제1장 서론(Introduction) = 31
1-1 연구 개발의 목적(Purpose of the project) = 31
1-2 연구개발의 필요성(Importances of the project) = 34
1-3 연구개발의 범위(Scopes of the project) = 37
1. 전기 화학적 활성 세균(electrochemically active bacteria)의 특성연구(Characterization of the electrochemically active bacteria) = 37
2. 효율적인 생물연료전지 시스템의 구축(Development of an efficient microbial fuel cell system) = 37
3. 무매개체 미생물연료전지 기술의 응용 범위 확대 및 효율 증대 방안 조사(Applications of the mediator-less microbial fuel cell system and investigations for the construction of an efficient fuel cell system) = 38
제2장 국내외 기술개발 현황(Current world-wide microbial fuel cell technology) = 39
2-1 미생물 연료전지의 국내외 개발 현황(Recent development in the microbial fuel cell) = 39
2-2 금속염 환원 세균(Metal reducing bacteria) = 41
2-3 금속염 환원세균의 전자대사(Electron metabolisms of the metal reducing bacteria) = 46
2-4 전기 화학적 활성 세균을 이용하는 무매개체 생물 연료전지(Mediator-less microbial fuel cell using electrochemically active bacteria) = 49
제3장 연구개발수행 내용 및 결과(Experiments, results and discussion) = 51
3-1 Shewanella putrefaciens IR-1을 이용한 무매개체 미생물 연료전지의 운전(Operation of mediator-less microbial fuel cells using Shewanella putrefaciens IR-1) = 51
1. 이론적 배경(Theory) = 51
2. 실험 재료 및 방법(Materials and methods) = 53
가. 사용균주 및 배양(Strains and cultivation) = 53
나. Cyclic voltammetry를 이용한 전기 화학적 특성 조사(Investigation of electrochemical characteristics of the strain using cyclic voltammetry) = 54
다. 미생물 연료전지의 제작(Construction of microbial fuel cell formats) = 56
라. 실험 장치의 구성(System configuration) = 58
마. 유기물 분석(Organics analysis) = 58
3. 결과 및 고찰(Results and discussion) = 60
가. Shewanella putrefaciens의 전기화학적 활성(Electrochemical activity of Shewanella putrefaciens) = 60
나. 미생물 연료전지에서의 전압 및 전류 측정(Potential and current development from the microbial fuel cell) = 62
다. Sequential batch operation(Sequential batch operation of the microbial fuel cell) = 65
라. 미생물 농도의 영향(Effect of bacterial concentration) = 68
3-2 Shewanella putrefaciens IR-1의 전기 화학적 배양(Electrochemical cultivation of Shewanella putrefaciens IR-1) = 74
1. 이론적 배경(Theory) = 74
2. 실험재료 및 방법(Materials and methods) = 75
가. 사용균주 및 배지(Strains and medium) = 75
나. Three-electrode electrochemical cell(Three-electrode electrochemical cell) = 75
다. 분석 방법(analysis) = 77
3. 결과 및 고찰(Results and discussion) = 77
가. Bacterial growth in an electrochemical cell = 77
나. 고찰(Discussion) = 80
3-3 전기화학적 미생물의 농화 배양(Enrichment of electrochemically active bacteria) = 82
1. 이론적 배경(Theory) = 82
2. 실험재료 및 방법(Materials and methods) = 83
가. 사용 폐수(Used wastewater) = 83
나. 전기 화학적 활성 미생물의 농화배양(Enrichment using microbial fuel cells) = 83
다. 운전 최적화(Fuel cell optimization) = 84
라. 호흡저해제의 영향(Effect of respiration inhibitor) = 84
마. Alternative Electron Acceptor의 영향(Effect of alternative electron acceptor) = 86
바. 분석방법(Analysis) = 86
(1) 전압과 쿨롱의 측정(Coulomb) = 86
(2) COD = 87
(3) TOC = 87
(4) 유기산(Organic acid) = 87
(5) 음이온 (Anion) = 88
(6) Energy conversion = 88
(7) Microscopy = 88
3. 실험결과 및 고찰(Results and discussion) = 89
가. 전기 화학적 활성 세균의 농화배양과 미생물 연료전지의 운전(Enrichment and operation) = 89
나. 전극에 농화 배양된 미생물의 형태학적 관찰(Morphological observation of enriched bacteria) = 92
다. 전기화학적 활성 미생물이 농화배양된 연료전지의 운전(Operation of the microbial fuel cell containing enriched bacteria) = 99
(1) 전압 및 전류 발생(Voltage and current generation) = 99
(2) COD의 변화(COD change) = 99
(3) pH의 영향(Effect of pH) = 101
(4) 온도의 영향(Effect of temperature) = 105
(5) 저항의 영향(Effect of resistance) = 110
(6) 음극부의 주입되는 질소의 영향(Effect of nitrogen gas) = 115
(7) 양극부로 주입되는 공기의 영향(Effect of air) = 118
(8) 전극 넓이의 영향(Effect of electrode area) = 121
(9) 양이온 교환 막 넓이의 영향(Effect of ion-exchange membrane area) = 124
(10) 저해제의 영향(Effect of inhibitor) = 127
(11) 전자공여체의 영향(Effect of electron donor) = 127
(12) 전자수용체의 영향(Effect of electron acceptor) = 133
(가) air = 133
(나) nitrate = 133
(다) nitrite = 136
(라) sulfate = 139
3-4 미생물 연료전지의 구성 최적화(Optimization of the mediator-less microbial fuel cell structure) = 139
1. 이론적 배경(Theory) = 139
2. 실험 재료 및 방법(Materials and methods) = 140
가. 연료전지의 형태 및 electrode-lead connection(fuel cell structure and electrode connection) = 140
나. packed-bed type의 graphite granule electrode의 사용(Packed-bed electrode) = 143
3. 결과 및 고찰(Results and discussion) = 144
가. Packed-bed electrode를 사용한 연료전지의 운전(Operation of the fuel cell with packed-bed electrode) = 144
나. Electrode connection = 146
3-5 폐수의 특성에 따른 연료전지의 운전특성(Characterization of the microbial fuel cell with different type of wastewater) = 147
1. 실험재료 및 방법(Materials and methods) = 147
가. 생물연료전지의 구성(Configuration of the microbial fuel cell) = 147
나. 생물연료전지 시스템의 구성(System configuration) = 147
다. 인공폐수의 제조(Artificial wastewater) = 151
라. 농화배양(Enrichment) = 151
마. 폐수 농도의 영향(Effect of wastewater concentration) = 152
바. 폐수 공급속도의 영향(Effect of wastewater feeding rate) = 152
사. 저항의 영향(Effect of resistance) = 152
2. 결과 및 고찰(Results and discussion) = 153
가. 폐수의 농도에 따른 전류생산량 변화(Variation of current with different concentrations of wastewater) = 153
나. 폐수의 공급속도에 따른 전류생산 변화(Variation of current with different feeding rates) = 153
다. 저항의 변화에 따른 폐수처리능 및 전류 생산 변화(Variation of wastewater treatment capacity with different resistance) = 159
3-6 연료전지 양극에서 농화된 전기화학적 활성 미생물의 검색(Investigation of electrochemically active bacteria in the anode compartment) = 162
1. 이론적 배경(Theory) = 162
2. 실험재료 및 방법(Materials and methods) = 163
가. 균주(Strains) = 163
나. 배지와 배양조건(Medium and cultivation condition) = 164
다. 형태학상의 특성(Morphological characteristics) = 166
라. 생화학적인 특성(Biochemical characteristics) = 167
(1) 전분과 esculin 가수분해(Starch and esculin hydrolysis) = 167
(2) 지방과 젤라틴 가수분해(Lipid and gelatin hydrolysis) = 168
(3) 황화수소의 생산(Hydrogen sulfide production) = 168
(4) Indole 생산(Indole production) = 168
(5) Lecithinase 활성(Lecithinase activity) = 169
(6) Oxidase and Catalase Test = 169
(7) Methyl Red and Voges-Proskauer (MR-VP)Test = 169
(8) Carbohydrates Utilization = 170
마. Whole Cell의 지방산 분석(Fatty acid analysis) = 170
바. 16S rDNA gene sequencing과 분석(16s rDNA Sequencing) = 171
사. Cyclic Voltammogram = 171
아. 미생물연료전지의 운전(Operation of the microbial fuel cell) = 171
자. 분석(Analysis) = 172
3. 결과 및 고찰(Results and discussion) = 173
가. 농화의 분리(Enrichment and isolation of the electrochemically active bacteria) = 173
나. 형태학적·생리학적 특성(Morphological and biochemical characteristics) = 173
다. 성장특성(Growth profile of the isolation) = 177
라. 세포의 지방산 합성 분석(Fatty acid analysis) = 181
마. Phylogentic analysis = 181
바. Metabolic analysis = 181
사. 전기화학 활성(Electrochemical activity) = 184
아. 연료전지에서 전류의 생산(Current generation using the isolate) = 184
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도(Evaluation of the project) = 187
4-1 연구개발목표의 달성도(Accomplishment of the project) = 187
1. 본 과제의 연구개발 목표(Objectives) = 187
2. 연도별 연구목표 및 평가 착안점(Evaluation points) = 187
3. 연구개발 목표의 달성도(Accomplishment of the projects) = 189
4-2 관련분야 기술발전 기여도(Influence of the project toward related technology) = 190
제5장 연구 개발 결과의 활용계획(Further research plan using the results) = 193
5-1 폐수처리 및 폐수자원화(Wastewater treatment and electricity generation) = 193
5-2 BOD 측정용 센서의 개발(BOD sensor) = 195
제6장 참고문헌(References) = 197
