하이거

판교핫뉴스

수소와 질산염 이용해 암모니아 만드는 박테리아 분리 성공- 탄소배출저감 및 수계 부영양화 방지 기술로 활용 기대

하이거 2022. 8. 19. 14:22

수소와 질산염 이용해 암모니아 만드는 박테리아 분리 성공- 탄소배출저감 및 수계 부영양화 방지 기술로 활용 기대

 

부서명 유용자원분석과등록일자 2022-08-17

 




수소와 질산염 이용해 암모니아 만드는 박테리아 분리 성공
- 탄소배출저감 및 수계 부영양화 방지 기술로 활용 기대 - 


□환경부 소속 국립생물자원관(관장 서민환)은 수소 기체와 물속의 질산염을 이용해 암모니아를 만들 수 있는 박테리아* 2종을 최근 분리 배양하는 데 성공했다고 밝혔다.
   * 지구환경 어디에서나 살고 있고 세포소기관이 없는 단세포의 미생물

 ○국립생물자원관은 한국과학기술원(한국연구재단 기초연구실) 윤석환 교수진과 공동으로 올해 초부터 물속의 질산염을 제거할 수 있는 생물자원을 찾던 중, 대전광역시의 하수처리장에서 질산염을 암모니아로 전환하는 박테리아 2종을 확보했다.

 ○ 이들 박테리아 2종은 ‘아크로박터(Acrobacter)속'과 ‘설푸로스피릴룸(Sulfurospirillum)속'으로 수소 기체를 이용해 물속의 질산염을 암모니아로 전환하는 능력을 갖춘 것으로 나타났다.

□ 연구진은 이번에 분리한 박테리아 2종이 국내외 최초로 자연환경 조건에서 별도의 유기물을 공급하지 않아도 수소 기체로 호흡(혐기성 미생물)하여 질산염을 암모늄이온(NH4+)으로 전환할 수 있는 것으로 확인했다. 

 ○ 박테리아를 이용해 초소량의 수소로 질산염을 제거하면서 암모니아(NH4)를 만들어내 질소비료를 지속적으로 생산할 수 있는 것이다.


 ○ 과거 전기촉매 방식이나 미생물을 이용해 질산염을 암모니아로 변환하여 질소비료를 생산하는 방법들이 시도되었으나, 복잡한 반응조건(극산성, 고질산염 등), 별도의 유기물을 지속적으로 공급해야 하는 문제 등으로 현장에서 활용하기 어려웠다.

□연구진은 이번 박테리아 2종이 기존 질소비료를 대체하기 위한 원천소재로 활용될 수 있다고 보고 관련 특허출원도 앞두고 있다.

 ○ 특히 이번 연구는 태양광 등 재생에너지로 생산된 수소(그린수소)와 박테리아를 이용해 물속의 질산염을 제거하면서 질소비료를 생산할 수 있다는 가능성을 제시했다. 이는 탄소배출저감 및 수계 부영양화 방지에 도움을 주며 자연계에서 활용성이 높은 기술을 찾았다는 의의가 있다.

□ 이병희 국립생물자원관 유용자원분석과장은 “우리나라 생물자원이 가지고 있는 유용한 가치를 탐색하여 확보된 생물자원이 저탄소 녹색기술 개발에 활용될 수 있도록 연구에 박차를 가하겠다”라고 밝혔다.

붙임  1. 관련 사진.
      2. 질의응답. 
      3. 전문용어 설명.  끝.


붙임 1 

 관련 사진




〈그림 1. 암모니아를 생산하는 박테리아 2종 분리 배양〉




〈그림 2. 설푸로스피릴룸(Sulfurospirillum)속 박테리아의 암모니아화 반응 대표결과〉
(좌) 수소(H2)의 공급이 없는 경우, 질산염(NO3-), 아질산염(NO2-), 암모늄이온(NH4+)의 농도가 일정하게 유지.
(우) 수소(H2)가 공급되는 경우, 질산염(NO3-)의 농도가 감소하고 암모늄이온(NH4+)의 농도가 증가하는 것을 확인. 
  ※ 수소(H2)를 전자공여체로 질산염(NO3-)을 암모니아(NH4)로 전환하는 박테리아의 발견은 세계 최초의 사례


붙임 2 

 질의/응답



 1. 화학적 산업공정으로 생산된 질소비료와 이번 연구의 박테리아에 의해 생산된 질소비료의 차이점은 무엇인가요?
 
 ○ 화학적 산업공정(하버-보슈* 공정)에 따른 암모니아를 기반으로 생산된 질소비료는 생산과정에서 온실가스가 배출되고 수계에 침출되면 질산화반응을 통해 질산염(NO3-)으로 전환되어 하천이나 호소에서 부영양화(녹조 현상)가 나타날 수 있습니다.
    * 질소와 수소 결합에 철을 촉매제로 사용하여 고온(4~500도) 및 고압(200기압)으로 질소비료의 원료인 암모니아를 대량 생산할 수 있음 
  ○ 수소와 질산염을 이용해 암모니아를 생산하는 박테리아는 태양광 재생에너지가 생산하는 초소량의 그린수소(H2)로 물속의 질산염(NO3-)을 암모니아(NH4+)로 전환해 질소비료를 생산할 수 있습니다. 생산 과정에서 기존 질소비료에 비해 탄소 배출을 줄일 수 있으며, 수계 부영양화를 최소화할 수 있습니다.


 2. 암모니아화 반응을 하는 기존 방법은 왜 활용이 어렵나요?
 
 ○ 기존에 전기촉매를 이용해 질산염을 암모니아로 전환하는 방법들이 제시되었으나, 암모니아화 반응을 위해 극산성(pH < 1), 고농도 기질(NO3-) 등 까다로운 조건이 필요합니다. 따라서, 전기촉매를 이용하는 방법은 실험실 내 구현은 가능하나 실제 환경공정에는 적용 가능성이 낮은 것으로 평가받고 있습니다.
 ○ 암모니아화 반응을 하는 미생물을 토양에 직접 살포하여 화학적 질소비료의 토양 체류시간을 증가시키는 기술도 주목받고 있으나, 미생물의 성장에 필요한 별도의 유기물을 계속해서 공급해야 하고 각각의 토양환경에 맞는 최적의 조건을 찾기 어려워 현장에 적용이 어렵습니다.


 3. 이번 연구는 어떤 부분이 세계 최초인가요?
 
 ○ 이번에 분리 배양된 박테리아 2종은 초소량의 수소(H2)를 이용해 물속 질산염(NO3)을 암모니아(NH3) 비료로 전환하는 능력이 있으며, 수소(H2)를 전자공여체로 암모니아화 반응을 하는 미생물의 발견은 세계 최초입니다.
 ○ 특히, 추가적인 유기물의 공급 없이도 암모니아를 지속 생산하는 점은 여타 암모니아화 반응을 하는 미생물과의 특이점으로, 태양광 재생에너지가 생성한 저준위 수소로 자연수의 질산염을 암모니아로 전환해 토양에 지속 제공하는 시스템으로 발전이 기대됩니다.


 4. 어떤 후속연구를 계획하고 있나요?
 
 ○ 국립생물자원관과 한국과학기술원(BRL, 한국연구재단 기초연구실) 윤석환 교수진은 이번에 발굴된 박테리아 2종의 생리적, 유전적 특성을 분석하는 등 심화연구를 진행하고 있으며, 유사한 기작을 갖는 자생 균주를 발굴·탐색하는 연구도 계속하고 있습니다.

붙임 3 

 전문용어 설명


○ 부영양화 : 하천, 호소 등의 수중생태계에 자정능력을 넘는 영양물질(유기물, 질소, 인 등)이 유입되어 조류가 급속히 증가하는 현상
○ 전기촉매(electrocatalyst) : 자신은 변하지 않고 다른 반응의 속도에 전기화학적 영향을 주는 물질
○ 유기물(organic substance) : 주로 생체 내에서 합성되는 물질. 전분, 지방, 단백질 등 탄소를 가진 화합물로서 생명체의 구성 성분이며 에너지원
○ 녹색기술 : 온실가스 감축 기술, 에너지 이용 효율화 기술, 청정에너지 기술 등 사회‧경제 활동의 전 과정에 걸쳐 에너지와 자원을 절약하고 효율적으로 사용하여 온실가스 및 오염물질의 배출을 최소화하는 기술