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[IT뉴스][뉴테크] 100년 된 화학 비료에 도전장… 세균이 질소 비료 만든다

온카뱅크관리자

2026-11-16 08:47:26

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 온실가스 5% 차지하는 질소 비료, 미생물도 대체 유전자 교정한 질소 고정 세균, 美 옥수수에 사용 비료 세균 정착율 높인 신기술, 현장 시험 승인 다국적 종자기업도 진입, 화학 비료 50%까지 대체 가능 
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 <img alt="농부가 밭에 질소 비료를 뿌리고 있다. 100년 전 개발된 합성 질소 비료를 인류를 식량난에서 구했지만 최근 온실가스 배출과 수질 오염의 원인으로 지목됐다./AdobeStock" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084119499sbvx.jpg" data-org-width="1222" dmcf-mid="XdeWJ3TsAh" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084119499sbvx.jpg" width="658">
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 농부가 밭에 질소 비료를 뿌리고 있다. 100년 전 개발된 합성 질소 비료를 인류를 식량난에서 구했지만 최근 온실가스 배출과 수질 오염의 원인으로 지목됐다./AdobeStock
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 100년 넘게 농업 생산량을 떠받쳐 온 합성 질소 비료에 미생물이 도전장을 내밀었다. 콩과(科) 작물에만 도움을 주던 질소 고정 세균이 유전자 교정 기술을 통해 옥수수 농장에서도 질소 비료를 대체하고 있다. 최근에는 작물에 뿌리는 질소 고정 세균의 생존율을 크게 높이는 방법과 아예 작물 자체에 질소 고정 능력을 부여하는 기술까지 개발됐다.
 미국 바이오 기업 스위치 바이오웍스의 팀 슈나벨(Tim Schnabel) 대표 연구진은 지난 11일(현지 시각) 국제 학술지 네이처 바이오테크놀러지에 발표한 논문에서 유전자 교정 미생물이 합성 질소 비료를 대체하기 시작했으며, 장기적으로 합성 비료를 최대 50%까지 대체할 수 있다고 전망했다. 연구진은 미생물 비료는 온실가스 배출과 수질 오염 문제가 없다는 장점도 있다고 지적했다.
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 <img alt="미생물 비료의 작동 원리./이미지 챗GPT 생성" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084120766ynhe.jpg" data-org-width="1448" dmcf-mid="Z2c6Wn4qNC" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084120766ynhe.jpg" width="658">
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 미생물 비료의 작동 원리./이미지 챗GPT 생성
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 ◇50년 전 대장균에 질소고정 능력 이식
 질소는 식물이 단백질과 유전물질인 DNA를 만드는 데 필요한 필수 영양소다. 지구 대기의 약 78%가 질소지만, 대부분의 식물은 공기 중 질소 분자(N₂)를 직접 이용하지 못한다. 질소 분자는 두 질소 원자가 강하게 결합한 안정적인 형태이기 때문이다. 인류는 20세기 초 하버-보슈 공법으로 이 문제를 해결했다. 높은 온도와 압력에서 대기 중 질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 합성하는 기술이다.
 18세기 중반 8억명이던 세계 인구가 19세기 말에 15억명으로 급증했지만 농업생산성은 인구 증가 속도를 따라가지 못했다. 화학 비료의 대량생산이 가능해지면서 인류는 식량난에서 벗어날 수 있었다. 하버와 보슈는 이 공로로 각각 1918년, 1931년에 노벨 화학상을 수상했다.
 문제는 질소 비료 공장이 전 세계 온실 배출량의 5%를 차지한다는 사실이다. 비료로 인한 수질 오염도 심각하다. 과학자들은 토양에 있는 질소 고정 미생물을 대안으로 제시했다. 대두와 땅콩 같은 콩과 식물의 뿌리에 사는 박테리아는 질소를 빨아들여 암모니아나 질산으로 만들 수 있다. 박테리아는 대신 식물에서 영양분을 공급받으며 공생(共生)한다. 미국의 피벗 바이오(Pivot Bio)는 질소 고정 미생물의 유전자를 교정해 옥수수와도 공생할 수 있도록 했다. 미국 타임지는 피벗사가 세계 최초로 개발한 미생물 질소 비료를 2020년 올해의 발명 중 하나로 선정했다.
 피벗바이오는 2018년 미국 옥수수 농장에서 질소 고정 미생물 비료의 대규모 실증 시험을 시작한 데 이어 2019년부터 상용 제품을 공급했다. 이후 밀과 수수 등으로 적용 작물을 확대했으며, 2021년에는 연간 사용 면적이 약 40만㏊(헥타르, 1만㎡)를 넘어섰다. 피벗 바이오는 현장 시험에서 미생물 비료가 질소 소비량의 20~25%를 대체할 수 있다고 밝혔다. 캐나다와 아르헨티나, 케냐, 브라질에서도 미생물 질소 비료의 현장 시험이 진행됐다.
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 <img alt="미국 피벗 바이오가 개발한 미생물 질소 비료 프로븐 40. 2019년부터 미국 옥수수 농장에서 사용됐다./Pivot Bio" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084122031edid.jpg" data-org-width="2400" dmcf-mid="5OZw2vEojI" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084122031edid.jpg" width="658">
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 미국 피벗 바이오가 개발한 미생물 질소 비료 프로븐 40. 2019년부터 미국 옥수수 농장에서 사용됐다./Pivot Bio
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 ◇세균 증식 후 질소 고정하는 스위치
 미생물 질소 비료는 50년 전부터 가능성이 제기됐다. 1972년 영국 서섹스대의 레이 딕슨(Ray Dixon) 교수는 대장균에 질소 고정 미생물의 유전자를 이식했다. 그러자 대장균이 공기 중 질소를 빨아들여 암모니아로 바꿨다. 피벗 바이오는 딕슨 교수의 연구를 상용화했다. 이번 네이처 논문의 공저자인 딕슨 교수는 현재 영국 존 인스 센터에서 질소 고정 유전자 조절을 연구하고 있으며, 피벗 바이오의 과학 자문 위원이기도 하다.
 미국의 스위치 바이오웍스(Switch Bioworks)는 피벗사와 다른 방식으로 작동하는 미생물 질소 비료를 개발했다. 질소 고정은 미생물에게 에너지 부담이 큰 반응이다. 세균이 질소 고정과 암모니아 방출에 에너지를 지나치게 쓰면 성장 속도가 느려진다. 스위치 바이오웍스는 유전자 스위치로 이 문제를 해결했다. 미생물이 옥수수 뿌리에 정착해 충분히 증식해야 질소를 고정하도록 신호를 보내는 방식이다.
 스위치 바이오웍스는 지난 6월 미국 농무부와 환경보호청의 승인을 받아 미생물 비료 현장 시험 승인을 받았다. 지난 9월 브라질 정부에서도 미생물 비료를 시험할 수 있는 승인을 받았다. 스위치의 미생물 비료는 현재 미국 중서부 6주 옥수수 농장에서 시험 중이다. 11월 수확이 끝나야 효과를 최종 확인할 수 있겠지만, 8월 기준으로 미생물 비료를 뿌린 옥수수는 다른 옥수수보다 훨씬 상태가 좋았다고 회사는 밝혔다.
 스위치 바이오웍스의 미생물 비료는 피벗사와 유전자가 다르다. 피벗의 미생물 비료는 자체 유전자를 교정한 방식이지만, 스위치의 유전자 스위치는 다른 미생물에서 가져왔다. 유전자 변형 미생물이라는 말이다. 미국 농작지에서 유전자 변형 비료를 시험하도록 승인된 것은 이번이 처음이다. 스위치 바이오웍스는 현장 시험을 거쳐 상용화까지는 2~3년이 걸릴 것이라고 밝혔다.
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 <img alt="미국 스위치 바이오웍스의 연구원이 질소 고정 미생물을 키운 배양접시를 점검하고 있다./Switch Bioworks" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084123320ahzo.jpg" data-org-width="1500" dmcf-mid="1XHEKlcnaO" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202611/16/chosunbiz/20261116084123320ahzo.jpg" width="658">
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 미국 스위치 바이오웍스의 연구원이 질소 고정 미생물을 키운 배양접시를 점검하고 있다./Switch Bioworks
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 ◇다국적 종자 기업도 뛰어들어
 미생물 질소 비료 개발에는 대형 농업 기업도 참여했다. 스위치 바이오웍스는 지난달 독일에 본사를 둔 다국적 종자 회사인 바이엘 크롭사이언스와 전략적 협력을 발표했다. 양사는 스위치 바이오웍스의 유전자 스위치 기술을 바이엘의 옥수수 품종에 적용할 계획이다.
 바이엘은 이미 미국 합성생물학 기업인 깅코 바이오웍스(Ginkgo Bioworks)와 질소 고정 미생물을 개발해 왔다. 2017년 공동 설립한 조인 바이오(Joyn Bio)의 연구·개발 자산은 2022년 깅코에 통합됐으며, 바이엘은 관련 기술의 상용화 권리를 확보했다.
 바이엘이 기존 기술에 새로운 유전자 스위치 기술까지 추가하면서 차세대 미생물 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 선발 주자인 피벗 바이오도 이미 차세대 제품인 프로븐(PORVEN) G3를 공개했다. 기존 프로븐 40이 유전자를 교정한 세균 2종을 썼다면, G3은 4종을 조합하고 질소 고정 능력 외에 영양분 흡수와 뿌리 성장을 촉진하는 기능을 추가했다.
 미생물 질소 비료의 선구자인 딕슨 교수는 영국 존 인스 센터에서 미생물의 질소 고정 능력을 높이는 연구와 함께 작물 자체에 질소 고정 능력을 부여하는 연구도 하고 있다. 미생물이 옥수수에 질소를 공급하는 대신, 옥수수가 스스로 질소를 고정할 수 있도록 관련 유전자를 식물 세포에 도입하는 방식이다. 중국 농업대 연구진은 2025년 질소 고정 유전자 13개를 벼에 도입했다. 아직 상용화된 작물은 없다.
 이번 네이처 논문에는 스위치 바이오웍스와 피벗 바이오 연구진이 함께 이름을 올렸다. 논문 저자들은 미생물 질소 비료가 합성 비료 사용량의 50%까지 대체할 것으로 기대되지만, 10~20%만 대체해도 온실가스 배출과 수질 오염을 줄이면서 엄청난 경제적 효과도 거둘 수 있다고 전망했다.
 피벗사는 암모니아 비료 100만t을 생산할 때 이산화탄소가 260만t 배출되지만, 같은 양의 질소를 공급하는 미생물 비료 제조에는 이산화탄소가 3만5000t밖에 발생하지 않는다고 밝혔다. 기존 합성 질소 비료 가격이 1에이커(약 4만m²)당 100달러인 데 비해, 미생물 질소 비료는 20달러에 불과하다고 추산됐다. 100년 전 합성 질소 비료는 인류를 식량위기에 구했다. 1세기 지나 미생물 비료가 식량과 환경이라는 두 가지 위기를 동시에 해결할지 주목된다.
 참고 자료
 Nature Biotechnology(2026), DOI: <a href="https://doi.org/10.1038/s41587-026-03336-5" rel="" target="_blank" title="https://doi.org/10.1038/s41587-026-03336-5">https://doi.org/10.1038/s41587-026-03336-5</a>
 Trends in Biotechnology(2025), DOI: <a href="https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.12.002" rel="" target="_blank" title="https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.12.002">https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.12.002</a>
 Scientific Reports(2024), DOI: <a href="https://doi.org/10.1038/s41598-024-78243-3" rel="" target="_blank" title="https://doi.org/10.1038/s41598-024-78243-3">https://doi.org/10.1038/s41598-024-78243-3</a>
 Nature(1972), DOI: <a href="https://doi.org/10.1038/237102a0" rel="" target="_blank" title="https://doi.org/10.1038/237102a0">https://doi.org/10.1038/237102a0</a>
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