빛없는 인공 광합성; 광합성은 식물이 빛 에너지를 생명체가 활용할 수 있는 화학에너지로 전환하는 과정으로, 이름 그대로 빛이 필수적이다. 이러한 자연적인 광합성에서 탈피해 빛 없이도 식물의 재배하는 일이 가능할까.
캘리포니아 대학교 리버사이드 (University of California, Riverside; UCR)와 델리웨어(Delaware) 대학의 과학자들은
인공 광합성으로 햇빛과 무관하게 식량을 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 해당 연구결과는 6월 23일자 네이처 푸드 지에 게재되었다.
빛 없는 인공 광합성
식물의 광합성은 태양빛에서 온 에너지와 물, 이산화탄소를 바이오매스(biomass)와 우리가 먹는 식량으로 전환하는 화학적 작용이다.
그러나 이러한 자연적인 광합성은 안정적인 햇빛 일조량 등 환경의 제약을 크게 받을 뿐만 아니라 에너지 효율성이 크게 떨어진다.
광합성 과정에 투입된 햇빛 에너지의 극히 일부인 1%가량만이 식물이 생산한 에너지로 산출된다.
빛을 이용한 광합성 없이 아세테이트 용액을 이용해 자란 상추 종자의 모습이다.
연구팀은 개발한 인공광합성 기술을 이용해 직접 다양한 식품 생산 유기체와 작물을 키워보았을 뿐 아니라,
실험을 통해 작물의 종류별로 어느 정도 출력의 인공 광합성 공정이 생장에 적합한지를 찾아내고 최적화시켰다.
교신저자인 캘리포니아대 리버사이드(UCR) 화학/환경공학부 로버트 징커슨 교수는
“우리는 새로운 접근 방식을 통해 생물학적 광합성에 일반적으로 가해지는 한계를 넘어설 수 있는 새로운 식품 생산 방법을 찾으려 했다”며 연구의 취지를 밝혔다.
인공 광합성의 원리는? 아세테이트로 식물 키운다
연구팀이 개발한 인공 광합성 기술은 2단계 전기 분해 공정을 통해 이산화탄소와 전기, 물을
‘아세테이트’로 변환하는 것이 기본적 구조이다. 아세테이트는 식초의 주성분이기도 하며,
식량을 생산하는 유기체는 빛이 없는 어둠 속이라도 아세테이트를 소모하며 생장을 지속할 수 있다.
연구팀의 인공광합성을 통한 식량생산 공정 과정을 나타낸 모식도이다.
전기분해를 통해 물과 이산화탄소를 산소와 아세테이트로 변환하며, 식물은 빛이 없이도 아세테이트로 생장하고 식량을 제공해준다.
특히 전력 공급원을 태양전지판과 결합하면 태양빛이 있을 때와 없을 때 모두 양분을 얻을 수 있는 유기-무기 하이브리드 시스템으로서 활용이 가능하다.
화성에서의 식량 생산?
이는 태양에너지가 식품으로 전환되는 효율과 그에 따른 식량 생산량을 크게 증가시킬 것으로 기대된다.
또한 연구팀은 전기분해 공정의 최적화를 통해 이제껏 없었던 높은 수치의 아세테이트 생성률을 달성할 수 있었다.
연구의 교신저자인 델라웨어 대학의 펭 자오 교수는 “우리 연구실에서 개발한 최첨단 2단계 전기분해 공정을 통해,
기존의 이산화탄소 전기분해 방식으로는 도달할 수 없었던 높은 아세테이트 선택률을 달성할 수 있었다.”고 밝혔다.
(좌) 아세테이트 생산을 위한 2단계 전기분해 시스템의 구조도와 (우) 아세테이트에 대한 탄소선택도를 나타내는 그래프다.
탄소선택도는 57%에 달하며 현재까지 가장 높은 값이다.
연구팀은 전기 분해를 통해 이산화탄소를 아세테이트로 전환시키는 공정에서, 수차례 실험을 통해 전해조(전극과 전해액을 담은 용기)의 출력을 각 식량 생산 유기체의 성장에 최적화시켰다.
또한 생성된 아세테이트의 양은 크게 증가시킨 반면 염분의 양은 감소시켰다.
아세테이트에 대한 탄소선택도를 57%까지 달성했으며, 이는 현재까지 전해조 실험에서 얻은 값 중 가장 높은 값이다.
인공 광합성, 자연 광합성보다 최대 18배까지 높은 효율
UCR 징커슨 교수 연구실의 박사과정을 수료한 논문의 공동저자, 엘리자베스 한 연구원은“우리는 식품 생산 유기체를 생물학적 광합성의 기여 없이 키울 수 있었다”고 말하며,
“이 기술은 생물학적 광합성에 의존하는 식품 생산에 비해 태양 에너지를 식품으로 더욱 효율적으로 전환하는 방법”이라고 설명했다.
연구는 다양한 식품 생산 유기체가 빛이 없어도 전해조에서 생산되는 많은 양의 아세테이트를 이용해 생장할 수 있음을 직접 보여주었다.
버섯을 생산하는 녹조류, 효모 및 곰팡이 균사체의 재배는 자연적인 광합성 등을 통한 기존의 재배방식보다 인공광합성을 이용했을 때 훨씬 생산 효율이 높은 것으로 나타났다.
