미세조류는 광합성색소를 가지고 광합성을 할 수 있는 단세포 생물의 통칭이다. 미세조류는 약 20 - 24억 년 전부터 시작된 대기 중 산소의 대규모 증가 (Great oxidation event)에 결정적인 역할을 담당했을 것으로 추정되고 있다. 현재에도 바다 속에서 일어나는 탄소 고정의 약 70% 이상을 미세조류가 담당하는 것으로 알려져 있으며, 바다 속 생태계에서의 주요 물질 순환에 큰 축을 담당하고 있다. 이렇듯 미세조류는 장구한 시간 동안 우리가 살고 있는 지구 생태계를 조성하고 유지하여 왔으며, 시간적, 공간적 환경 변화에 따라 매우 다양하게 분화되고 진화되어 왔다. 최근들어  대기 중 이산화탄소의 농도 증가로 바닷물의 산성화가 급격히 진행되고 있고, 기후의 급격한 변화로 토양의 사막화가 증가하며, 농작물의 생산량이 감소하고 있다. 인구 증가와 에너지 소모의 증가 및 환경오염의 확대 등으로 인해 인류가 살아가고 있는 기반 환경이 위협받고 있다. 이러한 제반 문제들은 미세조류의 생리적, 생태적 활동과 밀접한 연관관계를 가지고 있기 때문에, 과학계에서는 현생 지구 생태계의 조성자이며, 유지에 큰 축을 담당하고 있는 미세조류의 특성을 활용하여 인류가 당면한 여러 문제를 해결하려는 연구를 수행하고 있다. 본고에서는 현재 이루어지고 있는 미세조류 관련 연구들을 간략히 소개하고, 앞으로의 연구 주제에 대해 고찰하고자 한다.
   미세조류의 대규모 배양은 이산화탄소 고정화 기술의 하나로 각광받고 있다. 미세조류의 광합성 작용은 대기 혹은 수중에 있는 이산화탄소를 유기 탄소로 변환하게 되므로, 이들 환경에 존재하는 이산화탄소의 양을 효율적으로 줄일 수 있다. 미세조류 배양에 있어서 가장 경제적인 이산화탄소 원으로 화석연료를 대량 사용하는 화력발전설비나 공장 등에서 배출되는 배가스 (이산화탄소 농도 약 10~20%)를 들 수 있다. 현재 국내외 연구진은 고농도 이산화탄소를 직접 이용할 수 있는 다양한 미세조류 주를 분리하고, 그 배양 최적화에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히 국내 연구진은 미세조류배양 시스템 내의 유체 유동과 연계하여 배가스를 무동력으로 공급하고, 배양액의 pH를 효율적으로 조절할 수 있는 기술을 개발하여 상용화 단계에 진입하였다. 
   미세조류의 광합성 과정은 질소, 인과 같은 영양염류를 함께 필요로 한다. 미세조류의 배양을 통해 하천, 호수, 및 폐수에 있는 영양염류를 효율적으로 제거하려는 연구가 다양하게 수행되고 있다. 국내 연구진은 부착 특성이 우수한 규조 및 녹조 (진핵생물)를 이용하여 녹조 (원핵생물) 번성을 제어하려는 기술을 개발하고 있다. 미국 메사추세스 주립대학의 연구팀은 하폐수 처리에 미세조류를 근간으로 하는 미생물 군집을 도입하여 뛰어난 영양염류 제거 효과를 거두었다. 이 기술은 하폐수 처리 과정에서 전체 운영비의 50% 이상을 차지하는 폭기 공정을 미세조류의 광합성 성장을 통한 산소 공급으로 대체함으로써, 운영비를 대폭 절감할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 
   미세조류는 인간에게 유용한 다양한 물질의 원료가 될 수 있다. 현재 대표적인 미세조류 유래 생산물로는 항산화물질인 카로테노이드계 (예, fucoxanthin, lutein, carotenoids 등) 화합물이 있다. 또한 미세조류는 제 3세대 biofuel의 대표적 생산 원료로서 각광받고 있으며, 국내외 많은 연구진이 미세조류 유래 biodiesel의 상용화에 많은 노력을 기울이고 있다. 국내 연구진은 미세조류로부터 biodiesel을 생산하는 기존의 배양, 수확, 건조, 추출, 전환 등으로 이루어진 다단계 공정을 배양 → 수확 → 전환 공정으로 단순화시키는 데 성공함으로써, 앞으로 이 분야를 선도할 것으로 기대된다. 또한 Biodiesel 생산 후 남은 미세조류의 부산물을 발효해서 생분해성 플라스틱단량체를 생산하려는 연구도 함께 수행하고 있다.
   미세조류의 생리, 생태학적 특성은 향후 인류가 사막이나 바다의 생태계를 변환시키거나, 다른 행성이나 우주에서 생활하는 데 필요한 새로운 생태환경 조성에 큰 역할을 할 것으로 보인다. 이스라엘이나 국내외 연구진은 토양의 사막화 방지를 위해 사막화가 진행되는 지역에서 다양한 식물을 식재하고 재배하려는 노력을 기울여 왔다. 이러한 연구의 성과 중 하나로 토양 미생물 군집의 중요성이 부각되었으며, 최근에는 사막 지역에 서식하는 토착 미세조류를 이용하여 사막 생태계의 초기 안정화를 촉진하려는 연구가 막 태동하고 있다. 또한 바다 및 하천에서 다양한 어류의 양식이 가능해지면서, 어류의 양식과 미세조류 및 해조류와의 영양염류 순환생태계 형성이 안정적인 어류 양식 및 생산성 향상에 필수적인 것으로 나타났으며, 이러한 생태시스템을 대규모로 도입하려는 연구가 여러 나라에서 시도되고 있다.
   이와 같은 미세조류 기반 생태 유지, 보존 및 변환 기술은 인류가 지구를 넘어 다른 행성 및 항성계를 여행하고 인간 생활에 적합한 행성적 규모의 생태환경 조성에 필수적인 기술이 될 것이다. 우주와 관련하여 클로렐라와 같은 미세조류는 이미 우주인의 식량으로서 이용되어 왔다. 미세조류 내 축적되어 있는 항산화물질은 우주 복사선 피폭에 대한 저항성을 증진시킬 것으로 기대되고 있다. 미세조류는 장기간의 우주여행에 필수적인 물, 식량, 산소의 순환에 가장 적합한 생물자원으로 활용될 전망이다. 국내 연구진은 우주 환경에서의 미세조류 배양의 특성을 규명하고 배양 조건을 최적화하기 위해 무중력 혹은 중력가속도가 0인 조건에서 미세조류 배양 특성에 대한 연구를 시도하고 있다. 또한 미세조류의 대사 조건을 조절하여 항산화물질의 특성을 변화시키고, 이것이 우주선 피폭에 있어서 어떠한 영향을 끼치는 가에 대한 연구도 진행되고 있다.
   미세조류는 수십억 년 전 과거에서부터 현재, 그리고 앞으로 우주 시대에 이르기까지 우리 인류의 생존과 밀접한 관계를 가지고, 인류와 함께할 중요한 생명체이다. 따라서 미세조류에 대한 깊은 이해와 효율적 이용은 전 인류의 풍요로운 현재와 미래를 향한 필수 연구 분야가 될 것이다.
 

한국생명공학연구원 바이오에너지 연구센터 나현준 연구원

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