바이오 연료와 가스, 플라스틱과 같은 바이오 소재를 개발할 수 있는 미생물이 잇따라 발견돼 바이오산업과 환경 살리기에 계기가 될 것으로 기대를 모은다. 국립생물자원관은 기존 미생물(미세조류)보다 빠르게 증식하며 바이오연료를 2배 생산할 수 있는 자생 미생물을 최근 배양하는 데 성공했다. 국립생물자원관은 하수처리장의 잉여슬러지를 분해해 슬러지를 감량하고, 바이오가스의 생산을 증가시켜 하수처리장의 에너지 자립화에 기여할 수 있는 유용 미생물 4종을 최근 분리‧확보했다. 이에 앞서 국립생물자원관은 포름산염을 먹이로 삼아 고부가가치 바이오플라스틱 소재를 생산하는 미생물 2종을 최근 분리 배양하는 데 성공했다..

바이오연료 후보 미생물 찾았다

국립생물자원관은 최근 기존 미생물(미세조류)보다 빠르게 증식하며 바이오연료를 2배 생산할 수 있는 자생 미생물을 최근 배양하는 데 성공했다.

국립생물자원관 연구진은 지난 2020년 경남 달성군 낙동강 수변에서 난배양성 자생 미생물 ‘슈드아나배나 뮤시콜라 지오0704(이하 지오0704)’를 채집한 뒤에 2021년 2월부터 최근까지 관련 연구에 들어갔다. 연구진은 ‘지오0704’의 배양에 성공했으며, 빠른 생육 특성을 보이는 이 미생물이 바이오연료로 활용될 가능성이 높은 것을 확인했다.

자생 미생물인 지오0704의 가장 큰 특징은 매우 빠르게 증식하는 것이다.  기존에 연구된 미생물(미세조류)이 일반적인 광배양 조건에서 수확까지 3주 정도 소요되지만, 이 미생물은 1주 이내에 수확할 수 있다. 지오0704의 빠른 생육은 발효 과정 등을 통해 바이오연료(바이오디젤과 바이오에탄올)를 생산하는 미생물로 활용될 수 있다.

연구진은 이 같은 특성에 착안해 최윤이 고려대 교수 연구진과 함께 지오0704의 바이오연료 생산량을 늘리는 최적의 배양조건을 찾는 연구를 수행했다. 그 결과, 혼합영양 배양 과정에서 휘발성지방산 중 아세트산나트륨을 첨가했을 때 최적의 배양 기간을 4일까지 단축시켰고, 부틸산을 첨가했을 경우 1일당 바이오연료 생산량이 2배 이상 향상되는 것을 확인했다. 

한편, 국립생물자원관은 지오0704의 특성을 유전체 수준에서 밝히는 연구를 추가로 진행하여 향후 생산성 증대를 위한 유전공학 연구에 활용될 수 있는 기반을 마련할 계획이다.

바이오가스 생산 증대하는 미생물 4종 찾았다

국립생물자원관은 하수처리장의 잉여슬러지를 분해해 슬러지를 감량하고, 바이오가스(메탄)의 생산을 증가시켜 하수처리장의 에너지 자립화에 기여할 수 있는 유용 미생물 4종을 최근 분리‧확보했다.

잉여슬러지는 대부분이 수분을 내포하고 있는 미생물로 구성돼 있고, 미생물들은 세포벽으로 보호되고 있어 세포벽을 파괴하면 슬러지의 분해효율이 높아진다. 미생물로부터 용출된 유기물을 ‘혐기성 소화조’ 내의 세균들을 이용하면 바이오가스 생산을 증가시킬 수 있다.

연구진은 이 같은 점에 착안해 지난 2021년부터 관련 연구를 통해 65℃의 고온에서 성장하며 미생물의 세포벽 파괴에 활성이 있는 4종의 미생물들을 하수슬러지와 퇴비에서 찾아냈다

이들 4종의 복합 미생물은 미생물을 처리하지 않았을 때보다 2시간째 약 45% 향상된 효율로 세포벽을 파괴하여 유기물을 용출시켰고, 6일째부터 26%이상 메탄생산 효율이 향상되는 효과가 있는 것으로 확인됐다.

연구진은 이번에 발견한 복합 미생물을 적용하면 기존 고온고압(140-165℃, 6bar)의 잉여슬러지 전처리 공정 온도를 65℃로 낮출 수 있을 뿐만 아니라 대기압(1bar) 조건에서 반응이 이루어져 에너지 소비를 대폭 줄일 수 있을 것으로 예상했다. 특히, 슬러지의 분해로 수분 제거가 쉬워져 최종 하수슬러지의 소각, 건조매립, 건조 연료화 등 처리에 필요한 에너지를 추가로 줄일 수 있어 탄소중립 이행에도 도움이 될 것으로 보인다.

이병희 국립생물자원관 유용자원분석과장은 “우리나라 생물자원을 이용해 환경문제에 선제적으로 대응하고, 탄소중립 정책에도 기여할 수 있는 생물자원 확보를 지속적으로 추진할 계획”이라고 밝혔다.

바이오플라스틱 소재 만드는 미생물 분리 성공

이에 앞서 국립생물자원관은 포름산염을 먹이로 삼아 고부가가치 바이오플라스틱 소재를 생산하는 미생물 2종을 최근 분리 배양하는 데 성공했다. 

개미산이라고 불리는 포름산염(폼산염)은 수소, 탄소, 산소로 이뤄진 산성 액체(카복실산, CH2O2)다. 최근 이산화탄소(CO2)와 수소(H2) 기체를 합성해 포름산염으로 전환하는 온실가스 저감 기술(탄소 포집 및 활용·저장)이 주목받고 있다.

국립생물자원관은 일부 미생물이 ‘탄소 포집 및 활용·저장 기술 (CCUS)'로 발생한 포름산염을 섭취해 바이오플라스틱을 생산할 수 있다는 점에 착안해 올해 초부터 고려대학교 및 원광대학교 연구진과 연구를 추진했다.

연구진은 이들 2종의 미생물을 국내 하천 및 저수지 등에서  찾아냈으며, 기존에 알려진 메탄올자화균 메틸로러브럼(Methylorubrum)보다 5배 이상의 포름산염을 섭취해 바이오플라스틱을  생산하는 것을 확인했다.  이들 균이 생산하는 바이오플라스틱 소재는 폴리하이드록시부티레이트(Polyhydroxybutyrate, PHB)로 석유로 만든 일반 플라스틱과 성질이 비슷하지만 자연상태에서 쉽게 분해되는 장점을 갖추고 있으며 화장품 용기나 재활용 플라스틱, 수술용 봉합사 등의 제작에 쓰이고 있다.

연구진은 고부가가치 화합물인 바이오플라스틱 소재를 생산하는 이들 미생물의 유전체를 분석할 예정이며, 이를 통해 최적의 포름산염 활용 기술을 개발할 계획이다.

이병희 국립생물자원관 유용자원분석과장은 “온실가스 저감을 통한 탄소중립 달성에 기여할 수 있도록 포름산염 활용 미생물을 이용한 바이오플라스틱 소재 생산 기술 개발에 박차를 가하겠다”라고  밝혔다.