미세조류의 환경 정화 기능과 고부가가치 기능성 소재 및 바이오 화학제품 산업으로의 전환 및 기술 개발 동향 doc_id PCY_201702210429327531_1

국제적으로 석유계 연료 및 화학제품의 사용으로 인한 다양한 환경오염 문제가 발생되고 있습니다. 2000년부터 석유계 산업의 대안으로 바이오산업이 주목받아 왔으며 매년 시장 규모가 확대되고 있습니다. 바이오산업 중 미세조류 활용 분야는 비식용작물 및 활용가치의 다양성이란 장점을 가지며 바이오에너지를 중심으로 성장하여 왔습니다. 하지만 바이오에너지는 석유계 원료와 비교 시 고가의 생산비용으로 인해 산업화의 정체기에 머무르고 있습니다. 따라서 최근 미세조류 산업분야는 바이오에너지 기반하에 환경정화, 바이오 플라스틱, 바이오기능성 식품 등의 고부가가치 소재 산업으로 변화되어 미국 유럽 일본을 중심으로 발전하고 있습니다. 본 연구에서는 미세조류를 활용한 고부가가치 산업의 활성화를 위해 국·내외 제품화 기술개발 동향, 해외 법 및 제도현황을 살펴봄으로써, 국내 적용을 위한 정책적 시사점을 도출하였습니다. 고부가가치 물질 중 첫 번째로 조류 기반 기능성 건강식품, 바이오화장품 소재 및 (천연물) 바이오 의약품이 있으며, 근래 생산기술의 개발로 인해 제품화가 급증하고 있다. 관련 분야에서는 제품에 필요한 특정물질의 효율적 생산으로 미세조류 균주의 시스템 생물공학을 통한 바이오리파이너리 기술이 발달하고 있다. 현재 한국은 평균 수명의 증가와 고령화에 따른 웰빙한 삶을 위해 항노화, 항산화, 항염증 등 건강증진에 관심도가 높아지고 있고, 제품의 원료를 인체 친화도가 높은 천연 바이오매스 소재로부터 이용률이 증가하는 추세이다. 두 번째로 석유 대체 바이오 화학제품 중 바이오 플라스틱에 대한 관심이 높아지고 있다. 바이오 플라스틱은 석유계 플라스틱으로 대체될 시 연간 31-71%의 이산화탄소 배출량을 저감시킬 수 있고, 최근 해양에서 문제가 되고 있는 미세플라스틱의 감소에 의한 생태계 건강성 확보 등 환경 분야에 많은 기여를 할 수 있다. 바이오 플라스틱은 대표적으로 PLA(Polylactic acid) 고분자 물질로 제조된 생분해성 플라스틱과 Bio-PET(Polyethylene Terephthalate)의 비생분해성 플라스틱이 상용화되고 있다. 선진국을 중심으로 고령화 인구가 증가하면서 건강증진과 노화방지에 대한 관심도가 높아지고 있다. 사람들은 웰빙한 삶을 위해 자연에서 유래한 천연소재 제품을 선호하고 있으며, 최근 생명공학기술의 발달에 따라 관련 소재의 기술개발이 급증하고 있다. 다양한 식물을 포함한 천연소재 중 미세조류는 세포 내 생리활성물질이 검증되고 활용범위가 넓어짐에 따라 다양한 제품이 출시되고 있다. 미세조류는 기본적으로 단백질, 지방, 탄수화물 이외에 유용물질 종류에 따라 기초식품, 건강기능식품, 천연/바이오 의약품 및 화장품 그리고 항암, 항염, 혈액응고 방지, 살충제, 항고혈압, 콜레스테롤 저하제 등 다방면 바이오기능성 소재로 활용될 수 있다. 한 예로, 아스타잔틴 물질은 활성산소 중 독성이 강한 일중항산소의 저감 효율이 β-카로틴과 비타민 E보다 각각 10배 및 100배 이상 높고, CoQ10보다 800배나 높은 항산화 능력을 가지고 있다. 조류는 일반적으로 종마다 구성물질의 함량이 다르고 성장 환경에 따라 목표물질의 함량이 변화되어, 기능성 소재의 생산에 필요한 최적 종의 확보와 물질별 맞춤 배양 방식을 찾는 것이 중요하다. 향후, 조류를 활용한 기능성 소재의 생산은 바이오매스 원료의 대량 확보와 추출물질의 안정성 검증으로 인해 많은 제품화가 기대된다. 미세조류를 이용한 가장 대표적인 건강식품으로는 스피룰리나(Spirulina)와 클로렐라(Chlorella)로서, 고함량의 단백질과 탄수화물, 지질 및 무기질 등의 다양한 영양소를 함유하여 미국·중국 등에서 천연자연식품으로 각광받고 있다. 색소계 물질인 베타카로틴(β-carotene), 아스타잔틴(Astaxantin), 루테인(Lutein), 피코빌린(Phycobilin), 피코에리트린(Phycoerythrin) 등은 건강기능식품, 식품첨가제, 의약품 및 화장품 원료로 사용되고, DHA, EPA 등 오메가-3 불포화지방산은 건강기능식품으로 활용되고 있다. 이외에 미세조류 유래 효소(Superoxide Dismutase, Luciferase 등)는 식품첨가물로 이용되고, 독성물질은 신경치료제 등의 의약품 분야에 적용되고 있다. 지구상에는 조류가 약 4만여 종이 서식하고 있으며, 조류 종의 특성 및 배양조건에 따라 세포 구성물질의 함량이 다르다. 특히, 조류에는 식품, 의약품, 화장품 등의 기능성 소재로 활용할 수 있는 다양한 생리활성 물질이 존재하는데, 대상 제품별 효능이 있고 독성이 없는 물질을 빠르게 찾는 것이 핵심기술로 평가되고 있다. 과거에는 표적물질을 확인하는데 많은 기간이 소요되는 문제점이 있었지만, 최근 국내에서는 미세조류를 포함한 천연물의 효능을 탐색할 수 있는 초고속 천연물 탐색 시스템(iHTac: integrated High Throughput Affinity Contents Screening System)이 도입되었다. 이 시스템은 로봇기술을 이용하여 하루 최대 5,000여 개의 샘플테스트를 통해 효능 및 분자구조를 확인할 수 있는 것이 특징이다. 국내에서는 한국과학기술연구원과 한국생명공학연구원에서 운영되고 있으며, 생물들의 부가가치 상승과 산업화에 있어 중요기술로 활용되고 있다. 미세조류의 상업화에는 유전자 개량에 의한 대량배양 시설의 최적화가 해결해야 할 난제로 인식되고 있지만, 타 바이오매스와 비교하여 단위면적당 높은 생산량과 비식용작물 그리고 다양한 유용물질을 함유한 장점으로서 꾸준한 연구개발이 진행되고 있다. 최근 10년간 조류 바이오매스를 활용한 연구개발 분야는 바이오에너지에 집중되어 왔으나, 유가 하락과 원료 물질 회수에 대한 경제성 문제로 정체기에 이르고 있다. 하지만 2010년 대비 2015년에는 미세조류 바이오연료의 생산단가가 절반으로 낮아졌고, 관련 기술발달에 따라 2019년 5달러/gge, 2027년까지 3달러/gge으로 비용절감이 전망되고 있다. 그럼에도 불구하고 시대의 상황에 발맞춰 바이오연료 이외에 미세조류로부터 석유화학 대체 제품과 기능성 소재 및 의약품 등 고부가가치 원료 생산기술의 연구개발과 산업화는 꾸준한 증가 추세에 있다. 댐, 강과 호수를 포함하는 호소시스템은 지구상 물의 구성 비율 중 0.03% 정도를 차지한다. 최근 호소는 산업의 발달과 도시화, 그리고 기후변화의 요인으로 인해 수질이 악화되고 있으며, 비점오염원으로 인한 부영양화가 발생되고 있다. 국내 수계의 부영양화에 따른 미세조류 대량 증식은 최근 사회 및 환경적으로 문제시되어 근본적인 해결책이 필요한 상황이다. 반면 미세조류를 이용한 수계 오염원 저감에 관한 긍정적인 측면도 보고되고 있다. 대표적으로 미세조류를 활용한 도시폐수의 유·무기 오염원 저감, 방사성 폐수의 스트론튬, 세슘 오염원 저감, 농약류, 의약품류 등의 난분해성 유기오염물질 저감, 폐광산 폐수 내 중금속 제거 등이 있으며, 그 사례는 아래와 같다. 1) 뉴질랜드 Aquaflow Bionomic 사는 Blenheim 하수처리장에서 미세조류를 활용한 폐수 정화를 실시하였고, 미국 메릴랜드 주에서는 Algal Turf Scrubber(ATS) 공정을 이용하여 패턱센트 강(Patuxent River)에서 m2당 질소, 인을 각각 250mg, 45mg 저감하였다.