Dissimilatory metal reducing bacteria (DMRB) such as Shewanella spp. or Geobacter spp, are known to transfer electron to the solid state metal or electrode, oxidizing organic or inorganic electron donor. They can transfer the electron to solid surface, directly contacting with membrane bound c-type cytochromes and microbial conductive nanowires. However, the rate and efficiency of direct electron transfer is not enough to draw a significant influence on the possibilities for the application of these microbes to biotechnology processes. Artificially supplemented ETMs can create new routes of electron flow in the microbial energy metabolism, thereby enhancing the electron transfer from DMRB to metal or electrode. Despite the interest in the role of ETMs in microbial metal reduction in natural and engineered systems, there has not been an extensive investigation of the relative effectiveness of a broad range of natural and synthetic ETMs for enhancing the bioreduction of contaminants and current generation.
We chose cyclic nitramine explosive, hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine (RDX) as a representative contaminant because it is a powerful and highly energetic chemical and hard to degrade due to its complex molecular structure. In the batch test result, RDX reduction by CN32 alone was insignificant, while 110 ㎛ RDX was completely reduced by CN32 with riboflavin (100㎛) in 78 h. Through the parametric experiments and spectroscopic analysis, we confirmed that reduced riboflavin was responsible for the enhanced microbial reduction of RDX by Shewanella.
Also, in this study, we suggest that ETMs such as flavins and quinones play a significant role in enhanced electricity generation by Shewanella. Depending on their physical structure (i.e. redox active elements) and chemical properties (i.e. theoretical redox potential), their effect on the potential or power generation of MFC showed distinguishable differences. And by the addition of conductive iron minerals, 25% increased performance of fuel cell was obtained, resulting in formation of microbial network that is association between nanowires of Shewanella and iron mineral particles on the surface of the electrode.
These result shows that electron transfer mediated redox reactions much more enhanced the contaminant degradation and current generation by Shewanella putrefaciens CN32.
스와넬라 혹은 지오박터 종의 금속 환원 미생물은 유기 혹은 무기물의 전자 공여체을 산화시켜 고체상태의 금속 혹은 전극으로 전자를 전달한다고 알려져 있다. 이 금속 환원 미생물들은 세포막의 사이토크롬 (cytochrome)이나 나노와이어 (nanowire) 등을 이용한 직접적인 접촉을 통해 전자를 전달하기도 하지만 이러한 전자 전달 체계는 속도나 효율 면에서 미생물을 이용한 여러가지 생물학적 기술 (biotechnology)에 적용하기에는 많은 어려움이 있다. 인위적으로 첨가된 전자 전달 매개체는 미생물의 에너지 대사 과정에서 일어나는 전자 흐름에 새로운 방법을 제안하였고 미생물에서 금속 및 전극 표면으로의 전자전달을 더욱 가속화 시킨다. 자연적 혹은 조작된 환경 하에서 미생물에 의한 환원 작용에 미치는 전자 전달 매개체의 역할에 대한 관심이 증가하는 것에도 불구하고, 수 많은 종류의 자연 또는 합성 ETM이 환원적 분해나 전류 생성 증가에 미치는 상대적인 영향력에 관한 연구가 심도있게 진행되지 못하였다.
본 연구에서는 강력하고 매우 큰 에너지를 함유하며 복잡한 분자구조를 지녀 분해가 어려운 니트로아민계 방향족 화약물질, RDX를 대표적인 오염물질로 선정하였으며, 배치 실험을 통해서 CN32만으로는 거의 RDX가 분해되지 못하는 반면에 100 ㎛의 riboflavin이 추가 된 실험 조건에서는 78시간안에 RDX 110 ㎛이 모두 분해되는 결과가 나타났다. 또한 riboflavin의 농도 조건의 변화 실험을 통해 riboflavin이 향상된 분해에 주된 원인이라는 점과 실험 도중 riboflavin의 uv 스펙트럼 분석을 병행하여 미생물의 환원과 RDX 분해에 따라 산화하는 가역적인 산화 환원 성질을 증명하였다.
또한 본 논문은 flavin이나 quinone계열의 전자 전달 매개체들이 향상된 전기 생산에 주요한 역할을 하였음을 제시하고 있다. 전자 전달 매개체 고유의 분자 구조 및 화학적 성질에 따라, 미생물 연료 전지 내 포텐셜 및 전력 생성에 차이를 보였다. 그리고 산화 철 입자가 추가된 조건하에서 미생물 연료 전지의 성능은 약 25%증가 하였고 이는 전극 표면 위에서 스와넬라의 나노 와이어와 산화 철 입자가 서로 뒤엉킨 전도성 네트워크를 형성하였다.
위 결과들을 통해서 전달 전달 매개체에 의한 산화환원적 반응은 스와넬라에 의한 오염물질의 정화와 전류 생성의 상당한 향상을 가져왔다고 결론 내릴 수 있다.
