[미국] 효소성 마이크로모터 추진을 이용한 물에서 이산화탄소 격리
이산화탄소는 기후 변화에 기여하는 중요한 요인 중 하나로 간주되고 있다. 따라서 이산화탄소의 축적을 완화시키는 것을 목표로 하는 상당한 노력이 현재 전 세계에서 진행되고 있다. 새로운 접근은 유출수와 대기로부터 이산화탄소를 포획 및 격리하는 방안으로 개발됐다.
이산화탄소 포획 공정은 높은 비용, 높은 에너지 투입 및 혹독한 화학물질의 사용과 오염물질의 생성 등과 같은 문제를 안고 있다. 용해된 이산화탄소를 고체의 탄산칼슘(calcium carbonate)으로 저장하는 방법은 물 시료에서 용해된 이산화탄소의 양을 줄이는 환경 친화적이고 신뢰할 수 있는 가장 유망한 방법 중 하나이다. 새로운 연구에서 이산화탄소는 물에 의해 수화반응을 겪고 이어서 이온화 반응(ionization)이 진행되고 염화칼슘(calcium chloride)을 이용하여 탄산염(carbonate)을 형성한다.
자유롭게 이동하는 마이크로세정기(microscrubber)를 이용하여 수용액에서 신속하게 오염을 제거할 수 있을까? 이러한 시나리오가 물에서 이산화탄소를 격리하기 위하여 미국 과학자들에 의해 실현될 수 있을 것으로 기대된다.
관련 연구는 Angewandte Chemie 저널에 "마이크로모터 기반의 생체 모방 이산화탄소 격리 : 이동성 마이크로세정기를 향하여(Micromotor-Based Biomimetic Carbon Dioxide Sequestration: Towards Mobile Microscrubbers)“라는 제목으로 발표됐다. 연구진은 이동할 수 있는 효소 지원으로 행동하는 자체 추진 마이크로모터(self-propelled micromotor)를 사용하여 크게 촉진되는 이산화탄소를 고체 탄산칼슘으로 전환시키는 개념을 도입했다.
기체 이산화탄소를 고체 및 내구성이 있는 탄산염으로 현장에서 전환시키는 광화 작용(mineralization)은 화석 연료의 연소로부터 배출되는 대량의 인위적인 이산화탄소 배출 문제를 제어하기 위하여 고려되는 있는 실현 가능한 선택 방안 중 하나이다.
탄산칼슘은 이산화탄소에 대하여 선호되는 저장 형태 중 하나로, 해양 유기체는 수백 년에 걸쳐 이산화탄소의 생물 전환에 의해 산처럼 두껍게 탄산칼슘 층을 쌓는다. 그러나 수용성 환경에서 이산화탄소로부터 촉매가 지원되지 않는 탄산염 형성은 너무 느려서 인간에 의해 대규모로 배출되고 있는 이산화탄소의 격리에 실용적으로 응용하기 어렵다.
캘리포니아 대한 샌디에이고 캠퍼스(University of California, San Diego) 소속의 Joseph Wang 연구진은 정교한 화학적-나노공학적 접근을 이용하여 이러한 전환의 속도를 크게 증가시켰다. 연구진의 접근은 매우 효율적으로 이동하는 생촉매 마이크로세정기(biocatalytic microscrubber)로 작용하도록 하기 위하여 탄산 탈수 효소(CA; carbonic anhydrase)의 생촉매 활성(biocatalytic activity)과 이산화탄소로 포화된 시료를 통과하는 화학적으로 동력이 공급되어 자가 추진되는 마이크로모터를 결합하는 것이라고 연구진은 밝혔다. 탄산 탈수 효소는 중탄산염(bicarbonate)을 형성하기 위하여 이산화탄소의 수화 작용(hydration)을 촉매화하는 아연 금속 효소이다.
이 방법의 중요한 장점은 마이크로모터의 연료로 환경 친화적인 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추가함으로써 반응 용액의 자동 자가 혼합 및 세정하는 공정이 진행된다는 데 있다.
마이크로모터로 변형된 고분자로 만들어진 6마이크로미터 크기의 튜브를 사용한다. 마이크로모터의 내부 표면에서, 과산화수소는 물을 산소 기체로 촉매 반응을 통하여 전환시킨다. 산소 기체 거품의 추진으로 마이크로튜브를 앞쪽으로 움직이게 한다. 튜브의 외부 표면은 탄산 탈수 효소에 닿도록 연구진은 고안했다.
과산화수소에 의해 연료가 공급되어, 이러한 효소-마이크로모터 조합은 잠수함처럼 수용액을 통과하여 초당 100마이크로미터 이상 또는 마이크로모터 길이 10배의 인상적인 속도로 추진한다고 연구진은 밝혔다. 그러나 빠른 속도가 잠수함 마이크로세정제의 유일한 장점은 아니며, 마이크로모터 표면 위 효소의 화학적 정박이 이산화탄소 탈수에 대한 효소 안정성을 부여한다.
이러한 행동을 테스트했을 때, 마이크로세정기는 이산화탄소를 함유하고 있는 해수를 포함한 테스트 용액의 오염을 수 분 이내에 효과적으로 정화시켰다. 이산화탄소가 전환된 탄산칼슘은 바위처럼 쌓이게 된다.
연구진은 자가 추진되는 탄산 탈수 효소 기반의 기능성 마이크로모터를 기반으로 생체 모방 격리(biomimetic sequestration)를 크게 가속시킬 수 이동성 이산화탄소 세정 플랫폼을 제안했다. CA의 이산화탄소 수화작용 역량(hydration capability)은 촉매 마이크로모터의 신속한 이동과 결합하여 유체 역학에 상응하여 매우 효율적인 이동성 이산화탄소 세정 마이크로시스템을 얻을 수 있었다.
CA의 연속적인 움직임과 이산화탄소 기질의 강화된 대량 수송은 격리 효율에서 상당한 개선으로 이어졌으며, 움직이지 않는 고정 또는 자유로운 CA 플랫폼의 속도를 능가한다. 이 시스템은 온실가스 구축에 대하여 증가하는 우려를 해결하기 위한 신속하고 강화된 이산화탄소 격리 플랫폼에 대한 유망한 접근이다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 10월 28일]
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Enzymatic micromotor-driven CO2 sequestration in water
Rapid decontamination of an aqueous solution by a freely moving microscrubber: this scenario has been realized by American scientists for the sequestration of CO2 from water. In the journal Angewandte Chemie ("Micromotor-Based Biomimetic Carbon Dioxide Sequestration: Towards Mobile Microscrubbers"), they introduce their concept of enzymatic conversion of CO2 into solid calcium carbonate, which is greatly facilitated by the use of self-propelled micromotors that act as a movable enzyme support.
The on-site mineralization of the gaseous CO2 into solid and durable carbonate salts is one of the options that scientists consider feasible for tackling the issue of the ongoing and massive man-made release of carbon dioxide by the combustion of fossil fuels.
Calcium carbonate is one of the preferred storage forms for CO2, and marine organisms have piled up layers of calcium carbonate as thick as mountains by bioconversion of carbon dioxide over millions of years, However, the uncatalyzed formation of carbonates from carbon dioxide in aqueous environments is too slow to be practically applicable for large-scale CO2 sequestration by man.
Joseph Wang and his group at the University of California, San Diego, have now greatly speeded up this conversion by a cunning chemical-nanoengineering approach. "Our approach combines the biocatalytic activity of carbonic anhydrase [a zinc metalloenzyme that catalyzes the hydration of CO2 to form bicarbonate] with the self-propulsion of chemically powered micromotors through CO2-saturated samples to act as highly efficient mobile biocatalytic microscrubbers," they write.
The main advantage of this method is the automatic self-mixing and scrubbing of the reaction solution just by adding environmentally friendly hydrogen peroxide, the "fuel" of the micromotors.
As the micromotors, the scientists used a six micrometer sized tube made of a modified polymer. At its inner surface, the hydrogen peroxide is catalytically converted into water and oxygen gas. It is the thrust of the oxygen gas bubbles that pushes the microtube into a forward movement. At the outer surface of the tube the scientists anchored the carbonic anhydrase enzyme.
Fueled by hydrogen peroxide, this enzyme-micromotor combination propels through the aqueous solution like a submarine, reaching the impressive speed of more than 100 micrometers per second, or eighteen times its length, the authors write. But the speed is not the only advantage of the submarine microscrubber, the chemical anchoring of the enzyme on the micromotor surface also grants the enzyme's stability for CO2 hydration.
Tested in action, the microscrubber decontaminated the CO2-containing test solutions, including seawater, efficiently within several minutes. Which sounds like a man-made attempt to pile up calcium carbonate rocks again.
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