화학비료 대신 세균 뿌렸더니 수확량 그대로…‘살아 있는 비료’ 시대 오나

미국 미네소타주 일부 농가는 옥수수 농사에 화학비료 대신 살아 있는 세균을 사용하고 있다. 약 8㎢에 달하는 옥수수밭에 미생물 비료를 투입해 기존 화학비료로 공급하던 질소를 약 36t 줄인 것이다. 화학비료 사용량을 줄였지만 옥수수 수확량은 감소하지 않았다. 빗물에 씻겨 내려가는 화학비료와 달리 작물 뿌리에 자리 잡은 세균은 폭우가 쏟아져도 질소를 계속 공급할 수 있었기 때문이다.

화학비료에 의존해 온 농업의 오랜 관행을 바꾸려는 기술이 등장하고 있다. 공기 중 질소를 농작물이 흡수할 수 있는 형태로 바꾸는 세균을 이용해 화학비료 사용량을 줄이는 것이다. 이른바 ‘살아 있는 비료’가 농업의 온실가스 배출까지 감축할 대안으로 주목받고 있다.

◇유전자 편집한 세균으로 화학비료 대체

질소는 식물이 성장하는 데 반드시 필요한 영양분이다. 단백질과 엽록소를 만드는 데 쓰인다. 지구 대기의 약 78%가 질소이지만, 옥수수와 밀, 벼 등 주요 곡물은 공기 중 질소를 직접 이용하지 못한다. 이 때문에 농부들은 질소가 포함된 화학비료를 사용해 작물의 성장을 돕는다.

미네소타 옥수수밭에서 사용하는 세균은 미국 바이오 기업 피벗바이오가 개발했다. 공기 중 질소를 식물이 흡수할 수 있는 형태로 바꾸는 세균을 만들어낸 것이다. 피벗바이오는 농작물 재배에 필요한 화학 질소 비료의 20~25%를 이 기술로 대체할 수 있다고 밝혔다. 화학비료 생산에 들어가는 막대한 에너지와 온실가스 배출을 줄일 수 있다는 주장이다. 이 회사가 개발한 생물 비료는 미국에서 지난 10년간 수십만㎢에 달하는 농경지에 사용됐다. 미국뿐 아니라 캐나다와 아르헨티나, 케냐, 브라질에서도 시험 사용이 진행되고 있다.

◇세균 먼저 키운 뒤 질소 생산하는 방식도

또 다른 미국 바이오 기업 스위치바이오웍스는 세균이 질소를 생산하는 시점을 조절하는 기술을 개발했다. 세균이 먼저 작물 뿌리에서 충분히 증식한 뒤 질소를 생산하도록 하는 방식이다.

세균이 처음부터 질소를 대량 생산하면 성장과 번식에 사용할 에너지가 부족해져 실제 농경지에서 살아남기 어려워진다. 스위치바이오웍스는 이 문제를 해결하기 위해 세균이 먼저 옥수수 뿌리에 정착해 증식하고, 이후 질소고정을 시작하도록 설계한 것이다. 이 회사는 현재 미국 중서부 옥수수밭에서 유전자 조작 세균의 농경지 시험을 진행하고 있다. 지난 9월에는 브라질에서도 시험 사용 승인을 받았다.

◇옥수수 한 포기에 세균 1000억마리 필요

살아 있는 비료가 기존 화학비료를 본격적으로 대체하려면 세균의 질소 생산 능력은 물론, 작물 뿌리에 얼마나 많은 세균이 안정적으로 정착할 수 있는지도 관건이다. 영국 옥스퍼드대 등 국제 공동 연구진은 지난 10일(현지 시각) 국제학술지 ‘네이처 바이오테크놀로지’에 발표한 논평에서 옥수수에 사용하는 화학 질소비료의 절반을 세균으로 대체하려면 옥수수 한 포기당 약 1000억마리의 질소 고정 세균이 필요하다고 추산했다. 이 세균들이 약 50일 동안 지속적으로 질소를 생산해 식물에 공급해야 한다는 것이다.

연구진은 단일 세균의 질소 생산 능력을 높이는 것만으로는 이런 목표를 달성하기 어렵다고 봤다. 서로 다른 환경에 적응하는 여러 종류의 세균을 함께 투입하고, 세균이 충분히 번식한 뒤 질소 생산을 시작하도록 유전적 스위치를 조절하는 기술이 필요하다는 지적이다.

작물 자체를 개량해 화학비료 사용량을 줄이려는 연구도 진행되고 있다. 일본 국제농림수산업연구센터는 뿌리에서 질소 손실을 억제하는 물질을 분비하는 밀을 개발했다. 이 밀은 토양 속 암모늄이 빗물에 쉽게 유실되는 질산염으로 바뀌는 과정을 억제한다. 이를 통해 질소비료를 줄이면서도 수확량을 유지했다. 세균을 이용해 질소를 새로 공급하는 것과 달리, 토양에 있는 질소를 최대한 보존하려는 시도다.

‘살아 있는 비료’가 실제 농경지에서 화학비료를 얼마나 안정적으로 대체할 수 있는지는 추가 검증이 필요하다. 토양의 상태와 기후, 작물의 종류에 따라 세균의 정착과 질소 공급 능력이 달라질 수 있기 때문이다. 일각에서는 생물 비료를 사용한 농작물의 수확량이 유지됐다는 사실만으로 세균이 화학 비료를 대체했다고 단정할 수 없다고 지적한다. 결국 세균이 공기 중 질소를 얼마나 고정해 작물에 공급하는지 입증하는 것이 ‘살아 있는 비료’의 상용화 확대를 위한 핵심 과제인 셈이다.