20세기 초 개발된 하버-보슈법을 통해 암모니아 대량 생산이 가능해지면서, 합성 비료의 안정적인 공급과 곡물 수확량 증대의 결과로 식량난과 기근을 크게 해소하였다. 그러나 하버-보슈 공정은 고온, 고압의 반응 조건을 필요로 하고 1 kg의 암모니아를 생산하는데 40 MJ의 에너지가 들며, 3.45 kg 이상의 이산화탄소를 발생시켜 에너지 및 환경문제를 야기하고 있다. 암모니아는 이를 이용한 비료 생산을 비롯하여 수소 연료의 저장/운송체로 사용이 각광받고 있어 연간 수요가 크게 증가할 것으로 예상되어 암모니아를 환경 친화적으로 대량생산하는 공정의 개발이 필요하다.

질소고정 미생물은 질소고정효소를 통해 공기 중 질소를 암모니아로 전환시키는 반응 경로를 가지고 있어, 이 질소고정효소의 질소고정반응을 이용하여 상온, 대기압에서 암모니아 합성이 가능하다. 또한, 물의 수소이온과 공기중의 질소를 반응의 전구체로 사용하므로 환경오염 물질을 배출하지 않는다. 하지만, 야생형 질소고정 박테리아 내 질소고정효소의 발현 농도가 제한적이며, 효소당 암모니아 생산속도가 매우 느리다. 본 연구는 생물공학 및 나노재료공학의 융합연구를 통해 이 한계를 극복하여 친환경 암모니아 공정을 개발을 목표로 한다.

이에 우리는 양자점-재조합 박테리아 하이브리드 시스템을 설계하여 약 30 °C의 낮은 온도에서 환경 친화적 암모니아 생산기술을 개발하고자 한다. 우리는 개발한 시스템을 통해 무기입자와 생체분자 간 화학적 및 전기적 상호작용에 대한 심층적 원리를 파악하고자 하며, 그 결과로써 미생물을 이용한 화학 전환에 대한 새로운 패러다임을 제시하여 높은 암모니아 생산성과 산업적 활용 가치를 보여줄 것으로 기대한다.

그림 1. 양자점-박테리아 하이브리드 기반 친환경 암모니아 생산기술 개발 개념도