미생물과 미세조류: 생명공학, 대기오염과 플라스틱 폐기물에 맞서다
대기오염 물질을 포집하고 플라스틱 폐기물을 분해하며 바이오플라스틱을 생산하기 위해 조작된 미세조류와 박테리아 같은 생명공학 도구가 개발되고 있다. 전 세계 바이오플라스틱 생산 능력은 2029년까지 두 배로 늘어날 전망이며, 아시아가 생산 능력의 55%를 차지하며 선도하고 있다.
생명공학이 대기오염과 플라스틱 폐기물에 맞서는 핵심 도구로 부상하고 있다. 도시 공기를 정화하는 미세조류부터 PET 플라스틱을 분해하거나 바닐라 향료로 전환하는 조작된 박테리아까지 다양한 프로젝트가 진행 중이다. 전 세계적으로 매년 1,900만~2,300만 톤의 플라스틱 폐기물이 수생 생태계로 유출되며, 세계경제포럼(World Economic Forum)은 생산이 통제되지 않을 경우 2050년에는 바다에 물고기보다 플라스틱이 더 많아질 수 있다고 경고한다. 이에 연구자들은 오염 물질을 분해하고, 폐기물 흐름에서 자원을 회수하며, 생분해성 대체재를 생산하도록 맞춤형 DNA를 가진 미생물을 조작하고 있다.
도시 개념 중 하나인 Liquid Planet 프로젝트는 미세조류 기반 생명공학을 이용해 이산화탄소, 미세먼지, 유해가스를 환경에서 포집하는 동시에 산소를 방출한다. 환경에너지안보부 장관은 "최근 수십 년간 등장한 첨단 생명공학, 공중보건, 도시 비전 사이의 가장 의미 있는 융합 중 하나"라고 설명했으며, 이 시스템은 광합성을 새로운 글로벌 경제 시스템으로 규정하며 대기오염과 기후변화를 경제적 지속가능성과 함께 해결한다.
합성생물학자들은 또한 대장균(Escherichia coli)과 효모(Saccharomyces cerevisiae) 같은 실험실 표준 균주를 넘어 조작 가능한 미생물의 범위를 확장하고 있다. 과학자들은 자연계에서 오염 물질을 분해할 수 있는 미생물을 찾아낸 뒤, 그 지식을 활용해 더 잘 분해하는 유기체를 만든다. LanzaTech의 최고혁신책임자는 "10년 전만 해도 불가능하다고 여겨졌던 일들이 이제는 실현 가능해졌다"고 말하며, 폐기물을 연료, 화학물질, 소재로 활용하는 순환 모델로의 전환을 가능하게 한다고 설명했다. 그러나 유전자 변형 생물체의 환경 방출에 대한 우려와 정부의 자금 지원 및 인센티브 부족이 이 분야의 발목을 잡고 있다.
플라스틱 폐기물 관리 분야에서 미주리 대학교(University of Missouri)에서 개발된 조작된 조류는 리모넨(limonene)을 생성해 발수성을 갖게 되며, 이로 인해 미세플라스틱이 조류에 달라붙어 수거 가능한 덩어리로 뭉친다. 에든버러 대학교(University of Edinburgh)의 과학자들은 PET 분해로 얻은 테레프탈산(terephthalic acid)을 바닐라 향의 주성분인 바닐린(vanillin)으로 전환하도록 대장균을 조작했다. 고베 대학교(Kobe University) 연구팀은 PET의 지속가능한 대체재로 포도당에서 피리딘디카르복실산(PDCA)을 생산하도록 대장균을 조작했으며, 기존 보고보다 7배 이상 높은 농도를 달성했다. 노스캐롤라이나 주립대학교(North Carolina State University) 연구자들은 Vibrio natriegens와 Ideonella sakaiensis를 활용해 해수에서 PET를 분해하는 해양 미생물을 조작했다. 워털루 대학교(University of Waterloo)의 연구는 플라스틱을 에너지원으로 전환하는 미생물 경로와 폐수에서 PET를 분해하는 효소 기반 방법을 탐구하며, 이산화탄소와 플라스틱 폐기물을 동시에 대사하는 미생물도 포함한다.
바이오플라스틱 분야에서 바이오플라스틱은 매년 생산되는 약 4억 1,400만 톤의 플라스틱 중 0.5%에 불과하지만, 전 세계 생산 능력은 2024년 약 247만 톤에서 2029년 약 573만 톤으로 두 배 증가할 전망이다. 2025년에는 아시아가 생산 능력의 약 55%를 차지하며 우위를 보였고, 유럽의 비중은 2030년까지 14%에서 17.2%로 늘어날 예정이다. 전문가들은 아시아의 선두를 강력한 정부 지원, 수출 중심 산업, 바이오 기반 생산·탄소 포집·활용·재활용 분야의 역량 덕분으로 꼽는다. 반면 유럽은 할당량이나 인센티브 같은 시장 도입 지원이 거의 없다. 유럽의 ViSS 프로젝트는 비멸균 발효 공정을 통해 가금류 및 설탕 산업 잔여물에서 바이오 기반 생분해성 PHBV 플라스틱을 개발하고 있으며, 스페인에서는 이미 3HV 함량 10~15% 및 20~30%의 PHBV 펠릿이 개발되었고 2026년 6월까지 파일럿 실증이 시작될 수 있다.