국내 연구진이 수소 산화 박테리아에서 착안, 공기중 이산화탄소에서 바이오플라스틱을 생성하는 기술을 개발했다.
이산화탄소를 먹고 친환경 바이오플라스틱을 만드는 능력을 지닌 수소 산화 박테리아를 모방해 직접 탄배출량을 줄일 수 있는 획기적인 개념이다.
특히 온실가스 배출량을 줄이기 위해 전 세계가 탄소저감 기술 개발에 주목하고 있는 가운데, 역발상으로 생체모방 기술을 활용해 탄소에서 탄소중립 해결물질을 찾은 것이다.
한국과학기술연구원(KIST) 고자경·이동기 청정에너지연구센터 박사 연구팀은 공기중의 이산화탄소를 이용해 바이오플라스틱을 만들어내는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
연구팀은 전기화학 시스템과 미생물 배양 시스템을 결합, 공기 중 이산화탄소에서 친환경 바이오플라스틱인 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 생성할 수 있는 생물-전기 융합기술을 확보하는데 성공했다.
PHA는 미생물에 의해 합성되는 천연 고분자로서 토양 뿐 아니라 해양 환경에서도 생분해되며 식품 포장재, 의료용품 등에 널리 사용되는 친환경 물질이다.
연구팀은 미생물 배양을 위해 물을 전기 분해해 실시간으로 생산된 수소를 에너지원으로 공급하고 이를 통해 이산화탄소로부터 바이오플라스틱을 생산할 수 있는 방법을 고안했다.
연구팀은 물을 전기 분해하는 과정에서 활성산소와 금속이온 같은 독성 물질이 생성돼 미생물 성장을 저해하는 문제가 있어서 미생물에 대한 독성이 매우 낮고 쉽게 금속으로 돌아갈 수 있는 특성을 가진 구리를 촉매제로 첨가해 해결했다.
연구팀은 촉매 표면에 코팅된 구리가 미생물 배양액에 녹았다가 다시 전극으로 돌아가는 순환 과정에서 활성 산소를 빠르게 분해하는 독성물질 자가해독 메커니즘을 규명하는데 성공했다고 설명했다.
이에 따라 기존 촉매를 활용할 때보다 수소 생산성 및 활성 산소 제거 속도가 크게 높아졌을 뿐만 아니라 활성산소 생산량이 현저히 감소해 300mg/ℓ 였던 미생물 유래 PHA 생산성을 487mg/ℓ 로 높였다.
연구팀은 앞으로 이산화탄소로부터 생성되는 PHA 대량 생산을 위해 생물-전기 반응조 대용량화 및 반응 조건 최적화 연구를 이어나갈 예정이다.
연구팀의 또 다른 과제는 석유 기반 플라스틱이나 다른 바이오플라스틱보다 2~5배 높은 생산 단가를 낮추는 일이다. 이는 향후 상용화 과정에서 경제성과 직결되는 문제이기 때문이다.
연구팀은 미생물 유래 PHA가 비닐, 플라스틱 용기 등 다양한 시장에서 탄소중립을 동시에 실현할 수 있는 차세대 친환경 플라스틱으로 자리매김하는데 총력을 기울일 계획이다.
고자경 KIST 박사는 “이번 연구는 생물공학과 전기화학 분야 융합 원천 기술로 전기에너지로 이산화탄소를 복잡한 고분자 물질로 바로 변환할 수 있음을 보여주는 좋은 사례”라며 “향후 대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 탄소중립을 위한 핵심 기술로 많은 발전과 활용이 기대된다”고 강조했다.
한편 호주 뉴사우스웨일스대(UNSW)의 미생물학자 벨린다 페라리 박사가 이끄는 연구진은 2020년 8월국제 학술지 ‘프론티어스 인 마이크로바이올로지’(Frontiers in Microbiology)'에 게재된 논문에서 박테리아는 대기 중의 수소 가스를 받아들여 산화함으로써 대기 중의 이산화탄소를 탄소로 바꾸는 능력을 갖춘 것으로 규명한 바 있다.
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