가축이 메탄을 배출하는 이유는 무엇
가축이 메탄을 배출하는 이유는 무엇이며, 우리는 무엇을 할 수 있을까요?
Why Do Cattle Produce Methane, and What Can We Do About it?
소는 인간이 소화할 수 없는 풀이나 건초와 같은 먹이를 섭취하여, 그것을 사람에게 영양을 공급하는 우유와 고기로 전환시키는 특별한 동물이다. 그러나 이 과정에서 소가 섭취한 에너지의 일부는 메탄가스로 전환되어, 소의 입을 통해 배출된다. 이것이 하나의 딜레마다.
**메탄(Methane)**은 기후에 영향을 미치는 강력한 온실가스이며, 이로 인해 일부 집단은 소고기 및 유제품 생산에 부정적인 입장을 보이기도 한다. 그러나 메탄은 동시에 수명이 짧은 기체이기도 하다. 메탄은 대기 중에서 약 10년 정도 존재한 후, 이산화탄소와 수증기로 분해된다. 이때 방출된 탄소는 광합성 과정에서 식물이 흡수하여 성장하고 산소를 만들어내는 데 활용된다. 이러한 메커니즘은 대기 중 이산화탄소의 순환적 비축 과정을 형성한다.
이처럼 소가 메탄을 배출하고, 그 메탄이 대기를 거쳐 식물로 흡수되고 다시 소로 돌아오는 일련의 과정은 **생물기원 탄소순환(biogenic carbon cycle)**이라 불린다. 이 순환은 지속적으로 반복되며, 메탄 분자는 생성된 후 산화되어 이산화탄소가 되고, 이는 다시 식물에 의해 흡수된다. 즉, 새로운 메탄이 추가되는 동시에, 오래된 메탄은 제거되고 있는 셈이다.
따라서, 만약 현재의 메탄 배출량이 10년 전보다 줄어든다면, 대기 중으로 유입되는 메탄은 감소하고, 과거에 축적된 메탄의 제거량은 증가하게 된다.
이러한 특성은 지구 온난화 억제에 있어 매우 중요한 기회로 작용할 수 있다. 이에 따라, UC 데이비스의 CLEAR Center를 포함한 전 세계의 여러 연구기관들은 소의 건강과 생산성을 해치지 않으면서 메탄 배출을 줄일 수 있는 해결책을 개발하기 위해 연구를 이어가고 있다.
소는 인간이 소화할 수 없는 풀이나 건초와 같은 먹이를 섭취하여, 그것을 사람에게 영양을 공급하는 우유와 고기로 전환시키는 특별한 동물이다. 그러나 이 과정에서 소가 섭취한 에너지의 일부는 메탄가스로 전환되어, 소의 입을 통해 배출된다. 이것이 하나의 딜레마다.
**메탄(Methane)**은 기후에 영향을 미치는 강력한 온실가스이며, 이로 인해 일부 집단은 소고기 및 유제품 생산에 부정적인 입장을 보이기도 한다. 그러나 메탄은 동시에 수명이 짧은 기체이기도 하다. 메탄은 대기 중에서 약 10년 정도 존재한 후, 이산화탄소와 수증기로 분해된다. 이때 방출된 탄소는 광합성 과정에서 식물이 흡수하여 성장하고 산소를 만들어내는 데 활용된다. 이러한 메커니즘은 대기 중 이산화탄소의 순환적 비축 과정을 형성한다.
이처럼 소가 메탄을 배출하고, 그 메탄이 대기를 거쳐 식물로 흡수되고 다시 소로 돌아오는 일련의 과정은 **생물기원 탄소순환(biogenic carbon cycle)**이라 불린다. 이 순환은 지속적으로 반복되며, 메탄 분자는 생성된 후 산화되어 이산화탄소가 되고, 이는 다시 식물에 의해 흡수된다. 즉, 새로운 메탄이 추가되는 동시에, 오래된 메탄은 제거되고 있는 셈이다.
따라서, 만약 현재의 메탄 배출량이 10년 전보다 줄어든다면, 대기 중으로 유입되는 메탄은 감소하고, 과거에 축적된 메탄의 제거량은 증가하게 된다.
이러한 특성은 지구 온난화 억제에 있어 매우 중요한 기회로 작용할 수 있다. 이에 따라, UC 데이비스의 CLEAR Center를 포함한 전 세계의 여러 연구기관들은 소의 건강과 생산성을 해치지 않으면서 메탄 배출을 줄일 수 있는 해결책을 개발하기 위해 연구를 이어가고 있다.
메탄 배출은 소의 위장에서 시작된다
단위위(monogastric) 동물은 하나의 위만 가지고 있다. 개, 돼지, 고양이 그리고 인간이 이에 속한다. 반면, **소는 반추동물(ruminant)**이라는 특정 동물군에 속하며, 이 범주에는 사슴, 양, 엘크, 들소, 영양 등도 포함된다. 이러한 동물들은 모두 4개의 위로 이루어진 반추위 구조를 진화적으로 획득하였고, 이를 통해 풀이나 건초와 같은 섬유질이 많은 먹이를 소화할 수 있게 되었다. 역사적으로는, 풀을 빠르게 섭취한 뒤 은폐된 장소에서 되새김질을 하며 소화할 수 있는 능력이 생존에 유리한 적응이었던 것이다.
반추위 중 첫 번째 방인 **'루멘(rumen)'**은 전체 위 용적의 80% 이상을 차지하는 가장 큰 공간이다. 이곳은 산소가 없는 혐기성 발효 환경을 갖추고 있으며, 이를 통해 수조 개의 미생물이 번식하고 활동할 수 있다. 이 미생물들은 소나 다른 반추동물이 인간이 소화할 수 없는 식물성 섬유질을 영양소로 전환하는 데 중요한 역할을 한다.
이러한 소화 과정에서는 수소(H⁺)와 이산화탄소(CO₂) 분자가 발생한다. 그리고 루멘 내 미생물 중 소수이지만 주목받는 존재가 있는데, 이들은 바로 **메탄 생성균(methanogen)**이다. 이들은 전체 미생물 중 1% 미만에 불과하지만, 루멘 내에서 생성된 수소와 이산화탄소를 결합해 메탄(CH₄)을 생성한다. 이 메탄은 소의 트림을 통해 외부로 배출되며, 대기 중으로 확산되어 온실 효과를 일으키는 기체로 작용한다.
그렇다면 왜 소의 위는 메탄을 생성하는가? 왜 수소와 탄소를 다른 방식으로 활용하지 않는가? 그 이유는 메탄 생성이 에너지 효율상 가장 낮은 에너지를 사용하는 반응이기 때문이며, 동시에 남아도는 수소 분자를 제거해야 하기 때문이다. 수소가 과도하게 축적되면 **루멘의 pH가 떨어지고, '반추위 산증(루멘 아시도시스)'**이라는 건강 문제로 이어질 수 있다. 메탄 생성을 통해 수소를 배출하는 것은 일종의 생리적 배수장 역할을 하여 이러한 문제를 예방하는 기능을 수행한다.
문제는, 이와 같은 정교한 생물학적 시스템이 전 세계 수십억 반추동물에게 반복적으로 일어날 경우, 그 결과는 매우 많은 양의 메탄이라는 점이다. 실제로 2021년 기준, 전 세계 반추동물로부터 배출된 메탄은 **약 1억 900만 톤(FAOSTAT, 2024)**에 달한다. 이처럼 대량의 메탄은 지구 온난화에 직접적인 영향을 미치며, 이는 기후 변화의 중요한 원인 중 하나가 된다.
그러나 최근의 다양한 연구들은 동물의 건강과 생산성을 저해하지 않으면서도 메탄 생성을 줄일 수 있는 가능성을 보여주고 있다. 이후의 논의에서는, 소와 유제품 생산 시스템에서 가장 현실적인 방법부터 중장기적 대책까지, 메탄 배출 저감을 위한 다양한 전략들을 다룬다.
메탄 배출을 줄이기 위한 소의 사료 구성 변경
미국 내에서 소의 사료를 바꾸는 것만으로도 메탄이 생성되는 근본 원인을 차단하여 배출량을 줄일 수 있다. 메탄 생성의 주요 원인 중 하나는 섬유질(fiber)의 소화인데, 이 섬유질은 소가 섭취하는 먹이의 핵심 구성 요소이다. 예를 들어 **곡물(grain)이나 지방(fat)**을 소에게 먹이면 메탄 생성량이 줄어드는 것으로 알려져 있다. 이러한 사료들은 루멘 내 발효 과정에서 서로 다른 소화산물을 생성하며, 그 결과로 잉여 수소(H₂) 분자의 일부가 다른 물질로 전환되어 메탄 생성균이 사용할 수 없게 된다.
이러한 현상은 초지 방목 소와 **사료 비율 중 곡물이 70% 이상인 사료 마굿간 소(feedlot cattle)**를 비교해 보면 뚜렷하게 드러난다. 사료 마굿간의 소는 하루에 더 많은 사료를 섭취하지만, 섭취한 사료 1파운드당 배출되는 메탄량은 방목 소보다 적다.
실제로 소에게 곡물을 먹이는 것은 메탄 배출을 줄이는 데 효과적인 전략으로 입증되어 있다. 그러나 여기에는 사람이 먹을 수 있는 곡물(예: 옥수수, 보리)을 가축이 소비한다는 윤리적·경제적 고려도 수반된다. 축산 공급망 내 각 단계에는 이러한 **트레이드오프(상충 관계)**가 존재하며, 각각 장단점을 가진다.
그럼에도 불구하고, 축산 동물이 섭취하는 사료의 약 86%는 인간이 직접 섭취할 수 없는 잔재물이나 부산물(예: 가공식품 찌꺼기, 풀, 건초)이다. 이러한 사료들은 축산을 통해 업사이클링되어 인간이 소비할 수 있는 단백질로 전환되며, 만약 가축이 이를 먹지 않게 된다면, 이들 폐기물은 매립지로 향하게 되고 혐기성 분해 과정에서 오히려 메탄을 배출하게 된다.
현재 소의 사료 구성을 변경하는 것은 생산자가 활용할 수 있는 대표적인 메탄 감축 수단으로 자리 잡고 있다. 그러나 이 전략만으로는 기후 목표를 달성하기에 충분한 수준의 감축 효과를 내기 어렵다. 특히 전 세계 대다수의 소들은 매일 통제된 사료를 제공받지 않기 때문에, 이 방법을 보편적인 관리 전략으로 적용하기엔 한계가 있다.
메탄 배출 저감을 위한 유전적 선택의 활용
**선택 교배(Selective breeding)**는 가축 생산자가 건강하고 생산성이 높은 개체를 만들기 위해 유리한 형질을 가진 동물만을 선별적으로 교배시키는 방법이다. 이러한 유전 형질의 전달 가능성을 연구하는 것은 축산 유전학의 주요 분야 중 하나이다. 다시 말해, 특정 형질이 부모로부터 자손에게 얼마나 높은 확률로 유전되는가를 분석하는 것이다.
어떤 형질은 **유전 가능성(heritability)**이 높아 쉽게 예측할 수 있는 반면, 예측이 어려운 형질도 존재한다. 유전 가능성이 낮은 경우, 해당 형질이 다음 세대로 전달될지 아닐지를 명확히 말하기 어렵다.
최근의 연구에서는 같은 농장에 있는 소들조차도 메탄 배출량이 서로 다르다는 사실이 밝혀졌다. 이는 같은 양의 사료를 섭취하더라도 우유 생산량이 개체마다 차이 나는 현상과 유사하다. 이러한 차이는 소의 형질에 영향을 미치는 유전적 요인에서 기인하는 것으로 보인다.
현재까지의 연구에 따르면, 메탄 배출과 관련된 유전자는 ‘낮음에서 중간 정도’의 유전 가능성을 가지고 있는 것으로 나타났다. 물론, 이 분야에 대한 보다 많은 연구가 필요하다. 예를 들어, 수소의 자손 수만 마리를 유전적으로 분석하여, 메탄 배출량이 낮은 형질의 유전 가능성을 얼마나 정확히 예측할 수 있는지 확인하는 과정이 필요하다. 그러나 가능성은 존재하며, 메탄 배출량이 적은 자손을 낳는 수소와 소를 교배함으로써, 전체적인 메탄 배출을 줄일 수 있는 길이 열릴 수 있다.
앞으로는 우유 생산량이나 건강 형질의 유전성과 함께, 수소가 메탄 배출 관련 형질을 자손에게 얼마나 전달하는지도 함께 평가되는 시대가 도래할 가능성이 높다. 이러한 변화는 이르면 2030년 이전에도 실현될 수 있는 미래 전략으로 평가된다.
소량의 사료 첨가제가 메탄 배출을 획기적으로 줄일 수 있다
**사료 첨가제(feed additive)**는 전체 사료 구성의 1% 미만으로 극히 적은 비율을 차지하지만, 가축의 건강, 생산성, 복지에 매우 큰 영향을 미치는 성분이다. 사료 첨가제는 마치 요리의 **‘향신료’**처럼, 단독으로 먹기에는 너무 강하지만, 사료에 소량을 더하면 전체 식사의 완성도를 높이는 역할을 한다. 전통적으로는 장 건강을 개선하고 소화 효율을 높이기 위해 효소 등을 포함한 첨가제가 활용되어 왔다.
최근에는 메탄 생성 과정을 차단하여 메탄 배출량을 줄이기 위한 목적의 사료 첨가제도 개발되고 있다. 이러한 메탄 저감용 첨가제는 여러 종류가 있으며, 현재 가장 유망하다고 평가되는 두 가지는 **3-NOP(제품명: Bovaer)**와 **브로모폼 성분을 함유한 붉은 해조류(Asparagopsis taxiformis)**이다. 이 두 가지 성분은 메탄을 생성하는 특정 효소의 작용을 차단함으로써 메탄 발생을 억제한다.
물론 메탄 감축은 매우 중요한 목표지만, 가축의 건강과 생산성 또한 동시에 고려되어야 한다. 일부 사료 첨가제는 이러한 모든 기준을 충족하는 반면, 다른 일부는 미국 전체 낙농 및 육우 산업에 권장되기엔 추가 연구가 필요한 상태이다. 현재까지의 연구는 실험실 조건에서 메탄 배출 저감 효과가 확인된 사료 첨가제를 많이 확보한 상태이다. 그러나 앞으로의 과제는, 실제 축산 현장(production setting)에서 일관된 효과를 검증하고 적용 가능성을 확인하는 것이다.
현재까지 시중에서 구입 가능한 메탄 저감용 사료 첨가제는 아직 없다. 미국 식품의약국(FDA)의 검토 및 안전성 평가 절차가 아직 완료되지 않았기 때문이다. 그러나 빠르면 올해 안에 승인을 거쳐 공식적인 제품이 시장에 출시될 가능성이 있는 것으로 전망된다.
공기 중으로 배출되기 전에 메탄을 포집하는 기술
메탄 저감 사료 첨가제를 사용하더라도, 소의 장내(enteric) 메탄 배출을 하루 0으로 만드는 것은 불가능하다. 그렇다면, 소가 트림을 통해 내뿜는 메탄을 공기 중에 방출되기 전에 포집하여 저장하거나, 온난화 효과가 더 적은 물질로 전환할 수는 없을까?
이러한 발상은 현재 여러 스타트업들에 의해 실제로 시도되고 있다. 이들은 소의 콧구멍에 마스크를 장착하여 트림 시 배출되는 메탄을 수집한다. 이 마스크에는 촉매가 내장되어 있어 메탄을 이산화탄소와 수증기로 산화시킨다. 이 반응은 원래 대기 중에서도 약 10년의 시간이 지나야 자연스럽게 일어나는 과정인데, 처음부터 메탄을 CO₂로 전환함으로써 기후에 미치는 10년치의 온난화 영향을 줄일 수 있다.
마스크 외에도, 다른 장치들도 개발되고 있다. 예를 들어, 소의 입 주변에 관을 장착하여 트림 시 배출되는 메탄을 진공 방식으로 흡입하고, 그 기체를 소의 등에 설치한 저장 백팩에 모으는 시스템도 있다. 이처럼 공기 중으로 방출되는 것을 방지하는 동시에, 포집된 메탄은 연료 자원으로 재활용할 수도 있다.
사실 이와 유사한 기술은 연구 환경에서는 이미 오래전부터 사용되어 왔다. 대표적인 방법으로는 육불화황(SF₆) 기법이 있다. 이 방식은 소의 목에 음압 장치를 설치하여, 소가 트림할 때 콧구멍 높이에 있는 장치가 메탄을 포집하고, 이를 PVC 재질의 요크(yoke)에 24시간 저장하는 것이다. 하지만 많은 개체를 대상으로 할 경우, 메탄 회수, 저장 용기 교체, 정기 유지보수 등에서 상당한 인력 부담이 발생한다는 현실적인 문제도 함께 제기된다.
메탄 저감을 위한 백신 개발 가능성
메탄 생성 억제를 위한 가장 흥미로운 가능성 중 하나는 백신 접종을 통한 억제 기술이다. 소나 사람 모두 백신을 접종하면 면역체계가 특정 항체를 생성해 목표 병원체를 공격하고 제거하는 반응을 보인다. 이러한 항체는 각각 특정 항원에만 반응하도록 설계되어 있기 때문에, 대상 병원체마다 다른 백신이 필요하다.
이와 같은 원리를 반추위에 서식하는 메탄 생성균(methanogens)에 적용하려는 시도가 이뤄지고 있다. 목표는 소의 타액에서 특정 항메탄 항체를 생성하도록 하는 백신을 개발하는 것이다. 소는 하루에도 여러 차례 사료를 섭취하고 되새김질을 반복하는 과정에서 매일 수 갤런 이상의 침을 분비한다. 이 타액 속 항체가 반추위에 도달하여 메탄 생성균의 활성을 저해함으로써 메탄 생성을 억제하는 방식이다.
이 기술은 매우 유망한 접근법이지만, 아직 개발 초기 단계에 있으며 2030년 이전에 상용화될 가능성은 낮다. 임상시험, 실제 농장 단위의 적용 시험, 규제 당국의 승인 절차가 모두 선행되어야 농장에서 사용할 수 있는 기술이 된다. 또한, 생산 환경마다 조건이 달라 모든 농장에서 이 백신이 효과를 발휘하리라는 보장은 없다.
메탄에 대한 ‘만능 해법’은 없다
소는 고섬유질 사료를 소화할 수 있는 특수한 위 구조를 가지고 있으며, 이로 인해 자연스럽게 메탄을 매일 생성하게 된다. 이는 지구 온난화 문제에서 매우 중요한 요소로 작용한다. 그러나 이처럼 복잡하고 광범위한 문제에 대해 단 하나의 기술이나 해결책만으로는 대응할 수 없다.
이상적인 시나리오는, 적용이 용이하면서도 메탄 저감 효과가 가장 큰 솔루션을 찾는 것이다. 현재로서는, 사료 첨가제가 효과적이고 현장에 쉽게 적용 가능하다는 점에서 가장 많은 주목을 받고 있다. 하지만, 사료 첨가제 하나로 모든 문제를 해결할 수는 없다. 궁극적으로는 축산업 전체 공급망을 아우르는 다양한 솔루션이 병행되어야 기후에 의미 있는 영향을 줄 수 있다.
특히, 여러 기술(예: 사료 첨가제, 유전적 선발, 사료 배합 조정 등)을 동시에 적용했을 때의 효과에 대한 연구가 필요하다. 개별 기술만 사용했을 때보다 메탄 저감 효과가 증폭되는지, 아니면 비슷한 수준에 그치는지는 아직 명확하지 않다. 동물 과학자들은 사료 구성과 메탄 생성량 간의 상관관계는 명확히 이해하고 있지만, 아직 연구실 외에서는 사용되지 않는 사료 첨가제나 백신 등은 실생산 현장에서의 효과가 충분히 입증되지 않았다.
글로벌 기후 목표 달성을 위해서는 메탄 감축, 특히 반추동물의 트림을 줄이는 것이 필수적이다. 이를 위해서는 위에서 언급한 여러 기술의 적절한 조합, 현장 맞춤형 경영 전략, 산업 전반의 협업이 필요하며, 이 과정을 통해 축산업의 환경 영향을 줄여나갈 수 있을 것이다.
Why Do Cattle Produce Methane, and What Can We Do About it? | CLEAR Center
