재생가능 에너지 중에서 바이오매스만이 석유를 대체할 액체연료 및 공업원료를 제공할 수 있다. 미세조류는 바이오매스 공급원으로서 높은 생산성과 식량생산 간의 직접적인 경쟁이 적은 점 때문에 주목을 받고 있다. 앞으로 탄화수소계 바이오매스를 생산하는 해양 미세조류가 보다 중요하게 될 것이다.

앞으로 석유는 자동차 및 항공기 등 이동과 수송수단을 위한 연료 및 발전소에서의 연료 또는 다양한 공업제품의 원료로서 현재사회의 유지에 불가결한 천연자원이다. 최근 산유국에서 생산량의 감소, 불안정한 정세, 발전도상국 등에서의 수요 증가 등에 의해 석유 가격은 지속적으로 상승하고 있다.

 

또한 채굴 가능한 석유자원은 서서히 감소한다고 예측되고 있어 수십 년 후에는 고갈된다고 예상하고 있다. 또한 석유 및 석탄 등 화석연료의 소비에 의한 대기 중의 이산화탄소 농도 증가에 따른 지구온난화, 이상기후, 해양 산성화 등 지구환경의 악화를 실감하고 있다. 따라서 석유를 대체할 수 있는 에너지 자원의 안정적인 확보 및 지구 규모의 환경 개선과 유지를 위한 탄소중립적인 지속 가능한 에너지 자원의 확보가 급선무이다.

현재 석유를 대체할 수 있는 에너지 자원으로는 수력, 풍력, 태양광, 태양열, 지열, 파력, 조력, 원자력 등 다양한 에너지원을 생각할 수 있지만, 대부분이 전력을 생산해 내는 것이다. 이러한 차세대 에너지 자원 중에서 유일하게 광합성 생물이 생산하는 유기물에서 유래한 바이오매스만 석유의 직접 대체물질이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

사탕수수 및 옥수수의 자당 및 전분을 활용하여 생산되는 에탄올을 연료에 혼합하여 이용하는 시도는 일부 국가에서 실용단계에 있다. 그러나 작물을 원료로 바이오매스 에너지를 생산하는 시도는 식량생산과 경쟁하기 때문에 장래 식량위기 문제를 생각하면 전 지구 규모로 동일한 체제를 구축하는 것은 현실적이지 않다.

 

또한 에탄올은 내연기관 내의 금속을 부식시키거나 배관 등 수지제품을 손상시키고 전용 장치가 필요하다. 육상식물의 비식용부분을 활용한 셀룰로오스 기원의 당으로부터 에탄올을 생산하는 것이 현실적이지만, 셀룰로오스를 직접 미생물이 이용하는 것은 간단하지 않고 현 시점에서는 연구에 머무르고 있다.

한편 미세조류는 해양, 호수, 하천수 등 수중에 생육하는 주로 단세포의 조류로, 광합성에 의해 유기물(바이오매스)을 생산, 축적한다. 특히 질소결핍 조건에서는 세포 건조중량의 수십% 이상의 트리글리세라이드 또는 탄화수소를 축적하는 종(種)이 알려져 있다. 또한 미세조류는 육상식물과 달리 경작 주적합 토양에서도 조류 배양용 시설, 장치를 설치하면 배양이 가능하다.

 

그리고 단위면적당 오일 생산량은 육상식물의 생산량과 비교하여 상당히 높은 값을 나타내는 종이 있으며, 미세조류의 오일 생산 잠재력을 활용한 석유 대체물질로서 이용 가능한 바이오매스 생산을 목표로 한 연구가 일본 국내외에서 왕성하게 이루어지고 있다.

유지식물 및 미세조류가 축적하는 유지를 비누화시켜 얻는 지방산을 메틸에스터로서 디젤연료로 이용하는 바이오디젤에 관해서도 왕성하게 연구가 진행되고 있다. 그러나 광합성 생물의 트리글리세라이드에 포함된 지방산은 그 아실기에 복수의 이중결합을 포함한 다가 불포화 지방산으로, 산소에 의해 간단하게 산화되어 노화되기 쉬워 장기간 저장에는 부적합하다.

 

또한 측쇄 길이가 길기 때문에 저온조건에서 점성이 상승하거나 고화되기 때문에 이용이 한정적이다. 그리고 지방산 메틸에스터는 분자 내에 산소원자를 포함하고 있기 때문에 고온의 엔진 내에서 연소시키면 NOx를 만들어내기 쉽다는 문제가 있다. 이러한 현상에 의해 최근 탄화수소를 축적하는 미세조류를 이용한 바이오매스 생산에 기대가 높아지고 있다.

 

미세조류는 상당히 다양한 성질을 가진 생물군으로 지금까지 나타나지 않은 성질을 가진 것이 매년 새롭게 동정되고 있다. 이러한 특징을 살려 오일 생산에 적합한 생물군의 단리 동정도 실시되고 있다.

댐 및 담수호에서도 서식하는 녹조의 일종인 보트리오코커스 브라우니(Botryococcus braunii)는 탄화수소계 물질을 고농도로 합성하고 세포 외로 분비하는 성질을 가지고 있다. 이 성질에 의해 보트리오코커스 브라우니는 미세조류에 의한 석유 대체물질 생산에서 가장 주목 받고 있는 생물이다. 보트리오코커스 브라우니는 담수성 조류로 대규모 배양에 다량의 청정한 담수의 확보가 필요하다.

 

일본에서는 물의 공급은 그다지 큰 문제가 아니지만, 온도 및 일사량의 조건은 조류의 배양에 적합하지 않다. 미국 남서부 및 호주의 북서부 등 연중 온화하고 일사량이 풍부한 지역은 조류의 배양에 적합하지만, 일반적으로 건조지대인 염수의 공급은 곤란하다. 때문에 이러한 지역에서는 해수를 이용한 미세조류의 대량 배양이 바람직하다.

규조류 중에서는 저질소 영양조건에서 다량의 트리글리세라이드를 축적하는 종이 있지만, 탄화수소를 축적하는 규조는 알려지지 않았다. 한편 원석조류(Coccolithophorid)에 속하는 Emiliania huxleyi는 세계 각지의 해양에 서식하는 주(株)가 알려져 있으며 다양한 환경에 적응한 종이 있다. Emiliania huxleyi는 세포 건조중량의 20~30%의 장쇄 불포화 케톤을 합성한다.

 

알케논(Alkenone)을 축적한 세포를 무산소 조건에서 열분해하면 처리온도의 차이에 의해 제트연료 및 휘발유 등 상온에서 액체의 탄화수소와 메탄 및 에탄 등의 기체 탄화수소까지 얻을 수 있다. 알케논의 합성경로는 밝혀지지 않았지만 게놈 해석, 전사산물 해석, 대사산물의 총체적인 해석을 통해 해명을 위한 연구가 진행되고 있다.

장래적으로는 규명된 대사경로에 관한 산소 유전자의 변형 및 결손에 의해 목적으로 하는 탄화수소만을 합성하는 주(株)를 만들어 해수를 활용한 탄화수소(석유 대체 에너지) 생산의 실현을 목표로 하고 있다.