자연 광합성보다 훨씬 효율이 뛰어난 인공 광합성으로 식량 만든다

 

(Plants are growing in complete darkness in an acetate medium that replaces biological photosynthesis. Credit: Marcus Harland-Dunaway/UCR)

 

(A combined electrochemical–biological system for the production of food from CO2. a, CO2 electrolysis uses electricity (generated by photovoltaics) to convert CO2 and H2O into O2 and acetate. This process was optimized to produce an effluent output ideal for supporting the growth of food-producing organisms. b, Chlamydomonas, Saccharomyces, mushroom-producing fungus and a variety of vascular crop plants were grown using the electrolyser-produced effluent. c, The organisms grown using the electrolyser-produced effluent serve as food or food products. This system is capable of making food independent of photosynthesis, using CO2, H2O and solar energy. Credit: Nature Food (2022). DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x)

 광합성은 지구 생태계를 지탱하는 가장 기본적인 에너지 변환 방법이지만, 사실 에너지 효율은 매우 낮습니다. 태양 에너지 가운데 단지 1%만이 광합성에 의해 포도당 같은 생물학적 에너지원으로 변환됩니다. 의외로 에너지 전환 효율에 있어서는 인간이 만든 태양광 패널이나 태양열 발전이 수십 억 년 진화의 산물인 광합성보다 월등히 뛰어납니다. 하지만 유기물을 만드는 것이 아니라 전기를 만드는 것이기 때문에 사실 식량 생산이라는 광합성 고유의 영역을 침범하지는 않았습니다. 

 캘리포니아 대학 리버사이드 캠퍼스와 델라웨어 대학 (UC Riverside and the University of Delaware)의 과학자들은 식물의 영역인 광합성에 도전했습니다. 연구팀은 2단계 전기 촉매법(electrocatalytic)을 이용해 물과 이산화탄소를 산소와 아세테이트 (acetate, C2H3O−2)로 만들었습니다. 식물처럼 바로 포도당을 합성하지 못한 것은 제한점이지만, 반대로 그렇기 때문에 과정이 단순하고 비용을 절감할 수 있습니다. 

 아세테이트는 식초의 주 원료이지만, 이걸 먹고 살 순 없습니다. 따라서 연구팀은 아세테이트를 원료로 효모나 버섯, 조류 (algae) 그리고 식물을 키워 이것을 식량으로 만드는 2단계 방식을 제안하고 있습니다. 효모나 버섯, 단세포 조류는 그렇다치는데, 아세테이트를 이용해서 빛 없이 자랄 수 있는 식물이 있다는 건 처음 알았네요. 아무튼 조류의 경우 일반 광합성보다 4배, 효모의 경우 18배나 에너지 효율이 뛰어나다는 게 연구팀의 설명입니다. 

 하지만 효율성이 아니라 비용으로 생각하면 역시 현재의 일반 농업 방식이 더 저렴한 방법이 될 것입니다. 태양광 패널로 전기를 얻은 후 전기 촉매를 통해 아세테이트를 생산해 다시 작물을 키우는 방식은 비용면에서 분명 더 비쌀 것입니다. 따라서 비용 문제를 생각하면 가까운 미래에 이런 방법이 일반적인 식량 생산 방법이 될 가능성은 낮아 보입니다. 

 그러나 연구팀은 한 가지 큰 가능성을 생각하고 있습니다. 바로 우주 기지에 식량을 공급하는 일입니다. 화성이나 달, 혹은 유인 우주선에서 한정된 에너지를 이용해 식량을 생산한다면 이 방법이 최선일 수 있습니다. 이런 점을 생각하면 더 흥미로운 연구 같습니다. 

 참고 

 https://phys.org/news/2022-06-artificial-photosynthesis-food-sunshine.html

 

 Elizabeth C. Hann et al, A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production, Nature Food (2022). DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x