터미널 공역내에서의 온실 가스 저감 출항 절차 연구 - 인천국제공항, B787-9 중심으로

임표 한국항공대학교 항공경영대학원 2023 국내석사

In 1997, specific plans and obligations to reduce greenhouse gas emissions due to global warming were adopted by the Kyoto Protocol at the 3rd Conference Of the Parties (COP3) and the aviation sector was excluded from its application due to its strong international character. It was decided to discuss the matter at ICAO. Accordingly, In 2016, ICAO decided on ANNEX16 VOL.4 Carbon Offset Reduction Scheme International Aviation (CORSIA) that aims to freeze greenhouse gas emissions from international aviation to the 2020 level. Korea officially declared its participation on September 23, 2016, and was designated as a Supporting State in the Buddy partnerships 3rd Phase (2020-2022), requiring support and policy examples at the national level. In airlines, which are service providers, ESG Management is introduced and related investments and efforts are being made to achieve the carbon offset reduction target presented by CORSIA. In terms of aircraft operation, various approaches are being made for each flight stage or field, but the goal achievement strategy is concentrated on the flight management aspect, and the reality is that study and application of departure procedures in the terminal airspace are relatively insufficient. Therefore, in this study, using AEDT (Aviation Environmental Design Tool) developed by the Federal Aviation Administration (FAA), focused on Incheon International Airport, B787-9, An eco-friendly flight strategy was implemented by improving departure procedures within the terminal airspace. The GHGs of the NADP1 and NADP2 procedures currently established at Incheon International Airport were quantitatively calculated for each weight/thrust setting condition, and an improved reduction departure procedure within the design scope of ICAO DOC 8168 was presented and verified. To summarize the study results, it was confirmed that the fuel consumption of NADP 2, which has a direct effect on greenhouse gas emissions, was about -5.1% less than that of NADP 1 at the departure, and the higher the thrust setting, the lower the greenhouse gas emission. In addition, it was concluded that the higher the thrust reduction altitude of NADP 1, the lower the greenhouse gas emission, and the lower the NADP 2 speed increase altitude, the lower the greenhouse gas emission. All greenhouse gas emissions, including fuel consumption, were reduced by around 0.5% on average when the NADP 2 procedure was applied at an 800ft speed increase altitude, showing a relatively greater reduction than the amount of emissions reduced by changing the thrust reduction altitude of NADP 1. From the operational point of view, this study served as an opportunity for pilots to recognize that performing procedures to save fuel in aircraft operation is not simply for the purpose of generating profits, but for reducing greenhouse gas emissions. And, from the airline side, quantitative analysis and presentation of air pollutant emission reductions within the terminal airspace contributed to the achievement of CORSIA goals and the environmental efforts of ESG Management. From a national point of view, although the reduction effect is not numerically satisfactory, it is expected that these efforts will serve as a good example as an ICAO CORSIA Supporting States. The data calculated in this study is based on the B787-9 aircraft, so there may be a slight difference from the greenhouse gas reduction rate of other aircraft. Due to limitations in study tools and limited study topics, impact assessment on the engine life cycle and noise impact assessment were not performed. Therefore, the engine life cycle effect and noise impact assessment of the high thrust take-off method proposed in this study, the NADP 2 speed increase altitude downward method, should be promoted as a future study task. 범 지구온난화로 인하여 1997년 온실가스 배출을 줄이기 위해 구체적인 계획과 의무들을 제3차 유엔 기후변화협약 당사국총회를 통해 교토의정서를 채택하였다. 하지만 국제적 성격이 강한 관계로 항공분야는 그 적용에서 제외되었으며, 동 사안을 ICAO에서 토의하기로 하였다. 이에 ICAO에서 2016년 국제항공 온실가스 배출량을 2020년 수준으로 동결하는 것을 목표로 하는 글로벌 탄소 절충 제도로 Annex 16 Vol.4 국제항공 탄소상쇄 감축제도(CORSIA)를 결의하였다. 우리나라는 2016년 9월 23일 참여를 공식 선언하였으며, Buddy partnerships 3rd Phase (2020~2022)에서 지원국(Supporting States)으로 지정되어 국가 차원의 지원과 정책적 모범이 필요한 상황이다. 서비스 제공자인 항공사에서는, CORSIA에서 제시하는 탄소상쇄감축목표를 달성하기 위해 ESG 경영을 도입하고 관련 투자와 노력이 이루어지고 있다. 항공기 운항적인 측면에서도 각 비행단계 또는 분야 별로 다양한 접근이 이루어지고 있으나, 목표 달성 전략이 운항관리 측면에 집중되어 있고, 터미널 공역에서 이뤄지는 출항절차에 대한 연구와 적용은 상대적으로 미흡한 것이 현실이다. 그러므로, 본 연구는 인천국제공항과 B787-9을 대상으로 미 연방항공청(FAA)에서 개발한 AEDT(Aviation Environmental Design Tool)를 활용하여, 터미널 공역 내에서의 출항 절차 개선을 통한 친환경 비행 전략을 구현하였다. 현재 인천국제공항에 수립되어있는 NADP1, NADP2 절차의 온실가스 표준 배출량을 중량/추력설정 조건별로 정량적으로 산출하고, ICAO Doc.8168의 설계 범위 내에서 개선된 저감 출항절차를 제시 검증하였다. 연구 결과를 요약하면, 출항 시 NADP 1보다는 NADP 2가 온실가스 배출량과 직접적인 영향이 있는 연료소모량이 약 –5.1% 적으며, 추력 설정은 높을수록 온실가스 배출량이 적음을 확인하였다. 그리고 NADP 1의 추력감소 고도는 높을수록 온실가스 배출량이 감소하고, NADP 2의 증속고도는 낮을수록 온실가스 배출량이 감소한다는 결론을 얻었다. 이 중 NADP 2 절차의 800ft 증속고도 적용 시 연료 소모량을 포함해 모든 온실가스 배출량이 평균 0.5% 내외로 감소하여, NADP 1의 추력감소 고도 변경에 의한 배출 저감량보다 상대적으로 많은 저감효과를 보였다. 본 연구를 통해 운항적인 측면에서 항공기 운항의 연료 절감을 위한 절차의 수행이 단순히 수익 창출의 목적이 아닌 온실가스 저감을 위한 실천임을 조종사에게 인식시키는 계기가 될 수 있기를 바라며, 항공사의 측면에서는 터미널 공역 내의 대기오염물 배출 감축량을 정량적으로 분석·제시하여 CORSIA 목표 달성과 ESG 경영의 환경에 대한 노력에 기여할 수 있는 기초 자료로 활용되기를 기대한다. 마지막으로, 국가 측면에서는 저감효과가 수치적으로 만족스럽지는 못할지라도 이러한 노력이 ICAO CORSIA 지원국으로서 좋은 모범의 사례가 될 수 있을 것이라 기대한다. 하지만, 본 연구에서 산출한 데이터는 B787-9 항공기를 기준으로 산출되어 타 항공기의 온실가스 저감 비율과는 약간의 차이가 발생할 수 있고, 연구 도구의 한계와 연구 주제 한정으로 인한 사유로 엔진 수명 주기에 대한 영향 평가와 소음영향평가는 수행하지 못한 것이 아쉬운 점으로 남는다. 그러므로, 본 연구에서 제시된 고 추력 이륙방안, NADP 2 증속 고도 하향 방안의 엔진 수명 주기 영향 및 소음영향 평가가 향후 연구 과제로 추진되어야 할 것이다.

초고온성 고세균 Thermococcus onnurineus NA1의 개미산 대사 관련 산화환원 효소의 생화학적 이해

양지인 과학기술연합대학원대학교 2023 국내박사

초고온성 고세균 Thermococcus onnurineus NA1은 개미산을 이용하여 생장할 수 있으며, 개미산 에너지 대사 시스템인 Fdh2-Mfh2-Mnh2 (Fdh, formate dehydrogenase; Mfh2, membrane-bound hydrogenase; Mnh2, Na+/H+ antiporter) 복합체에 의한 생체 에너지 ATP의 생성이 이를 가능케 한다. 또한, 미생물의 생장에 있어서 NAD(P)+, FAD, Fe-S cluster, cytochrome, F420 등의 전자 운반체의 산화 환원 반응은 매우 중요한 역할을 수행한다. 다양한 산화환원효소, 특히 탈수소효소는 기질의 산화로부터 발생한 전자를 다양한 전자 수용체에 전달하여 환원시킬 수 있으며, 일반적으로 가역적 반응을 매개한다는 것이 알려져 있다. T. onnurineus NA1의 유전체 연구를 통해 개미산 탈수소효소 (formate dehydrogenase)를 암호화하는 3개의 유전자군과 수소화효소 (hydrogenase)를 암호화하는 7개의 유전자군이 존재하며, 이들은 T. onnurineus NA1의 독특한 무기 에너지 대사 작용에 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 본 연구에서는, T. onnurineus NA1의 기능이 밝혀지지 않은 개미산 탈수소효소 Fdh3와 수소화효소 frhAGB-encoded hydrogenase를 분리하고 생화학적 특성을 분석함으로써, 이들이 T. onnurineus NA1에서 수행하는 생리적 역할을 이해하고자 하였다. 1장에서는 일부 Thermococcales 종에 독특하게 존재하는 개미산 대사의 특성을 서술하였다. 또한 개미산 탈수소효소의 일반적인 분류, 구조, 생리적 역할과 Thermococcales 종들이 보유하고 있는 수소화효소의 생리적 역할과 특성에 대하여 현재까지 보고된 문헌들을 기반으로 고찰하였다. 2장에서는 T. onnurineus NA1의 개미산 탈수소효소 Fdh3를 최초로 분리하고 생화학적 특성을 분석하였다. 산소에 매우 불안정한 Fdh3 복합체는 텅스텐 함유 촉매 소단위체 (Fdh3A)와 NADP+ 결합 소단위체 (Fdh3B), 그리고 두 개의 Fe-S 함유 소단위체 (Fdh3G1와 Fdh3G2)로 구성되어 있음을 확인하였다. Fdh3는 개미산을 산화하여 NADP+ 또는 ferredoxin을 환원시키는 활성을 보였으며, 그 비활성 (Specific activity)은 각각 77.4 U/mg, 0.83 U/mg 으로 나타났다. 대부분의 NAD+ 의존성 개미산 탈수소효소와는 달리, Fdh3는 NAD+보다 NADP+에 높은 친화도를 나타냈으며, NADP+에 대한 Fdh3의 촉매 효율 (catalytic efficiency, kcat/Km)은 5,281 mM-1 s-1로, 현재까지 알려진NADP+ 의존성 개미산 탈수소효소 중 가장 높은 값을 보여주었다. Fdh3B의 구조 모델링을 통하여, Arg204-Arg205 잔기가 NADP(H)의 2′ 인산기를 안정화시킬 것으로 예측하였다. 또한, Fdh3는 환원된 ferredoxin 혹은 NADPH를 전자 공여체로 하여 CO2를 개미산으로 환원시키는 가역반응을 매개함을 확인하였다. Fdh3A 단독으로는 NADP+ 환원 활성을 나타내지 못하였으나, 개미산 산화를 통해 ferredoxin을 환원시킬 수 있었다. 대장균을 이용해 재조합 Fdh3B를 발현 및 분리하여 NADPH 산화 활성 (NADPH-diaphorase activity)을 갖는 것을 확인하였고, benzyl viologen을 전자 수용체로 이용하였을 때 비활성은 404 U/mg을 나타냈다. 이러한 Fdh3의 생화학적 특성으로부터, Fdh3는 개미산과 NAD(P)H 혹은 ferredoxin 사이의 가역적 전자 전달을 매개함으로써, T. onnurineus NA1의 생체 내에서 전자 전달체들의 산화 환원을 조절하는 데 기여할 것으로 유추하였다. 3장에서는 Thermococcus에서의 frhAGB-encoded hydrogenase의 기능을 이해하고자 frhAGB-encoded hydrogenase와 다른 단백질 간의 직접적 전자 전달 (direct electron transfer)을 분석하였다. 선행 연구에서frhAGB-encoded hydrogenase와 티오레독신 환원효소 (thioredoxin reductase, TrxR) 간의 직접적 전자 전달과 상호작용이 전사 조절 인자의 조절에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 보고되었다. 이러한 사실에 착안하여 TrxR의 상동체 또한 frhAGB-encoded hydrogenase와 상호작용할 가능성을 예측하였으며, 인공지능 기반의 단백질 구조 예측 프로그램 AlphaFold를 활용하여 TrxR의 상동체의 구조 모델을 수집하였다. 이 중 Fdh3B (TON_0542)는 TrxR과 높은 구조적 유사성을 보였으므로, Fdh3 복합체와 Fdh3B 소단위체를 각각 분리하여 frhAGB-encoded hydrogenase로부터 직접적 전자 전달이 가능한지 시험하였다. frhAGB-encoded hydrogenase에 의하여 수소의 산화로부터 발생한 전자는 다른 매개체 없이 Fdh3 복합체 또는 Fdh3B 소단위체로 전달되어 NADP+ 환원 활성을 보여주었다. 또한, Fdh3 복합체는 frhAGB-encoded hydrogenase와 수소가 존재할 때, CO2를 환원시켜 formate를 생산하는 역반응에 대한 활성을 확인하였다. 더불어, T. onnurineus NA1의 resting cell을 이용하여 수소로부터 CO2 환원 활성을 나타내는 것을 관찰하였으며, 이 활성은 fdh3A와 frhA 유전자의 결손에 의하여 크게 감소하였다. 결론적으로, frhAGB-encoded hydrogenase와Fdh3사이의 직접적 전자 전달이 가능하다는 것을 확인하였으며, 이를 통해 Thermococcus에서 frhAGB-encoded hydrogenase가 수행하는 생리적 역할을 일부 제시하였다. Hyperthermophilic archaeon Thermococcus onnurineus NA1 has been reported to utilize formate for growth, which is attributed to formate-dependent respiratory complex (Fdh2-Mfh2-Mnh2). From the perspective of microbial growth, the recycling and balancing of reducing equivalents are of great importance. Numerous oxidoreductases, especially dehydrogenases, are involved in the oxidation and reduction of electron equivalents. Three formate dehydrogenases (FDHs) and seven hydrogenases play important roles in the unique lithotrophic energy metabolism of T. onnurineus NA1. In this thesis, to understand the biochemical properties of a cytoplasmic formate dehydrogenase Fdh3 and frhAGB-encoded hydrogenase, each enzyme was purified and investigated. In chapter 1, formate-dependent energy conservation found in a few Thermococcales species will be discussed. It will be reviewed the classification, structure, physiological roles and other characteristics of formate dehydrogenases and hydrogenases, which play important roles in the growth of these microorganisms. Chapter 2 focused on the characterization of a novel NADP+-dependent formate dehydrogenase Fdh3 from T. onnurineus NA1. The oxygen-labile Fdh3 complex was identified to consist of a tungsten-containing catalytic subunit (Fdh3A), a NAD(P)+-binding subunit (Fdh3B), and two Fe-S proteins (Fdh3G1 and Fdh3G2). Fdh3 oxidized formate with specific activities of 77.4 U/mg and 0.83 U/mg using NADP+ and ferredoxin, respectively. Unlike most NAD+-dependent FDHs, Fdh3 complex exhibited a strong preference for NADP+ over NAD+ as a cofactor. The catalytic efficiency (kcat/Km) of Fdh3 toward NADP+ was measured to be 5,281 mM-1 s-1, which is the highest value among NADP+-dependent FDHs to date. Structural modeling suggested that Arg204 and Arg205 of Fdh3B may contribute to the stabilization of the 2′-phsophate of NADP(H). Furthermore, Fdh3 complex could reversibly reduce CO2 using reduced ferredoxin or NADPH as an electron donor. Fdh3A and Fdh3B subunits were expressed and purified separately and their individual enzymatic activities were analyzed. Fdh3A alone did not exhibit NADP+-reducing activity, but it was able to reduce ferredoxin thorugh formate oxidation. On the other hand, Fdh3B alone exhibited NADPH-diaphorase activity with a specific activity of 404 U/mg using benzyl viologen as an electron acceptor. These findings suggest that Fdh3 may play a important role in disposing reducing equivalents by facilitating electron transfer between formate and NAD(P)H or ferredoxin. In chapter 3, direct electron transfer targets of the frhAGB-encoded hydrogenase have been searched to understand the functionality of frhAGB-encoded hydrogenase in Thermococcus species. It has been reported that the interaction and direct electron transfer between frhAGB-encoded hydrogenase and thioredoxin reductase might contribute to transcription regulation in T. onnurineus NA1. Taking this into consideration, thioredoxin reductase homologs were identified and their structural similarities were determined. Among the candidates, Fdh3B (TON_0542) retained structural units conserved in thioredoxin reductase, raising the possibility of interacting with the frhAGB-encoded hydrogenase. Fdh3 complex and Fdh3B subunit were purified, and the direct electron transfers between the separately purified proteins were tested. It was found that the Fdh3 complex or Fdh3B subunit exhibited H2-dependent NADP+-reducing activity by receiving electron from frhAGB-encoded hydrogenase. Additionally, CO2 reduction to formate by Fdh3 complex was observed in the presence of the frhAGB-encoded hydrogenase and H2. Consistent with the in vitro assay data, H2-dependent CO2-reducing activity exhibited in the resting cell of T. onnurineus NA1 was significantly decreased in deletion mutants of either fdh3A or frhA gene. Conclusively, the frhAGB-encoded hydrogenase could supply electrons to Fdh3 in a similar mechanism to that found in TON_1603, providing clues to understand the functional significance of the frhAGB-encoded hydrogenase in hyperthermophilic archaeon T. onnurineus NA1.