가격 상승하는 질소 비료의 대안, 박테리아
수정일 2018년 07월 17일 화요일
등록일 2018년 07월 17일 화요일
▲비료 포대(출처=123RF)

농사에서 가장 중요한 요소 중 하나가 비료다. 그중 유기질의 분뇨, 외양간의 거름, 생선 썩은 거름 등이 질소 비료로 널리 사용되어 왔다. 지속해서 질소 비료 가격이 상승하면서 대체품을 찾으려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 그중 하나가 질소 포획 세균으로 태평양에서 풍부한 질소 포획 세균 공급원을 발견했다.

문제는 질소 비료의 가격

세계적으로 매년 약 1억2,000만 톤의 질소 비료가 사용된다. 미국 농림부의 자료에 의하면, 미국에서만 매년 약 1,200만 톤의 질소 기반 비료가 사용된다. 1970년대 이후 비교적 일정하게 유지된 양이다.

그러나 2002년 이후 비료 가격이 크게 상승함에 따라 농부들이 비료에 지출하는 비용이 작물 판매로 얻는 수익과 비슷한 수준이 되었다. 이에 따라 작물 가격이 높아지거나 비료 가격이 낮아질 때까지 비료 사용량을 줄이려는 경향이 나타나게 되었다.

특히 곡물류 작물 생산은 생산 수요를 맞추기 위해 질소 비료에 기반하고 있다. 그러나 콩과 작물 같은 일부 식물들은 대기 중에서 직접 질소를 고정하거나 추출할 수 있는 세균과 자연스러운 공생 관계를 형성하는데 성공해 비료를 필요로 하지 않는다.

국제연합식량농업기구의 설명에 의하면, 2016년 콩과 작물을 가장 많이 생산한 국가는 인도로 나타났다. 인도는 92만1,400톤의 생산량으로 2위를 차지한 폴란드의 25만8,500톤에 비해 압도적으로 많은 양을 생산하고 있다. 그 뒤를 이어 모잠비크, 영연방, 그리고 파키스탄이 각각 3, 4, 5위를 차지했다. 인도는 대규모 콩과 작물 생산량에도 불구하고 여전히 국내 수요를 만족하지 못하고 있으며, 추가적으로 콩과 작물을 수입하고 있는 실정이다.

▲인도, 폴란드, 모잠비크, 영연방, 파키스탄 순으로 콩과 작물의 생산량이 많다

미국과 영국의 몇몇 기업들은 다른 방식으로 질소를 공급, 비료 사용을 줄이기 위해 질소 고정 세균을 옥수수나 쌀과 같은 작물들과 협력하도록 하는 솔루션을 연구하고 있다. 현재 매우 높아진 비료 가격을 고려할 때, 농부들에게 중요한 기술이다.

새로운 비료로 떠오르는 질소 포획 세균

미국 보스턴에서는 베이어크롭사이언스와 유기농 바이오 업체 깅코바이오워크스의 스핀아웃 전략의 일환으로 조인바이오가 설립되었다. 조인바이오는 합성 생물학 기술을 활용해 자연에서 작물 내부 또는 표면에 사는 미생물에 질소 고정을 가능하게 해주는 유전자 네트워크를 삽입하려 하고 있다. 이들은 또한 질소 전달을 최적화하기 위해 식물과의 상호작용을 조절하는 유전자에도 집중하고 있다.

다양한 변종의 질소 고정 네트워크를 만들기 위해 자동화가 가능한 규모로 이루어지고 있으며, 분석 및 반복이 뒤를 이어 진행되고 있다. 회사에서는 프로세스 엔지니어링과 급속 시제품화 기법을 활용해 질소 고정 후보를 만들어내고 있다.

조인바이오는 옥수수에 질소를 공급할 수 있는 우수한 질소 고정 세균을 합성 생물학 기술로 만들어낸 후에는 공학적 방법보다는 자연 선택을 활용해 해당 제품을 역설계할 계획이다. 이는 GMO(유전자 변형 식품)를 둘러싼 논란을 벗어나기 위한 시도로 보인다.

영국의 아조틱 유한책임회사는 쌀을 위한 질소 고정제를 이와 유사한 방식으로 GMO를 피해 개발하고 있다. 1988년 처음 브라질에서 발견되었고 사탕수수에서 자라면서 성장에 도움을 주는 글루코나세토박테르 디아조트로피커스라는 이름의 세균을 활용하고 있다. 이 세균은 토마토의 성장을 돕기도 한다는 사실이 밝혀지기도 했다.

다행히도 세균은 어느 식물에 붙어 자라는지 신경 쓰지 않는 듯하다. 위의 회사들은 모두 작물 묘목의 뿌리를 세균으로 코팅하는 기법을 활용하고 있다. 식물과 세균이 성장하고 발달함에 따라, 공생 관계가 형성된다.

아조틱의 연구팀은 베트남, 태국, 그리고 필리핀에서 쌀에 대한 실험을 진행하고 있다. 또한 이들은 미국과 유럽에서 옥수수에 대한 실험을 진행하고 있다. 베트남에서, 팜 티 투 후엉 박사는 질소 비료 사용량을 50%까지 줄이는데 성공했으며, 동시에 쌀 생산량은 15% 늘어나기까지 했다.

글루코나세토박테르 디아조트로피커스는 성공의 시작에 불과할 수도 있다. 질소 고정 박테리아 역시 매우 유용할 수 있으며, 작물에 대한 직접적인 응용과 질소 고정 경로를 추출하려는 존 바이오의 접근법 모두에 해당된다.

▲프로테오박테리아는 태평양에 널리 분포하고 있다(출처=셔터스톡)

풍부한 질소 포획 세균 공급원 태평양

각각 시카고 대학교와 미국 우즈홀의 해양생물학연구소 소속인 A. 무라트 에렌과 톰 O. 델몬트의 주도로 최근 수행된 국제 연구에서는 바다의 표층 해수에서 새로운 질소 고정 세균을 발견했다. 연구 결과는 네이처 미생물학 저널에 출판되었다.

연구진은 범유전학적 방법을 활용해 이전에는 질소 고정과 관련이 없는 것으로 알려져 있던 프로테오박테리아와 부유균을 발견했다. 일반 해수 1ℓ에 세포 70만개, 태평양에서는 ℓ당 세포 3백만 개에 달하는 높은 농도로 분포하는 것으로 밝혀졌다. 이제 박테리아를 실험실에서 길러 연구하는 일이 남았다.

[researchpaper 리서치페이퍼=김성은 기자]