바이오인

식물환경생명공학의 현황과 전망

한국생명공학연구원 환경생명공학연구실

책임연구원 곽상수(sskwak@kribb.re.kr )

식물 (plant)은 태양에너지를 이용하여 이산화탄소를 고정하고 인간 생존에 필수인 산소와 식량 뿐 아 니라 각종 의약품과 산업용소재를 생산하는 지구상에 가장 효율적인 공장 (plant, factory)이다. 그러나 지금 식물공장이 지구온난화, 오존 층의 파괴, 산성비, 삼림파괴, 사막화 등 지구규모의 환경문제에 의해 위기에 처해 있다. 따라서 이러한 위기에 처한 식물생태계를 보전 하는 일은 우리 인류가 해결하여야 할 최우선의 과제이다.

인구증가와 산업화에 따른 석탄, 석유 등 화석에너지 (fuel energy)의 소비량은 비약적으로 증가하고 있다. 1800년 전후한 산업혁명 이후 화석에너지의 연소에 따라 대기중의 이산화탄소 농도가 급격히 상승하게 되었고, 이것이 지구온난화 등 지구환경문제를 일으킨 중요한 원인이 되고 있다 (그림 참조). 특히 1950년대 이후의 화석에너지의 급격한 사용은 지구환경을 심각한 상 태로 만들고 있으며, 이러한 추세라면 21세기 초기에는 인류생존을 크게 위협할 것이 설득력 있게 예측되고 있다. 유엔환경계획 (UNEP)은 2002 년 5월 22일 지난 30년 간 지구 환경변화를 평가하고 향후 30년 동안 지구환경에 영향을 끼칠 정책방향을 담은 보고서 (Global Environmental Outlook 3, GEO-3)를 발표했다. 보고서에서는 무분별한 개발로 인한 산림파괴와 물 부족 등에 대한 비상대책이 마 련되지 않으면 향후 30년 내에 지구의 모습은 매우 황폐할 것이라고 경고했다. GEO-3 보고서에서는 1990년 환경파괴에 따른 홍수, 가뭄 등 각종 자연재해로 피해를 입은 사람의 수는 2억 1100만 명 수준이며, 자연재해로 인한 세계의 재산 손실액은 1000억 달러가 넘는 것으로 추산하였다.

올해는 황사 때문에 초등학교가 휴교하는 등 최악의 모래폭풍을 경험하였으나, 내년에는 더 심각할 것 으로 전망된다. 황사의 원인은 지나친 개간과 방목이 원인이며 매년 제주도 넓이만큼 사막화가 진행되고 있는 실정이다. 확산되고 있는 황사를 포함한 지구생태계를 복원하는 일의 근본적인 해결책은 환경파괴를 일으키는 각종 원인들을 제거하고 예방하는 일이다. 현대사회의 환경문제는 인간만 이 지구의 주인이라고 생각하는 이기적인 생명관에 기인한다. 지구에는 모든 생명체가 더불어 살아야 하며, 생명체가 살아가는데 필요한 서 식처를 이루는 무생물체도 생태계에서 중요한 역할을 하고 있다.

그렇다면 21세기 우리 인류가 당면한 최대의 난제인 지구규모의 환경문제를 해결하기 위해서 본인과 같 은 식물과학자는 무엇을 어떻게 할 것인가? 환경문제 때문에 식량문제가 심각해지고 새로운 질병이 발생하고 에너지문제가 심각해지는 것은 자명한 일이다. 이러한 관점에서 환경오염지역을 정화하는 식물개발, 사막 등 열악한 환경에서도 잘 적응하는 식물개발 등 식물환경생명공학기술 개발은 절실히 요구된다. 이러한 관점에서 본 고에서는 지구규모의 환경문제의 심각성을 먼저 자세하게 기술하고, 환경생명공학분야의 중요기술인 식물 을 이용한 정화 (phytoremediation)와 스트레스내성 식물 (stress-tolerant plant) 개발에 대한 연구현황과 전망에 대하여 기술하고자 한다.

심각해 지는 지구환경 문제

1. 지구 환경문제 얼마나 심각한가?

UNEP가 최근 지구환경문제를 이대로 방치하면 30년 내에 지구는 황폐할 것이라 설득력 있게 보고하고 있다. 전 세계적으로 극심한 가뭄과 폭우 등 기상이변을 몰고 오는 엘리뇨가 97-98년에 이어 올해 다시 발생할 가능성이 높다고 세계기상기구 (WMO)가 최근 전망하였다. WMO는 97-98년 세계 곳곳에서 발생한 엘리뇨로 32억달러(약 41조6000억 원)에 이르는 경제적 피해가 발생하였다 고 추산하고 있다. 당시 한국도 엘리뇨와 관련된 각종 재해로 모두 2000억 원의 재산피해를 보았다. 지구온난화로 1974년 이후 남 극대륙 7개 거대 빙봉에서 1만3500㎢의 빙산이 소실된 것으로 추산되고 있으며, 히말라야의 설원도 녹기 시작하였다고 유엔 환경탐사팀이 최근 보고하였다.

필자는 지난해 황사의 최대 진원지인 중국 신장위구르자치구 (대한민국 면적의 약 17배)에 있는 다클라 마칸사막을 방문한 적이 있다. 다클라마칸사막은 동서문화의 통로인 비단길로 우리에게 잘 알려져 있다. 사막지역이라 농작물 재배를 위한 관개사업과 강 한 바람을 막기 위한 방풍/방사림 조성사업이 대대적으로 이루어지고 있었다. 그럼에도 불구하고 현지 안내인은 계속적인 가뭄과 바람으로 매년 사막지 역이 눈에 띄게 확대되고 있다고 말했다.

갈수록 심각해지는 황사는 중국의 무리한 개간과 방목이 초래한 인재이다. 중국정부 추정에 따르면 현 재 한반도의 4배에 달하는 사막과 황토고원이 내몽고, 간쑤, 신장을 중심으로 매년 2330 ㎦씩 늘어나고 있다. 즉 한해에 제주도보다 넓은 면적이 사막 화되는 것이다. 몽골은 국토의 90%가 사막화위기에 처한 가운데 과거 30년 동안 목초는 6만9000㎢ 감소하고 식물종류도 4분의 1로 감소 하였다. 국제농업기구 (FAO)는 중국의 인구가 13억 명으로 불어나면서 소, 염소, 양 등 가축은 1961년 1억7100만 마리에서 2000년 4억 700만 마리로 늘어나 사막화가 가속되고 있다고 보고있다. 즉 소득이 증가하면서 식물성단백질에서 동물성단백질로의 식생활패 턴 변화가 식량문제 뿐 아니라 사막화를 가속시키고 있다. 중국 정부는 오염으로 죽어 가는 보하이(발해)만을 2015년까지 청정해역으로 되살리기 위해 2001년부터 6백억위안(약 9조원)을 투입한다는 '보하이 벽해 행동계획'을 세웠으나 아직 효과를 보지 못하고 있다.

올해 전국을 뒤덮은 황사현상으로 호흡기 환자의 급증, 일부 학교의 휴교령, 양봉·채소업 등의 작항 감 소, 산업활동의 위축 등 피해가 급속도로 증가하여 황사로 인한 피해액이 1조원에 이를 것으로 추정하고 있다. 황사 등 미세 먼지로 인 해 국내에서 보는 피해는 연간 11조8000억 원에 이르는 것으로 한국환경정책·평가원이 보고하였다. 이는 99년 기준으로 대기오염 물질 배출량에 따 른 사회적 비용을 계산한 결과 그 피해비용이 5조8000억 원에서 최고 17조8000억 원으로 조사되었다. 황사만의 피해금액은 계산되지 않았으나 그 규모 는 태풍만큼은 돼 황사 1회당 최소 수천억 원에 이를 것이라고 전문가들은 보고 있다. 중국의 황사를 포함한 환경문제는 바로 인접국 인 우리의 문제이다. 이러한 점에서 환경공동운명체인 한국, 중국, 일본 등 동북아시아 국가의 협력연구를 통한 환경내성식물 개발이 요구된다. 일차적으로 건 조와 고온으로 사막화가 급속도로 진전되고 있는 중국과 몽골지역에 나무를 심는 일부터 시작되어야 할 것이다. 이를 위하여 생명공학기술을 통하여 건조 등 복합재해에 강한 식물을 개발하여야 할 것이다.

뉴욕타임스 2002년 5월 23일자 보도에 의하면 동남아프리카 6개국 (말라위, 짐바브웨, 잠비아, 레소 토, 스와질란드)은 최근 2년 간 가뭄과 홍수가 겹치는 바람에 주식인 옥수수 수확량이 50-70% 감소하여 700만 명이 기아위기에 있다 고 한다. 하루가 멀다하고 여기저기서 수 백명씩 말라리아와 콜레라로 숨지고 있으며, 말라위의 영양실조로 인한 환자는 지난해에 비해 80% 증 가하였다고 한다. 유엔 식량 프로그램에 참여하고 있는 한 관리는 시골 농민들의 식량창고가 75% 가량 빈 것으로 나타나고 있다며 다 음 수확기가 시작되는 9월까지 국제사회의 도움이 절실한 실정이라고 말하고 있다. 이처럼 환경문제는 결국 식량문제와 보건문제 의 원인이 되고 있다.

2. 스트레스내성 식물개발 현황

스트레스내성식물(stress-tolerant plants) 분야는 나빠지는 지구생태계의 예방, 정화 뿐 아니라 식량 문제 해결에 중요한 분야로 대두되고 있어 최근 식물의 환경스트레스 극복기구에 대한 생명공학연구가 활발히 국내외적으로 진행되고 있다.

가뭄, 냉해, 높은 염분농도 등의 환경스트레스는 작물의 생산성을 저하시키는 주요 요인 중의 하나로 병충해에 의한 손실의 약 10배 정도가 매년 환경스트레스에 의해 유실되고 있다. 지구상에서 농경 가능한 토지는 지구면적의 약 10%이지만 이 중에서 환경스트레스가 적은 지역은 10-20%에 불과하고 80% 이상의 농지가 스트레스를 받고 있다. 이들 80% 중 26%가 건조스트레스 지역이 며, 무기영양분 결핍지대가 24%, 토심층이 얇아 경작이 힘든 토양이 15%, 저온지대가 4%를 차지한다.

1998년 Beyond the horizon of the science: Can plant biotechnology save the global crises of food and environmental ?라는 주제의 국제심포지엄에서 21세기 인류가 당면한 환 경문제 및 식량문제의 해결은 식물스트레스에 초점을 두어야 한다는 결론을 내렸다. 2002년 7월 영국 Oxford에 서 개최되는 Gordon Research Conference의 주제가 Cellular basis of adaptation to salt and water stress in plants 인 점으로 미루어 지구환경문제로 인한 식물의 환경적응기구에 대한 이해와 스트레스내성 식 물 개발의 중요성이 강조되고 있다.

지금까지 건조스트레스 등 특정 스트레스에 대한 내성기구 규명에 관한 연구가 국내외적으로 이루어져 왔다. 그러나 열악한 환경지역은 복합적인 재해를 받기 때문에, 복합재해에 강한 유전자와 발현 프로모터를 이용한 발현기술 개발이 요구된다. 최 근 스트레스 유도성 유전자의 전사인자 (tranion factor)를 이용한 형질전환체가 여러 가지 스트레스에 내성을 갖는다는 보고가 주목을 받 고 있다. 일본 이화학연구소 (RIKEN)의 Shinozaki박사 연구팀은 건조에 반응하는 cis-element dehydration responsive element (DRE)를 분리하여, rd29 stress-inducible promoter에 DRF 결합단백질인 DREB1A을 도입한 애기장대 (Arabidopsis thaliana) 식물체가 건조, 염류, 냉해에 강한 내성을 갖는 다는 것을 발표 하여 분자육종에 의한 복합재해 내성식물 개발에 가능성이 시사되었다.

우리나라의 경우 환경의 주무부처인 환경부에서는 토목공학 중심의 환경문제 해결에 대한 연구가 주류 이며, 생명공학기술을 이용한 환경문제 해결은 아직 초보적인 단계이다. 과학기술부와 농촌진흥청이 주관하는 사업단에는 스트레스내성 유전자 발굴 및 재해내성 농작물 개발에 대한 연구가 시도되고 있다. 2001년 농업식물 스트레스 연구센터가 신규 SRC로 선정된 것은 시대의 흐름 을 반영하고 있다고 하겠다.

경상대학교 윤대진교수는 nucleoside diphosphate kinase (NDPK) 유전자를 애기장대에 도입한 결과 저 온, 염류 등 복합스트레스에 내성을 갖는 것을 밝혔으며, 조무제교수팀이 개발한 calmodulin를 도입한 식물체도 여 러가지 스트레스에 내성을 갖는다는 것을 최근 보고하였다. 필자의 연구팀은 사막지역, 간척지역, 공장지역 등 여러 가지 스트레스가 존재하 는 지역에 적응할 수 있는 복합재해내성 식물을 개발하기 위한 기반기술 (platform technology)를 개발하고 있다. 이를 위해 스트레스에 강하게 발현되는 유전자 (SWPA2) 프로모터를 개발한바 있고, 엽록체의 항산화기구를 제어하는 발현시스템을 확립하여 복합재해에 잘 견디 는 농작물을 개발하는 중이며, 향후 사막녹화에 필요한 수목과 초본식물 개발에 노력하고자 한다.

3. 식물을 이용한 환경정화 (phytoremediation) 개발 현황

식물을 이용한 환경정화 (phytoremediation)는 식물을 이용하여 중금속, 방사성원소, 유기용매, 비료, 농약 등으로 오염된 토양과 물에서 오염원을 제거하거나 무독화시켜, 토양의 본래 기능을 회복시키는 기술이다. 종래에는 자 연적으로 존재하는 식물 중에서 환경을 정화할 수 있는 것들을 선발하여 사용하였으나, 현재 선진국에서는 유전공학적인 기술을 이용하여 자생식 물보다 우수한 정화능력을 지닌 식물을 개발하여 이용하고자 연구를 진행시키고 있다. 유독물질을 보다 더 많이, 빨리 흡수하고 그들의 독성에 잘 견디는 식물을 개발하는 것이 phytoremediation 기술의 경쟁의 초점이다.

식물을 이용한 환경정화는 전통적인 토양복원 기술인 물리, 화학적인 기술에 비해 비용이 1/6-1/10에 지나지 않는다. 이는 식물이 정화에 필요한 에너지를 궁극적으로 태양에너지에서 얻기 때문이다. 또한 물리적 토양복원의 대표격인 굴 착법은 자연을 훼손시키며, 화학적 처리나 미생물 이용은 2차 오염의 위험이 있다. 이에 비하여 식물을 이용한 환경정화는 생태계와 생물다양성을 보호하며, 부차적인 오염을 일으키지 않는 환경친화적이라는 특징이 있다.

식물환경정화는 사람들이 선호하는 방법이며, 21세기에는 쾌적한 환경의 요구도가 계속 높아지고 있으 므로, 앞으로 시장이 계속 커질 것이다. 이 기술은 10여 년 정도의 짧은 역사를 갖고 있으며, 식물학에 많은 비중을 두고 있다. 우리나라의 식물 학 분야는 선진국 수준에 근접하고 있기 때문에 이 기술 개발에서 국제경쟁력이 있다.

Pytoremediation은 뿌리, 잎, 줄기 등 수확가능한 식물의 조직에 오염물질을 축적시켜서, 식물 을 수확 함으로써 오염물질을 제거하는 phytoextraction, 식물의 뿌리를 이용하여 오염물질을 걸러내거나 농축, 침전 흡수시키는 rhizofiltration, 복잡한 유기물질을 단순한 분자로 분해시켜 식물조직 구성물질로 전환시키는 phytotransformation, 뿌리 로부터 유용물질을 분비하여 미생물이나 곰팡이의 분해과정을 촉진시키는 phytostimulation, 식물에 의한 금속오염물질들의 침전이나 흡수로 오염물질들이 지하수로 이동하거나 먹이사슬로 들어오는 것을 억제하는 phytostabilization 등으로 세분할 수 있다.

일본에서 발행하는 바이오전문지 Bioindustry 2002년 1월호 특집호에서 지구환경과 바이오테크놀 러지에서는 phytoremediation의 새로운 전개와 시장성에 대하여 자세하게 보고하고 있다. 현재 미국에는 21만7천 장 소가 오염되어 있으며, 이를 종래의 물리화학적인 방법으로 오염지역을 복원하는데는 약 22조4,00억엔이 소요된다고 한다. 2000 년 세계 phytoremediation 시장은 60억엔 규모이나 2005년에는 5배 이상 증가할 것으로 전망하고 있다. 2000년 미국의 phytoremediation 시장은 적어도 50억엔 넘었으며, 2005년에는 5배 이상 성장하여 최대 440억엔으로 추산하고 있다. 일본에서는 2000년 1.8억엔 규모이나 2005년에는 8억엔을 상회할 것으로 전망하고 있다. 현재 미국에서 phytoremediation을 전문하는 기업이 10개사에 달하고 있다.(http://www.mobot.org/jwcross/phytoremediation/pytorem_sponsors-corp.htm)

우리나라는 국가기관 및 대학에서 실험수준의 연구를 수행하고 있으며 일부 demonstration project가 진행되고 있다. 특히 축산폐수의 정화를 위해 포플러를 이용하는 시험 연구가 이미 완결되어 현장적용 단계에 와있 다. 국내에서 자생하는 포플러를 유전학적인 조작을 통해 중금속 흡수의 극대화를 도모하는 연구가 진행되고 있다. 산림청 임업연구소에서 올챙이에 서 분리한 철을 저장하는 단백질의 유전자를 포플러에 발현시켜서 중금속 흡수능력이 보통 포플러의 3배까지 증가한 포플러를 개발하였다. 또한, 수은 을 무독화시키는 유전자인 merA와 merB도 포플러에 형질전환을 시켜서 수은 저항성이 향상된 것을 보았다 (2001, winter conference, 포항 공대주최). 난지도 쓰레기 매립지의 포플러 식재로 침출수 중 질소, 인 등 다양한 오염물질의 함량이 30∼50% 감소됨이 확인 되었고 부산의 을숙도 및 석대 쓰레기 매립지에 2002년부터 포플러 식재 준비에 들어가고 있다.

4. 전망 및 우리의 각오

황사문제를 포함한 지구환경문제를 해결하기 위해서는 우리는 구체적으로 무엇을 하여야 하는가? 21세 기는 인류가 당면한 환경문제, 식량문제, 보건문제 및 에너지문제를 해결할 수 있는 생명공학시대라 한다. 특히 식물생명공학은 이들 모든 문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 분야이다. 가뭄, 자외선, 온도변화, 환경오염물질 등 열악한 환경에도 잘 견디는 환경내성유전자를 분리하여 이용하 는 식물분자육종 방법은 기존의 육종방법으로는 거의 해결이 불가능한 복합재해에 강한 새로운 식물 개발이 가능하게 되었다. 특히 건조지역, 환경오염지 역 등 척박한 토양에도 잘 적응하는 우수한 농작물과 나무의 개발이 기대된다. 복합재해에 강한 농작물 개발은 식량자급률이 30%를 밑도는 우 리나라의 식량자급률 향상에도 기여할 수 있고, 사막화가 진전되고 있는 중국과 북한의 척박한 토양에도 잘 자랄 수 있는 농작물 개발로 연계되 어 동북아시아의 안정적인 식량공급에도 크게 기여할 것이라 기대된다.

정부는 과학기술부 작물유전체기능연구사업단, 농촌진흥청 바이오그린21사업단에서 재해내성 식물개발 에 필요한 연구가 시작되고 있어 다행스러운 일이다. 나아가 한국, 중국, 일본은 환경공동운명체라는 점을 인식하고 환경문제의 원인을 제거하는 일 과 복합재해내성 식물개발에 공동의 노력을 기울여야 할 것이다. 지구적으로 벌어지는 환경문제 해결을 위해서는 이웃나라와의 국제적 공조가 필수적 이며, 늦다고 생각될 때가 가장 빠르다는 마음가짐으로 정부와 국민은 적극적으로 임해야 한다.

일본은 사막이라고는 없지만 오래 전부터 정부와 민간단체가 중심이 되어 중국의 사막화방지에 관한 연 구와 녹화사업을 대대적으로 추진하고 있다. 동경대학 명예교수 한 분은 정년이후 중국 사막화지역을 누비면서 나무를 심는 일에 여생을 바치 고 있어 우리에게 시사하는 바가 크다. 우리 정부와 기업 나아가 국민모두가 지구환경문제을 해결하는 일은 더 이상 미룰 일이 아니며 인간 생존 에 최우선과제로 생각하고 적극적인 대응책이 제시되어야 할 것이다.

이제 우리 사회의 모든 분야에서 생태계를 먼저 생각하는 발상의 전환이 필요한 때이다. 인간중심의 생 명관 (ethics of antropocentrism)에서 지구는 인간 뿐 아니라 다양한 종류의 동물, 식물, 미생물 등의 생명체가 공존하는 생물중심의 생명관 (ethics of biocentrism)으로 바뀌어야 한다. 나아가 지구상에 존재하는 무생물도 함께 존재할 가치가 있는 생태중심의 생명관 (ethics of ecocentrism)으로까지 모두의 생명관이 확대되어야 위기에 처한 지구환경을 복원할 수 있을 것으로 기대된다.