성 및 환경 영향 측면에서 한계를 보입니다. 반면, 자연적 매개체를 활용한 시스템은 초기 전력 출력은 낮을 수 있으나, 장기적인 안정성과 친환경성에서 우수한 장점을 가지고 있습니다.