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중국과학원 미생물 연구소 연구팀은 관련 연구개발을 통해 새로운 루트를 개척함으로써 특정 방향 전자류를 보유하고 있는 한 가지 합성 미생물 그룹을 디자인 및 개발하고 남조류의 직접적인 발전 활성이 취약한 문제를 해결하는데 성공하였음.

기존의 태양광 발전 재료는 독성 원소를 함유하고 있고, 폐기된 태양광 전지는 수량이 많고 회수하기 어려우며, 전지 부품의 제조 과정은 독성 화학제품 사용을 포함하고 있었음. 이러한 독성을 방지하기 위해 개발된 생물 광 발전(biophotovoltaics, BPV)은 태양 에너지를 이용하는 한 개 생물학적 루트를 제공하고 있는데 생물 광 발전은 광합 미생물(예를 들면 남조류(cyanobacteria))을 광전기 전환 재료로 사용한 결과 탄소 중립(Carbon Neutral), 양호한 환경 호환성과 잠재적인 저원가 등 특징을 보유하여 더욱 친환경적인 차세대 태양 에너지재료로 여겨졌으나, BPV 시스템의 출력 파워가 태양광 발전보다 세 자릿수 이상 낮은 것으로 나타났음. 그 주요 원인은 남조류(cyanobacteria) 등 광합 미생물이 비록 매우 높은 광합 효율성을 나타내고 있지만 발전 활성이 매우 약했음. 그러나 연구팀이 개발한 합성 미생물 그룹은 광 에너지를 d-유산(乳酸)에 저장할 수 있는 한 개 공정용 남조류와 효율적으로 d-유산을 이용하여 발전할 수 있는 한 개 쉬와넬라 오나이덴시스(Shewanella oneidensis)로 구성되었는데 동 합성 미생물 그룹 중의 d-유산은 두 가지 미생물 간의 에너지 캐리어 역할을 발휘하고 있음. 남조류는 광 에너지를 흡수하고, CO2를 고정시키고, 에너지 캐리어 d-유산(乳酸)을 합성하며, 쉬와넬라 오나이덴시스(Shewanella oneidensis)가 d-유산(乳酸)을 산화시켜 발전을 하고, 이런 과정을 통해 광자로부터 d-유산(乳酸), d-유산(乳酸)으로부터 다시 전기 에너지에 이르는 특정 방향의 한 갈래 전자류를 형성하며, 광 에너지로부터 화학에너지, 화학에너지로부터 전기 에너지에 이르는 에너지 전환 과정을 완성하게 됨. 이번에 연구팀이 개발한 BPV 시스템은 유전, 환경과 장치 차원의 디자인, 개선 및 최적화를 통해 두 가지 미생물 간의 생리적인 불화합성 문제를 효과적으로 극복하였으며, 이런 과정을 통해 개발한 이중 세균 생물 태양광 발전 시스템은 효율적이고 안정적인 파워 출력을 실현할 수 있을 뿐만 아니라 최대 파워 밀도는 150mW/m2 수준에 도달하여 기존의 단일 세균 생물 태양광 발전 시스템보다 10배 이상 더 높은 것으로 나타났음. 연속 유가(流加) 육성(fed-batch cultivation) 방식을 통해 "이중 세균 생물 태양광 발전 시스템은 안정적으로 40일 이상의 파워 출력을 실현할 수 있고, 평균 파워 밀도는 135mW/m2의 비교적 높은 수준에 도달할 수 있으며, 발전 시간과 단일 장치의 출력 파워 두 가지 기준 하에서 모두 기존 BPV 시스템의 최고 수준에 도달할 수 있다"는 점을 입증하였음.

이번 연구를 실행하는 과정에서 특정 방향 전자류의 합성 미생물 그룹을 이용하여 BPV 광전기 전환 효율을 뚜렷하게 향상시킬 수 있다는 점을 입증하였으며, 생물 태양광 발전 효율과 수명이 향상되기 어렵다는 고유의 편견을 깼으며, 연구팀은 이번 연구개발을 통해 BPV 광전기 전환 효율을 한층 더 향상시킬 수 있는 중요한 기반을 구축하여 그 의미가 주목되고 있음.

본 연구 성과는 Nature Communications에 게재됨.