기후 변화 대응을 위해 전 세계는 탄소중립 사회로 전환 중이며, 탄소중립 구현 및 바이오경제 발전을 위해 친환경적인 생물공정 기반의 화이트바이오 산업이 많은 관심을 받고 있다. 화이트 바이오 기술 중에서도 특히, 생물학적 이산화탄소 전환기술은 대기 중 이산화탄소를 직접 고정할 수 있는 미생물을 이용하여 이산화탄소를 바이오 연료 및 고부가가치 바이오소재로 전환하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 국가 온실가스 감축목표 달성에 기여할 뿐 아니라, 친환경 화학제품 생산을 위한 대체 원료로 이산화탄소를 이용할 수 있다. 이러한 이산화탄소 기반 생물 산업은 환경 및 자원 위기 측면에서 높은 잠재성을 보유하며, 천연자원 보유량이 낮은 우리나라가 선도해야할 분야이다. 미생물 기반 생물공정은 다양한 바이오소재를 친환경적이고 경제적으로 생산할 수 있는 유망한 생산 플랫폼으로서, 최근 미생물 대사공학 및 합성생물학 기술 발전에 따라 생산 가능한 유용소재의 범위 및 생산성이 크게 증가하고 있다.

생물학적 이산화탄소 전환 기술은 크게 광합성 미생물 그리고 비광합성(전기생합성) 미생물을 이용한 기술로 분류될 수 있다. 광합성/전기생합성 미생물 기반 이산화탄소 전환 대사과정에 필요한 에너지 소비 과정은 태양광에너지로 대체될 수 있으며, 이를 통해 생물학적 이산화탄소 자원화 과정에서 요구되는 에너지 문제에서 자유롭다. 광합성미생물로 분류되는 조류(algae)는 육상식물을 제외하고 물과 이산화탄소, 태양광을 이용하여 광합성 성장이 가능한 모든 광합성 생물을 포함하며, 거대 조류 및 미세조류가 대표적이다. 광합성 미생물의 경우, 이산화탄소로부터 바이오디젤을 생산하는 미세조류 기반 바이오리파이너리 연구가 많은 관심을 받아왔다. 하지만 미세조류 및 시아노박테리아 기반 이산화탄소 전환 광배양시스템은 제한적 파장대 이용, 대면적 광배양기 형태 등 상용화하기 위해서는 아직 극복해야할 한계점이 존재한다.

한편 비광합성 미생물의 경우, 광/전기화학 기반 물분해 시스템(water splitting system)에 수소산화박테리아를 포함하는 무기독립영양생물(chemolithoautotroph)을 적용하여 이산화탄소를 전환한다. 미생물 전기생합성(microbial electrosynthesis; MES) 기술은 전기로부터 미생물이 환원력(전자, 수소 등)을 공급받아 이산화탄소를 바이오소재로 전환하는 융복합 기술이다. 특히 최근에는 ‘Electrofuels’ 생산을 위해 신재생 전기에너지 기반 미생물 전기생합성 공정은 미국과 유럽을 중심으로 원천기술 개발이 활발히 이루어져왔다. 2010년에 처음으로 재생전기 이용 미생물 전기생합성 시스템 컨셉이 제안되었고, 이 기술은 무기독립영양미생물, 미생물에 전자를 공급하는 지지체(전극), 전기에너지 공급체, 그리고 미생물 배양 환경(영양분, pH, 온도)으로 구성되어 있다(Nevin et al., 2010; Rabaey et al., 2011). 미생물 전기생합성 기술은 식물 광합성 및 광합성 미생물 기반 이산화탄소 전환 기술 대비 높은 태양광에너지 전환 효율을 보이며, 축소된 배양 면적, 다양한 미생물의 이산화탄소 고정화 및 대사경로 엔지니어링 전략을 통한 다양한 바이오소재 생산범위 확장 등의 다양한 장점을 보유하고 있다. 환경문제 해결과 함께 장기적으로 경쟁력을 갖는 기술이 될 수 있으나, 아직 국내외로 산업적으로 활용하기에 미흡한 수준이다. 이 기술의 상용화를 위해서는 다양한 전자전달 경로 기반 미생물 활용을 통한 경제성 제고 기술 개발 및 생적합성(biocompatibility)과 경제성을 모두 확보한 전기화학 촉매 및 생물전기화학 반응기 개발이 필수적이다.

미생물 전기생합성 기술은 차세대 식품, 환경 및 화학 분야에 고부가가치 신규 시장 창출이 가능한 융합기술로서 탈석유화 및 친환경 제품 생산 관련 사업의 지속적인 성장에 기여 가능하다. 보다 적극적인 온실가스 감축 노력이 요구되는 가운데, 이산화탄소는 단순히 버려지는 폐기물이 아닌 유용한 탄소자원으로 재활용되는 기술 개발이 가속화되고 있다. 위에 서술된 이산화탄소의 미생물 기반 전환 기술과 미생물 대사공학의 접목을 통해 다양한 바이오소재 생산 효율이 향상될 경우, 온실가스 배출량을 저감할뿐 아니라 생산제품의 친환경화를 통해 새로운 이익을 창출할 수 있다.

참고문헌

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