지속 가능한 미래 농업을 위한 작물 혼합 경작의 효율성과 미생물 공학을 활용한 차세대 생물제재 산업의 발전 전망 doc_id CNTS-00120004625_2

다양한 형태의 식물군락 형태가 순수 단일재배에 비해 생육 면에서 더 뛰어나며, 작물수확량 측면에서도 우위를 점한다는 사실이 스위스 취리히대학 생태학자들이 주도한 유럽 연구팀에 의해 밝혀졌다. 연구에 참여했던 과학자들은 농업 및 임업 분야에서의 효과적인 작물혼합(crop mixture) 경작이 미래 식량안보 확보에 핵심역할을 담당할 것으로 확신했다. 단일경작 방식은 효율적인 경작방식이지만, 결코 지속가능한 시스템이 될 수는 없다. 토양과 수자원 양쪽 모두에서 단일경작에 의해 초래되는 환경훼손의 심각성은 이제 반론의 여지가 없어 보인다. 그럼에도 단일경작은 여전히 주된 작물재배의 형태이며, 보다 많은 작물수확량을 담보하는 유일한 대안으로 간주되고 있다. 이에 취리히대학 생태학과 베른하르트 슈미트(Bernhard Schmid) 교수는 이러한 가정들이 맹목적인 오류임을 밝히면서, 전혀 새로운 형태의 농업과 임업을 제안했다. 논의의 구체화를 위한 출발점은 그의 지도를 받고 있는 박사과정의 데브라 딩글리(Debra Dingley)가 수행한 새로운 연구로서, 이 연구결과는 초지식물군에서 군락경작의 생산성이 단일경작보다 우월함을 증명하고 있다. 나아가, 연구팀은 식물 종들이 단지 몇 세대의 경과만으로도 자신이 속한 군락환경에 충분히 적응한다는 사실도 발견했다. 이러한 이른바 단기진화야말로 혼합군락에서의 계속적인 생산성 증가의 원인이다. 그러나 슈미트 교수도 인정했듯이 이 단기진화는 애초 이론적 기초연구나 실제 경작과정 모두에서 전혀 예상하지 못했던 뜻밖의 가능성에서 기인한다. 군락 내 환경적응 과정에서 각 종들은 자신의 강점을 특화하는 전략을 취하게 되는데, 이때 형질 대치(character displacement)라 불리는 과정을 통해 전체 군락 차원에서 상호보완이 이루어지도록 자원활용을 개선시킨다. 예컨대, 초지에서 자라는 풀들은 상층부의 직사광을 이용하기 때문에 일반적으로 두꺼운 잎을 갖게 되지만, 토끼풀 종들은 지면 가까이 비치는 약한 광선들을 더 잘 흡수하기 위해 초지풀에 비해 넓으면서도 얇은 잎들을 갖게 된다. 세계적으로 에너지 수요가 증가하고 이산화탄소 배출이 사상 최고 수준에 달할 것으로 예상된다. 그 양은 2011년 1Gt에서 2035년에는 어림잡아 37Gt으로 늘어날 전망이다. 오늘날 재생가능(renewable) 에너지는 전체 글로벌 에너지 소비의 13%를 차지하고 있으며, 그중 10%는 바이오에너지가 차지하고 있다. 바이오에너지는 바이오매스에서 추출된 고체·액체·기체 제품의 에너지 성분을 가리킨다. 여기에는 수송용 바이오연료(바이오에탄올·디젤), 전력과 열을 생산하는 제품(땔감·고형 압축연료 펠릿)뿐 아니라 도시·산업 폐기물에서 추출한 생물원료를 가공해 생산한 바이오가스(바이오메탄·수소)가 포함된다. 바이오연료는 주로 당과 녹말 함량이 높은 식량작물로 만들어진다. 예컨대 옥수수와 사탕수수로 에탄올을 만들고, 유지종자(oil seeds)로 바이오디젤을 생산한다(1세대 바이오연료). 그 후 비식품성 바이오매스를 이용하는 차세대 바이오연료로 발전해갔다. 작물 또는 임업 잔재(간벌재, 톱밥 등), 전용 에너지 작물(스위치그라스, 포플라, 억새), 도시 및 산업 고형 폐기물의 목질섬유소 조각, 그리고 조류 바이오매스 등이다(2세대 바이오연료). “한 숟가락 분량의 흙 속에 최대 500억 개의 미생물이 살고 있다.”고 노보자임社의 R&D 책임자이자 현재 바이오농업제휴 연구개발팀을 이끌고 있는 숀 세먼스(Shawn Semones)는 말한다. 이정도의 개체수라면 많은 일을 해낼 수 있다. 영양분을 식물에 전달하고, 모든 종류의 해충을 물리칠 수 있으며, 병충해를 예방하는 외에도 다른 식물들의 병충해 문제도 해결할 수 있다고 세먼스는 설명한다. “연구를 진행하면서 앞으로 이런 생명체를 속(屬) 단위까지 분류하기 위해 몬산토社와 노보자임社 공동 노력을 다할 것이며, 향후 DNA염기서열분석법을 이용해 생명체 유전자지도를 분류하고 표현할 것”이라고 그는 덧붙였다. 베이어社의 생물제재 연구개발 총책임자인 존 마골리스(Jon Margolis)는 “지난 20년간 유전학분야 전반에 걸쳐, 좀 더 구체적으로 말하자면 미생물유전학분야에서 사실상 혁명적인 변화가 일어났으며 이를 계기로 DNA염기서열 분석비용이 매우 낮아졌다. 물론 이것도 매우 의미 있는 사실이지만 더 의미심장한 발전은 바로 미생물의 유전자정보를 바탕으로 미생물의 행동을 분석하고 예측할 수 있게 된 것”이라고 말했다. 마골리스와 바이오농업제휴 프로그램의 연구자들은 주로 흙속에 사는 미생물에 대해 언급했지만, 아이오아주립대학교 세균학교수 그윈 비티(Gwyn Beattie) 박사는 “미생물이 식물의 조력자라는 사실, 그리고 식물은 미생물과 밀접한 공생관계를 유지하면서 진화한다는 사실을 기억해야 한다. 미생물은 식물의 모든 곳(잎, 줄기, 꽃, 뿌리), 즉 표면을 비롯해 내부에도 두루 존재한다. 식물의 조력자인 미생물은 생존하는 그 자체로 식물에게 혜택을 준다.”고 반박한다. 비티 교수의 말처럼, 박테리아를 비롯해 수십억 개체의 미생물이 각자 다른 기능을 발휘하는 모습을 상상하기란 쉽지 않지만, 실제 이런 일들이 벌어지고 있다. 그리고 식물생장에 도움이 되는 긍정적인 효과를 얻고자 일부 미생물이 적극 활용될 가능성도 매우 크다. 전 세계에 분포되어 있는 토양이나 식물에 자생하는 미생물들을 찾아내어 분리·추출한 후, 발효과정을 거쳐 재현함으로써 미생물을 상용화할 수 있는 시대가 반드시 도래 할 것이다. 이 주목받고 있는 신기술로 인해 미생물·생물제재의 새로운 시대가 열리게 될 것이며, 새롭게 탄생할 강력한 생물제재가 ‘실패작’이라고 비웃음을 받았던 기존 생물제재들을 대체할 것이다. 바이오농업제휴(BioAg Alliance) 프로그램을 공동 수행하고 있는 몬산토, 노보자임(Novozymes), 베이어(Bayer CropScience)社는 미생물공학을 이용해 탄생한 새로운 미생물제재가 기존의 화학적 작물보호제재와 병행하여 광범위하게 사용되거나 단독으로 사용되게 될 것이라고 전망한다. FPS를 통해 거대 종묘기업들이 신문지상을 장식하고 또 시장에 이미 출시된 자사의 생물제재에 대해 언급하기도 했지만, 사실 다수의 대기업 및 소기업에서도 생물제재를 개발 중이며 종자처리, 고랑 활용(in-furrow use), 엽면시비를 위한 신상품을 시장에 출시하고 있다. 생물농약 산업연맹(Biopesticide Industry Alliance)의 빌 스톤맨(Bill Stoneman) 이사는 최근 성명서를 통해 전 세계적으로 이 같은 제품의 성장세가 매년 15~16%에 달한다고 발표했다. 그는 발표 내용 중 “시작은 미미했으나, 5년 주기로 그 규모가 2배씩 커지고 있다. 이건 엄청난 성장세”라는 말을 남겼다. 베이어, 몬산토, 노보자임과 같은 다국적 종묘기업들의 기자회견 발표내용을 살펴보면, 예상되는 향후 성장세에 비해 스톤맨 이사가 발표한 성장세는 오히려 너무 낮은 것이 아닌가 싶을 정도다. 다국적 종묘기업들은 이미 생물제재들을 시장에 출시했으며 지금도 곧 출시될 제품을 대상으로 현장테스트를 포함한 광범위한 시험을 진행 중이다. 바이오농업제휴 프로그램을 살펴보자. 미생물탐색 연구에 참여하는 것 외에도 노보자임社는 미생물 발효 분야에 자사의 전문지식을 개방하여, 시험용 생물제재의 생산량을 빠르게 늘릴 수 있도록 협조하고 있다.