![산업 폐수에서 자랄 수 있는 개구리밥 종은 다양한 친환경 제품을 생산하는 데 사용될 수 있다. [사진=Oleg Kovtun Hydrobio/Shutterstock]](/media/remote?u=aHR0cHM6Ly9jZG4uYmx1ZWNvbm9teS5jby5rci9uZXdzL3Bob3RvLzIwMjQwMi8yMzgzXzI5NTlfOTU5LnBuZw&s=b7d3307cb974362c484c05f749a3ff8e)
우리가 바삐살다 가끔씩 연못이나 저수지에 가게 되면 물위를 빼곡히 차지하고 있는 연녹색의 개구리밥(duckweed)을 발견하게 된다.
그런데 정수기, 슈퍼푸드, 바이오 연료, 바이오 플라스틱 공급원으로서 큰 잠재력을 가진 작은 수생식물 개구리밥이 지속가능한 청색기술 및 청색경제의 한 축인 순환경제에 한 몫을 하고 있는 것으로 알려졌다.
작은 잎사귀와 식물 세계에서 가장 작은 꽃과 열매를 가진 개구리밥은 섬세한 식물 표본처럼 보일 수 있다. 하지만 우리나라를 비롯한 아시아 전역의 연못에 서식하는 이 연녹색 식물은 공생 미생물 군단과 협력하여 강력한 성장력을 자랑한다.
최근 자연중심의 국제과학지 '네이처(Nature)'에 따르면, 태국 방콕에 위치한 카세사트대학 산하 '개구리밥 홀로비온트 자원연구센터(DHbRC: Duckweed Holobiont Resource & Research Center)' 연구원들이 이제 이 식물을 친환경 순환경제에 활용할 계획이라고 한다.
이들의 연구에 따르면 미생물의 도움으로 공장 폐수와 배출된 탄소를 영양분으로 삼는 개구리밥을 수확하여 단백질이 풍부한 사료, 친환경 연료, 생분해성 플라스틱 등 지속가능한 바이오 제품에 사용할 수 있을 것으로 보인다.
일본 홋카이도 대학의 환경 분자생물학자인 마사아키 모리카와 교수는 10년 넘게 개구리밥이 어떻게 더 친환경적인 세상에 기여할 수 있는지 연구해 왔다. 그의 연구 대상은 개구리밥과 더불어 함께 사는 미생물로 구성된 공생 유기체인 '홀로비온트'였다.
인간이 장과 피부에 중요한 박테리아 군집인 미생물을 가지고 있는 것처럼 식물도 미생물과 함께 서식하고 있다. 작지만 상대적 표면적이 큰 식물인 개구리밥은 특히 표면에 서식하는 미생물의 영향을 많이 받는다. 모리카와 교수의 연구에 따르면 이 작은 수생식물의 성장은 이보다 더 작은 유기체에 의해 엄청나게 증폭될 수 있다.
개구리밥에 주목한 이유
DHbRC는 개구리밥 홀로비온트의 바이오뱅크(biobank)를 구축하여 식물의 친환경 경제성을 더욱 연구하기 위해 설립됐다. 이 센터는 2021년에 체결된 태국과 일본 정부 간의 협력 연구 협약을 통해 설립되었는데, 태국 19개, 일본 8개 연구 부서의 과학자들이 참여하고 있다. 이 센터는 모리카와 교수가 제안했으며 일본 과학기술진흥기구(JST)와 일본국제협력기구(JICA)의 지속가능 발전을 위한 과학기술 연구 파트너십(SATREPS) 프로그램인 'Be-HoBiD'에서 일부 자금을 지원받고 있다.
모리카와는 "개구리밥 홀로비온트가 태국의 신생 바이오 순환경제에 '이상적인 기술'이 될 수 있다"고 말했다. 적절한 기후에서 홀로비온트는 일 년 내내 잘 자라기 때문이다. 그는 "이 식물은 영양, 생물 정화, 바이오 연료 및 바이오 플라스틱 생산에 응용할 수 있는 잠재력이 있어 주목하고 있다"고 말한다.
태국에서는 전통적으로 '울피아 글로보사(Wolffia globosa)'라는 개구리밥 종(種)을 먹는다. 울피아는 재배와 수확이 쉽고 저렴하며 영양 성분도 뛰어나다.
울피아는 아미노산, 비타민, 항산화제 및 미네랄의 귀중한 공급원이며, 비타민 B12의 희귀한 비동물성 공급원이기도 하다. 또한 전체 식물체에는 건조 중량 당 최대 40%의 놀라운 단백질이 함유되어 있다.
단백질 함량이 높은 것으로 알려진 또 다른 식물인 대두(soybean)만 해도 단백질 함량이 30~40%에 불과하며, 그 대부분은 씨앗에만 들어 있다. 모리카와 교수는 육류 생산으로 인해 환경에 미치는 비용이 점점 더 커지고 있는 상황에서 울피아의 생산량이 증가하면 인간과 가축 모두에게 '슈퍼푸드(superfood)'가 될 수 있다고 기대한다.
인간이 덜 선호하는 다른 종류의 개구리밥도 유용하게 사용될 수가 있다. 개구리밥은 산업 폐수에서 흔히 볼 수 있는 오염 물질인 고농도의 질소와 인을 먹고 잘 자란다.
모리카와 교수는 "폐수는 자유로운 형태의 개구리밥 비료가 된다"고 말한다. 개구리밥은 자라면서 미네랄을 소비하고 물을 정화하여 자연 환경으로 돌려보낼 수 있는 재주꾼이다. 수확한 개구리밥은 영양가 있고 저렴한 동물 사료나 기타 바이오 제품으로 가공할 수 있는 순환경제의 이쁜이 역할을 하고 있다.
식물과 박테리아의 완벽한 파트너십
모리카와 교수와 그의 동료들은 초기 실험에서 개구리밥의 미생물 파트너가 성장에 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했다. 2010년에 그들은 세계 최초로 개구리밥에서 식물 성장 촉진 박테리아(PGPB)를 분리했다. 이 아시네토박터(Acinetobacter) 박테리아는 P23이라고 이른다.
PGPB는 식물 성장 화합물을 생성하고 영양소 흡수를 돕거나 식물 병원균을 퇴치할 수 있다. 연구진은 멸균 개구리밥 식물에 P23을 접종하여 식물의 바이오매스(biomass)를 증가시켰다.
식물을 먼저 경작지로 모은 다음 재배하는 2단계 생산 공정에서는 P23을 접종하지 않은 식물에 비해 일주일 후 바이오매스가 최대 2.3배 증가했다. 연구진은 더 큰 실험용 개구리밥 바이오매스가 대조 식물보다 물에서 더 많은 질소와 인을 효과적으로 제거한다는 사실도 확인했다.
모리카와는 "개구리밥 홀로비온트가 태국에서 시험된 다른 형태의 폐수 생물정화 방식에 비해 환경적으로 중요한 이점을 제공할 수 있다"고 말한다. 오염 물질을 분해하기 위해 미생물을 사용하는 '활성 슬러지' 처리는 물을 통기(通氣)하는 데 많은 에너지가 필요하다. 부레옥잠에 의한 수생 생물학적 정화도 시도되었지만, 부레옥잠이 죽으면 부패하여 자체적으로 슬러지 오염 물질이 되어 부적합하다.
바이오뱅크 구축
DHbRC의 주요 연구 초점은 성장 속도, 단백질 수준 및 전분 함량과 같은 매개변수를 살펴봄으로써 식물과 미생물 간의 공생 관계를 탐구하는 것이다. 동물 사료용으로는 높은 단백질이 필요하지만, 개구리밥을 바이오 연료로 전환하거나 지속가능한 바이오 플라스틱을 만들기 위해서는 높은 전분 함량이 이상적인 출발점이다. 이러한 제품들은 모두 DHbRC의 전용 Be-HoBiD 프로젝트에서 목표로 삼고 있다. 식물이 자라면서 이산화탄소를 흡수하기 때문에 이러한 공정은 탄소중립에 가까울 수 있다.
한 가지 과제는 개구리밥에서 PGPB의 존재를 연장할 수 있는 방법을 찾는 일이다. 이 선택된 미생물은 경쟁 미생물이 증가함에 따라 점차 감소하기 때문이다.
개구리밥 홀로비온트와 물속의 미네랄 간의 상호작용도 아직 완전히 이해되지 않았다. 모리카와와 그의 동료들은 최근 두 가지 PGPB 균주인 P23과 P6이 저질소 폐수에서 개구리밥의 성장을 억제하는 것으로 나타났는데, 이는 미생물이 영양분을 놓고 식물과 먹이다툼 경쟁을 하기 때문으로 밝혀졌다. 연구진은 질소 대사가 제한적인 다른 PGPB가 이 환경에서 더 효과적이라는 것을 확인했다. DHbRC는 다양한 응용 분야를 위한 개구리밥 홀로비온트 바이오뱅크를 구축하는 것을 목표로 하고 있다. 개구리밥은 또한 홀로비온트 연구를 촉진하기 위해 사용하기 쉬운 플랫폼을 제공하는 유용한 숙주 생물 역할을 한다.
개구리밥은 물을 처리하는 방법으로서 태국에서 오염 정화에 필요한 탄소발자국과 에너지 소비를 크게 줄이는 동시에 다양한 가치 있는 친환경 제품을 지속가능하게 생산할 수 있다. DHbRC 연구원들의 협력적인 노력으로 지속가능한 경제에서 이 작은 식물에 대한 야망이 커지고 있다. 우리에겐 참 기특한 식물이다.
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