[위즈덤 네이처] 두 얼굴의 “친환경” 바이오매스, 미생물로 해결하다

February 3, 2023March 15, 2023 wisdomagorauae

[위즈덤 아고라 / 장석현 기자] 바이오매스란 식물이나 미생물 같은 유기체를 이용한 에너지원으로 최근 우크라이나 전쟁으로 에너지 안보와 석유대체 에너지에 대한 많은 국가들의 관심이 높아지면서 많은 관심을 받고 있다.

현재 바이오매스는 하수 슬러지, 농산물 잔여물 등 이전보다는 그 종류가 다양해졌으나 아직까지도 팜오일, 사탕수수, 옥수수 같은 이른바 ‘1세대 바이오매스’인 곡물 위주로 운용되고 있다. 곡물을 이용한 바이오매스는 인위적으로 공급량을 조절할 수 있는데 이는 산림훼손, 생태계 변화 같은 1차적인 피해는 물론 과도한 생산으로 인한 곡물과 식량가격 폭등으로 저소득국가의 식량안보 위기를 심화시키는 2차적인 피해까지 발생시킨다는 문제점을 지닌다.

이로 인해 비식용자원으로 바이오연료를 개발하기 위해 폐목재를 비롯한 목질계 자원을 ‘2세대 바이오매스’로 칭하며 연구한 결과, 목재 가공 과정에서 버려지는 나무와 톱밥 등을 목재펠릿이라는 고체 연료로 변형해서 사용하게 되었다. 그러나 곡물 자원만큼 많이 사용되고 있는 목재 펠릿은 연소할 때 수은과 포름알데히드 등 석탄의 10배 이상 유해물질을 배출하여 친환경성을 위한 바이오매스로써는 적합하다고 할 수는 없지만, 신재생에너지 의무량을 채워야 하는 기업들의 입장에서 목재 팰렛은 이용이 쉬워 우리나라 전체 바이오매스 발전량의 45%를 차지하고 있다.

**< 고효율 바이오연료 생산 미생물 공정 과정 – KIST 제공 >**

그래서 대안으로 제안된 방법이 펠릿을 연소하는 대신, 미생물을 이용해 목질에서 직접 셀룰로스 같은 단당류를 분리해 바이오디젤연료의 원료인 ‘탄화수소(Hydrocarbon)’를 만드는 것이다. 하지만, 탄화수소를 생산하려면 먼저 수증기, 산, 알칼리 같은 물질들을 사용해 전처리 과정을 거치게 되는데, 이때 발생하는 아세트산으로 인해 전체적인 탄화수소 생산량이 매우 낮아진다. 이 점을 해결하기 위해 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 연구팀은 유전자가위를 이용해 바이오연료 생산 미생물인 ‘사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces Cerevisiae)’의 유전체를 편집하여 아세트산에 대한 저항성을 증진시켜 기존 생산법에서 버려지던 성분들을 모두 보존할 수 있게 되었다. 그 결과, 이론적 최대 수치인 98%의 수율로 탄화수소를 생산할 수 있게 되었다.

최근에는 미세조류를 이용한 바이오매스가 ‘3세대 바이오매스’로 연구되고 있다. 조류란, 수중에서 존재하는 식물을 의미하며 그 종류 또한 다양해 아직까지도 완전히 분류가 되지 않은 상태이다. 이런 조류 중에 맨눈으로 확인할 수 없는 작은 크기의 조류를 미세조류라고 하며 단세포 미생물을 말한다. 미세조류의 가장 큰 장점은 대기나 해수에 분포되어 있는 이산화탄소를 주 에너지원으로 삼기 때문에 대규모 경작지가 필요 없으며 육상식물보다 지질(Lipid)과 탄수화물 함유량이 높아 바이오디젤의 원료로도 각광받고 있어 특히, 항공유로의 사용이 매우 기대되는 된다는 점이다. 항공유는 전기화가 가장 어려운 분야 중 하나로, 친환경 연료의 개발이 필연적이다. 더불어 개발과정에서 만들어지는 해조류 찌꺼기(Biomass Residue)는 다른 에너지제품 생산에 재활용이 가능하다는 점에서 미세조류를 이용한 바이오에너지의 추가적인 잠재적 가치는 매우 높다.

미국 유타주립대 제프 무디 연구팀의 연구결과에 따르면, 1에이커의 미세조류가 1년 동안 생산하는 바이오연료의 양은 약 2500갤런으로, 대두나 옥수수 바이오 연료(18~48갤런) 보다 몇배는 더 많이 생성함을 증명했다. 무디 연구팀은 이 정도의 효율이면 미국, 중국, 브라질, 캐나다의 연간 연료소비량의 30% 이상을 충당할 수 있을 것이라고 평가하기도 했다.

또한, 국립생물자원관은 최근 대다수의 바이오매스 생성 미생물보다 빠르게 증식하며 바이오연료를 2배 이상으로 생산할 수 있는 다생 미생물을 배양하는 데 성공했다. 바로 낙동강 수변에서 채집한 난배양성 자생 미생물 ‘슈드아나배나 뮤시콜라 지오0704(Pseudanabaena Mucicola GO0704)’이라는 미세조류다. 일반적인 바이오매스 생성 미생물은 일반적인 광배양 조건에서 수확까지 대략 3주 정도 소요되지만, 지오0704는 1주 이내 수확할 수 있었다. 또한, 최적의 배양조건을 연구한 결과, 아세트산나트륨을 첨가했을 때 기간을 4일까지 단축시켰으며, 부틸산을 첨가했을 때는 1일당 바이오연료 생산량을 2배 이상으로까지 향상시킬 수 있었다.

바이오매스는 산업혁신과 화이트 바이오를 이끌어갈 가치산업으로써 매우 우수한 에너지 자원으로 보일 수 있으나, 산림훼손이나 유해물질을 유출한다는 점에서 의도치 않은 환경피해를 유발한다. EU와 미국은 이런 점을 인지하고 바이오매스가 온실가스 감축에 기여하고 생물다양성을 보전할 수 있도록 바이오매스 지속가능성 기준(Sustainability Criteria)을 제정하는 정책을 설정했다.

우리나라도 국제표준에 맞추어 바이오매스의 이면에 존재하는 문제점들을 잘 인지하고 식량 경합성이나 토지 관련 문제가 없도록 가이드라인을 설정해야 하고 더욱 지속적인 지원이 필요하다. 이상적이고 완벽한 에너지를 찾는 것은 거의 불가능에 가깝기에, 우선적으로 각각의 에너지원이 가진 장점을 최대화 하고 단점을 최소화하는 제도가 마련되어야 기술이 발전할 수 있기 때문이다.

[위즈덤 네이처] 우리 몸부터 자연까지,‘모든 곳에 존재하지만 보이지 않는 능력자,’ 미생물의 대한 이야기를 학생들이 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 장석현 기자의 ‘위즈덤 네이처’로 미생물의 세계에 만나 보세요.