수십 년에서 수개월로: 사막 복원의 새로운 시간표
중국 과학자들이 실험실에서 배양한 미생물을 이용해 이동하는 사막 모래를 10~16개월 만에 안정적이고 비옥한 토양으로 바꾸는 방법을 개발했다. 기존에는 수십 년이 걸리던 과정이다. 신장위구르자치구 타클라마칸 사막 인근에서 중국과학원(CAS)이 기록한 이번 성과는 남세균을 활용해 생물학적 토양 표면층을 형성한다. 이 층은 모래 알갱이를 서로 결합해 바람에 의한 침식을 막고 유기물을 축적한다. 이 기술은 자연적인 사막 복원 과정을 크게 앞당긴다. 59년에 걸친 사막 복원 과정에서 표면층의 성장을 추적한 기록에 따르면, 실험실에서 배양한 남세균을 더하면 복원 기간이 수십 년에서 불과 수개월로 단축됐다. 빠른 지표 안정화로 복원 작업팀은 강한 바람과 극심한 기온이 어린 식물을 파괴하기 전에 식생을 조성할 수 있는 중요한 시간을 확보한다. 중국 북서부에 설치된 짚 격자 장벽은 이 과정의 기반이 된다. 처리한 구획에서는 계절성 모래폭풍과 극한 기온이 지나간 뒤에도 어두운 막이 남아 있는 것으로 나타났다. 이 생물학적 접근법은 광범위한 관개가 필요하고 성숙하는 데 수십 년이 걸리는 기존 조림 방식의 한계를 보완할 잠재적 해법이다. 현미경으로 보면 남세균은 모래 알갱이를 감싸는 세균 실 모양 구조망을 이루며, 끈끈한 당을 분비해 단단하고 응집력 있는 층을 만든다. 실험실 시험에 따르면 이 생물학적 접착층은 바람에 의한 토양 유실을 90% 이상 줄여 묘목이 뿌리를 내릴 수 있는 안정적인 표면을 만든다. 이 방법은 여름에는 기온이 치솟고 겨울에는 얼어붙는 타클라마칸 사막의 혹독한 환경에서 시험돼 계절별 극한 조건에도 견디는 것으로 확인됐다.
목차
고대 세균이 햇빛과 공기로 토양을 만드는 방식
약 35억 년 전에 출현한 것으로 추정되는 남세균은 미세한 생태계 조성자 역할을 한다. 햇빛을 이용하는 이 세균은 광합성을 통해 공기 중 이산화탄소를 흡수하고 단순한 유기화합물을 방출한다. 영양분이 부족한 사막 환경에서는 일부 균주가 질소 고정도 수행해 대기 중 질소를 식물이 이용할 수 있는 영양분으로 바꾼다. 말 그대로 공기에서 비료를 만들어내는 셈이다. 세균은 모래 위에 설치된 짚 격자 장벽에 자리 잡아 계절성 모래폭풍과 극한 기온을 견디는 얇은 생물층을 형성한다. 일단 정착하면 이 유기체들은 황량한 광물 표면을 고등식물이 자랄 수 있는 토양 생태계로 바꾸는 과정을 시작한다.
현미경으로 생물학적 토양 표면층을 살펴보면 개별 모래 알갱이를 감싼 복잡한 세균 실 모양 구조망이 드러난다. 세포는 끈끈한 당을 분비해 얇고 응집력 있는 층으로 굳히며, 사실상 모래를 서로 붙인다. 《토양생물학 및 생화학》(Soil Biology and Biochemistry)에 발표된 연구에 따르면, 이 표면층은 실험실 시험에서 바람에 의한 토양 유실을 90% 넘게 줄인다. 처리한 표면은 첫해 안에 토양 상층 1인치(약 2.5㎝)에 영양분을 보유하기 시작해 영양분이 바람에 날아가는 것을 막는다. 죽은 미생물 세포와 새어 나온 당은 날려온 광물 먼지와 섞여 유기물을 형성한다. 이 유기물은 질소와 인을 붙잡아, 이전에는 자원이 없던 환경에 비옥한 토양의 초기 구성 요소를 만든다.
생태 천이: 미생물에서 이끼까지
표면층이 성숙하면서 군집은 주로 미생물로 이뤄진 상태에서 지의류와 작은 이끼 군락이 섞인 상태로 변한다. 53년간 텅거 사막의 복원 과정을 추적한 연구에 따르면 지의류는 지표를 단단하게 만들고, 이끼는 높이와 그늘을 제공해 새로운 미생물을 보호하고 작은 공간에 수분을 머금게 한다. 하지만 이 천이 과정에는 보호가 필요하다. 사람의 발길이나 차량 통행, 방목으로 섬세한 표면이 갈라지면 복원이 수년간 지연될 수 있기 때문이다. 단순한 세균 매트에서 복잡한 지의류·이끼 군집으로 이어지는 과정은 초기 안정화 단계에서 본격적인 토양 형성 단계로 넘어가는 것을 의미한다. 다만 교란에 완전히 견디는 수준에 이르려면 일반적으로 2~3년이 걸린다.
복원된 사막의 토양 세균을 조사한 연구에서는 미생물 집단별로 뚜렷한 역할이 확인됐다. 다양한 자원을 활용할 수 있는 풍부한 세균 분류군은 영양분 순환을 조율해 여러 생태계 기능을 빠르게 회복시킨다. 생태적 지위가 좁은 희귀 분류군은 기능적 중복성을 통해 장기적인 안정성에 기여한다. 《커뮤니케이션스 바이올로지》(Communications Biology)에 발표된 연구에 따르면 풍부한 미생물의 군집 형성은 확률적 양상을 따르는 반면, 희귀 분류군은 결정론적 과정의 영향을 받는다. 두 집단이 함께 환경 변동을 견딜 수 있는 회복력 높은 토양 생태계를 만든다.
모래땅의 탄소 포집: ‘중국판 녹색 장성’을 보완하다
미생물을 이용한 복원 기술은 사막 주변부를 탄소 흡수원으로 바꾸려는 더 광범위한 노력과 맞닿아 있다. 극심한 건조함 때문에 ‘죽음의 바다’로 불리는 타클라마칸 사막은 최근 중국의 ‘삼북 방호림 사업’에 따라 가뭄에 강한 나무와 관목으로 조성한 길이 3,046㎞의 녹색 지대에 완전히 둘러싸였다. 이 생물학적 장벽은 대기 중 이산화탄소를 흡수하면서 이동하는 사구를 안정시키는 탄소 순흡수원 역할을 한다. 원격탐사 자료도 탄소 포집 잠재력을 뒷받침한다. 캘리포니아대학교의 대기물리학자 리킹파이(King Fai Li)는 광합성 중 방출되는 희미한 근적외선 빛을 감지하는 태양유도형광(SIF) 기술로 이 지역을 연구한다. 리는 열대우림과 비교하면 탄소 흡수량은 적지만, 꾸준히 흡수한다는 점이 중요하다고 강조한다.
이곳은 열대우림이 아닙니다. 남부 캘리포니아의 떡갈나무 관목지대와 같은 관목지대죠. 하지만 이곳이 실제로 이산화탄소를 흡수하고, 그것도 꾸준히 흡수한다는 사실은 긍정적인 일입니다. 우주에서 이를 측정하고 확인할 수도 있습니다.
그러나 기존 조림 방식에는 상당한 어려움이 따른다. 수자원 분석에 따르면 대규모 조림은 갈수량을 줄이고 대수층을 고갈시킬 수 있다. 물을 많이 필요로 하는 숲이 증발산량을 늘리기 때문이다. 중국농업대학교 연구에 따르면 나무를 심은 뒤 일부 지역의 전체 강수량은 늘었지만, 토양과 지하수에서 더 많은 수분을 끌어와 건조한 유역에 물 부족을 초래하기도 했다. 이 같은 상충 관계는 미생물 표면층 기술의 잠재적 가치를 보여준다. 이 기술은 성숙한 숲보다 물을 적게 쓰면서 토양 유기물을 축적해 탄소를 저장할 수 있다.
규모 확대: 타클라마칸 실험에서 국가 정책까지
남세균 기술은 타클라마칸 사막 밖에서도 가능성을 보였다. 무우스 사막에서는 항공 파종과 미생물 복원을 결합해 유사(流沙)에서 토양이 형성되도록 하고 비옥도를 높였다. 항공 파종 지역 30년치 자료를 분석한 고속 염기서열 분석 결과, 토양 미생물 다양성이 크게 증가했으며 세균과 균류 개체군이 늘면서 총탄소·질소·질산염 수치도 상승한 것으로 나타났다. 현지 남세균 균주는 열과 염분, 가뭄에 견디는 능력에서 수입 균주보다 대체로 뛰어나다. 따라서 보편적인 상업용 접종제에 의존하기보다 인근 사막에서 균주를 채집해 배양해야 한다. 이러한 현지화 요건은 빠른 규모 확대에 걸림돌이 될 수 있지만, 생태적 적합성과 도입된 미생물 군집의 장기 생존을 보장한다.
미생물 복원으로 극복할 수 있는 한계는?
성과가 유망하지만 미생물 복원 방식에는 상당한 한계가 있다. 사막화는 과도한 방목, 물 오용, 기후변화 등 여러 원인에서 비롯되므로 표면층만으로는 근본 원인을 해결할 수 없다. 차량과 많은 사람의 통행을 장기간 막지 않으면 복원된 지표가 무너질 수 있다. 궁극적인 제약은 물이다. 가뭄이 오래 이어지면 살아 있는 표면층은 휴면 상태에 들어간다. 따라서 성과는 기후 조건과 복원 활동의 시기를 세심하게 정하는 데 크게 좌우된다. 이 방식은 물리적 장벽, 미생물 접종, 전략적 식생 식재를 결합한 통합적 접근의 일부로 활용할 때 가장 효과적이다. 복원된 생태계를 관찰하려면 정교한 방법이 필요하다. 과학자들은 고속 염기서열 분석을 이용해 미생물 천이 양상을 추적하고 생태적 안전성을 평가한다. 후룬베이얼 사지에서는 세균 군집이 균류 군집보다 환경 변화에 더 민감하게 반응하며, 토양 산도(pH)와 토양 수분, 식생 요인이 군집 구조에 영향을 미친다는 연구 결과가 나왔다. 이러한 지표를 통해 관리자는 복원된 토지가 기능적 안정성에 도달했는지 판단할 수 있다.
건조지 복원을 위한 세계적 교훈
중국 사막의 복원 경험은 아프리카 사헬부터 중동까지 다른 건조 지역에도 교훈을 준다. 2007년 시작된 아프리카 ‘그레이트 그린 월’ 사업은 이제 연속된 나무 장벽 대신 모자이크형 복원 방식을 채택해 자연 재생 지원과 혼농임업을 도입하고 있다. 니제르와 부르키나파소에서는 농민들이 얕은 구덩이에 빗물을 모으고 관개를 과도하게 하지 않은 채 어린 나무를 보호하는 자연 재생 지원 방식으로 토양을 되살렸다. 이 방법은 사료와 꿀 같은 혼농임업 생산물을 통해 지속 가능한 생계를 만들면서 수백만 에이커의 땅을 복원했다. 미생물 토양 표면층을 이 방식에 결합하면 이 지역의 이동 사구를 더 빨리 안정시켜 자연 재생 기법이 신속히 자리 잡도록 토대를 마련할 수 있다.
이 기술은 심하게 황폐해진 땅도 표적 개입을 통해 기능을 회복할 수 있음을 보여준다. 과학자들은 남세균 접종과 지역 맞춤형 빗물 저장 기법을 결합하면 건조 지역 복원의 가장 큰 제약인 초기 정착 단계를 넘을 수 있다고 본다. 이 시기에는 어린 식물이 바람과 가뭄에 특히 취약하다. 중국의 방법을 아프리카 토양에 적용하는 방안에 관한 국제 협력도 이미 진행 중이며, 초기 시험에서는 사헬의 특정한 고온·염분 환경에서 생존할 수 있도록 현지 환경에 적응한 남세균 균주를 찾는 데 초점을 맞추고 있다. 기후변화로 전 세계 사막화 압력이 커지는 가운데, 물 사용을 줄이면서 토양 형성을 앞당기는 방법은 농업 생산성을 유지하고 대륙 전역으로 모래폭풍이 확산되는 것을 막는 데 필수적일 수 있다.
핵심 내용
- 중국 과학자들은 실험실에서 배양한 남세균으로 모래 입자를 안정적인 생물학적 표면층으로 결합해 사막 토양 형성 기간을 수십 년에서 10~16개월로 줄였다.
- 이 기술은 바람 침식을 90% 넘게 줄이고 질소 고정과 유기물 축적으로 영양분이 풍부한 표토를 만든다.
- 여러 사막에서 진행된 연구에 따르면 미생물 군집은 생태계의 다양한 기능을 뒷받침한다. 풍부한 분류군은 영양분 순환을 담당하고 희귀 분류군은 장기적인 안정성을 보장한다.
- 건조 지역의 기존 조림 방식은 물 소비 문제가 있어 미생물 복원이 나무 심기를 보완하는 더 지속 가능한 방법이 될 수 있다.
- 이 방식은 물리적 교란을 막고 적절한 강수 시기를 확보해야 하며, 사막화 방지를 위한 통합 전략의 일부로 활용할 때 가장 효과적이다.
