기획·칼럼

석탄 먹고 메탄 만드는 미생물

[강석기의 과학에세이] 강석기의 과학에세이 191

석탄과 메탄은 연소(산화)하면서 열에너지를 내는 연료이지만 환경의 관점에서는 양 극단에 서 있다. 천연가스의 주성분인 메탄은 탄소원자 하나와 수소원자 네 개로 이루어진 분자로 단순미를 자랑한다.

즉 정사면체의 네 꼭짓점에 수소원자가 있고 그 중심에 탄소원자가 있는 구조다. 산화반응도 깔끔해서 메탄분자 하나와 산소분자 둘이 만나 이산화탄소분자 하나와 물분자 둘로 바뀐다. 그리고 이 과정에서 에너지가 나온다(발열반응). 따라서 청정연료일 뿐 아니라 다른 연료에 비해 에너지 당 이산화탄소 발생량도 적다.    

반면 석탄은 골칫덩어리다. 가을이 깊어져 중국에서 난방이 시작되면 대도시는 스모그로 조금 과장하면 한치 앞이 안 보일 정도이고, 미세먼지가 바람을 타고 우리나라로 오는 날도 많다.

중국에서는 난방연료로 석탄을 많이 때기 때문이다. 석탄은 식물이 퇴적해 오랜 세월에 걸쳐 열과 압력의 작용을 받아 변질된 광물이다. 광물하면 화강암 같은 무기물, 즉 돌덩어리가 연상되지만 석탄은 탄소가 주성분인 유기광물이다.

석탄의 주성분은 식물체의 세포벽을 이루는 고분자인 셀룰로오스와 리그닌에서 비롯된다. 셀룰로오스는 주로 포도당으로 이루어진 단순한 고분자이지만 리그닌은 고리형탄소골격을 지닌 다양한 분자들이 합쳐진 복잡한 고분자다. 따라서 이들 고분자가 광물화되고 변성되는 탄화과정에서 여러 종류의 분자가 생긴다.

석탄은 완전연소가 안 되기 때문에 각종 분자들이 대기를 오염시키기 마련이다. 그리고 탄소의 비율이 높기 때문에 이산화탄소 발생량도 많다.

최근 일본산업기술종합연구소(AIST) 연구자들은 메톡시화합물을 먹고 메탄을 내놓는 미생물(Methermicoccus)을 발견했다. 왼쪽은 투과전자현미경(TEM), 오른쪽은 주사전자현미경(SEM) 이미지다.

최근 일본산업기술종합연구소(AIST) 연구자들은 메톡시화합물을 먹고 메탄을 내놓는 미생물(Methermicoccus)을 발견했다. 왼쪽은 투과전자현미경(TEM), 오른쪽은 주사전자현미경(SEM) 이미지다.
ⓒ 사이언스

대기로 유출되는 메탄의 7% 탄층에서 나와

그런데 석탄이 매장돼 있는 곳, 즉 탄층에는 메탄도 많이 존재한다. 2014년 추정치에 따르면 50조 입방미터로 천체 천연가스의 11%에 해당하는 엄청난 양이다. 실제 탄층의 메탄 매장량이 경제성이 있는 경우 천연가스정으로 개발되기도 한다.

반면 지표에서 대기로 빠져나가는 메탄의 7%가 탄층에서 나온 것이라는 연구결과도 있다. 메탄은 이산화탄소보다 20배나 강력한 온실기체다. 즉 탄층의 메탄은 두 얼굴을 지닌 셈이다.

연구결과 탄층 메탄의 40%는 미생물이 만든 것으로 추정된다. 즉 탄층에는 식물에서 석탄이 만들어지는 과정에서 나오는 다양한 물질을 먹고 메탄을 배설하는 ‘메탄생성미생물(methanogen)’이 존재한다는 말이다. 실제 탄층을 조사한 결과 탄화 과정에서 나오는 메탄올이나 메틸아민 등을 먹고 사는 여러 유형의 메탄생성미생물을 확인했다.

학술지 ‘사이언스’ 10월 14일자에는 지금까지 알려지지 않은 새로운 메탄생성미생물을 보고한 논문이 실렸다. 즉 리그닌의 분해산물인 메톡시화합물을 먹이로 해서 메탄을 만드는 미생물로 연구자들은 ‘메서미코쿠스 셍글리엔시스(Methermicoccus shengliensis)’라는 학명을 붙여줬다. 지금까지 메톡시화합물을 먹이로 하는 메탄생성미생물은 알려진 게 없었다.

고세균(archaea)에 속하는 이 미생물은 흥미롭게도 탄층이 아니라 일본 야마가타현에 있는 해저유전탐사 과정에서 발견했다. 연구자들은 미생물 배지에 석탄에 존재하는 다양한 유형의 메톡시화합물을 준 결과 서른 가지가 넘는 화합물을 메탄으로 바꿀 수 있는 것으로 확인됐다.

탄층에서 만들어지는 메탄의 밀도는 예외적인 경우를 빼면 천연가스정으로 쓰기에는 경제성이 없다. 따라서 앞에서 언급한 것처럼 대부분 채굴 중이나 버려진 탄광에서 대기로 유출돼 악역(온실가스)을 맡게 된다.

연구자들은 이번에 발견된 메톡시화합물을 먹는 미생물을 비롯해 탄층에 존재하는 여러 메탄생성미생물의 생리를 연구하면 탄층에서 더 많은 메탄을 만들 수 있는 방법을 찾아낼 수 있을 수 있다고 전망했다. 석유가 고갈되는 시점에서 인류가 200년은 더 쓸 수 있을 정도로 아직은 풍부하지만 그대로 꺼내 쓰기에는 부담스러운 석탄을 미생물의 힘을 빌어 청정연료로 바꿔 쓸 수도 있다는 말이다.

탄층에 존재하는 메탄의 40%는 미생물이 만드는 것으로 알려져 있다. 그 결과 채굴 중이나 버려진 탄광에서 대기로 유출된 메탄이 온실효과(greenhouse effect)를 낸다. 최근 연구에 따르면 석탄에 많이 존재하는 메톡시화합물(methoxylated coal compounds)을 대사하는 메서미코쿠스(Methermicoccus)가 메탄 생성에 주된 역할을 하는 것으로 보인다. 이들 메탄생성미생물을 이용해 탄층의 메탄 밀도를 높인다면 천연가스정(natural gas pipeline)으로 개발될 수도 있을 것이다.

탄층에 존재하는 메탄의 40%는 미생물이 만드는 것으로 알려져 있다. 그 결과 채굴 중이나 버려진 탄광에서 대기로 유출된 메탄이 온실효과(greenhouse effect)를 낸다. 최근 연구에 따르면 석탄에 많이 존재하는 메톡시화합물(methoxylated coal compounds)을 대사하는 메서미코쿠스(Methermicoccus)가 메탄 생성에 주된 역할을 하는 것으로 보인다. 이들 메탄생성미생물을 이용해 탄층의 메탄 밀도를 높인다면 천연가스정(natural gas pipeline)으로 개발될 수도 있을 것이다.
ⓒ A. Cuadra/사이언스

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