바이오 살충제

[사무국]

농식품‧바이오‧의약 분과 김 근

  기후 변화와 지속적인 지구 온난화의 결과로 모든 유형의 해충 발생이 가능해지고 있다. 농작물 해충은 물론, 도심에 출몰하는 곤충 떼, 모기ㆍ빈대와 같은 위생 해충들은 큰 사회적 문제이다. 화학합성 살충제의 대규모 사용은 사람과 동물 그리고 여러 생물 종에 피해를 줄 뿐만 아니라, 해충의 내성을 증가시키며 토양과 수질의 심각한 악화와 생태계 파괴로 이어진다.

  이를 대체할 바이오 살충제(bioinsecticide)는 미생물, 식물, 동물들의 살아있는 생명체들로부터 제조된다. 세계의 바이오 살충제 시장 규모는 2022년에 25억 달러를 기록했으며, 15.7%의 연평균 성장률로 2030년까지 79억 달러에 달할 것으로 예상된다.

  미생물살충제는 특정 해충을 공격하는 미생물에서 유래한다. 상업화된 미생물들은 Bacillus thuringiensis(Berliner, Bt) 세균, Metarhizium spp., Beauveria bassiana 등의 곰팡이, Nosema locustae 원생동물, 그리고 Nuclear polyhedrosis 바이러스 등이다. 살충 작용은 미생물 자체나 그 미생물이 생산하는 물질에서 나온다. 이들 중 가장 성공적인 예는 생물농약의 75%를 차지하고 익충에는 전혀 해가 없는 Bt인데, 섭취된 Bt 세포 내 독소 단백질은 해충 장관으로 이동해 세포 팽창‧파열‧이온 누출로 세포 사멸과 패혈증을 유발한다. 

  생화학살충제는 무독성 간접적 작용으로 해충을 방제하는 생체에 존재하는 물질들이다. 곤충의 교배를 방해하는 성호르몬인 페로몬, 식물 추출물/에센셜오일 또는 자연적인 곤충 성장 조절 물질들이 있다. 식물추출물 내 다양한 살충 성분들은 탈피 혼선, 신경 전달 교란, 신경마비 등의 작용으로 살충 작용을 하는데 대표적 제품 원료로 님오일, 레몬그라스 오일이 있다.

  GMO 살충제(plant-incorporated-protectants, PIPs)는 유전자 변형 식물체를 통해 생산된다. 살충 유전물질이 식물에 도입되고, 이 식물은 살충 물질을 생산하며 해충이 식물체 잎 등을 섭식하면 사멸하게 된다. Bt 살충 단백질 유전자를 도입한 식물체에서 살충 단백질을 생산하는 경우가 잘 알려진 1세대 PIP이다. 최근에는 분자 생물학 분야에 혁명을 일으킨 RNA 간섭(interference) (RNAi) 기반의 차세대 PIPs가 개발되었다. RNAi 기술에서는 해충에 의해 섭취된 dsRNA로부터 만들어진 작은 간섭 RNA (siRNA)가 해충 유전자의 표적 mRNA에 상보적으로 결합하여 유전자의 발현 감소 또는 침묵(silencing)을 야기하여 해충의 성장억제 또는 치사를 초래한다. 미국 환경 보호기관 EPA는 여러 농약에 저항성을 보이고 치명적인 옥수수 뿌리벌레를 방제하기 위해 최초의 RNAi-PIP인 SmartStax PRO 옥수수를 승인하였다.

  마이크로/나노(micro/nano)기술을 기존 바이오 살충제에 적용하여 제제화함으로써 살충 유효성분의 활성 증진, 환경에 의한 분해 방지, 제어된 방출 등의 효과를 부여한다. 대부분 천연 물질은 효과 지속 시간이 짧고 안정성이 낮은 편이기 때문에 마이크로/나노 기술적 접근 방법이 적용되고 있으며, 장기 효과의 안정한 바이오 살충제를 제조할 수 있다. 미생물살충제의 경우, 환경의 건조, 열, 빛 및 자외선은 미생물의 활성을 감소시킨다. 미생물을 마이크로캡슐(2–50 µm 또는 1–2 µm) 내에 포장하는 것은 상당한 생존 이점을 제공하고, 미생물을 서서히 방출하게 해준다. 마이크로캡슐 소재로는 아가, 아가로스, 전분, 옥수수 시럽 및 폴리우레탄 등의 고분자 소개가 있다. 나노(1~100 nm) 기반 제품은 용해도 및 표면에 대한 부착, 생물막을 통한 침투, 그리고 목표 지향적 및 제어된 방출을 통해 활성 성분의 안정성과 효율성/강도가 향상된다. 이러한 특성으로 인해 낮은 살충 성분농도 사용이 가능해졌고, 숙주 생물에 대한 피해가 감소되었다. 나노바이오 살충제는 나노에멀젼, 나노캡슐, 나노소포, 나노겔, 나노섬유 등의 다양한 형태로 사용할 수 있다. 나노소재는 키토산, 섬유소, 폴리젖산,메조다공성 실리카, 몬트모릴로나이트 등을 들 수 있다. 예로써 에쎈셜오일 살충제는 휘발성이 높아 현장에서 유효기간이 짧고 여러 번 살포해야 한다는 단점이 있다. 이의 극복을 위해 나노 크기의 물질로 에쎈셜오일을 나노입자나 나노 에멀젼 안에 포장하여 그 안정성과 물에서의 분산성을 확보할 수 있다. 

  바이오 살충제는 화학 합성살충제에 대해 가장 중요한 대안이며, 앞으로 시장의 큰 부분을 차지할 것으로 기대된다. 바이오 살충제의 적용과 이용을 더욱 증가시키기 위해 새로운 바이오활성 물질, 개선된 제제화를 통해 효능과 안정성을 향상시킴이 필요하다. 또한 경제적이고 환경에 해롭지 않은 방식으로, 여러 다른 기술들을 최적의 상호보완적으로 동원한 통합 해충 관리 (integrated pest management, IPM) 시스템에 바이오 살충제를 적극 활용해야 할 것이다. 
 

필자소개
미국 조지아 주립대 Ph.D.(발효미생물학)
미국 위스칸신ㆍ코로라도 주립대 연구원
수원대 전임/명예교수
수원대 유전공학연구소ㆍ바이오산업연구소장