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작은 효소 하나만으로 공기 중의 질소를 암모니아로 바꿔버리는 능력 지닌 ‘미생물’

죽어서 분해가 될 때 비로소 비료로서의 진가 발휘

러시아가 우크라이나를 침공하면서 국제적인 곡물 가격이 급등을 하고 있다. 저 멀리 떨어진 우크라이나에서 전쟁이 발발한 효과가 이제 우리 삶 전반에 미치고 있다. 기름 값은 물론이고 농업용 비료 가격이 폭등을 하면서 대체 비료에 대하여 이목이 쏠리고 있는데 그 가운데에 미생물이 기대주로 떠오르고 있다. 


우크라이나 사태 이후 미국과 EU의 제제로 러시아의 상황이 불리하게 전개됨에 따라 러시아의 보복성 정책을 펼치면서 애꿎은 서민들과 농업인들에게 피해가 전이되고 있다.

전 세계 비료 수출의 12.1%를 차지하는 러시아의 수출 규제와 비료 수출의 11.2%를 차지하는 2위 수출국인 중국 또한 내수시장 활성화를 지원하기 위해 자원의 수출을 통제하고 있다. 이러한 현상이 한시적인 상황이 아닌 앞으로도 어디서 어떤 형태로든지 발생할 수 있다는 불안감에 안정적으로 비료를 수급할 수 있는 공급처를 확보하기에 노력하고 있다. 


미국의 캘리포니아에 있는 피봇바이오(Pivot Bio)는 미생물 비료를 개발하는 기업으로 주목을 받고 있는데 공기 중의 질소를 작물이 흡수할 수 있는 암모니아로 전환시킬 수 있는 기능성 미생물을 활용하여 투자 유치에 성공했다. 우리가 익히 알고 있는 질소고정미생물을 상업화한 실례인데 우리 농업인들도 콩과 식물 뿌리에 공생하는 미생물은 이미 농업에 적용하고 있는 농업 기술이다. 


공기 중에 78%를 차지하고 있는 매우 안정한 형태의 질소(N2)를 쪼개어 암모니아로 전환시키기 위해서는 니트로게나아제(nitrogenase)라는 질소고정효소를 분비할 수 있는 미생물만 가능하다. 물론 우리 인간도 공기 중 질소를 암모니아로 전환시킬 수 있는 기술은 가지고 있다. 온도는 400~500℃를 유지하고 철 촉매를 넣어준 상태에서 200기압을 걸어주면 10~20%의 암모니아 수율을 얻을 수 있다. 
그런 공정을 진행하기 위해서는 200기압을 견딜 수 있는 엄청나게 튼튼한 압력 용기가 있어야 되고, 500℃ 고온에서 견딜 수 있는 장치와 촉매 그리고 암모니아 회수 장치 등이 준비되어야만 가능하다. 


공기 중의 질소를 비료로 전환시키는 기술 개발
친환경적이고 저렴한 비료를 개발하는 기술 곧 출시

지금이야 쉽게 설명할 수 있지만 지금으로부터 100여년 전 하버와 보쉬라는 과학자의 연구와 노력에 의해 이루어졌다. 1904년에 유태인계 독일 과학자인 프리츠 하버(Fritz Harber; 1868~1934)는 공기 중에 무한히 존재하는 질소를 철 촉매 반응을 통해 암모니아를 합성하는 연구를 실험실에서 성공하여 1909년 화학회사인 바스프(BASF)를 설득하여 대량 생산 시험에 착수하게 되고 바스프의 연구원이었던 보슈와 함께 고압에서 암모니아를 합성하는 기술적인 문제를 해결하여 암모니아 합성에 성공을 하였다. 


하버-보슈법에 의하여 암모니아가 인공적으로 합성되기 시작하여 1913년에는 하루에 수천 톤의 암모니아를 생산하기에 이르렀다. 하버와 보슈의 노력의 성과로 화학비료가 값싸게 대량생산되어 작물의 수량이 증가되어 전 세계 인구의 먹을거리를 부양하게 되어 지금 우리가 풍요로운 삶을 누리고 있는 것이다. 


그러나 미생물은 우리 인간의 노력과 성과를 비웃기라도 하듯이 아주 작은 효소 하나만으로 공기 중의 질소를 암모니아로 바꿔버리는 능력을 지니고 있고 그 능력으로 작물들과 공생을 하며 살아왔다. 현대식 공장의 거대한 플랜트에 막대한 에너지와 고급 인력을 투입해야만 얻을 수 있는 암모니아를 미생물은 너무나도 간단하게 암모니아를 얻어 왔던 것이다. 


미생물의 효소를 응용하여 공기 중의 질소를 비료로 전환시키는 기술을 개발하여 친환경적이고 저렴한 비료를 개발하는 기술이 곧 출시될 것으로 기대가 된다. 미생물은 세포막과 세포질 안에 핵을 비롯한 다양한 기관으로 구성되어 있는데 미생물이 죽으면 세포 기관들이 분해되어 토양으로 용출이 된다. 이때 용출되는 성분들이 주로 단백질과 핵산이다.

미생물의 사체가 분해되어 식물의 비료 성분으로 이용이 되는 것이다. 그러므로 미생물은 살아있는 동안에는 공기 중의 질소를 부지런히 암모니아로 전환시켜 작물의 성장에 도움을 주다가 죽고 나면 자신의 몸을 분해시켜 핵산과 단백질의 공급원이 되는 셈이니 식물에게는 아주 고마운 존재가 아닐 수 없다. 


단백질은 아미노산으로 분해되고 결국에는 질소원으로 이용이 된다. 핵산은 DNA와 RNA의 구성성분으로서 식물체내 성장을 촉진시키고 수량을 증대시키는데 중요한 성분이다. 핵산을 구성하고 있는 중요한 염기로서 구아닌(G), 아데닌(A), 시토신(C), 티민(T), 우라실(U) 이렇게 5개가 있는데 아데닌은 에너지로 활용되고 있다. 구아닌은 새의 배설물을 뜻하는 구아노(guano)에서 유래된 이름으로 식물체 내에서 세포 분열에 필수적인 성분으로 구아닌 공급이 부족하면 작물의 성장이 멈추고 과일의 수량이 작아진다. 


이렇듯 5가지 핵산 염기는 식물 성장에 반드시 필요한 성분으로 영양원으로 공급해주어야 하는 필수 영양소이다.

특허 미생물 중 Saccharomyces cerevisiae UB20-30이라는 효모가 있는데 이 미생물은 5가지 핵산 염기를 다량 함유하고 있다. 효모 미생물은 세포벽이 두꺼워 웬만하면 깨지지 않아 세포내 내용물을 용출시키기가 쉽지 않다.

그래서 살아있는 효모는 두꺼운 세포벽으로 둘러싸여 있기 때문에 식용으로 섭취해도 우리 몸 안에 있는 산이나 효소에 분해되기 않고 흡수가 안 되어 그대로 체내로 배설이 된다.

 

효모 배양액을 토양에 살포해도 워낙 단단한 껍데기로 둘러싸여 있기 때문에 비료로서의 미생물 살포 효과를 금방 보기는 어렵다. 효모를 특수한 기술과 장치로 깨뜨려 세포내 핵산과 단백질을 용출시켜 작물 영양제로 공급하는 연구가 한창 진행중이다.
미생물 살포 효과는 살아있는 자체의 미생물 효능보다는 미생물이 분비하는 물질(2차 대사산물)과 미생물이 죽었을 때 용출되어 나오는 물질에 의해 효과가 나오는 것이다. 작물의 생육을 촉진시키고 비료로 활용되기 위해서 미생물은 죽어서 분해가 될 때 비로소 비료로서의 진가를 발휘하는 것이다. 





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