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2022 September Vol.35 No.3 ISSN 1598-8384

자유기고

미생물, 탄소중립 현실화를 위한 게임 체인저

국립낙동강생물자원관 담수생물연구본부
김의진 책임연구원, 배미정 선임연구원E-mail : ejkim@nnibr.re.kr, mjbae@nnibr.re.kr



기후위기와 탄소중립 정책 현황


기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)의 6차 평가 보고서(AR6) 중 제1실무그룹 보고서(WG1)에 따르면 제1차 산업혁명 시대 이후 배출된 온실가스에 의해 지구 평균기온은 이미 1.1℃가 상승하였으며, 이러한 변화에 따라 전 지구적으로 극한 기후(예: 폭염, 홍수, 가뭄 등)의 빈도와 규모가 계속적으로 증가하고 있다1. 이에 2050년까지 전 세계적으로 탄소 순배출량이 0이 되도록 하는 탄소중립을 달성하기 위해 탄소중립 정책을 법제화하거나 논의 중인 나라는 미국, 유럽연합 등 40개국 이상으로 증가하여 현재 세계 탄소 배출량 기준으로 전체의 70%를 넘어서고 있다2. 우리나라도 이러한 국제적 움직임에 동참하여 2030년 온실가스 감축 목표(NDC)를 40%로 증가시키고 2050년까지 탄소중립 달성을 목표하고 있다. 그러나 세계 각국이 발표한 2030년 온실가스 배출 계획을 통해 계산해 보면 약속한 감축 목표에 따라 그 배출이 감소하는 상황에서도 2100년의 지구 평균기온이 산업시대 이전보다 2.7℃ 상승할 것으로 예측되었다3. 지구 평균기온이 2~3℃ 높았던 약 3백만년전(중기 플라이오세)에 지구 해수면의 높이가 지금보다 최대 25미터나 높았다는 점을 고려하면4, 이러한 기후변화가 인류와 생태계에 미칠 영향이 재앙 수준에 이른다는 사실을 알 수 있다.

미국과 유럽연합 등 주요 국가들은 2050년까지 탄소중립에 이르기 위한 시나리오를 앞다투어 발표하고 있다. 그러나 국제에너지기구(IEA) 등의 국제기구와 맥킨지와 같은 민간 부문에서 전망하는 탄소중립 시나리오와 비교하면2,5-6, 각국 정부가 발표하는 탄소중립 시나리오는 객관적 전망이기보다는 탄소 배출 감축 목표치 제시에 가까우며, 현 수준의 노력만으로는 넷제로(Net-zero) 경제로의 전환에 이르지 못할 것으로 예측되고 있다. 실제로 주요 국가들의 탄소중립 시나리오에서 산업 부문별 탄소중립 전망치를 살펴보면 에너지, 제조업, 수송 등 고탄소 산업(부가가치 대비 직·간접적 온실가스 배출량이 높은 업종)이 여전히 미래의 주력 사업 중 하나이기 때문에, 이들 산업에서 이산화탄소(CO2)의 직·간접적 감축만으로 탄소중립에 이르지 못하며, 아직 기술 수준이 낮은 탄소의 포집, 활용, 저장 기술(CCUS)과 토지이용, 토지이용도 변화 및 임업(LULUCF) 등에 의존하여 탄소중립에 접근할 것으로 가정하고 있다7,8.

메탄은 이산화탄소에 이은 두 번째 주요 온실가스이다. 메탄은 습지와 같은 자연 환경에서도 발생하지만, 화석연료 이용과 함께 벼농사, 가축(반추동물) 사육, 폐기물 매립 등 인위적 요인에 의해 주로 발생한다9~11 (그림 1). IPCC의 6차 평가 보고서에 따르면 메탄은 산업시대 이후 지구 평균기온의 0.5℃ 상승에 기여하였다1. 이는 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential) 기준 메탄의 온실효과가 지난 100년 동안 이산화탄소보다 28배 높았고 20년 기준으로 84배나 높았기 때문이다(미국 EPA). 이의 심각성을 인지하여 우리나라를 비롯한 105개국은 작년 ‘국제 메탄 서약’을 통해 2030년까지 에너지, 농·축산, 폐기물, 산업공정, 산림·토지이용 변화 등에서 인위적으로 발생하는 메탄의 30%를 감축하기로 선언하였다. 그러나, CCUS와 같은 이산화탄소 저감 기술과 마찬가지로, 각 산업 부문에서 메탄을 감축하기 위한 기술이 아직 초기 단계에 머물러 있어 집중적인 연구개발이 시급한 상황이다.


그림1
그림 1. 주요 메탄 발생원과 국가/지역별 메탄 배출 현황10,11


신재생에너지 시대로의 전환


국제재생에너지기구(IRENA)는 인류가 2050년까지 탄소중립에 근접(연간 9.5 Gt CO2 eq. 배출)하여 지구 온도 상승을 2℃ 이하로 억제하기 위한 에너지 전환 시나리오를 제시하였다5. 이를 실현하기 위해 2050년에는 전체 필요 에너지양의 77%를 태양광, 풍력 등과 같은 신재생에너지로 충당하고 전기 생산의 86%가 재생 가능한 수단으로 이루어져야 할 것으로 전망하였다5. 특히 신재생에너지 중 16% 정도를 합성생물학 등 생명공학 기법을 통해 이산화탄소를 적극적으로 포집하여 바이오매스를 생산하는 기술을 통해 충당할 것으로 예측하였다5. 국제에너지기구(IEA)의 온실가스 감축 시나리오에서도 에너지 효율, 신재생에너지, CCUS 등 관련된 모든 분야에서 기술이 고도화되고 새로운 기술 혁신이 일어날 때 비로소 지속 가능한 성장이 가능할 것으로 전망하였다2.

세계 주요국들과 우리나라는 수소에너지 기반 경제로의 전환을 추진하고 있으며, 이를 위해 수소 경제 사회에 이르기 위한 기술 개발 로드맵을 수립하여 이행하고 있다. 현재 96%의 수소는 화석연료를 이용하여 생산(그레이 수소: Grey Hydrogen)되고 있으며, 이러한 생산 방식은 1톤의 수소를 생산하는 과정에서 약 11톤의 이산화탄소가 발생한다(IEA)는 문제점이 있다. 따라서 에너지의 생산부터 저장, 소비에 이르는 전과정에서 탄소중립에 도달하기 위한 그린 수소(Green Hydrogen) 기술이 필요하다. 국내외 수소 기술 개발 계획에 따라 연구자들은 전기로 물을 분해하는 수전해 기술을 비롯하여 다양한 수소 생산 기술 포트폴리오를 구성하고자 노력하고 있으며, 여기에는 미생물을 활용하는 바이오수소 생산기술이 포함된다. 바이오수소는 미생물 고유의 대사과정인 발효 및 광합성 기능을 활용하여 수소를 생산하기 위한 기술 분야로, 혐기성 미생물 발효(Dark-fermentation), 광합성 미생물 발효(Photo-fermentation), 광합성 미생물의 물 분해(Bio-photolysis), 미생물 전해 전지(Microbial Electrolysis Cell)의 세부 분야로 구분 가능하다12 (그림 2).


그림1
그림 2. 미생물을 활용하는 수소생산 공정 기술 분류12


바이오수소 기술은 다른 그린 수소 연구 분야와 마찬가지로 혐기성 발효 과정에서의 낮은 전환효율, 광합성 발효 및 광이용 물 분해 공정의 느린 생산속도, 미생물 전해 전지 공정에서의 전극 사용에 따른 비효율성 등 대용량화와 경제성 측면에서 아직 해결해야 할 난제들이 많다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 미생물을 대사공학적으로 개량하거나 생물반응기 운영 공정을 개선하고 있으며, 앞서 언급한 바이오수소 기술 중 두 가지 이상 공정의 연계를 통해 생산 효율성의 한계를 극복하고자 노력하고 있다. 발효 대사과정의 태생적 한계를 극복하기 위해 합성생물학 기술을 활용하여 생체 밖에서 수소를 생산하는 연구도 시작되었다13,14. 미국에서는 다당류를 이용하여 이론적으로 가능한 최대치(12 mole H2/mole hexose)에 해당하는 수소를 생산하기 위한 생체 모사 효소공학 기술이 발표되었으며13, 최근 국내 연구진은 수소효소가 수소를 발생하기 위해 필요한 생화학에너지인 NADPH를 생체 밖에서 빛을 이용하여 지속적으로 생산하는 기술을 개발하였다14.

바이오수소 기술은 인류의 에너지 확보 방식의 다변화와 국가 수소 생산 기술 포트폴리오 구축을 위해 앞으로도 꾸준한 기술적 진보가 필요하다. 특히, 대기 중 이산화탄소를 포집하여 생장하는 광합성 미생물(광합성 세균, 미세조류)을 활용하는 생명공학 기술은 바이오수소의 생산과 함께 온실가스 저감(예: Bio-CCUS, 바이오매스 기반 탄소의 포집, 활용, 저장 기술)이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 농업과 축산업 등에서 배출되는 질소, 인 등의 영양염류를 활용하여 광합성 기반 바이오매스를 저비용으로 대량 생산하고, 이를 활용하여 수소에너지를 생산하는 연계 기술 개발을 통해 담수 환경의 부영양화에 의한 녹조 발생, 메탄 배출 등의 부작용을 억제함과 동시에 이산화탄소를 포집하고 수소에너지를 생산할 수 있는 유망 분야로 향후 발전이 예상된다.


토지 이용의 변화와 온실가스


미국과 유럽연합의 탄소중립 시나리오에서는 토지이용 방식(산림지, 습지, 농경지, 초지, 정주지 등)에 따른 온실가스 배출 및 흡수량 관리를 탄소중립 실현을 위한 주요 해결 수단 중 하나로 설정하고 있다7,8. 일반적으로 산림은 탄소흡수원으로서 도심 공간의 녹지화에 따른 생물다양성 증가, 인류 복지의 증대와 함께 탄소중립 차원에서의 중요성이 강조됨에 따라, 산림의 보전 가치에 대한 국민적 인식이 높아지고 있다. 반면 하천, 호소 등을 포함하는 자연 습지는 식물과 미생물의 광합성을 통해 탄소를 저장하는 기능을 가지고 있고 실제 탄소 저장량이 전 세계 산림보다 많은 455~700 Gt (CO2 eq.) 수준에 이를 것으로 추정되어15 안정적인 보전이 매우 중요함에도 불구하고 그 중요성에 대한 인식이 상대적으로 부족한 편이다. 습지 인근의 도시화, 개간 등에 따른 토지이용도의 변화는 해당 환경에 서식하는 생물들이 온실가스 흡수와 배출에 미치는 영향에 큰 변화를 유발하고 있다.

습지는 주요 탄소흡수원이지만 습지 바닥의 혐기 환경에는 메탄을 발생시키는 미생물인 메탄생성균(methanogen)이 서식하고 있으며, 지구 전체 메탄 발생량의 약 60%는 이 메탄생성균이 만들어낸다9~11. 메탄생성균 주변에는 메탄으로 전환이 가능한 수소와 아세트산을 생산하는 혐기 발효 미생물도 존재한다. 또한 발생된 메탄을 산화하여 이용하는 미생물인 메탄산화균(methanotroph)이 함께 발견되고 있으며, 이들 메탄 대사 미생물들의 공생 환경과 메탄 대사 활성에 있어서의 균형 조절은 메탄 배출/흡수량 관리에 있어 매우 중요하다. 실제로 논을 비롯한 인공 습지는 가축 장내 발효(livestock enteric fermentation), 쓰레기 매립지(landfill) 등과 함께 메탄의 주요 배출원으로 알려져 있어 해당 환경에서의 메탄 대사 관련 미생물의 활성을 조절하기 위한 연구가 시급히 요구된다.

또한, 농업에서 사용되는 질소 비료나 가축 분뇨 등 질소성 물질(암모니아, 질산염 등)은 관리 수준에 따라 수환경으로 유입될 수 있으며, 질소원 농도의 증가는 필연적으로 토양 미생물의 대사 과정을 촉진하여 세 번째 주요 온실가스로 지목된 아산화질소(N2O)의 배출 증가를 유발할 수 있다16. 따라서 농축산 환경과 담수 환경의 적절한 관리는 국민 보건과 직접적으로 관련된 사안임과 동시에 LULUCF와 같은 국토 관리를 통한 온실가스 흡수/배출량의 조절 측면에서도 매우 중요하다.


기후위기의 해법은 자연(미생물)에 있다


세계 인구의 증가와 삶의 질 향상은 역설적으로 메탄과 같은 온실가스 배출의 급격한 증가로 이어지고 있다. 인류는 식량을 얻기 위해 지속적으로 산림과 습지를 개간하여 탄소흡수원을 제거함과 동시에 논과 같은 인공 습지 및 소와 같은 반추동물의 사육을 늘려왔으며, 특히 동아시아에서는 인위적 요인에 의한 메탄 배출이 전체의 85%에 이른다(미국 NASA). 다행히 최근 메탄의 발생을 억제하기 위한 다양한 연구들이 시작되었으며, 논농사와 가축 장내에서의 메탄 발생을 일정 수준 억제할 수 있다는 연구 결과가 발표되고 있다8,17,18. 다만 뛰어난 기술이 개발되더라도 그것이 실제 정책에 반영되기 위해서는 토지이용도 변화 및 우리의 산업구조가 온실가스 배출에 미치는 영향 등에 대한 국민적 이해와 공감이 먼저 필요할 것이다. 또한 탄소배출권과 관련한 법령과 정책에서 이산화탄소뿐만 아니라 미생물이 발생시키고 또 흡수할 수 있는 메탄과 아산화질소의 관리에 대한 내용이 반영될 수 있도록 연구자들은 객관적이고 통찰력 있는 연구 결과를 지속적으로 도출해야 할 것이다.

미국과 유럽연합의 기후변화 시나리오에서 2050년까지 탄소중립에 이르기 가장 어려울 것으로 예상되는 산업 부문은 예상과 달리 에너지, 제조업, 수송, 건축 등의 분야가 아닌 농·축산업이다6~8,19. 이는 제조업, 수송 등의 산업 분야에서 주로 발생하는 이산화탄소는 신재생에너지의 사용 비율 증가(친환경 전력, 수소 경제 등)와 CCUS 기술 등을 통해 배출 억제가 가능할 것으로 여겨지는 반면, 미생물이 주로 발생시키는 메탄에 대해서는 아직 확실한 통제 기술을 갖고 있지 못하기 때문이다. 그나마 다행스러운 사실은 메탄은 강력한 온실가스이지만 대기 중 반감기는 이산화탄소에 비해 매우 짧은 약 8.6년에 불과하다는 점이다20. 이에 우리의 적극적인 관심과 연구개발을 통해 산업시대 이후 급격한 증가 추세에 있는 메탄 배출의 감축에 성공할 경우 온실가스가 지구 온난화에 미치는 영향을 단기간에 감소시키는 것이 가능할 것이다. 따라서 미생물 기반의 수소에너지 생산 및 온실가스 포집 기술, 그리고 메탄 배출 활동을 관리하기 위한 마이크로바이옴 조절 기술 등이 정립되는 시점에서 이러한 미생물 활용 기술들은 당면한 기후위기를 완화하기 위한 게임 체인저의 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대한다.


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