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지구를 구하는 작은 미생물 ‘미세조류’

<한국생명공학연구원 이준 선임연구원>

◈본문

오늘의 지구는 전세계 인구수의 증가와 기후변화로 인해 말그대로 뜨겁다. 유엔(United Nations, UN)은 2050년에서 2060년 사이에 전 세계 인구가 100억명에 도달할 것으로 예측하였고, 유엔사무총장은 지난 연설에서 “지구가 온난화 단계를 넘어 끓어오르는 시대에 접어들었다”고 언급하였다. 이로 인해 '초만원' 지구에서는 식량 문제가 점점 더 급박한 문제로 부각되고 있다. 그러나, 기후 변화로 인한 기온 상승과 가뭄의 심화로 농업 환경이 악화되고 있어 식량 공급이 수요를 따라가기 어려운 상황이다. 세계 기상 기구(World Meteorological Organization, WMO)는 기후 변화가 식량 공급과 비축에 영향을 미칠 것으로 경고하고 있다. 현재 수요에 맞춰 식량을 확보하기 위해 무분별한 어업이 이루어지고 있으며, 이로 인한 수많은 물고기의 멸종 위기, 어업으로 발생한 해양 플라스틱 문제등 생태계 파괴 문제가 심각하다. 그렇다면, 이 모든 문제를 해결할 수 있는 방법은 무엇일까? 그 문제를 풀 수 있는 열쇠의 하나로 ‘미세조류’에 대하여 알아보고자 한다.

[‘미세조류’란?]

미세조류는 식물처럼 광합성을 하는 아주 작은 크기의 조류이다. 하지만 미세조류는 우리가 알고 있는 식물과는 달리, 뿌리, 줄기, 잎과 같은 기관이 없는 하나의 세포로 이루어져 있으며, 군체를 형성하기도 하는 단세포 생물이다. 미세조류의 크기는 사람 머리카락 굵기보다 작거나 비슷하기 때문에 현미경을 통해서 관찰할 수 있다.

미세조류는 물이 존재하는 곳이라면 어디든 살아갈 수 있다. 강, 바다, 호수, 연못, 숲과 뜨거운 온천수나 차가운 눈 위처럼 극한환경에서도 살아남을 수 있다. 이처럼 다양한 환경에서 생장하는 미세조류는 놀랍도록 다양한 생물군으로 구성되어 있는데, 녹조류, 동물과 가까운 편모충류 중 유글레나, 세균과 가까운 남세균 모두 미세조류에 속해 있다.

그림. 먹이사슬 중 1차 생산자인 미세조류. 미세조류가 생합성한 불포화지방산은 먹이사슬을 따라 최종 소비자인 사람, 가축, 애완동물에게 전달되는데, 중금속 같은 오염물질도 함께 생물농축되어 전달된다. 하지만 미세조류 유래 불포화지방산은 생물 농축 걱정없이 섭취가 가능하다. (한국생명공학연구원 생물자원센터 제공)

현재 미세조류는 약 20만에서 80만종이 존재할 것으로 추정되지만, 지금까지 약 5만종 정도 만이 밝혀진 상태이다. 그러므로, 아직 밝혀지지 않은 미세조류를 발견하고 그들의 특성을 밝히는 일은 상당히 중요할 것이다.

한국생명공학연구원 생물자원센터에서는 국내 생태계에서 서식하며 산업적으로 유용성을 가진 미지의 ‘토종 미세조류’를 확보하고, 자원의 효율성을 판단하여 그 효과를 극대화 시키는 연구를 활발하게 진행하고 있다.

[미세조류의 역할과 중요성세조류의 역할과 중요성]

미세조류가 가진 가장 매력적인 능력은 바로 탄소포집능력이다. 미세조류는 육상 식물보다 5배 이상 빨리 자라며 광합성 효율이 뛰어나다. 미세조류는 온실가스인 이산화탄소를 사용하여 광합성을 통해 에너지를 얻어 대량으로 증식할 수 있으며, 미세조류 1 kg당 이산화탄소 1.8 kg을 소비한다. 미세조류가 내뿜는 산소는 지구 전체 생산량의 50%를 차지하며, 먹이사슬 중 가장 낮은 단계인 1차 생산자로서 다른 작은 바다 생물들의 먹이가 되어 생태계 유지에 매우 중요한 역할을 한다. 이렇게 자연에서 중요한 역할을 하는 것 외에도, 미세조류는 생명공학적으로 응용할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있다.

또한, 미세조류는 새로운 기술과 지속 가능성을 가능케 하는 미래자원이다. 첫번째, 미세조류는 증가하는 단백질 소비를 지속적으로 공급할 수 있는 유용성을 가지고 있다. 그 예로, 미세조류 건조 중량의 60%가 단백질로 구성되어 고품질의 식량 자원으로 활용될 수 있다. 육류나 콩과 같은 단백질 원료의 생산과정에서 온실가스 배출이 상대적으로 적고, 물과 토지를 현저히 적게 사용한다. 이렇듯 미세조류는 작은 크기에도 불구하고 다양한 유용한 화합물을 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있어, 다른 미생물 유래 원료와 비교했을 때 환경적으로 유리한 장점을 가지고 있다.

두 번째, 미세조류로부터 추출된 유용한 화합물은 다양한 질병 예방과 치료에 활용될 수 있다. 유용물질을 많이 생산하는 일부 미세조류 추출물은 항산화, 항염증, 항종양, 항암제로서의 효과가 있어 건강기능식품 및 제약 산업에서 제품화되고 있다. 예를 들어, 스키조키트리움속(Schizochytrium)는 에이코사펜타엔산 (EPA)과 도코사헥사엔산 (DHA)과 같은 오메가-3 불포화 지방산을 생합성하며, 이러한 오메가-3 지방산 섭취는 심혈관, 신경 및 염증성 질환을 예방하는데 도움을 줄 수 있다. 또 헤마토코쿠스속(Haematococcus)이 생합성하는 색소 중 아스타잔틴은 강력한 항산화 작용을 하여 노화 방지와 염증 치료에 사용된다.

세번째, 미세조류는 에너지와 환경 관련 응용에서도 큰 가능성을 보여주고 있다. 바이오 연료 생산에서 미세조류는 특히 주목받고 있다. 앞서 언급한 것과 같이 햇빛과 이산화탄소를 이용하여 지질을 다량 축적하므로 바이오연료의 원료로 사용된다. 이는 환경 친화적이며 에너지 자원의 다양화에 기여한다. 또한 미세조류는 폐수 처리에도 사용될 수 있으며, 오염 물질을 흡수하고 분해하여 수질 개선에 사용될 수 있다.

네번째, 미세조류는 농업 및 식량 생산 관련 응용에서도 중요한 역할을 하고 있다. 미세조류가 가지고 있는 영양분은 식물의 성장을 촉진하고 토양의 건강을 유지하는 데 도움이 되기 때문에, 해외에서는 미세조류를 친환경적인 비료와 토양 개량 제품으로 활용하여 지속 가능한 농업에 기여하고 있다.

[미래의 희망, 미세조류]

이처럼 미세조류는 기후변화와 식량부족 문제를 해결하는데 다양한  잠재력을 가지고 있다. 다양한 응용 분야에서 미세조류 자원을 활용함으로써, 우리는 환경 보호, 에너지 공급, 건강 산업, 농업의 지속 가능성 등 다양한 측면에서 혜택을 얻을 수 있다. 하지만, 이를 적극적으로 활용하기 위해서는 더 많은 연구와 관심이 필요하다. 미세조류의 생산량과 품질을 향상시키고, 안전성과 효율성을 검증하고, 다양한 미세조류 종 확보하는 등 기술 개발과 정책들이 마련되어야 한다. 우리가 미세조류가 우리의 삶과 환경에 미치는 긍정적인 영향을 인식하고, 적극적으로 연구와 개발에 힘쓴다면, 미세조류는 앞으로의 기후변화와 식량난을 해결할 열쇠가 될 것이다.

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