콘크리트와 바위를 부수는 파괴자 - 질소 고정 세균

미생물이 양배추 잎을 썩히거나 우유를 상하게 하거나 치즈에 구멍을 내는 등 여러 가지 일을 할 수 있음은 익히 알고 있다. 그러나 경우에 따라서는 바위와 같이 단단한 물질도 부스러뜨릴 수 있다. 다소 생소하기는 하지만 이것 역시 엄연한 사실이다. 세균이 돌을 부순다는 것은 수십 년 동안 알려져 왔지만, 최근 연구에 따르면 그 세균은 질소를 <고정>하여 식물에게 질소를 공급할 뿐만 아니라, 건물이나 기념물에 아주 심각한 해를 끼치기도 한다. 그렇기에 이 세균은 아주 작은 생명체인 동시에 지구 안쪽 깊숙한 곳에서 바위를 다듬는 조각가이기도 하다.

세계 곳곳에서 일어나는 대기 오염은 인간을 위협하고 있으며 몇몇 경우에는 역사적인 건물을 파괴하기도 한다. 건물은 자연의 물리,화학적 과정 때문에 <풍화>되기도 하지만, 대개는 산업 활동에 따라 대기 중으로 방출된 산성 물질에 의해 훼손된다. 지난 수십 년 동안 석탄과 가스의 사용량이 급격하게 증가하면선 매년 수백만 톤의 유해 가스가 대기 중으로 뿜어져 나왔으며, 이 때문에 많은 건물과 조형물이 부식되고 있다. 그 주범은 이산화황이라고 할 수 있다. 이것은 물에 녹아 황산을 만들고 황산은 석회암을 부식시킨다. 자동차 배기 가스 및 다른 것에서 나오는 산화질소에 의해서도 부식이 일어나는데, 이 역시 물과 만나면 질산과 아질산을 만든다.

이런 현상은 유감스러운 일이다. 그렇지만 함부르크의 식물학 및 미생물학 연구소의 미생물학자인 에버하르트 보크 Eberhard Bock와 그 동료들이 이루어낸 연구를 보면 이것이 전부가 아님을 알 수 있다. 그들이 발견한 바로는 세균 역시 건물이나 기념물을 부식시키는 데 깊숙이 연루되어 있다. 이것은 전혀 예상하지 못했던 현상으로서, 미생물 또한 치명적인 해를 일으키는 장본인이었던 것이다. 그것도 이전에는 흙과 물 속에만 존재하면서 질소를 고정하는 것으로 알려졌던 세균이 말이다. 실제로 질소 고정균은 지구의 생명을 유지하는 데 매우 중요하다. 비록 화학 공장에서 화학 비료를 생산하는 것이 토양의 비옥도를 유지하거나 높이는 데 도움을 주긴 하지만, 질소 순환 과정에서 가장 중요한 역할을 하는 것은 흙이나 물 속에 살고 있는 세균들이다(다른 물질의 순환에서도 마찬가지다).

보크의 연구에 의하면 흙을 기름지게 하여 사람들에게는 물론 생태계 전체의 안녕을 책임지고 있는 이 미생물이 사실상 <이중생활>을 한 셈이다. 이들은 농업에는 큰 이익을 주지만 아름다운 건물이나 기념물에는 부식으로 인한 피해를 준다.

생각지도 않았던 이러한 부식에 대한 첫 실마리는 보크가 전자 현미경으로 콘크리트 사암의 내부를 관찰하면서 풀리기 시작했다. 다른 미생물학자들은 이에 대해서 회의적이었지만 보크는 이 세균이 <(치아에 붙어 산을 생성하는 세균처럼) 건물을 부식시킨다고 믿었다. 그의 발견은 정확했다. 그 안에는 상당한 수의 세균이 있었으며 자세한 조사를 통해 그것이 질소 고정균이라는 사실을 밝혀냈다. 보크의 최근 조사에 의하면 쾰른과 레겐스부르크의 대성당은 물론이고 뮌헨과 가인하우젠의 또다른 옛 건물에서도 니트로소모나스(Nitrosomonas)나 니트로박테르(Nitrobacter)등의 세균이 파괴 활동을 계속하고 있다고 한다. 이들은 암모니아를 아질산 nitrous acid으로 바꾸는 종류와 아질산을 질산 nitric acid으로 바꾸는 종류로 나뉘며, 바위의 알칼리 결합 물질을 녹여 버린다.

이러한 부식 과정이 오래전에 발견되지 않은 이유 가운데 하나는 이 미생물의 작용이 물질의 내부에서 일어나기 때문이다. 이들은 비가 내리거나 폭풍이 치기 전에 먼지와 함께 표면에 붙는다. 햇빛에 민감하기 때문에 물기를 타고 표면 바로 아래에 이르러야 비로소 왕성하게 자라기 시작한다. 쾰른과 레겐스부르크 대성당의 사암은 5mm의 깊이까지 질소 고정균으로 심각하게 오염되어 있다.

쾰른 대성당

레겐스부르크 대성당

이 미생물이 보여주는 놀라운 능력은 함부르크 연구자들이 쾰른 근처의 발전소 냉각탑에서 분리한 니트로박테르와 니트로소모나스를 각각 60cm X 11cm X 7cm 크기의 콘크리트 덩이에 접종한 실험에서 잘 드러났다. 이 세균들은 일년 동안 각 콘크리트 덩이에서 원래의 표면을 깡그리 분리시켰으며 14ml의 질산(65%의 고농도)을 만들어냈다. 이 질산은 콘크리트의 성분과 결합하여 질산칼슘을 만들었다. 이 세균은 질산에 대해 저항력이 있었다. 보크는 자연 사암에서도 이와 같은 과정이 일어나고 있을 것이라 판단했다.

질산화세균(nitrifying bacteria)

세균이 지구의 표면에서 자연 사암을 깨뜨린다면 땅 속 바위에 대해서는 어떤 영향을 미칠까? 이것은 텍사스 대학교의 프란츠 히베르트 Franz Hiebert와 필립 베닛 Philip Bennett이 행한 실험을 통해 밝혀졌다. 몇 년 전 다른 연구자들이 버지니아의 지하 3천미터 탐사공 바닥에서 산을 만드는 살아 있는 세균을 발견했다. 이 세균은 정말 그곳에서 바위를 부순 것일까? 그리고 원유를 쉽게 추출할 수 있도록 유전의 밑바닥 바위에서부터 작은 구멍들을 연결해 주었던 것일까?

1979년 미네소타에서 송유관이 폭파되었을 때 히베르트와 베닛은 석유로 오염된 대수층(지하수가 있는 다공질의 삼투성 지층)에서 실험을 해보기로 했다. 물론 정상적인 환경은 아니었지만, 세균들이 자연스럽게 모여들어 기름을 먹고 사는 곳이었기에 조사하기가 적합했다. 그들은 장석과 수정 조각이 들어 있고 작은 구멍이 송송 뚫려 있는 플라스틱 관을 대수층에 있는 정(井)까지 내려보냈다. 14개월이 지난 후에 시료를 회수하여 조사해 보니, 장석은 상당히 패여 있었고 수정에도 실금이 나 있었다. 물론 시료에는 세균 덩이가 있었고 표면이 가장 많이 부식되었다.

그렇다고 이러한 실험 결과가 미생물이 땅 속 세계의 변화에 관여한다는 증거는 아니다. 하지만 땅 속 수천 미터에서 이와 비슷한 미생물이 검출된 것은 분명 그런 미생물 활동이 있음을 의미한다. 미생물이 자연 속에서 굉장히 단단한 물질도 부식시킨다는 필립 베닛의 발견으로 <미생물이 우리가 본 비생물학적이고 매우 느리게 일어나는 지질학적 과정에도 관여한다는 사실>을 조금씩 이해하게 되었다. 의심스럽기는 하지만 그래도 사실은 사실이다.