환경과 생명공학 Environmental Biotechnology 교재 13 장 생태학과 생명공학

 당면한 환경문제  환경 오염의 원인  환경오염 문제 해결 소극적 : 오염물질의 제거 적극적 : 오염 가능성이 적은 물질 생산, 이용

생명공학 기술을 이용한 환경문제 해결  환경생명공학 (Environmental Biotechnology)  생물환경정화 친환경 제품 소재 생물연료 중금속 결합 단백질 환경오염 탐지

생물지구화학적 물질순환  Biogeochemical cycle  Carbon, Nitrogen, Oxygen, Phosphorus, Sulfur, …

생물환경정화  생물 ( 적 ) 환경정화 ( 생물정화, 생물복원 )  Bioremediation bios (L. life) + remedium (L. fix, cure)  미생물이나 식물을 이용하여 유해 폐기물을 분해하거나 오염된 토양, 지하수, 해양을 정화 ∙ 복원하는 기술  매립, 소각 등에 비해 친환경적, 경제적 2 차 오염 방지 난분해성 물질 정화 가능  대부분 여러 종류 미생물의 작용이 필요 (consortium)  in situ bioremediation ex-situ bioremediation

 Biostimulation ( 생체활성화 ) 자연에 있는 환경정화에 유용한 미생물의 생장을 촉진하기 위해 질소, 인 등의 영양소 공급 Enhanced Bioremediation ( 향상된 생물환경정화 ) 정화의 속도를 빠르게 하기 위해 영양소, 미생물 등을 오염된 장소에 투입하는 기술  Bioremediation Phytoremediation ( 식물환경정화 ) Mycoremediation  생물복원 vs 생물 ( 종 ) 복원

태안 기름 유출 사고

BP oil spill Gulf of Mexico, 2010

Oil degrading bacteria Exxon Valdez oil spill Prince William Sound, Alaska, 1989

난분해성 물질의 분해  Xenobiotics xenos (Greek) foreign, strange  Recalcitrant Xenobiotics recalcitrant : resistant to degradation Plastics, Pesticides, …  Biodegradation of Recalcitrant Xenobiotics 여러 단계의 반응을 통해 분해 / 무독화 대부분 여러 종류 미생물의 순차적 작용이 필요 : Consortium 유전자 변형 미생물에 의한 분해

생물분해성 플라스틱  Biodegradable plastic  Bio-plastics from renewable biomass sources vegetable : fats and oils, starch microbe : PHAs (Poly-β-hydroxy alkanoates) Polylactic acid  Oxo-biodegradable plastic Petrobased polymers with biodegradable additives

PHAs  PHAs (Poly-β-hydroxy alkanoates) 일부 세균이 저장물질로 축적 ( 세포 건조 중량의 80%) poly-β-hydroxybytyrate (PHB) poly-β-hydroxyvalerate (PHV) poly-β-hydroxyhexanoate (PHH)  생물분해성 플라스틱 제조 Biopol 1980s ICI (Imperial Chemical Industries, UK) Copolymer (PHB + PHV) 의료용

바이오 에너지  바이오 에너지 (bioenergy) 바이오매스 ( biomass) 로 부터 얻는 에너지  바이오매스 (biomass) 란 ? 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체 당질계 전분질계 셀룰로오스계 단백질계

 바이오 에너지의 장점 자연에 풍부하게 존재 온실가스 등의 배출을 절감시킬 수 있는 환경친화적인 자원 연료, 전력, 천연화합물 등 다양한 형태의 에너지 생성  바이오 에너지의 단점 자원이 산재하여 존재 : 수집 및 수송이 어려움 종류가 다양 : 이용 기술이 서로 달라 개발이 어려움 과도한 이용은 환경파괴의 가능성

 생물 연료 (Biofuel)  바이오 에탄올 (bioethanol)  바이오 디젤 (biodiesel)  바이오 가스 (biogas) : methane, LFG (landfill gas)  수소 가스 (hydrogen) : 수소연료전지  바이오 고형 연료

Bioethanol  에탄올 (ethanol, ethyl alcohol, CH 3 CH 2 OH)  용도 알코올 음료 (alchoholic beverages) 화학공업의 원료 (chemical engineering) 생물연료 (biofuel) : gasohol (Brazil, U.S.A., EU)  에탄올 생산 석유로부터 화학반응에 의해 바이오매스로부터 발효에 의해 (Bioethanol)

 Bioethanol 의 장점  재생 가능한 자원으로부터 생산  온실가스 (greenhouse gas) 배출량 감소 자동차 : 온실가스 배출량의 22% 연료 작물 : CO 2 흡수  연료 안보 (fuel security) 확보 산유국 의존도 낮춤  농가 경제

 Bioethanol 생산 원료  당 (sugar) : 사탕수수, 사탕무우, …. 효모 (Saccharomyces), 세균 (Zymomonas) 사용 직접 발효  전분 (starch) : 옥수수, 감자, 타피오카, … 직접 에탄올 발효가 되지 않음 당화 - 전분 분해효소 (amylase) 사용 당으로 전환 발효 - 효모, 세균 사용 ethanol 발효  섬유질 (cellulose) : 초본, 임목과 볏짚, 왕겨 ( 농수산물 ) 직접 에탄올 발효가 되지 않음 당화 – 전분에 비해 당화가 어려움 발효 – 효모가 이용 못하는 당이 많음  조류 (algae) : 해조류 당화 – 섬유질에 비해 당화가 더 어려움 발효 – 효모가 이용 못하는 당이 많음

섬유질계 원료로부터 바이오에탄올 생산  섬유질계 원료의 조성  Cellulose : 포도당이 β-1,4 당결합, 에탄올로 전환 가능  Hemicellulose : xylose 다량 함유 : 효모가 발효하지 못함  Lignin : 분해되기 어려움  생산 공정 1. 원료 확보 2. 원료의 전처리 : 당화가 쉽게 일어날 수 있도록 3. 당화 : 셀룰로오스 ⇒ 포도당 산당화, 효소당화 4. 에탄올 발효 : 포도당 ⇒ 에탄올 ( 효모, 세균 ) 5. 에탄올 회수 및 탈수 / 정제

현 기술의 문제점  전처리  섬유질계 원료는 당화가 어려워 전처리 필요함  화학적 전처리 : 불순물 함량이 높고 환경문제 야기 물리적 전처리 : 에너지소비가 높고 고비용  당화  화학적 당화 : 산, 알칼리 사용 환경 오염 야기, 효소 저해물질 생성  생물학적 당화 : 섬유소 분해효소 사용 효소 가격이 비쌈, 낮은 분해속도와 분해율  발효  효모는 전분 / 섬유소를 직접 발효하지 못함 ( 당화 필요 )  효모는 5 탄당 (xylose) 를 발효하지 못함  전처리 / 당화 생성물에 의한 발효 저해 현상

생명공학을 이용한 문제 해결  섬유소 당화효소 개발  효소 생산 균주의 선발 효소 생산 균주의 돌연변이 처리 유전자 조작 Metagenome( 환경총유전체 ) 에서 유전자 분리  섬유소 분해효소 생산성 향상 내열성 섬유소 분해효소 생산 고활성 섬유소 분해효소 개발 다기능 섬유소 분해효소 개발 리그닌 분해효소 생산균주 개발

 에탄올 발효 균주 개발  고농도 에탄올에 내성을 갖는 효모 균주 개발  당화 / 발효 동시 수행 가능한 효모 균주 개발 ( 당화 효소의 효모 표면 발현 )  5 탄당 발효 가능 효모 균주 개발  전처리 생성물에 내성을 갖는 효모 균주 개발

김포시 대곶면 거물대리에서 발견된 ‘ 기형 개구리 ’

' 김포 거물대리 중금속 오염 ' 문제, UN 인권위까지 ' 주목 ' UN 인권이사회 화학물질 특별보고관, 오는 23 일까지 김포시 문제 조사 [ 환경 TV 뉴스 ] 중금속에 오염된 것으로 추정되는 ' 기형 개구리 ' 가 나오고, 인근 공 장에서 배출한 중금속으로 인해 주민들의 평균 폐암 발생률이 전국 평균의 5 배 가 넘는 경기도 김포시 거물대리 문제에 국제사회까지 주목하기 시작했다. 시민사회단체 환경정의는 UN 인권이사회의 유해물질 특별보고관이 오는 23 일 까지 일정으로 방한, 김포시 일대 현장을 둘러 보고 피해자 면담을 진행했다고 밝혔다. 유엔 유해물질 특별보고관이 한국을 방문한 것은 이번이 처음이다. 툰작 특별보고관은 김포 거물대리 외에도 가습기 살균제 사망 사고 등 한국에서 벌어진 유해물질과 인권 침해 사례 등에 대한 전반적인 조사를 벌인다. 환경정의 에 따르면 툰작 특별보고관은 지난 14 일 김포시 초원지리 마을회관에서 진행된 주민 면담에서 실제 주민들의 피해사례뿐만 아니라 문제 처리 과정에서 인권 침 해 사례가 있었는지도 확인했다.

이번 조사 결과는 23 일 기자회견을 통해 우리 정부에 개선책을 제시하는 사전 권고 형식으로 발표될 예정이다. 이후 공식 보고서로 작성, 내년 9 월 있을 유엔 인권이사회에 제출된다. 환경정의 관계자는 " 김포 주민 피해 해결을 위해 우리 정부와 기업의 전향적 자 세와 국제사회의 구체적 권고를 기대한다 " 고 밝혔다. 김포시 거물대리와 초원지리 일대는 지난 1 월 환경 TV 의 단독 취재 결과 마을 주 변 소규모 공장들이 법망을 피해 배출한 중금속 등으로 인해 기형 개구리가 나오 고 주민들의 건강이 심각하게 위협받고 있다는 사실이 밝혀진 지역이다. 이 지 역은 역학 조사 결과 해당 지역 주민들은 전체 암 발생률 전국 평균 2.33 배. 암 사 망률 2.5 배. 폐암 발생률 전국 평균 대비 5.12 배에 달할 정도로 주민들이 건강의 위협을 받고 있었다. 이에 환경부는 지난 2 월 해당 지역을 특별 단속했고 그 결과 대다수 공장들이 법 령을 위반해 온 사실이 적발됐다. 적발 업체들 대부분이 단속 이후 공장을 옮겼 지만, 보상 등의 문제는 아직도 ' 현재 진행형 ' 이라는 게 현지 주민들의 읍소다

중금속 오염 (Heavy Metal Pollution)

Itai-Itai, Minamata – Cd, Hg

중금속 저항성 미생물 (Heavy metal resistant microbes)

중금속 결합 단백질 (Heavy metal binding proteins)

Bioengineered Bacteria Could Mop Up Mercury from Contaminated Waters Thousands of tons of mercury are discharged into lakes, rivers and streams each year, making its way into the food chain and poisoning large amounts of the fish we consume. As a way to combat mercury contamination and poisoning, scientists have developed and engineered bugs that are not only resistant to mercury, but have the ability to mop up the toxic substance from contaminated areas, reducing the risk of fish becoming contaminated. These mercury-resistant bugs contain either the bacterial gene for polyphosphate kinase, or the mouse gene for metallothionein. According to the BMC Biotechnology Journal, both of these are capable of growing in highly concentrated mercury levels. These could help clean up environmental mercury spills, as well as in places where mercury has accumulated, even providing scientists and researchers the ability to recycle it for further industrial needs. 09/29/2011, Earth, Technology

형설지공 ( 螢雪之功 ) Luciferin, Luciferase

Miss Landmine Angola

Microbial Mine Detection System (MMDS) Detecting land mines using microbes Reengineered bacteria could save people from underground devices engineered to kill them. These devices are land mines, which kill or maim 25,000 people a year. They are extremely difficult to find once they are buried in the ground. Plastic mines are almost impossible to locate because they elude metal detectors. Fortunately, most land mines leak slightly and leave traces of explosive chemicals such as TNT shortly after they are installed. ORNL has developed a clever way of using bacteria to detect this faint explosive signature. Bob Burlage, a microbiologist in ORNL's Environmental Sciences Division, has genetically engineered microorganisms to emit light in the presence of TNT. As they recognize and consume TNT, the engineered bacteria produce a fluorescent protein that appears as a green light when they are illuminated by ultraviolet (UV) light.

Bacteria Shine as Base Seeks Hidden Bombs "When the bacteria of one of our strains of Pseudomonas putida encounter the TNT, they will scavenge the compound as a food source, activating the genes that produce proteins needed to digest the TNT," Burlage says. "We attached a green fluorescent protein gene obtained from jellyfish to these activated genes and included a regulatory gene that recognizes TNT. As a result, the attached gene will also be turned on. It will produce the green fluorescent protein, which emits extremely bright fluorescence when exposed to UV light.“