기존의 콘크리트 및 시멘트 생산과 달리 생산 중에 CO2가 방출되지 않는다. 미생물은 심지어 작업중에 온실가스를 소비한다.

환경친화적인 대안

연구원들이 ‘살아있는’ 콘크리트와 같은 물질을 개발했다.
이 새로운 건축 재료는 모래와 젤라틴으로 구성돼 있으며 박테리아의 작용으로 고체 덩어리로 변형된다. 일반적인 시멘트 모르타르만큼 안정적이다. 정말 흥미로운 점은 이 재료로 만든 돌이 스스로 복제 할 수 있고 그 안에 살고 있는 박테리아 덕분에 다양한 기능을 갖출 수 있다. 

▲ 시아노 박테리아를 사용해 환경친화적인 콘크리트를 만들 수 있다. © College of Engineering and Applied Science at Colorado University Boulder

콘크리트는 다리에서 건물, 터널에 이르기까지 현대 세계의 거의 모든 건축의 기초를 형성하는 탐나는 건축 자재다. 그러나 이 물질은 또한 어두운 면을 갖고 있다. 다량의 기후 피해 온실가스 CO2가 생산된다. 특히, 시멘트 성분은 이러한 맥락에서 강한 영향을 미친다.
전 세계 CO2 배출량의 약 6%가 시멘트 생산만으로 만들어진다고 추정된다.

건축 마이스터로서의 미생물

보다 환경 친화적인 대안을 찾기 위해 볼더(Boulder)에 있는 콜로라도 대학의 첼시아 헤버란(Chelsea Heveran)과 동료들은 흥미로운 콘크리트, 일종의 살아있는 콘크리트를 개발했다. 연구원들은 작은 유기체를 디자이너로 이용했다. 그들은 광합성을 운반하는 시아노박테리아가 재료 생산에서 결정적인 단계를 밟게 했다.

작동 원리?
새로운 건축 자재를 생산하기 위해서는 모래로 만든 뼈대와 젤라틴과 같은 하이드로겔(Hydrogel)이 필요하며, 여기서 시네코커스(Synechococcus: 작은 알맹이2μm 이하의 작은 알갱이 모양의 남색 세균으로 온대 수역과 열대 해역에 널리 분포하는 극미소 식물플랑크톤)가 짝을 이뤄 자란다. 젤 같은 덩어리는 영양분과 수분을 공급한다. 하이라이트는 특정 조건에서 이 박테리아가 탄산칼슘을 생산하고 홍합껍질 형성과 유사한 광물화 과정을 시작한다는 것이다.

▲ 새로운 소재로 만든 석재는 놀랍도록 안정적이다. © College of Engineering and Applied Science at Colorado University Boulder

하나의 돌로 2개 만들기

결과적으로 미생물은 젤라틴을 광물화하고 점차적으로 모래와 젤을 결합해 고체 덩어리를 형성한다. 과학자들이 보고한 바와 같이, 이 재료로 만든 석재는 스스로 복제할 수도 있다. 중간에서 부러뜨리면 두 개의 반쪽이 두 개의 완전한 돌로 자란다. 이를 위해 미생물 구성자는 추가 재료와 영양분만 섭취하면 된다. 이런 식으로, 테스트에서 "부모-돌"으로부터 최대 8개의 돌을 만들 수 있다.

특별한 점은 기존의 콘크리트 및 시멘트 생산과 달리 살아있는 콘크리트 생산 중에는 거의 CO2가 방출되지 않는다. 대신, 미생물은 심지어 작업중에 온실가스를 소비한다.

안정적인 재료

연구팀에 따르면 살아있는 물질은 시멘트 기반 모르타르와 비슷하다.
Heveran의 동료인 윌 수루바(Will Srubar)는 다음과 같이 말한다. “당신이 돌 위에 올라서도부서지지 않는다.” 구조적으로 가장 안정적인 것은 살아있는 콘크리트가 완전히 건조될 때다. 너무 건조하면 재료에서 박테리아의 생존이 위험에 빠진다. 이러한 이유로 과학자들은 미생물의 구조적 완전성과 생존력을 보장할 수 있는 균형을 찾아야 했다.

헤베란(Heveran) 팀은 최소한 50%의 상대 습도에서 30일 후에도 물질 내 박테리아의 9~14%가 여전히 살아있음을 발견했다. 연구원들은 “이것은 시멘트질 물질로 둘러싸인 미생물에 대해 지금까지 보고된 값보다 훨씬 더 크다”고 강조했다. 예를 들어 석회를 생성하는 박테리아가 균열을 복구하기 위해 시멘트에 첨가되었다. 그러나 생존율은 1% 미만이었다.

"많은 응용 프로그램"

헤베란(Heveran)과 동료들은 온도와 습도가 맞도록 버튼을 누름으로써 박테리아를 황혼 상태로 만들거나 작동하도록 자극 할 수 있다. "수면" 형태에서, 물질이 안정 상태로 있고, 박테리아를 “깨워” 다시 자라 건물 구조의 손상을 복구할 수 있다.
수루바(Srubar)는 “이 재료는 다양한 흥미로운 재료를 위한 길을 열어준다. 건축 자재를 살아나도록 하면 무한한 응용 가능성이 있는 완전히 새로운 원리를 만들 수 있다. 창의성에는 한계가 없다.”

화성에 유용할까?

과학자들은 이미 살아있는 콘크리트로 무엇을 할 수 있는지에 대한 아이디어를 가지고 있다. 예를 들어, 설계자로서 이외의 박테리아를 사용하면 생물학적 기능을 가진 물질을 만들 수 있다. 콘크리트는 공기 중에 독성 물질을 등록하여 흡수하거나 형광을 통해 구조적 손상을 나타낼 수 있다.

사막이나 화성처럼 원자재 매장량이 제한된 환경에서도 유용 할 수 있다. Srubar는 “비옥하지 못한 환경에서 이러한 건축 자재는 주로 태양을 성장에 사용하고 외부로부터 매우 적은 물질만이 필요하기 때문에 매우 좋다. 언젠가 우리는 시멘트 봉투를 붉은 행성으로 가져갈 것이라고 생각하지 않지만 생물학적 유기체는 이미 가능할 것이다.”

(Matter, 2020; doi : 10.1016 / j.matt.2019.11.016)
출처 : Cell Press / University of Colorado at Boulder

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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