친환경의 처음부터 끝까지, 이제는 미생물과 함께!

친환경의 처음부터 끝까지, 이제는 미생물과 함께!

대학생신재생에너지기자단 21기 길민석

 

수천억 개의 환경지킴이

미생물은 육안으로 관찰하기 어려울 정도로 작은 생물이지만, 당신이 글을 읽는 지금 이 순간에도 이 미생물은 환경정화를 위해 최선을 다하고 있다. 우리가 흔히 알고 있는 '플라스틱 분해'가 그 대표적인 예시이다. 미생물이 없었다면, 애초에 플라스틱은 분해가 거의 되지 않고, 만약 된다고 해도 완전분해는 불가능했을 것이다.

[자료 1. 미생물에 의해 플라스틱이 완전분해되는 과정 ]

출처 : ScienceTimes

미세 플라스틱, 한국 영토의 16배에 달하는 '태평양 플라스틱 쓰레기 섬' 등 전 세계적으로 플라스틱 오염 문제가 매우 심각한 현시점에서 미생물은 '환경정화 및 보호' 측면에서 없어서는 안되는 존재임을 알 수 있다.

이렇듯, 미생물은 우리가 사용하고 버린 플라스틱을 분해하여 환경을 정화하고 있다.  하지만, 여기서 끝이 아니다. 미생물은 단지 '분해' 그뿐만 아니라 다양한 고부가가치 물질을 '합성'까지 할 수 있다. 

 

미생물을 이용한 화학원료 생산

숙신산(Succinic Acid)은 C4 -디카복실산으로 바이오화학물질의 핵심 전구체로서 플라스틱, 코팅소재, 합성 가소제, 우레탄 등의 원료로 사용되며 화학, 식품, 제약업계 등에 널리 활용되는 물질이다. 이 숙신산은 기존에 화석연료를 기반으로 생산됐지만, 이 또한 미생물을 이용해 생산할 수 있게 됐다.

[자료 2. 숙신산(Succinic acid)의 화학구조]

출처 : 케미컬뉴스

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 이상엽 특훈교수 연구팀과 경북대 김경진 교수 연구팀이 시스템 대사공학을 이용해 미생물 기반의 바이오 숙신산 대량 생산을 가능케 하는 세계 최고의 효율을 지닌 숙신산 생산 균주를 개발하는 데 성공했다고 6일 발표했다.

[자료 3. 개발된 미생물의 숙신산 생산 대사회로]

출처 : 케미컬뉴스

연구팀은 한우의 반추위에서 분리한 미생물인 맨하이미아(Mannheimia)의 대사회로를 조작해 숙신산을 생산하는 연구를 지속해 왔으며 이번에 세계 최고의 생산 효율을 지닌 숙신산을 생산할 수 있는 개량 균주를 개발하는 데 성공했다.

이러한 기술 개발이 가지는 의의는 우선 화석연료에 대한 의존도를 낮추는 데 있다. 화석연료의 고갈 문제 및 화석연료 기반 산업 과정으로 부터 발생되는 다양한 환경오염 및 기후변화 문제가 심각해지는데, 이를 위와 같은 바이오 기반 공정으로 대체한다면 이와 같은 문제를 해결할 수 있다. 나아가 탄소 저감에 있어서도 큰 의의를 가진다. 실제로 이번 연구에서도 숙신산은 탄소 4개로 구성된 다이카복실산인데 대사과정에 있어 숙신산 한 분자를 생산할 때 이산화탄소 한 분자를 소모한다. 따라서 미생물 배양에 의한 숙신산 생산을 통해 이산화탄소의 저감에 기여하는 것이다. 

 

미생물로 알록달록하게! 

위의 화학원료에서 나아가 미생물은 우리에게 천연색소를 가져다준다. 기존의 색소 중 대부분은 석유 화합물로부터 생산되는 합성 색소이며, 색소의 사용이 실생활에 널리 활용되는 만큼 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라 합성 색소를 이용해 각종 옷감을 염색하면서 발생하는 폐수가 전체 산업용 폐수의 17~20%를 차지한다는 보고가 있을 정도로, 합성 색소는 수질오염에도 지대한 영향을 미치고 있다. 그렇기에, 천연색소 생산이 건강 및 환경에 있어서 그 필요성이 강조되는데, 이 또한 미생물이 해결사로 나섰다.

[자료 4. 미생물로 생산한 7가지 무지개 천연 색소]

출처 : 동아사이언스

KAIST 생명화학공학과 양동수 박사와 박선영 박사를 포함한 이상엽 특훈교수 연구팀이 `일곱 빛깔의 천연 무지개 색소를 생산하는 미생물 균주 개발'에 성공했다고 8일 밝혔다. 연구팀은 미생물의 대사회로를 조작하는 대사공학 기술을 이용해 카로티노이드 계열 색소인 아스타잔틴(빨강) 베타-카로틴(주황) 제아잔틴(노랑)과 비올라세인 유도체 계열 색소인 프로비올라세인(초록) 프로디옥시비올라세인(파랑) 비올라세인(남색) 디옥시비올라세인(보라)을 생산하는 대장균들을 개발했다.

위의 연구 또한 미생물이 색소, 의약품, 영양보조제 등 다양한 고부가가치 물질을 생산한 사례로, 기존 석유 화합물 기반의 합성 색소를 미생물 기반의 천연 색소로 대체해 환경에 미치는 영향을 줄이려는 데 의의가 있다. 

 

친환경의 처음부터 끝까지, 이제는 미생물과 함께

이제 미생물은 단순히 플라스틱 및 폐기물 '분해'에서 나아가 대사회로를 조작해 다양한 고부가가치 물질을 '생산'한다. 이러한 산업을  '화이트 바이오'라고 하는데, 화이트 바이오는 식물 등 재생 가능한 자원을 이용하거나 미생물·효소 등을 활용해 기존 화학·에너지 산업의 소재를 바이오 기반으로 대체하는 산업을 의미한다.

[자료 5. 화이트 바이오 세계 시장 규모 전망]

출처 : 중기이코노미

시장조사업체 어드로이트 마켓 리서치(Adroit Market Research)에 따르면, 세계 화이트 바이오산업 시장은 연평균 10.1% 성장해 2019년 2,378억 달러(약 281조 원)에서 2028년에는 약 5,609억 달러(약 662조 원) 규모로 커질 것으로 전망된다. 이는 올해 세계 반도체 예상 매출액 규모인 5,509억 달러(세계반도체무역통계기구 8월 전망치)를 웃도는 수준이다. 또한 OECD는 2030년 세계 바이오경제에서 화이트 바이오산업의 총 부가가치 비중(39%)이 레드 바이오(의약·의료), 그린 바이오(식품·농업·자원) 분야를 제치고 가장 클 것으로 전망했다. 

이렇듯, 이제는 친환경의 처음인 '생산'에서부터 끝에 해당하는 '분해'까지 미생물과 함께하는 시대가 왔다. 눈에 보이지도 않는 작디작은 미생물이 하나의 산업 주체가 되어 우리에게 친환경적으로 많은 고부가가치 물질을 만들어 주고 있다는 것이 새삼 놀랍지 않은가? 앞으로도 이 화이트 바이오산업 생태계가 확장될 것이다. 우리가 현 시점에서 제일 중점을 두는 '친환경 사이클'에서의 미생물의 역할을 기대해본다. 

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미생물에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "미생물로 농약을 만든다고?", 19기 김다빈, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3320

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2. "핵 폐기물을 관리하는 새로운 방법, 미생물의 이용", 15기 민정윤 외 2명,

https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3041

핵 폐기물을 관리하는 새로운 방법, 미생물의 이용

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참고문헌

[수천억 개의 환경지킴이]

1) 황지혜, "한 달 안에 분해되는 마스크?", ScienceTimes, 2021.04.23.,

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ED%95%9C-%EB%8B%AC-%EC%95%88%EC%97%90-%EB%B6%84%ED%95%B4%EB%90%98%EB%8A%94-%EB%A7%88%EC%8A%A4%ED%81%AC-%ED%94%8C%EB%9D%BC%EC%8A%A4%ED%8B%B1-%EB%A8%B9%EA%B3%A0-%EC%82%AC%EB%8A%94-%EB%AF%B8%EC%83%9D/

[미생물을 이용한 화학원료 생산]

1) 선우정, "[사이언스] KAIST, 미생물 기반 바이오 숙신산을 대량 생산하는 기술 개발에 성공", 특허뉴스, 2020.05.06.,

 https://www.e-patentnews.com/6621

2) 심성필, "KAIST, 세계 최고 효율의 '숙신산' 생산 균주 개발...친환경 대량생산 가능", 케미컬뉴스, 2020.05.06.,

http://www.chemicalnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=2196

3) 우한민.(2014).FOCUS - 미세조류부터 바이오플라스틱 원료인 숙신산 세계최초 생산.과학과 기술 ,544(),50-54.

[미생물로 알록달록하게!]

1) 김민수, "대장균이 무지갯빛 색소 생산한다", 동아사이언스, 2021.06.08.,

https://m.dongascience.com/news.php?idx=47127 

[친환경의 처음부터 끝까지, 이제는 미생물과 함께]

1) 권선형, ""연평균 10% 이상 고성장하는 화이트 바이오산업, 선점이 중요하다"”, 인더스트리 뉴스, 2021.09.02.,

https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=43584

2) 김준호, "화이트 바이오 산업···탈플라스틱 시대를 연다", 중기이코노미, 2021.09.02.,

https://www.junggi.co.kr/article/articleView.html?no=27428