에코시스템디자인과 바이오리칭

서울과학기술대학교 NID융합기술대학원 교수 김창현

1980년대에 들어 소비에트 연방의 붕괴로 이데올로기를 중심으로 펼쳐졌던 동서대립의 세계질서가 깨지고 평화가 안착되면서 새로운 국제질서의 재편을 알리는 기후변화에 눈을 돌리며 세계의 화두로 지구환경에 초점을 맞추기 시작하였다.

화두는 지구의 역사 46억년가운데 현생 인류의 탄생은 약20만 년 전으로 볼 때 지난 200년은 짧은 산업화는 20만년의 발전보다 빠르고 더욱 방대했음을 보이고, 19세기 산업혁명을 거치면서 급격한 산업화와 도시화로 3억년에 걸쳐 형성된 화석연료를 불과 2백여년만에 거의 소진하여, 지구환경의 이산화탄소의 균형이 깨졌다는 사실이 주요 내용이며, 지구촌의 에너지자원이 고갈될 위기에 있다는 사실이다. 인구의 증가는 2011년 약70억, 2050년에는 약90억, 2100년에는 100억명을 예측하며, 석유의 부존량은 약40년, 가스는 약60년, 우라늄은 약80년, 석탄은 약150년간 사용할 수 있다고 전문가들의 언급도 그러하다.

오늘날 심각한 기후변화의 현상 중, 대기 중의 이산화탄소는 화석연료, 농업과 토지이용도 변화 등 인간 활동의 영향으로 산업혁명 이전의 280ppm에서 지구평균 450ppm으로 상승하였다. 이산화탄소는 한편 사람들이 살기에 적합하게 지구의 온도를 올려주는 작용을 하여 인류에게 득이 되지만, 다른 한편은 태양에서 지구로 유입되는 파장이 짧은 자외선은 통과시키고, 지구상에서 나가는 긴 파장인 적외선을 흡수하여 지구의 온도를 올리고, 비금속처럼 열을 포집하는 역할로 대기권으로 방열을 시키는 현상을 막음으로 지구온도를 상승시켜 극심한 기후변화를 초래한다는 사실이다. 이와 관련하여 정부는 2008년 광복절 경축사를 통해 저탄소 녹색성장은 “온실가스와 환경오염을 줄이는 지속가능한 성장”이며 녹색기술과 청정에너지로 신성장동력과 일자리를 창출하는 신국가발전 패러다임으로 설정하여 좋은 결실을 얻고자 체계적인 정책을 수행중이다.

세계식량기구(WFP)는 인구증가로 인한 화학비료의 과다사용으로 1963년 발족이레 자연순환체계의 효율화를 중심으로 식량수확량과 영양분석에 깊은 관심을 가지며, 인류활동의 에너지원인 식품에 심각한 영향을 주고 있다는 사실을 지적하고 있다. 한국식품의약품 안전청에서도 2010년 보도자료1)의 2007~2009년도까지 4년간 수행한 영유아, 어린이, 청소년의 영양소별 영양섭취기준에 대한 평균 섭취비율에 의하면, 칼슘(Ca)이 58.1%에 지나지 않으며, 철(Fe)은 89.9 %, 칼륨(K)은 54.4%로 일일 최소 필요요구량에 크게 미달한 반면, 단백질은 178.5%, 인(P)은 128.1%, 나트륨(Na)은 248.6%에 달하는 과잉섭취를 보이고 있어 영양불균형이 심각하다고 보고하였다.

미네랄은 신체의 필수영양소로서, 신체 에너지 대사의 생화학적 반응에 필수 불가결한 조효소로 작용하며, 부족 시에는 만성 혹은 급성질환의 원인이 된다.2) 그러나 이미 1936년에 발표된 미국 국회의원 상원 문서 264호3)에 의하면 “현재 수백만 에이커에서 경작되는 식품 즉 과일, 채소 그리고 곡식 등에는 필요한 미네랄이 더 이상 충분히 들어있지 않으므로 아무리 먹는다고 해도 우리는 영양부족상태가 됨”을 경고하였다. 실제로 인터넷 사이트인 미네랄대학4)이 소개한 자료에 의하면, 1914년 사과 1개가 인체의 1일 필요한 철분량의 50%를 제공하였으나 1992년의 경우 사과 26개가 필요하며, 일본의 조사에 있어서도 1952년의 시금치 1단의 철분량이 1993년 시금치 19단과 동일하다는 결론을 내린 바 있다.

실제로 섭취하는 곡물, 야채 등 식품소재에서 미네랄이 부족한 이상 현재의 국내 어린이 및 성인의 미네랄 부족현상은 당연한 것이며, 이는 현재까지의 관행농법인 비료사용의 문제와 직접적으로 연계된다. 국내 비료의 사용량은 191,297톤/년으로 식물 흡수와 햇빛, 물 등으로 자연적으로 분해되는 정도를 넘는 과다사용으로 분해되지 않은 상당한 양이 흙, 물, 그리고 바다에까지 쓸려가면서 산성화되는 환경악화는 물론 과다한 농약살포까지 더하면 매우 심각한 수준에 있다. 따라서 본 연구발표는 1) 어떠한 방법으로도 극복하기 어려운 산성화된 토양을 살리고, 2) 지력을 살려 양액재배/시설재배 등 건강한 식물재배에 의한 국민의 영양불균형의 제반문제를 해소하기 위하여 '바이오리칭(Bio-leaching)'을 산학공동프로젝트로 선정하여 연구의 초점을 맞추고자 하였다.

1. 바이오리칭
바이오리칭은 21세기부터 지질과 광물자원을 다루는 분야에서 발전되었으며, 1978년 멕시코 Socorro에서 개최된 첫 국제미팅에서 바이오리칭이 부각되기 시작하여 현재에 이르고 있다. 바이오리칭은 습식제련법에서 광석으로부터 금속성분을 용출하는 공정(leaching)에서 금속용출에 효과적인 능력을 지닌 특수 미생물을 활용하여 금속성분을 용이하게 회수하고자 하는 기술이며, 이는 광석이나 폐석, 그리고 채굴할 때 갱내에 남겨진 잔광에 적용하고 있으며, 현재 우라늄광산이나 구리광산에서 실용화되어 있어, 이로부터 우라늄이나 구리를 회수하는 기술로 발전하고 있다.

2. 바이오리칭의 연구배경
우리는 1960대부터 산업화의 가속화로 기후변화에 일조하였으며 화학비료의 과다 사용으로 산성화된 토양에서 비롯된 미생물 환경여건의 악화는 식생활의 미네랄 섭취부족인 신체의 영양불균형은 물론 자연생태계의 균형에도 지대한 영향을 미쳐왔다. 논밭에서 흘러내리는 산성수는 아름다운 강물의 아질산화로 녹조와 바다의 적조로 썩어가는 현상을 일으키고 생태형 단지, 골프장, 논과 밭, 테마공원 등 생활환경의 다양한 현대시설에서 동일 현상을 나타내고 있다. 따라서 본 연구배경은 호수 또는 연못의 식물군을 살펴보면서 식물의 뿌리가 썩고, 볼 수 없었던 기형적인 현상의 근본원인을 찾고자 바이오리칭기술을 새로운 접근방법으로 연구하게 되었다.

3 산업분류에 의한 연구분야
바이오리칭을 이용한 작물생산분야는 국내바이오산업분류코드로 새로 제정된 KSM1000과 대비하여 1) 바이오 화학산업, 2) 바이오 환경산업, 3) 바이오식품산업, 4) 바이오 에너지 및 자원사업에서 직간접으로 연계된다. 특히 바이오 농약 및 비료분야의 양액 재배용에서 1) 광합성 균주 유기배지, 2) 안정화된 복합 미생물 균주, 3) 천연이온미네랄 비료, 4) 엽면시비제, 5) 미네랄 우드팰릿배지, 6) 천연방충시비제로서 키티나아제 발효시비제, 7) 계분퇴비 및 기타 축분퇴비 그리고 노지재배용에서 1) 연작방지용 미네랄제, 2) 공생미생물 균제, 3) 엽면시비제, 4) 천연방충시비제, 5) 계분퇴비 및 우/돈분 퇴비사업과 연계된다. 바이오리칭기술은 자연환경을 보존하고 양질의 안전 농산물을 생산하여 공급하는 지속 가능한 환경농업의 새로운 토탈 솔루션으로 발전시킬 수 있고, 이의 실천방향으로 토양과 대기오염의 방지와 농업의 유지 발전을 통하여 우리나라의 식량자원보호 뿐만 아니라 환경문제 등의 해결책으로서 고부가가치를 창출시킬 수 있는 친환경적인 소재개발에 초석이 될 것으로 분석되어 연구분야로 설정하였다.

4. 연구목적과 방법 및 범위
먼저 환경분야 및 농업분야에서 자연순환체계를 살펴보고 식물과 미생물간의 공생적 역할을 분석하고, 둘째 환경조건에 따라 미생물의 활동과 현상을 분석하는데 연구목적을 가지며, 연구방법은 연구목적에 따라 인공생태공원에서 빈번히 발생하는 식물의 뿌리가 썩는 환경조건과 건강한 식물군집지의 조건을 동일하게 갖추어 발생하는 현상, 식물이 공생하는 배지중심의 환경조건 및 시간경과에 따라 발생되는 결과를 ICP검사기를 통하여 어떤 종류의 미네랄이 추출되는지 비교분석해 보고, 이의 원인분석을 산업체와 공동으로 연구하였다.

특히 공생미생물은 화학조성물이 아닌 미네랄 및 유기물질을 이용하여 제조한 배지를 통한 유기배지 기술로 광합성 균주를 대량 증식시킬 수 방법을 모색하였다. 또한 균주간 자연순환체계에 따라 먹이부족으로 사멸되지 않도록 안정화한 시스템을 갖추고 광합성 균주를 비롯한 효모군, 유산균이 공생하는 환경을 조성하여 적용실험분야를 산업분류와 직접적으로 연계되는 환경분야, 농업분야, 사료분야 및 에너지분야에 초점을 맞추었으며, 바이오리칭 분야로서 농업분야, 식품분야, 사료분야, 화장품분야 그리고 광물(희토류)분야로 나누어 각 분야의 특성에 맞게 미생물을 공생시키는 배양기술과, 이러한 미생물을 이용한 바이오리칭 기술을 중심으로 연구실험을 하였다.

연구범위는 황토, 철, 제주 Scoria, 일본산(미야자키) Aeban, 방해석, 감람석, Basco, Husy, Mipu, 게르마늄을 주요 연구대상으로 선정하였다. 온도조건은 0℃~50℃로 설정하여 실험하고자 하였다. 본 시험결과를 중심으로 먼저 언급한 5가지 분야의 실태조사를 통하여 개선가능여부를 제시하고자 하였다.

5. 바이오리칭의 연구결과
연구초기 실험에서 식물뿌리가 썩는 현상은 식물의 뿌리에서 배출하는 탄수화물과 아미노산을 선호하는 세균먹이로 썩어가는 물의 환경을 땅의 조건과 동일화시키는 공생미생물균주의 공급으로 이를 해결하였으나 기대효과의 한계가 있음을 직시하고 더욱 친환경적이며 경제적인 조건과 대량생산이 가능한 자연순환체계의 미생물균주와 광물 및 암석에 초점을 맞춘 시험결과는 다양한 균종이 공생하는 미생물군의 생태순환시스템을 활용하여 생명체가 필요로 하는 미네랄을 전체적으로 획득하는 시스템으로 특수 광물과 암석의 구분에 의한 용출을 이용하여 다양한 미네랄 이온의 구성물을 추출하여 시험한 결과는 가장 이상적인 땅의 조건으로 충족된 것으로 평가되었다.

이 과정을 통하여 다양한 생리활성물질과 유기산이 동시에 생성되고, 공생미생물(symbiosys) 균주를 중심으로 상호 순환체계에 의하여 사멸되지 않도록 안정화한 미생물군이 군집하며, 광합성균을 비롯한 다양한 효모균, 유산균 등이 함께 공생체계를 갖추는 연구로 진행되었다. 더욱이 다양한 광물로부터 다양한 천연이온미네랄(킬레이트 포함 추정)을 추출하는 새로운 방법으로서 식물용, 축산용, 인체용, 수산용 등 각각의 특성에 적합하고, 생명체에 최적 상태인 용액의 산성도 pH4~pH6을 유지하며, 어떠한 화학적 오염이 없는 청정 광물로부터 미생물에 의한 고농도의 이온미네랄을 추출(다량 미네랄 및 미량 미네랄)하는 방식으로 기존과는 다른 “자연의 힘”을 빌려 추출한 “천연미네랄”을 제공하는 기술로서 식물성장의 절대 조건을 갖추었다고 평가되었다. 이러한 연구시험과정에서 특히 중요한 사실은 시험초기에 극히 미량이었던 미네랄성분이 시간이 경과함에 따라 아래의 시험결과와 같이 다량의 유기적인 K, Mg, Ca, Na, Fe 등이 생성되었음을 발견하였다.

바이오리칭의 연구결과로 인한 사업영역은 첫째 보급형 유기배지를 비롯하여 엽면시비제, 미네랄 양액 및 미네랄제, 공생미생물 및 발효퇴비 그리고 미네랄 우드팰릿배지로 친환경 농자재로 구분할 수 있으며 시설농업으로 대단위 식물생산농장과 아파트형 식물공장의 유기비료로 사용될 것으로 전망된다. 특히 이는 KBS ‘생로병사의 비밀 278회 090305 적게 먹어도 왜 살찔까? - 다이어트의 숨은 열쇠, 비타민과 미네랄’ 프로그램에서 볼 수 있듯이 미네랄의 중요성이 입증되고 있다.

참고문헌.
1) 식품의약품안전청(2010), 영유야․어린이 및 청소년 식품섭취량조사 심층분석 결과발표, 2010. 9. 10
2) Lippard, Stephen J.; Jeremy M. Berg (1994), Principles of Bioinorganic Chemistry. Mill Valley, CA: University Science Books, pp. 411
3) USA 74th Congress, 2nd Session(1936), Unabridged Excerpts From Senate Document No. 264, http://www.tjclarkminerals.com/senatedoc.htm
4) 송종섭, 미네랄대학, http://www.mineral-uni.com/
5) 김창현(2010), ‘친환경 녹색 마인드 학부모’ 양성운동을 위한 녹색성장의 본질과 실천방안 토론회 - 21세기를 살아갈 우리 이제 녹색실천 무엇을 어떻게 할 것인가?, 기조 연설문, 프레스센터, 2010. 8. 17.

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