▲[사진] 하늘에서 천둥과 번개가 칠 때 그 주위는 30,000℃가 넘는 초고온이 순간적으로 발생하고 공기 중의 질소와 산소가 결합해 식물이 흡수할 수 있는 형태로 변하기도 한다. 따라서 천둥 번개가 많이 치는 해에 풍년이 올것이라 한 우리 조상들의 옛이야기는 과학적인 근거가 충분하다.

이번호는 식물에게 4번째로 많이 필요한 성분인 질소(窒素: Nitrogen, 약자로 N)와 관련된 미생물에 대하여 알아보자. 공기는 78%의 질소와 21%의 산소 그리고 기타 물질로 구성되어 있다. 공기 속에 78%나 차지하고 있는 질소는 질소 두개가 찰떡같이 딱 붙어있는 형태(N2)로 좀처럼 떨어지지 않는 안정한 물질로서 식물에게는 도저히 흡수할 수 없는 그림의 떡과 같은 존재이다. 식물이 영양성분으로 흡수할 수 있는 질소는 암모니아(NH3)나 질산(NO3)의 형태인데 공기 중의 질소는 너무 멀기 때문에 흡수를 하지 않는 것이다. 예를 들면, 빈혈이 있는 사람이 철분이 필요하다고 해서 커다란 철 막대기를 핥아 먹어봤자 빈혈이 없어지지 않는 것처럼 사람이나 식물이나 영양성분은 그 흡수되는 고유의 형태가 있는 것이다. 공기 중의 질소는 식물과는 아무런 관련이 없는 그런 상태이다.

공기중 질소를 쉽게 변환하는 효소 ‘Denitrogenase’
그러나 가끔 예외가 있는데 하늘에서 천둥과 번개가 칠 때 그 주위는 30,000℃가 넘는 초고온이 순간적으로 발생하고 그때에만 공기 중의 질소와 산소가 결합해 식물이 흡수할 수 있는 형태로 변하기는 한다. 그래서 천둥 번개가 많이 치는 해에는 농사가 풍년이 들것이라고 한 우리 조상들의 옛이야기는 과학적인 근거가 충분한 것이다. 천둥번개가 하늘에서 농사에 귀중한 금비(金肥)를 만들어 땅에 뿌렸던 것이다. 그런데 30,000℃까지 온도를 안올리고도 공기 중의 쓸데없는 질소를 식물에게 유용한 양분으로 만들어 주는 희한한 물질이 있으니 그 물질 이름을 Denitrogenase(디니트로게나제)라고 한다. 이 물질은 효소의 한 종류로써 공기 중의 있는 질소를 식물이 흡수할 수 있는 암모니아로 쉽고 간단하게 바꾸어 주는 중요한 역할을 한다. 이러한 효소의 작용에 의해 식물에게는 쓸데없는 공기 중의 질소가 쓸모 있는 유용한 암모니아로 바뀌는 것이 연간 지구 전체에서 자연적으로 변화하는 질소량의 약 60%를 차지한다. 식물에게는 너무나 유용한 이 효소를 불행하게도 식물은 가지고 있지 않다. 만약 식물이 이 효소를 가지고 있다면 우리가 애써 요소와 같은 질소 비료를 굳이 안줘도 작물은 잘 자랄 수 있을 텐데 말이다.

뿌리혹박테리아와 질소고정세균의 관계
미생물중에 이 특별한 효소를 가지고 있는 생물이 있는데 바로 세균이다. 세균만이 이 효소를 가지고 있으며 특히나 세균 중에서도 이 효소를 가지고 있는 세균을 ‘질소고정세균(Nirtogen fixation bacteria: 窒素固定細菌)’라고 한다. 이러한 분류에 속하는 세균으로 Rhizobium(리조비윰), Azotobacter(아조토박터), Clostridium(클로스트리듐)등이 있다. 질소를 고정하는 세균들 중에 일부는 공기가 있는 곳에서 자라는 것도 있지만 대부분 공기가 없는 곳에서 자라는 혐기성 미생물이다. 그 이유는 공기 중에 있는 질소를 암모니아로 변환시키는 역할을 하는 그 특별한 효소(dinitrogenase)가 산소에 상당히 민감하기 때문이다. 이 효소는 공기와 접촉을 하면 활성을 쉽게 잃어버린다.
콩을 재배하면서 뿌리를 유심히 관찰하면 뿌리에 콩알만한 혹이 형성되어 있는 것을 쉽게 볼 수 있는데 이것을 사람들은 ‘뿌리혹박테리아’라고 한다. 뿌리혹박테리아는 콩과 식물과 공생을 하는 세균으로 알려져 있는데 이 뿌리혹박테리아가 바로 질소 고정 세균이다. 그런데 앞에서도 언급했듯이 질소고정세균은 대부분 공기를 싫어하는 혐기성 미생물이기 때문에 콩의 뿌리 속에 들어가 혹을 만들면서 콩과 함께 살고 있는 것이다.
농민들은 뿌리혹박테리아를 모든 작물의 뿌리에 접종하면 좋을 것이라 생각한다. 하지만 실제 뿌리혹박테리아를 작물의 뿌리 부근에 넣어주어도 그 효과를 보지 못하는 경우가 대부분이다. 뿌리혹박테리아는 모든 식물과 공생하는 것이 아니고 일부 식물하고만 궁합을 맞춰 존재한다. 특별히 작물이 성장하는데 많은 양의 질소가 필요한 식물에만 골라서 공생을 하는 것이다.

콩과 뿌리혹박테리아의 공생
‘콩은 밭에서 나는 소고기’라고 불릴 정도로 단백질(질소) 함량이 풍부한 먹을거리이다. 단백질은 콩을 튼실하게 만들기 위한 성분으로 식물체내로 흡수된 질소 비료에 의해 단백질이 만들어 진다. 그러기 때문에 단백질 함량이 많은 열매를 맺는 콩에게는 뿌리로 많은 양의 질소 성분이 공급 되어야 한다. 그런데 콩에게 다른 식물과 같은 만큼의 질소 성분만을 공급해준다면 콩의 열매를 맺기에는 질소 비료기가 턱없이 모자란다. 그래서 콩은 튼실한 열매를 맺기 위한 생존전략의 일환으로 자연에 도움을 받는 방법을 터득했다. 그 방법이 바로 콩 뿌리에서 뿌리혹박테리아가 좋아하는 물질들을 토양으로 분비해 뿌리혹박테리아를 끌어들이는 것이다. 뿌리혹박테리아는 자기가 좋아하는 물질을 따라 콩 뿌리 주변으로 몰려들고 콩 뿌리가 유혹하는 대로 뿌리 속에까지 들어가서 콩으로부터 포도당을 받아먹으면서 편하게 살게 된다. 이렇게 뿌리 속으로 세균이 들어가 혹을 형성하게 되어 뿌리혹박테리아라고 부르는 것이다. 뿌리 속으로 들어간 뿌리혹박테리아는 콩이 흡수할 수 있게끔 공기 중의 질소를 잘 요리해서 품질이 좋은 질소 비료를 콩에게 공급한다. 이렇게 콩과 뿌리혹박테리아는 서로 돕고 도움을 받는 진정한 공생(共生)을 하는 것이다. 이렇듯 뿌리혹박테리아는 필요할 때만 서식하면서 작용을 하는 것이지 모든 식물과 공생을 하는 것은 아니다. 또한 식물도 뿌리혹박테리아를 유인할 수 있는 식물이 있고 유인할 수 없는 식물이 있다.
요즘 한창 베스트셀러로 인기를 얻고 있는 일본의 썩지 않는 사과를 재배한 성공담을 담은 ‘기적의 사과’의 후반부에 가면 “자연은 쓸 데 없는 짓은 안 한다”라고 주인공인 기무라 아키노리(木村秋則)씨가 이야기를 하는 대목이 있는데 뿌리혹박테리아를 두고 한 말이다. 또한 기무라 씨는 “작물에 뿌리혹박테리아가 발견될 때 토양에 질소 성분이 부족하다는 신호”라고 말한다. 유용한 미생물이라고 아무 때나 발생하지 않고 꼭 필요할 때만 나타나게 만드는 자연의 경이로움을 다시 한번 깨닫게 해주는 대목이다. 이렇게 자연은 말 그대로 자연스럽게 뿌리혹박테리아를 이용해 작물들이 잘 자랄 수 있도록 도움을 준다는 것이다. 

토양속 환경조성의 중요성
토양 속에는 뿌리혹박테리아를 포함한 헤아릴 수 없을 정도의 수많은 유용한 미생물이 서식하고 있다. 그러나 대부분의 토양에 발생하는 미생물은 우리의 기대와는 다른 병원성 미생물들이 우점을 하고 있다. 환경에 의해 우점되는 미생물이 결정되는 것이다. 앞에서 언급했듯이 토양 내 질소가 모자라면 뿌리혹박테리아가 우점하는 것이고, 땅강아지와 같은 곤충류의 죽은 사체들이 많으면 곤충류의 껍데기를 분해할 수 있는 방선균이 우점을 하는 것이다. 그런데 농민들은 현재 내 토양 환경은 어떠한지 고려하지 않은 채 유용한 미생물이라고 알고 있는 미생물을 배양해 토양 속으로 넣어준다. 그렇게 억지로 농민들에 의해 토양 속으로 떠밀려 들어간 미생물들은 아무리 밀도가 높다 할지라도 토양 속에서 살아갈 조건이 안 되면 얼마 지나지 않아 모두 사멸하게 된다. 화학농약과 비료의 무분별한 살포에 의해 그렇게 많았던 곤충들의 자취는 어디론가 사라지고 병원성 미생물들만이 우점할 수 있는 토양 생태계의 불균형이 초래가 되었다. 요즘 농민들이 방선균을 토양 내 유용한 미생물이라며 직접 배양해 토양 속에 넣어주는데 그렇게 투입된 방선균이 내 토양 속에서 우점해 기대하는 효과가 발휘될 것인가에 대해서는 생각해 봐야 할 문제이다. 토양 내 원하는 미생물을 넣어주기보다는 원하는 미생물이 좋아하는 먹이를 넣어주는 것이 더 효과적일 수도 있다. 토양 속에서 자라기 적합한 환경이 조성되지 않아 아주 적은 밀도로 근근히 살아가고 있을 유용한 미생물들이 깨어 일어나 활동적으로 움직일 수 있는 환경을 조성해 주는 것이 현명한 처사라 생각된다.