반 헬몬트의 버드나무성장실험 기억하세요? 질소동화식물을 말하며 다시 보는 이야기

초등학생때나 늦어도 중학생때는, 교양과학서라든가 수업시간을 통해 어느 경로로든 한 번은 듣게 되는 이름입니다. 버드나무 묘목을 화분에 심어 오랫동안 물만 주고 키웠는데, 나무가 수십 kg 불어나는 동안 흙은 몇십 그램 정도만 줄어서, 아 풀은 물먹고 자라는구나했다는.. 결론은 광합성을 이야기하진 않아서 현재 기준에서 약간 빗나갔지만 방법론에서는 선구적이란 말을 들었죠.

관련 이야기.

https://m.blog.naver.com/einhund/20055649541

그런데, 이 이야기를 다시 곱씹어보면, 나무가 7● kg성장하는 동안 줄어든 흙이 단 5● g이었습니다.

나무가 수분이 많다 해도 무기질 5● g만 가지고 7● kg만큼 클 수 있을까요?

그리고 흙속의 질소성분 오십여 그램만 가지고 저만한 무게를 늘릴 수 있을까요?

만약, 만에 하나 흙속의 질소성분이 부족했다면 그 버드나무는 어디서 질소를 얻었을까요, 공기?

일단은 식물체 전체인지 목재인지 건물 기준인지 구별하지 않은 글에서, 구성물질의 0.1~0.2%정도가 질소라는 말이 있기는 합니다.
2013년 국립산림과학원은 바이오매스 발전용 땔감 목재팰릿의 품질을 구별할 때, "1등급 0.3% 미만, 2등급 0.5% 미만, 3등급 0.7% 미만, 4등급 1.0% 미만"으로 정한 적 있습니다. 당시 조사에서, 국내에서 생산되는 목재부산물로 만든 팰릿은 대부분 0.3%를 초과해서 정부가 규정을 새로 만들어 1%까지를 포함시켰다고. 

영문 위키백과에서는 목재(wood)의 질소성분이 1%정도라고 간단히 언급하고 지나갑니다.

어릴 적에는 그냥, 이것저것 많이 읽는 데 급급해서 저런 걸 물고 뜯고 계산해볼 생각을 못했습니다. 주입식 교육은 아니었는데, 욕심이 너무 많았나봅니다. 그런 궁금증을 자기 나름대로 풀어가는 데서 새로운 뭔가가 나올 텐데, 제게는 이미 차떠난 다음이지만요. ㅎㅎ ㅜ..ㅜ

하여간 저 이야기를 다시 떠올린 계기는 아래 칼럼입니다. 기사가 게재된 날짜를 다시 보니 2015년. 요즘 식물학은 참 역동적이군요!

버드나무에도 질소고정 박테리아가 산다! 그리고 어쩌면 다소간의 문제지 많은 식물이 혐기성 환경이 아닌 조직에서 질소고정미생물을 품어 공생하는 것 같다(토양 중의 질소고정미생물과 상호작용하는 경우는 이미 알려져 있는 모양입니다).. 이런 이야기입니다.

질소 고정, 콩과식물만의 능력인가? - 동아사이언스 강석기 2015.07.13 

• 사이언스 2015.5.22.
• 미국 요세미티국립공원의 척박한 토양에서 자생하는 미류나무와 버드나무 잎과 줄기 시료를 분석한 결과 질소고정능력이 있는 미생물 다수 발견.
• 분리한 미생물의 게놈에서 질소고정효소의 유전자 확인
• 분리한 미생물을 질소가 없는 배지에서 키우면 잘 자람
• 림버소나무의 잎에서도 질소고정이 일어날 가능성.
• 섀런 도티와 캐롤린 프랭크는 어쩌면 콩과식물의 뿌리혹같은 혐기성 환경을 제공하는 구조가 필요없을 지도 모른다고 주장
• 도티 교수가 자신이 분리한 질소고정박테리아를 벼에 감염시키자 질소가 부족한 환경에서 대조군에 비해 잘 성장했다 함.
• 한편 1990년대에 이미 사탕수수의 줄기에서 질소고정현상을 발견했다고 함.
• 식물내생생물(endophyte)는 식물체가 품고 공생하는 미생물을 말하는데, 그 발견 이후 질소고정능력이 있는 식물내생생물이 여러 종류 발견됨.

* 뿌리혹박테리아 링크 약간

1986년 기사. 콩과식물의 수확량을 늘리기 위해 토양 중 뿌리혹박테리아 접종. 

콩 - 질소고정과 재배적 가치-질소고정과 재배적 가치 - 농진청 농사로

그 외 질소고정과 식물내생생물에 관한 내용인데,

• 자연이 대기중 질소를 고정하는 양은 연간 1.9억 톤. 9할은 질소고정세균, 1할 정도가 번개나 광화학반응 등.
• 질소고정세균은 대부분 토양 속에서 독립생활. 따라서 콩과식물은 농업적으로는 중요하지만 식물계에서 필요불가결한 플레이어는 아님. (어떤 경우 신생대에 이 능력을 획득한 것처럼 짐작되는 식물도 있음)
• 우리 소화관 속의 장내세균총처럼 식물내생생물도 식물체 내부에 생태계를 만들어 유해세균을 막는 데 도움이 되기도 하고, 식물호르몬을 만들어 필요한 시기에 생장을 촉진하기도 함. 옥신을 만드는 로도토룰라(Rhodotorula graminis)는 미루나무에 사는 효모로 벼에 접종하는 실험으로 실증됨. 유명한 항암제인 택솔(탁솔)을 만드는 탁소미세스(Taxomyces andreanae)와 페스탈로티옵시스(Pestalotiopsis microspora)는 주목의 껍질에 사는 식물내생곰팡이.

그리고 같은 기자의 연결된 기사(정리한 내용은 앞 기사의 내용일부포함). 5년 전 기사임.

무엇보다 농업에 필요한 암모니아제조와 필연적인 탄소배출, 신기술로 에너지 절감할 가능성.

아세요? 암모니아 합성에 인류 에너지의 2%가 들어간다는 사실을 - 동아사이언스 2014.08.18

• 암모니아의 구조는 1784년 프랑스의 베르틀로가 규명. 20세기 초 프리츠 하버와 러버트 르 로시뇰이 암모니아를 실험실에서 합성하는 데 성공. 분자구조에서 유추해 고온 고압이 필요하다 생각해 해냄. 촉매는 비싸디 비싼 오스뮴가루. 바스프의 카를 보슈와 알빈 미타슈는 1만 가지 이상의 촉매 조합을 시험해 철산화물을 주성분으로 쓴 공정을 개발. (이렇게 해서 하버-보슈법이라 불림)
• 암모니아 합성에는 대단히 많은 에너지가 필요하고 대단히 많은 이산화탄소가 배출됨. 
• 기사에 따르면 매년 약 1.2억톤을 만들기 위해 인류가 쓰는 에너지의 2%가 들어가고 전세계 천연가스 생산량의 5%가 들어감. 그리고 원재료인 질소와 수소 중 수소는 천연가스를 열분해해서 만드는데, CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2라서, 이산화탄소가 엄청 나옴... 이랬는데,
  
  
• 2014년 8월 8일 사이언스에는, 철산화물을 주성분으로 했지만 나노구조를 가진 촉매를 사용해 적은 에너지로 암모니아를 생산하는 방법을 개발.
• 연료전지 중에 암모니아를 분해해 전기를 만드는 반응이 있는데, 그걸 반대로 생각한 것(한편 바이오매스에서 나오는 가스를 정제해 암모니아를 분리한 다음 이걸로 수소를 뽑아내는 연구도 있음).
  아이디어 자체는 유별난 건 아니고, 그동안 상온에서 전해질 용액을 이용한 암모니아 합성은 꽤 연구됐다고 함.
• 하여간 이들의 실험에서 공기 중 질소와 물을 사용해 암모니아와 수소가스가 나왔는데, 기존 방식에 비해 에너지 효율이 대단히 높다고 함(여기에서 태양광, 풍력발전과 연계할 활용할 가능성이 높아짐). 기사가 나올 당시는 수명이 길지 못해 실험실수준의 이야기지만, 이것은 인류가 화석에너지로부터 자립할 또다른 가능성을 보여주었음.

그 외 같은 사이트 링크 기사. 본 김에.

암모니아 합성 과정, 원자 수준에서 보는 고체표면화학 : 2007년 노벨화학상 수상자 에르틀 교수의 2003년 연구. -  이순보 성균관대 화학과 교수/ 동아사이언스

하천을 통한 질소부영양화에 더해 대기 중 질소화합물농도 증가가 적조와 상관관계가 있다는 2011년 연구

인류 활동이 지구환경을 좌지우지하는 규모가 된 이상, 생각해야 할 것이 점점 늘어나네요.

(업데이트하며 덧붙이는 기사)

N2 + 4H2O ->  2NH3 + 2O2 + H2

P2G(Power-to-Gas) 기술 개발 시급 - 수소경제신문 2019.11.

한국전력공사, '재생에너지 장주기 저장 및 전환을 위한 P2G 기술개발 정부과제 통합 착수회의 및 워크숍' 개최 ; 이것은 화학공업을 위한 건 아니고 에너지 저장관점에서.

- 수전해 수소생산 및 저장기술

- 액상 유기화합물 수소저장(LOHC)및 암모니아 합성을 통한 차세대 수소저장기술

- 수소 메탄화 공정 기술(생물학적, 열화학적 메탄화)

日연구팀, 물·질소로 암모니아 합성 성공…CO₂획기적↓ 기대

매일경제-2019. 4. 24.

- 이 기사에서 말하는 전세계 연간 암모니아 생산량은 몇 년 전 기사보다 더 많음. 이제는 연간 2억 톤.

- 도쿄대의 실험은 25도 정도의 상온에서 종전같은 고압은 필요없이 암모니아 합성. 수소가스를 만드는 과정 없음.

- 단, 바로 공정으로 만들 수 있는 기술은 아님. 사마륨 등 희소촉매사용하고 요오드화 사마륨을 만드는 데 에너지가 많이 듬.

일본 IHI,  암모니아(NH₃)를 연료로 발전하는 SOFC(고체 산화물형 연료 전지)를 개발하고, 올해 3월 회사 요코하마 사업소(요코하마시)에서 실증시험을 통해 1kW급 발전에 성공

- 가스신문 2018.6.22

암모니아는 탄소원자가 없으므로 이 반응에서는 메탄과 달리 이산화탄소가 나오지 않음.

아직은 시험판. 암모니아는 고온에서는 수소와 질소로 분해되므로 개질기가 필요 없음.

농업발 '암모니아', 생산공정 ·도로이동 오염원보다 미세먼지 생성에 더 크게 기여

데일리한국 2019.3.18

농업분야에서 사용하는 암모니아의 PM2.5 생성기여도는 꽤 높다고 알려짐. 실내농업으로 전환하고 공장굴뚝에 집진기를 달듯이 관리하거나 대기배출이 덜 되는 질소비료를 사용하거나 식물이 질소고정하도록 해야 하나? 다른 기사를 보면, 가축분뇨를 자원화 즉 친환경인 퇴비로 만들어 합성비료대신 토양을 개선하는 데 사용할 때도 암모니아가 많이 나온다고 함.

한편,

석탄은 버릴 게 아님. 기술이 발전하면 대기오염원을 줄이며 천연가스처럼 사용할수도 있고 그 에너지로 수소도 만들 수 있음. 

수소시대 앞두고 주목받는 서부발전 태안IGCC

한국에너지 2019.05.20

[창간 25주년 특집] 석탄가스화복합발전, 수소 대량 생산 최적화된 차세대 발전기술

• 태안IGCC는 국내 최초의 300㎿급 석탄가스화복합발전(Integrated Coal Gasification Combined Cycle) 실증플랜트
• IGCC 공정에서 추출한 수소를 전기를 생산하는 연료로 재활용하는 것이 바로 석탄가스화복합연료전지(IGFC) 발전소. 이것은 연구 중.
• 정제된 합성가스 발전 연료로 사용.. 효율 최대 48%…고효율·친환경 기술
• 합성가스 정제해 고순도 수소 추출
• 서부발전 태안IGCC, IGFC 연구도. 발전 효율 최대 70% 신재생E 전력 

기술을 더 개발하면 석탄을 천연가스나 그보다 높은 친환경수준으로 활용할 수 있는 것도 좋지만, 다양한 원료물질을 만들어내고 에너지를 생산, 저장하는 데 사용할 수 있음. 번거롭게 석탄을 분해하는 것에서 시작하니 당연히 유전에서 기름 가스 뽑아쓰는 것보다는 에너지와 비용이 더 들지만, 미래에 '친환경'에 들어가는 비용을 자연스럽게 감수하게 되면 이 방식이 기존 화력발전소를 대체할 가능성도 있음. 여기에 들어가는 반응 종류와 기술 자체는 발전여지가 많고 에너지산업분야에 다양하게 응용할 수 있음.

서부발전은 합성가스 정제를 통한 연료전지용 고순도 수소생산, 합성가스의 이동 반응 등에 두 가지의 기술을 이용하고 있다. 기존 방식인 합금 촉매를 이용한 수소 생산 이외에 해양 미생물을 이용하는 바이오 수소생산기술도 개발하고 있는 것. 

합성가스 정제 연료전지용 수소생산 기술은 지난해 6월 순도 99.99%의 수소 생산에 성공했다. 올해 9월 100㎾급 연료전지와 연계해 전력생산시험을 진행한 후 2025년까지 10㎿까지 확대할 예정이다. 

해양 미생물 이용 수소생산 기술은 경동엔지니어링과 협력해 올해 3월 일간 1톤, 연간 300톤 용량의 실증설비를 짓는 공사에 착수했다. 이 설비는 올해 12월까지 실증운전 완료 후 경제성 평가를 거쳐 2025년에는 연간 1000톤 규모로 증설할 예정이다.

현재 수준인 연간 300톤을 생산해 모두 수송용으로 공급한다면 1년간 1만 2000㎞를 운행하는 수소연료전지차 2000대를 움직일 수 있는 정도다.

- 출처: 한국에너지 2019.5.20

재생에너지네 친환경이네 난리쳐도 결국은 화학임..

검색해본 기사목록에는 일본발 기술개발소식이야기가 많이 나옵니다. 지금 우리 나라에서 각지의 수소차용 수소생산 저장시설이 가끔 폭발하는 일이 생겼고 그래서 주민반대이야기도 나오던데^[각주:1], 이 기술도 아직은 일본이 앞서 있다고 합니다. 일본의 경우는 소규모 수소생산장비의 효율이 높아 기존 가스충전소나 주유소에서 겸할 수 있도록 하는 것 같던데..  마지막에 인용한 석탄가스화기사에 나오는 저 공정도 일본은 이미 더 큰 걸 짓고 있다고 하네요.^[각주:2] 

1. 폭발해도 그 폭풍이 위로 가도록 저장탱크 주위에 디플렉터를 설치하면 괜찮지 않나요?(그리고 보기 흉하지 않게 예쁜 디자인으로) 비슷한 안전판을 달아놨다는 말도 있던데. 그리고 우리나란 산과 구릉이 많으니까 후미진 곳에 설치해도 되지 않나 싶기도 한데요. [본문으로]
2. 후쿠시마에서 한다는데 설마 후쿠시마의 방사능 임산물을 바이오매스랍시고 화력발전할 생각은 아니겠지? -_- [본문으로]