[전남인터넷신문]농업에서 요소는 작물의 생산성과 밀접한 관련이 있다. 요소와 같은 질소 기반 비료를 생산하는 공급원료는 암모니아이다. 암모니아는 세계에서 두 번째로 많이 생산되는 화학물질로서 전 세계 화석 연료 에너지 사용량의 2%를 차지한다. 동시에 암모니아 제조과정에서는 연간 4억 5천만 톤의 이산화탄소를 생성해 철강 및 시멘트 제조보다 배출 집약적이다.

암모니아 생산에는 탄소 발생이 많으나 인류가 식량을 확보하기 위해서는 꼭 필요한 존재이며, 현재 인류가 살아남는데 중요한 물질이다. 그러므로 인류는 암모니아를 인공적으로 계속 생성하지 않는 한 존속할 수 없을 정도인데, 그 중요성은 많이 알려져있지 않다.

인간의 몸은 핵산, 아미노산, 단백질로 이루어져 있다. 이러한 물질의 분자에는 질소 원자(N)가 포함되어 있다. 지구의 대기 중에는 질소 가스가 약 80%가 포함되어 있으나 인간은 대기로부터 직접 질소를 흡수할 수 없다. 호흡기로 공기를 흡입해도 활동에 필요한 산소 가스만 흡수하고, 질소 가스는 그대로 배출된다. 몸을 구성하는 질소는 지중(地中)에 포함되어 있는 질소비료, 즉 암모니아를 흡수해 자란 식물, 또는 그것을 먹은 동물을 식량으로 해서 흡수한다.

모든 생물이 살아가는데 빼놓을 수 없는 암모니아는 자연계에서는 공중 질소 고정균이라고 부르는 박테리아가 만들어내고 있다. 그러나 자연계에 존재하는 공중 질소 고정균의 작용만으로는 현재의 인구에 맞는 양의 식량을 만들어낼 수 없다. 이미 지구상에서 만들어진 암모니아 중 약 절반이 공장에서 인공적으로 합성된 것이다.

이 점을 감안하면 암모니아를 인공적으로 합성하는 기술이 있어 현재의 인구를 지지하고 있음을 알 수가 있다. 암모니아를 인공적으로 대량 합성하는 기술은 1913년에 성립된 하버-보쉬 공정(Haber-Bosch process)이다. 이 방법은 철 등을 포함한 촉매상에서 수소와 질소를 고온(400-600℃), 고압(100~300기압)의 환경하에서 초임계 유체 상태로 하여 화학 반응을 일으켜 암모니아를 합성하는 기술이다.

하버 보쉬법은 효율적인 대량생산에 적합하며 위대한 발명으로 현재까지 유용하게 활용되고 있다. 그런데 탄소중립의 필요성이 커진 현재는 본질적으로 탄소 배출과 관련해서 대체 제조법 개발이 강하게 요구되고 있다. 하버 보쉬법은 수소와 질소를 화학 반응시키기 위해 고온 고압 환경을 만들 때 막대한 에너지가 소요된다. 질소 분자는 2개의 질소 원자가 삼중 결합으로 굵게 결합되어 있어 암모니아를 합성하는 화학 반응을 일으킬 때 질소 분자를 원자로 분해하는 과정에서 결합을 차단하기 위한 큰 에너지가 필요하다.

또한 화학 반응을 시키는 물질 중 질소는 대기 중에서 얻어지나 수소는 화석 연료를 원료로 만들어야한다. 공업적으로는 메탄과 물을 원료로 하여 수소(그레이 수소)를 만들고 있는데, 부산물로서 이산화탄소도 만들어진다. 이 수소를 만드는 공정 또한 고온 환경하에서의 화학 반응이 요구되어 대량의 에너지를 소비하면서 탄소배출이 많아진다. 그럼에도 불구하고 앞으로 세계의 인구는 더욱 늘어나고, 에너지원으로서도 암모니아 활용이 증대가 예상되는 만큼 현재의 방법으로 암모니아 제조를 계속하면 탄소 배출은 더욱더 늘어날 전망이다.

따라서 지속 가능한 지구 환경을 위해서는 탄소배출이 많은 하버 보쉬법을 대체할 수 있는 친환경 제조법 개발의 필요성이 커지고 있다. 그것은 자연계에서 화석연료를 사용하지 않고 상온 상압의 환경하에서 암모니아를 만들어내고 있는 콩과식물의 공중질소고정균으로부터 배울 수가 있다.

콩과식물의 뿌리에는 근규균이라고 불리는 박테리아가 공생하고 있으며, 식물은 이 박테리아가 만든 암모니아를 흡수 및 이용하고 있다. 그동안의 연구 결과에 의하면 근류균은 니트로게나아제(nitrogenase)라고 불리는 복잡한 단백질로 만들어진 효소로 대기 중의 질소를 고정하고 있음이 알려져 있다.

질소 분자를 분해하여 암모니아 분자를 합성하는 과정에서 효소 분자 중의 황과 연결된 철과 몰리브덴 같은 금속이 포함되는 부분이 활성 부위가 되어 반응을 촉진시키고 있다. 그러나 아직까지 반응 메커니즘에 대한 전반적인 내용은 명확하게 밝혀져 있지 않다.

연구자들은 현재 니트로게나제를 인공적으로 만드는 연구를 진행하고 있다. 그런데 니트로게나아제의 분자 구조는 복잡하고 공업적 합성이 곤란하고, 또한 활성 부위가 공기 중의 산소에 약하다. 또 암모니아의 합성 효율도 낮아 산업적인 양산 기술로서 적용이 어려운 것이 현실이다. 연구자들은 이러한 문제점을 극복하기 위해 니트로게나아제와 같은 기능을 재현할 수 있는 물질을 만들어내고 대기 중의 질소와 물로부터 상온 상압에서 근류군을 뛰어넘는 고효율의 암모니아 합성법의 실현을 목표로 연구하고 있다.

질소와 물은 모두 대기 중의 성분이므로 이것을 합성하여 암모니아를 상온 및 상압에서 만들면 비료를 만드는 과정에서 탄소 배출이 적을뿐만 아니라 연료나 전력 등을 보급하지 않아도 계속 움직이는 기계를 만들 수가 있어 지금까지 인류가 지속적으로 진화해 나가기 위한 과제였던 에너지 문제와 탄소 배출 문제도 상당히 해결할 수가 있다.

가령, 자동차에 대기 중의 질소와 물로부터 암모니아를 합성하는 기구를 탑재하고, 보닛을 비추는 태양광을 에너지로서 합성할 수 있도록 하면, 달리고 있을 때도, 멈추고 있을 때 심지어 암모니아를 계속 만들고 필요할 때 사용할 수 있게 된다. 콩과식물에서 질소 고정균의 메커니즘의 완전 해독과 활용은 농업문제 뿐만 아니라 자동차 산업 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 수 있는 비밀을 풀 수 있는 열쇠가 되는 것이다.

[인용자료]

アンモニアを空気と水から合成して燃料・肥料を作る ─ 脱炭素の潮流を一変させるゲームチェンジャーが胎動(https://www.tel.co.jp/museum/magazine/interview/202312_01/)