토양 미생물이 우리에게 미치는 영향

Daphne Miller 씨가 2장의 팬티를 들고 있다. 왼쪽의 것은 오래 사용한 정원의 통로에 묻었다. 오른쪽의 것은 미생물이 풍부한 퍼머컬쳐 정원의 토양에 묻었다. 미생물이 팬티의 섬유질을 부수었는데, 비옥하지 않은 흙은 그러지 못했다.  (사진: Philip B Stark)

아칸소 대학의 토양학자 Bill Robertson 씨가 농지가 건강한지 확인하려 할 때, 그는 첨단기계장치에 손을 뻗지 않았다. 그는 100% 면으로 된 남자 팬티 2장을 쥐었다. 

“난 그걸 ‘팬티 파묻기’ 실험이라 부르죠.” 라며 허리띠가 보이게 5-10cm 깊이로 묻고 5주 뒤에 캐내는 것이라 설명한다. 

“토양 생물 —박테리아, 균류, 선충류— 들이 섬유소를 먹는데, 그 팬티들은 기본적으로 섬유소입니다.”라고 Robertson 씨는 설명했다. “그 토양이 살아 있다면, 5주 뒤에 (속옷들은) 젖은 신문지처럼 갈갈이 떨어져야 합니다.” 반면, 토양이 비옥하지 않으면 팬티가 더러워지긴 하지만 훼손되지는 않는다. 

Robertson 씨는 최근까지도 대부분의 농업 전문가들은 토양을 식물과 무기질을 보유하기 위한 모체에 불과하다고 생각했다고 이야기한다. 하지만 우리는 미생물 군집을 구성하는 박테리아와 균류를 더 잘 이해할 수 있게 한 똑같은 기술들 덕에 토양학 분야에서 획기적으로 발전하게 되었다. 

그리고 그들이 보여주는 바는 그 속옷을 우적우적 먹는 미생물들이 토양침식을 방지하고, 물을 보존하며, 환경 오염물질을 분해하는 데 중요한 역할을 한다는 것이다. 또한 그들은 기후변화와 맞서는 데 도움이 되도록 대기의 탄소를 포획하고 저장한다. 

이것이 모두 토양 미생물이 하는 일이라면, 그들은 분명 이 지구에서 우리의 복지와 생존의 핵심이 될 것이다. 하지만 최근 연구에 의하면, 토양 미생물 군집은 우리의 세포와 직접적으로 소통하고, 우리 먹을거리의 양분 함량을 높여서 우리의 건강에 더 직접적인 영향을 줄 수 있다고 한다.  

샌디에고의 캘리포니아 대학 미생물학자 Rob Knight 씨는 “오랫동안 (과학자들은) 토양에 우리를 죽이려 하는 것들이 있다는 생각에 사로잡혀 있었습니다.”라고 한다. 그는 일반적으로 토양에 사는 미생물과 우리 몸에 서식하는 미생물을 포함한 미생물 군집을 연구하고 있다.  그는 파상풍을 포함해 토양이 위험한 장소라는 증거로 제시되곤 하는 여러 질병을 유발하는 토양 서식자들을 언급했다. 

하지만 Knight 씨에 의하면, 최근 과학자들은  “전쟁 비유”를 폐기하기 시작했다.  그 대신 토양의 미생물이 우리를 보호할 수 있는 방식을 탐구하고 있다.  

그는 1970년대 우간다의 키오가 호숫가에서 처음 발견된 양성의 토양 서식 박테리아인 마이코박테리움 박케Mycobacterium vaccae의 예를 들었다. 콜로라도 대학 볼더 캠퍼스의 연구진은 열로 죽인 마이코박테리움 박케가 실험용 쥐에 주입되면 면역 조절 및 기분 조절의 특성을 갖는다는 걸 관찰했다. 이 연구는 아직 인간에게 적용되지 않았지만, 마이코박테리움 박케가 토양과 자연 환경에 사는 다른 미생물들과 함께 인간과 공진화해 우리의 세포와 소통할 힘이 있다고 생각하게 만든다. 

'올바른 미생물'을 찾아서 

애리조나 대학의 세포와 분자 의학 교수 Donata Vercelli 씨도 이러한 고대의 미생물들이어떻게 우리의 건강에 영향을 미치는지 연구한다. 

그녀는 독일의 농장의 아이들이 도시에서 자란 아이들보다 알러지와 천식 비율이 낮다는사실을 알게 된 약 10년 전부터 이 문제에 관심을 갖게 되었다. 그녀는 이 현상의 원인을 알아내고자 다국적 연구진에 합류했다. 

Vercelli  씨는 “우리가 발견한 건 이러한 전통적인 농업 환경에서 생활한다는 사실은 미생물이 매우 풍부한 곳 —올바른 미생물이 우리의 면역계와 함께 진화하고 살아가는— 에 산다는 걸 의미한다는 점입니다.”라고 한다. 

그녀는 토양과 농장의 동물들에서 발견된 유기체들의 배치가 아이의 일생 동안 알러지 항원에 어떻게 반응하는지 설명했다. 이러한 일은 아마 자궁에서부터 시작되어 처음 몇 년 동안 계속 면역계를 형성할 것이다.  

토양 미생물은 우리의 감정과 면역 반응을 조절하는 데 도움이 된다. 또한 먹을거리의 양분 함량을 조정하는 데에도 중요한 역할을 한다. 

코넬 대학 식물학자 Jenny Kao-Kniffin 씨는 “몇 백 년 동안 사람들은 '좋은 흙'에 대한 생각을 가지고 있었죠.”라고 한다. 그녀는 토양 미생물과 식물의 뿌리 사이에 발생하는 지하의 상호작용을 연구하는데, 그녀는 그 구역을 피토바이옴phytobiome이라 지칭한다.

Kao-Kniffin 씨는 식물이 어떻게 주변의 미생물을 부양하기 위해 화합물을 분비하고, 미생물은 식물이 필수 양분(질소 등)을 포획하고 식물영양소(phytonutrients) 또는 항산화제라고 부르는 일련의 화학물질을 제조할 수 있게 하는지 설명하면서 “이것이 영양학의 차세대 분야가 될 수 있어요.”라고 한다.  

이런 화학물질은 해충 및 기타 스트레스 요인으로부터 식물을 보호한다. 또한 과일과 채소에 빛깔과 향 및 독특한 맛을 갖게 한다. 연구에 의하면, 이러한 동일한 화학물질이 면역계를 자국하고 호르몬을 조절해 인간의 암 세포가 성장하는 걸 늦추어 우리에게 직접적인 이익이 된다고 한다. 

Kao-Kniffin 씨가 가장 최근에 발견한 건 다양한 미생물 군집이 있는 토양은 식물의 성장을 촉진하는 반면, 균일한 미생물로 구성된 토양은 그 성장을 억제한다는 사실이다. 

Robert Beelman 씨는 자신의 경력 대부분 동안 식물의 항산화 성분을 정량화하고, 이런 양분이 어떻게 우리의 세포에 영향을 미치는지 설명하는 연구에 집중했다.  하지만 펜실베니아 주립대학의 식품학 명예교수인 Beelman 씨는 최근 토양까지 포함되도록 자신의 연구를 확장함으로써 영양 연구자로서는 특이한 단계를 밟고 있다. 

Beelman 씨는 “우린 모두 건강한 토양과 건강한 사람이 똑같다고 이야기합니다. 하지만 진실은 우린 여전히 쓸데없는 이야기를 하고 있으며 이 아이디어를 조사하기 위해선 더 많은 연구가 이루어져야 한다는 겁니다.”라고 한다.  

“난 궁금했어요.”라고 덧붙인다. “현대의 농법이 우리 먹을거리에 있는 (영양소의) 양에 누가 될 정도로 토양에 있는 균류와 박테리아 개체군을 망치고 있는 걸까?”

이 질문에 답을 찾기 위해 Beelman 씨는 항산화제의 하나인  l-에르고티오네인ergothioneine에 집중하기로 결정했다. 그는 이를 “에르고Ergo”라 부른다. 

이것은 토양 균류와 특정한 토양 매개 박테리아에 의해서만 생성되기에 흥미로운 영양소이다. 한편, 에르고가 인간에게 중요한 영양소라는 몇 가지 증거가 있다. 에르고가 결핍되면 염증과 조기 노화를 유발할 수 있다. 균류의 열매인 버섯은 지금까지 최고의 에르고 공급원인데, 귀리를 포함한 여러 식물에서도 발견된다. 

경운으로 생기는 골칫거리

Beelman 씨는 펜실베니아 커츠 타운에 있는 농업 연구센터인 로데일 연구소와 손을 잡고, 농지부터 식탁까지 에르고를 추적했다. 먼저, 그들은 여러 밭에다 귀리를 심고, 각각의 밭은 여러 실험적인 농법으로 관리했다. 그런 다음 곡물을 수확해 Beelman 씨의 실험실로 보내 에르고의 수준을 측정했다. 

“경운이 가장 큰 차이를 만들었습니다.”라고 Beelman 씨는 강조한다.  경운은 본질적으로 토양을 뒤집지 않는 쟁기질이다. 수천 년 동안 농민들은 잡초를 제거하고, 이전 작물의잔여물을 묻으며, 파종할 땅을 마련하느라 경운을 해 왔다. 하지만 최신 연구에 의하면, 토양의 최상층을 교란시키면 미생물 개체군이 파괴되고 토양침식에 기여한다.  

실제로, "무경운"으로 재배한 귀리는 경운한 토양에서 재배한 것보다 에르고가 약 25% 더 많았고, 무경운 토양에도 에르고가 더 많았다.  Beelman 씨는 경운이 박테리아와 균류의 연결망을 훼방하기 때문이라 믿는다. 

로데일의 수석 과학자 Andrew Smith 씨는 에르고 연구가 겉흙을 보호하는 농법이 토양 미생물의 다양성과 밀도를 증가시키며 항상화제의 농도가 높은 식물을 생산하게 한다는 다른 연구결과와도 일치한다고 이야기한다. 

“일리가 있죠.”라고 덧붙이며,  식물이 미생물과 함께 이러한 화합물을 생성한다는 Kao-Kniffin 씨의 연구결과를 상기시킨다. 

“건강”과 토양 미생물을 연결시키는 유망한 연구에 반응하여, 예상대로 토양에서 영감을 얻은 프로바이오틱스가 시장에넘쳐나고 있다. 이들 제품은 질병으로부터 우리를 보호하고 성장과 발달을 향상시킬 수 있는 토양의 유기체를 함유하고 있다고 주장한다. 

Vercelli 씨는 인간의 건강을 위한 제품을 선전하기에는 아직 너무 이르다고 믿는다. 우린 이 무척추동물들이 어떤 역할을 하고, 어떻게 환경과 상호작용하는지 이해하기 시작한 단계이다. 게다가 그녀는 교향곡에서 다른 연주자들보다 더 중요한 건지 궁금하다. 

“이런 것이나 저런 것에 중요한 역할을 하는 개별 미생물을 찾아내려 합니다.”고 그녀는 말한다.  “난 이게 현실적인 방법이라 생각하지는 않아요. 미생물은 군집들과 함께 활동하며 작용합니다.”

식물 건강이란 영역에서, Kao-Kniffin 씨도 특정 미생물의 영향보다 군집의 역할이 더 중요하다고 생각한다.   “현재 업계가 식물 특성에 대한 단일한 미생물의 효과를 분리해 조사하는 데 중점을 두는데,  여러 참가자가 참여하는 복잡한 상호작용에 더 초점을 맞추는 쪽으로 대체될 것입니다. ”

그에 따라, Knight 씨는 고대의 토양을 저장해 놓으려  —고대의 씨앗을 저장하듯이— 애쓰고 있다. 이러한 미생물들의 조합이 어떻게 작동하는지 더 잘 이해할 수있는 미래의 어느날을 위해 보호하려는 것이다. 

그는 그동안 “토양에 나쁜 농법을 멈추고, 겉흙을 보존하며, 무척추동물의 생물다양성을 보전한다고 알려진 모든 걸 시작합시다.”라고 한다. 

Knight 씨는 Smith 씨가로데일 연구소에서 연구하고 있는 “유기농”이라 표시된 농법인 토양 보존형 농법을 목록화했는데, 더 정확하게는  “재생형(regenerative)” 또는 “유기농 너머(beyond organic)”라고 표현되어야 한다. 유기농에 대한 농무부의 정의(항생제, 합성 살충제, 제초제를 쓰지 않음)를 준수하는 데다가 작물 돌려짓기와 동물의 방목 및 덮개작물 -휴한기에 토양을 덮도록 재배- 을 통한 토양 비옥화 및 퇴비, 물 보존, 경운 최소화까지 포함하기 때문이다. 

Robertson 씨는 “토양의 건강은 공중 보건입니다.”라고 적확하게 요약한다. 

그는 소비자와 정책입안자들이 토양 보존형 농법을 지원하고, 농민들은 이러한 관행을 채택하길 바란다. 그는 토양 건강 운동이 전국적으로 확대되고 있긴 하지만 여전히 개선의 여지가 많다고 한다.  (예를 들어, 내 고향 캘리포니아에서는 4% 미만의 농지만 덮개작물과 함께 관리된다.)

“변화를 주려고 할 때, 미주리 출신인 우리 대부분은 '나한테 보여줘야 한다'고 한다”며 Robertson 씨는 이야기한다. 

그래서 이때 “팬티 파묻기” 실험이 시작된다. 

눈에 보이지 않는 지하의 생물들이 몇 주 안에 팬티를 분해한다는 걸 보게 되면 아마 그들을 보호해야 한다는 영감을 얻을 것이다. 

https://www.washingtonpost.com/science/uncovering-how-microbes-in-the-soil-influence-our-health-and-our-food/2019/09/27/81634f54-a4ba-11e9-bd56-eac6bb02d01d_story.html