탄소를 포획할 수 있는 박테리아

아주 작은 유기체가 세계가 기후 목표를 달성하는 데 도움을 줄 수 있을까요?

작년에 세계 온실가스 배출량이 사상 최고치를 기록하면서 많은 과학자들과 세계 지도자들은 이제 세계가 기후 목표를 달성하는 데 도움이 되도록 탄소를 포집하여 지하에 저장할 수 있는 새로운 기술이 필요하다고 주장하고 있습니다.

그리고 어떤 사람들은 자연이 강력한 해결책을 제공할 수 있다고 믿습니다. 우리 주변에서 발견되지만 육안으로는 보이지 않는 아주 작은 유기체인 미생물은 탄소를 포집하고 기후에 영향을 미치는 데 중요한 역할을 합니다 . 또한 수분매개자 개체수의 급격한 감소 와 같은 다른 환경 문제를 해결하는 데에도 활용될 수 있습니다 .

과학자들은 최근 시칠리아 근처 화산섬 해안에서 시아노박테리아의 일종인 미생물을 발견했습니다. 이 미생물은  이산화탄소(CO2)를 "놀라울 정도로 빠르게" 먹습니다.

불카노(Vulcano) 섬은 풍부한 CO2 공급원인 수중 열수 분출구로 둘러싸여 있습니다 . 이 통풍구는 얕은 물에 위치합니다. 즉 깊은 바다의 통풍구와 달리 햇빛에 노출됩니다. 이 모든 것이 CO2를 식량원으로 사용하는 미생물의 진화를 위한 완벽한 환경을 조성했습니다.

2022년 9월 이곳에서 발견된 미생물은 "광합성을 통해 CO2를 소비하는 데 매우 효율적"이라고 웨일 코넬 의과대학과 하버드 의과대학에서 미생물학을 전공하고 있는 데이터 과학자이자 Two Frontiers 프로젝트의 전무이사인 Braden Tierney는 말합니다. 연구. 이 프로젝트는 Tierney를 컨설턴트로 고용한 미국 생명공학 회사 Seed Health의 자금 지원을 받았습니다.

미국의 하버드 대학과 코넬 대학, 시칠리아의 팔레르모 대학의 연구팀과 Vulcano 커뮤니티의 도움을 받아 Tierney는 다른 알려진 시아노박테리아보다 더 빨리 CO2를 바이오매스로 전환시키는 미생물을 분리했습니다. 결과를 개괄적으로 설명하는 연구는 올해 말에 발표될 예정입니다.

과학자들은 시칠리아 근처 화산섬 해안에서 "놀랍도록 빠르게" CO2를 먹는 일종의 시아노박테리아를 발견했습니다(Credit Getty Images)

시아노박테리아는 광합성을 통해 에너지를 얻고 그 과정에서 탄소를 포획하는 박테리아의 일종이며, 새로운 변종은 "지금까지 보고된 것 중 가장 빠르게 성장하는 시아노박테리아 중 하나"라고 Tierney는 말합니다. 그는 시아노박테리아가 다량의 CO2를 흡수하고 이를 연료나 생분해성 플라스틱 과 같은 유용한 자원으로 전환할 수 있기 때문에 "자연의 작은 연금술사"라고 설명합니다 .

Tierney는 "초기 데이터에 따르면 [이 새로운 변종]은 가장 빠르게 성장하는 다른 변종보다 22% 더 많은 바이오매스를 생성했습니다."라고 말했습니다. 밀도가 높아지고 무거워짐에 따라 미생물은 물에 가라앉아 흡수하는 CO2를 격리하는 데 도움이 된다고 그는 말합니다.

시아노박테리아의 탄소 포집 잠재력은 이미 널리 연구되었습니다. 이번 발견이 "정말 놀라운" 이유는 시아노박테리아 계통이 매우 빠른 속도로 CO2를 흡수할 수 있다는 사실이라고 영국 버밍엄 대학의 산업 미생물학자이자 부교수인 Helen Onyeaka는 말합니다.

"빠르게 CO2를 소비하는 미생물이 연구되는 동안, 이 특정 균주의 흡수율은 비교할 수 없는 것 같습니다."라고 그녀는 말합니다.

"살아있는 데이터베이스"

올해 Tierney와 그의 팀은 더 많은 탄소를 흡수하는 미생물을 찾기 위해 콜로라도의 로키 산맥을 여행했습니다. 연구진에 따르면 이 지역은 '탄산천 활동의 온상'이며 용존 CO2 농도는 시칠리아의 화산 누출량보다 최대 1000배나 높다고 한다. Tierney는 "실제로 시칠리아에서 본 것보다 훨씬 더 높은 CO2 수준"을 지닌 미생물 균주를 이곳에서 분리했다고 말했습니다.

이 팀은 전 세계 다른 과학자들이 사용할 수 있는 "살아있는 데이터베이스"를 만들고 있으며, 이를 통해 DNA 서열을 저장된 박테리아 샘플과 쌍을 이루어 탐사 후에도 오랫동안 미생물 연구를 계속할 수 있습니다.

남세균은 자연의 작은 연금술사입니다 - Braden Tierney

Tierney는 Vulcano의 발견이 "수십억 년의 진화에 대한 우리의 관점을 확장하고 있다"고 말했습니다. 다양한 환경 조건과 행성 변화에 적응하는 미생물의 능력 때문에   그는 "그러한 진화 과정에 [기후 변화]를 해결하는 데 필요한 도구가 있다고 확신합니다"라고 느낍니다.

과학자들은 기후 변화에 대처하려면 대규모 탄소 포집이 필요할 것이며 이는 잠재적으로 새로운 기술을 통해 또는 숲, 이탄지, 토양과 같은 기존 자연 생태계를 보호하고 강화함으로써 달성될 수 있다고 말합니다. 작년에 UN의 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)은 배출량을 크게 삭감해도 지구 온난화를 제한하는 데 충분하지 않기 때문에 탄소 포집이 필수적이라고 말했습니다. 일부 과학자들은 이것이 기후 변화에 대처하기 위해 필요한 엄격한 배출량 감축을 피하기 위해 정부와 산업계에 부당한 변명을 제공할 수 있다고 경고합니다.

Tierney는 미생물 솔루션을 활용하여 대기 중 CO2를 빨아들이기 위해 다른 기술 및 자연 시스템과 "협력"해야 한다고 말했습니다.

의도적인 탄소 포집을 위해 시아노박테리아 및 미세조류와 같은 미생물을 사용하는 것은 "매우 유망할 수 있다"고 카타르 대학 지속가능발전센터 연구원인 Kira Schipper는 말합니다. 그들은 기존 작물보다 훨씬 빠르게 자라며 이는 동일한 기간에 더 많은 탄소를 포착한다는 것을 의미한다고 그녀는 덧붙입니다.

또 다른 이점은 미생물에 의해 생산된 바이오매스가 "경작할 수 없는 땅과 바닷물에서 자랄 수 있어 식량 생산과 경쟁하지 않는다는 것"이라고 그녀는 말합니다. 바이오매스는 대형 연못이나 생물 반응기에서 재배할 수 있으며 바이오 연료 , 비료, 단백질 보충제 및 동물 사료 로 사용될 수 있습니다 .

Braden Tierney와 그의 팀은 빠르게 성장하는 다른 시아노박테리아 균주보다 22% 더 많은 바이오매스를 생성하는 미생물을 발견했습니다(제공: Seed Health / John Kowitz)

미생물을 사용하여 탄소를 포집하는 것은 직접 공기 포집 과 같은 기술을 활용하는 것보다 비용 효율적이라고 Onyeaka는 말합니다.

"미생물 공정은 일반적으로 자본 집약적일 수 있는 탄소 포집을 위한 기술적 개입에 비해 운영 비용이 낮습니다."라고 그녀는 말합니다. 또한 미생물은 " 개방형 연못부터 생물반응기까지 다양한 환경에 배치될 수 있기 때문에 본질적으로 확장 가능 "하다고 그녀는 덧붙입니다.

그러나 기술적 제약으로 인해 이러한 종류의 시스템을 확장하기가 어렵다고 Schipper는 말합니다. "최고의 균주를 선택하고 흡수되는 CO2의 양을 최대화하는 것을 포함하여 대규모로 재배한 다음 바이오매스를 수확하는 모범 사례는 어렵고 균주와 위치에 따라 크게 다릅니다." 일부 회사는 이미 미생물을 사용하여 CO2를 포집하는 시스템을 구현하기 시작했습니다. 미국의 LanzaTech는 박테리아를 사용하여 CO2를 세탁 세제부터 향수에 이르기까지 다양한 제품에 사용되는 항공 연료 및 화학 물질로 전환합니다 . 영국 회사인 CyanoCapture는 시아노박테리아를 사용하여 생물학적 오일과 바이오매스를 생산하고 있습니다 .

 

약용미생물

미생물은 탄소 포집 잠재력 외에도 다양한 환경적 이점을 가질 수 있습니다. 예를 들어 최근 캐나다 연구 에 따르면 죽어가는 꿀벌 개체수를 되살리는 데 도움이 될 수 있습니다.

수분매개자 개체수는 전 세계적으로 꾸준히 감소하고 있으며, 미국에서는 2020년에서 2021년 사이에 꿀벌 군체의 연간 손실률이 사상 최고치를 기록했습니다 . (자세히 보기: 세상에 먹이를 주는 꿀벌을 구할 수 있을까요? )

캐나다 Guelph 대학의 미생물학자 Brendan Daisley는 꿀벌의 건강을 증진시키는 프로바이오틱스를 개발하여 이러한 "곤충 종말"에 맞서기 시작했습니다.

인간과 마찬가지로 꿀벌은 미생물군집을 가지고 있으며 장내 미생물의 건강한 균형은 전반적인 건강에 필수적입니다. 연구에 따르면 살충제 와 항생제가 꿀벌의 미생물군에 해를 끼치고 건강에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

이는 또한 작물 생산과 식량 공급에도 영향을 미치고 있다고 Daisley는 경고합니다. "이것은 계단식 효과입니다"라고 그는 말합니다. 2020년 연구에 따르면 벌 부족으로 인해 이미 미국 13개 주에서 사과, 블루베리, 체리를 포함한 특정 작물의 공급이 제한되고 있습니다 .

과학자들은 프로바이오틱스로 벌집을 표적으로 삼아 "꿀벌의 미생물 균형을 다시 확립하는 것"을 목표로 삼았다고 Seed Health의 과학 펠로우인 Daisley는 말했습니다. 그는 웨스턴 대학(Western University) 및 캐나다 로슨 건강 연구소(Lawson Health Research Institute)의 연구팀과 함께 스프레이와 꽃가루 패티 주입을 사용하여 캘리포니아에 있는 30개 이상의 대규모 상업용 벌집에 3가지 프로바이오틱 균주를 전달했습니다.

두 가지 방법 모두 박테리아 및 곰팡이 병원체를 차단하는 데 매우 효과적인 것으로 나타났습니다 .

프로바이오틱스는 또한 표적 두드러기의 성장을 증가시켰다고 Daisley는 말합니다.

과학자들은 Seed Health와 협력하여 현재 해당 균주에 대한 특허를 개발하고 있습니다.

과학자들은 프로바이오틱스가 꿀벌통의 병원균을 막을 수 있다는 것을 보여주었습니다(제공: Getty Images)

그러나 Onyeaka는 이러한 꿀벌 프로바이오틱스와 Vulcano에서 발견된 시아노박테리아를 실험하는 것과 같은 과학적 발전이 유망하지만 조심스럽게 진행하는 것이 중요하다고 경고합니다.

환경에 미생물을 대량 도입하면 지역 생태계가 파괴될 수 있으며 탄소 저장은 영구적이지 않을 수 있다고 그녀는 말합니다. "미생물이 죽으면 추가 조치를 취하지 않으면 탄소가 환경으로 다시 방출될 가능성이 있습니다."

"미생물 용액의 사용을 확대하기 전에 잠재적인 환경 영향을 이해하는 것이 중요합니다. 치료법이 질병보다 나쁘지 않은지 확인해야 합니다."라고 그녀는 덧붙입니다.

그럼에도 불구하고 과학자들은 미생물이 지구를 더 건강하고 지속 가능하게 만드는 데 도움이 될 수 있기를 희망하고 있습니다.

"다른 [탄소 포집] 솔루션과 비교할 때 미생물은 무한히 복제 가능합니다."라고 Tierney는 말합니다. "기후 변화에 대처하기 위한 만병통치약은 없지만, 탄소 포집을 위한 고성능 엔진을 찾는 유기체를 찾는 것은 정말 흥미롭습니다."