쓰레기를 고부가가치 자원으로?

미생물 증식 통해 유용한 생산물 수확
황원희 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2021-02-20 10:25:20
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[이미디어= 황원희 기자] 고대 연금술사들은 납과 같은 물질을 금이나 다른 귀금속으로 바꾸는 것을 소망했다. 그러한 노력은 수포로 돌아갔지만 오늘날 연구진은 유기 폐기물에서 항공연료, 윤활제, 용제, 식품첨가제 및 플라스틱과 같은 다양한 제품을 추출하는 쾌거를 보이고 있다. 

 


이 같은 기술은 애리조나 주립대학교의 바이오디자인 스웨트(Biodesign Swette) 환경 생명공학 센터의 연구진에 의해 개발되고 있다. 이는 특수 박테리아의 도움으로 가능한데 이 박테리아의 대사 활동은 연쇄활동으로 알려진 미생물 성장과정을 통해 더욱 단순한 화학물질을 유용한 제품으로 전환할 수 있다. 

 

이 연구는 자원을 잘 활용해 음식물 쓰레기와 같은 유기적인 공급원을 가치 있는 제품으로 전환할 수 있도록 해준다. 이러한 기술은 친환경 화학을 통해 생화학물질이나 바이오 연료 및 기타 중요한 자원을 생산하면서 환경 폐기물과 오염물질을 최소화 혹은 제거함으로써 이익을 배가시킬 수 있다. 특히 연구진은 지하 1.5미터에서 채취한 토양이 아세테이트와 에탄올을 흡수할 경우 토양미세원소는 불과 며칠 만에 부티레이트와 헥사노산염을 생성했음을 알 수 있다고 밝혔다. 이들의 연구 결과는 국제미생물생태학회지(International Society of Microbial Ecology) 최신호에 게재됐다. 

 

음식물쓰레기와 같은 유기 잔류 스트림을 연료와 유용한 화합물로 전환한다는 발상은 기술의 발전뿐만 아니라 청정에너지원에 대한 수요와 오염 저감에 대한 전 세계 수요가 급증함에 따라 꾸준히 자리잡아가고 있다. 이러한 과정은 사회가 원치 않는 폐기물이 지속적으로 에너지원과 기타 유용한 제품으로 변환되는 이른바 순환경제를 형성하는 데 도움을 줄 수 있다. 

유기폐기물 공급원은 고부가가치 연료와 화학물질을 생산하는 대체 자원으로써 엄청난 잠재력을 가진다. 그 이유는 이러한 소재가 재생가능하고 옥수수 에탄올과 같은 일부 기존 바이오 연료와도 차별성을 가지기 때문이다. 

 

이러한 유용한 변화의 한 원천은 매년 엄청난 양의 유기농 식품 폐기물이다. 증가하는 세계 인구에 의해 관련 보건 및 환경위험성 때문에 음식물 쓰레기가 쌓이는 것은 큰 문제가 되었다. 

음식물쓰레기는 식품가공업, 가정, 접대업 등 다양한 공급원에서 배출된다. 유엔식량농업기구(FAO)에 따르면 13억 톤에 달하는 식량이 먹이사슬에서 손실되고 있으며, 그 양은 지속적으로 증가하고 있다.

 

식량과 토지 자원의 낭비 외에도, 음식물 쓰레기는 탄소 배출량과 온실 가스 배출 증가, 연간 약 33억 톤의 이산화탄소를 대기 중으로 방출해 환경에 큰 부담을 준다. 연구진은 이러한 폐기물 잔여물을 유용한 제품으로 전환함으로써 효율적인 방법으로 정화하기를 바란다고 밝혔다. 

 

이 모든 유기 폐기물을 처리하는 가장 혁신적이고 친환경적인 수단 중 하나는 혐기성 소화를 통해서이며, 이는 또한 세계의 에너지 공급 확대를 보장한다고 밝혔다. 혐기성 소화를 채용한 유망한 신기술은 혐기성 미생물이 에너지를 획득하기 위해 사용하는 대사 과정인 미생물 연쇄 연신이라고 알려져 있다. 이는 아세테이트(C2)와 같은 카복실레이트 화학 물질과 에탄올(C2)과 같은 저감된 화합물을 결합하여 더 긴 사슬 카복실레이트(일반적으로 C4-C8)를 생산한다.

 

이 생명공학적인 과정은 VFA(휘발성 지방산)과 전자 도우너(일반적으로 에탄올)를 더 가치 있는 MCFA(중간 사슬 지방산)로 변환하는데, 이는 바이오 연료와 다른 유용한 화학 물질을 생산하는 데 필요한 전구체이다. 초기 폐기물 발생원은 탄소 단위의 순환적 추가가 수반되는 연쇄 연장을 통해 처리되며, 따라서 도시 고체 폐기물, 농업 폐기물, 합성가스 등을 헥사노산염(C6)과 옥타노산염(C8)과 같은 고부가가치의 중형 카복실레이트로 변환한다.

 

전자 도우너로서 에탄올을 사용하여 VFA를 MCFA로 변환하는 것은 특히 클로스트리듐 클루이베리로 알려진 박테리아인 체인을 연장하는 미생물에 의해 이루어진다. C. 클루이베리는 역산화 경로(reverse β-oxidative pathway)로 알려진 과정을 통해 연쇄 연장을 수행한다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 경로는 유기체가 음식에서 유래된 지방산을 분해하기 위해 사용하는 대사 경로와는 반대이다.

 

최근 몇 년 동안, 연구원들은 산업 관련 미생물을 사용하여 화학 물질과 폴리머 빌딩 블록을 생성하기 위해 이러한 경로를 역전시키는 방법을 개발했을 뿐만 아니라 β-산화 경로를 탐색했다고 밝혔다.

 

현재 연구는 미국의 4개 지역에서 채취한 토양 표본을 이용하여 자연 사슬의 신장 정도와 토양 조성의 특정 생물지질화학 특성에 따라 이러한 과정이 어떻게 변화하는지 조사하며 생명공학 측면에서 '헥사노산염, 옥타노산염' 등의 특수화학물질 생산에 초점을 맞춘 바이오리액터를 위한 토양은 연쇄연장 미생물의 훌륭한 원천이 될 수 있음을 보여준다.

 

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