아쿠아포닉스는 어떻게 작동할까요?

아쿠아포닉스는 어류 양식과 무토양 재배를 같은 순환 회로 안에서 공존시키는 방식입니다. 박테리아가 전환한 물고기 배설물이 식물의 양분이 되고, 식물은 물을 정화해 수조로 돌려보냅니다. 원리는 세 줄로 요약되지만, 매일의 운영에는 실제 전문성이 필요합니다.

질소 순환에서 물의 흐름까지 이 구조가 어떻게 작동하는지, 그리고 저희가 모젤에 짓고 있는 것과 같은 전문 농장에서 그것이 실제로 어떤 모습이 되는지 살펴봅니다.

하나의 순환 회로, 세 가지 생명

아쿠아포닉스 농장은 실제로는 하나의 순환 회로 안에서 세 가지를 함께 기릅니다. 물고기, 박테리아, 그리고 식물입니다. 어느 하나를 빼면 균형이 무너집니다.

물고기는 사료를 먹고 배설과 호흡을 통해 물에 암모니아를 내보냅니다. 생물여과조의 여재에 자리 잡은 질화 박테리아가 이 암모니아를 질산염으로 바꿉니다. 식물은 비료를 흡수하듯 이 질산염을 그대로 흡수하고, 물을 다시 깨끗하게 만듭니다. 이렇게 회로는 하나의 선순환을 이룹니다.

관행 농업이 합성 비료로 사서 쓰는 것을, 저희는 물고기에게 준 사료와 그 배설물을 통해 수조 안에서 직접 만들어 냅니다.

시스템의 동력, 질소 순환

아쿠아포닉스 시스템은 질소 순환 위에 서 있습니다. 물고기가 내보내는 암모니아는 아주 낮은 농도에서도 물고기에게 독성을 띱니다. 아가미를 통과하는 비이온화 형태 기준으로, 무지개송어에 적용되는 안전 기준은 리터당 100분의 몇 밀리그램 단위이며, 운영자에게 허용되는 오차 범위는 극히 좁습니다.

두 단계의 박테리아 작용이 이어집니다. 첫 단계는 암모니아를 아질산염으로 바꾸는데, 아질산염 역시 독성이 있습니다. 두 번째 단계는 이 아질산염을 질산염으로 전환합니다. 질산염은 식물이 가장 잘 흡수하는 질소 형태이며, 물고기도 훨씬 높은 농도까지 견딥니다. 식물이 이 질산염을 소비하면서 물을 정화하고 순환이 닫힙니다.

양식 수조에서는 반갑지 않은 질산염이, 식물에게는 가장 흡수하기 좋은 질소 형태입니다. 한쪽의 배출물이 다른 쪽의 자원이 됩니다.

유전자 분석이 바꾼 것

교과서는 오랫동안 이 두 단계를 두 박테리아 속, 즉 Nitrosomonas와 Nitrobacter에 돌려 왔습니다. 그러나 지난 10여 년간 실제 양식 생물여과조를 대상으로 진행된 분자 분석은 더 복잡한 이야기를 들려줍니다. 아질산 산화는 Nitrospira 속이 가장 흔하게 주도하며, Nitrobacter는 아예 검출되지 않는 경우도 있습니다. 2017년 송어 양식장 생물여과조를 다룬 연구에서는 해당 서열이 전혀 검출되지 않았습니다.

같은 연구들은 암모니아를 산화하는 고세균, 그리고 두 단계 전환을 혼자 수행할 수 있는 이른바 comammox 박테리아의 존재도 확인했습니다. 이 미생물 군집의 구성은 수온, pH, 질소 부하, 염분에 따라 시설마다 달라집니다.

운영자에게 실무적 결론은 달라지지 않습니다. 중요한 것은 이 미생물의 이름을 아는 일이 아니라, 이들이 정착할 여재와 충분한 용존산소, 그리고 알칼리도를 갖춰 주는 일입니다.

물의 흐름, 단계별로

전문 시설에서 물은 정해진 경로를 따라 돌고 다시 제자리로 돌아옵니다. 물은 부유물질을 안은 채 양식 수조를 빠져나온 뒤 물리적 여과를 거치는데, 대개 드럼 필터가 쓰입니다. 고형물이 분해되어 회로의 산소를 소모하기 전에 걸러 내는 단계입니다.

이어서 물은 생물여과조로 들어가 앞서 설명한 질소 전환이 일어납니다. 그다음 물은 재배 구역으로 분배되며, 엽채류는 부상식 뗏목, 품종에 따라서는 재배 베드가 쓰입니다. 뿌리를 거쳐 정화된 물은 수온, 용존산소, pH를 확인한 뒤 다시 수조로 돌아갑니다.

보충해야 할 것은 증발과 식물 증산으로 빠진 양뿐이며, 하루 전체 수량의 1~3% 정도입니다. 즉 순환 회로는 물의 약 95%를 재사용합니다. 관개하는 노지 재배에서는 사실상 전량이 손실됩니다. 관개가 점점 제약이 되는 기후에서, 이 물 절약은 전문 아쿠아포닉스의 첫 번째 강점입니다.

사이클링, 농장이 천천히 시작하는 이유

이 박테리아는 명령한다고 자리 잡지 않습니다. 조건에 따라 3주에서 8주가 있어야 안정적인 군집이 형성되며, 현장에서는 이 단계를 사이클링이라고 부릅니다. 암모니아를 산화하는 미생물은 첫 질소 투입 후 5~7일이면 생물여과조에 정착하고, 아질산염을 처리하는 미생물은 그로부터 일주일쯤 뒤에 뒤를 잇습니다. 아질산염이 0으로 돌아오고 질산염이 꾸준히 올라갈 때 비로소 시스템이 성숙했다고 봅니다.

이 기간을 줄이는 방법은 여러 가지입니다. 이미 가동 중인 시설에서 가져온 여재로 생물여과조를 접종하는 것이 단연 가장 효과적입니다. 박테리아 활동 범위의 상단에 수온을 유지하고, 알칼리도를 충분히 두며, 암모니아를 규칙적으로 공급하는 것도 도움이 됩니다.

아쿠아포닉스 농장이 수경재배 온실보다 늦게 생산에 들어가는 이유가 바로 이 초기 단계입니다. 수경재배 온실은 첫 작기부터 수확이 나옵니다.

pH와 철분, 끝나지 않는 절충

pH는 세 구성 요소의 요구가 가장 뚜렷하게 엇갈리는 항목입니다. 식물은 5.5~6.5 정도의 확실히 산성인 물을 선호합니다. 질화 박테리아는 7 이상에서 더 잘 활동합니다. 물고기는 더 넓은 범위를 받아들입니다. 그래서 아쿠아포닉스에서는 6에서 7 사이의 절충점에 자리를 잡습니다. 누구도 최적값에 이르지는 못하지만 모두가 제대로 기능하는 구간입니다.

이 pH는 저절로 유지되지 않습니다. 질산화는 산성화 반응이고 물고기가 내보내는 이산화탄소도 약산을 만들기 때문에, 시스템은 자연히 아래로 흘러갑니다. 운영자는 탄산칼슘과 탄산칼륨을 번갈아 써서 완충하며, 이 과정에서 산도를 바로잡는 동시에 어류 사료가 공급하지 못하는 아쿠아포닉스의 두 가지 구조적 결핍, 즉 칼륨과 칼슘을 함께 채웁니다.

남는 것은 철분입니다. pH 7을 넘으면 철분은 뿌리가 흡수할 수 없는 형태로 침전하고, 어린잎에 백화 현상이 나타납니다. 그래서 킬레이트 철을 리터당 1~2밀리그램 수준으로 초기 몇 달 동안, 이후에는 필요할 때마다 공급합니다. 이 보충제는 수용성이고 물고기에 해롭지 않으며, 수경재배에 필요한 완전 비료에 비하면 비용도 미미합니다.

농장은 무엇을 생산하고, 규모는 어떻게 정해지는가

아쿠아포닉스 농장은 양어와 무토양 채소 재배라는 두 가지 일을 함께 합니다. 어종 선택은 무엇보다 수온 조건을 따릅니다. 같은 회로에 들어가는 물고기는 같은 온도 범위를 공유해야 하기 때문입니다. 온대 기후에서는 무지개송어와 브룩송어가 13~16°C 부근에서 만나 무리 없이 함께 사육됩니다. 훨씬 따뜻한 물을 요구하는 유럽농어(잔더)는 별도 시설이 필요하며, 여러 어종을 염두에 둔 농장이 양식동을 나누는 이유가 여기에 있습니다.

식물 쪽에서는 생육 기간이 짧고 질소 요구가 큰 작물이 시스템을 가장 잘 활용하며, 상추류와 허브가 여기에 해당합니다. 여름 과채류로는 토마토, 파프리카, 가지, 애호박, 딸기도 생산할 수 있지만, 이런 작물에는 분리형 아쿠아포닉스가 더 적합한 경우가 많습니다.

규모 설계는 물고기의 무게가 아니라 하루에 공급하는 사료량으로 계산합니다. FAO는 엽채류의 경우 재배 면적 1제곱미터당 하루 40~50그램, 과채류의 경우 50~80그램을 기준으로 제시합니다. 어류 생산량은 이 사료량과 사료계수에서 도출되며, 현대적 사육에서 송어의 사료계수는 1에 가깝습니다. 즉 아쿠아포닉스 시스템의 균형을 잡는다는 것은 재고가 아니라 흐름을 기준으로 생각하는 일입니다.

시스템이 소비하는 것, 그리고 불가능하게 만드는 것

물은 앞서 설명한 이유로 이점이 가장 뚜렷한 항목입니다. 반면 진짜 관건은 에너지입니다. 아쿠아포닉스 농장은 특히 전기 소비가 많습니다. 펌프, 폭기, 여과가 쉬지 않고 돌아가고, 경우에 따라 난방이나 냉각 설비가 더해지기 때문입니다. 이 부담을 줄이는 방법은 있습니다. 자가소비형 태양광, 히트펌프, 나아가 인근 사업장의 폐열 회수까지 가능합니다. 저희 프로젝트가 택한 방향도 이것입니다.

반대로 토지는 부차적인 조건이 됩니다. 흙 없이 재배하므로 유휴지, 척박한 땅, 도시 외곽의 부지도 충분히 적합하며, 덕분에 소비지와 가장 가까운 곳에 자리 잡을 수 있습니다.

마지막 한 가지가 아쿠아포닉스를 다른 무토양 재배와 근본적으로 갈라놓습니다. 물고기와 박테리아, 식물이 서로에게 의존하는 회로에서는 어떤 합성 약제도 사용할 수 없습니다. 물고기에 투여한 항생제는 생물여과조를 무력화해 곧바로 암모니아 급등을 부릅니다. 작물에 뿌린 살충제는 수조로 흘러듭니다. 따라서 작물 보호는 천적 투입, 시설 내 환경 관리, 그리고 매일의 개체군 관찰에 의존합니다. 아쿠아포닉스 생산물은 이렇게 구조적으로 농약도 항생제도 쓰지 않으며, 그 점에서 지속가능 농업에 확실히 속합니다.

빅쉬르세유에서 저희가 택한 방식

저희는 이 원칙을 모젤 빅쉬르세유의 대규모 아쿠아포닉스 농장 프로젝트에 적용하고 있습니다. 양식동 세 개, 생산 온실 네 개, 연구 온실 하나, 가공장 하나가 하나의 물 순환 회로를 중심으로 배치됩니다.

생산 목표는 연간 어류 약 60톤, 채소 약 35톤으로, 합쳐서 순 식품 약 75톤입니다. 이 규모는 균형점으로 선택했습니다. 저희 모델은 메가팜이 아니라 사람 크기의 농장입니다. 한 생활권의 공급에 영향을 줄 만큼은 크되, 모두가 자기 식물과 물고기를 알아보고 매일 돌볼 수 있을 만큼은 절제된 규모입니다. 생산물은 농장 반경 100킬로미터 안에서 판매될 예정이며, 저희가 만난 지역 사업자들은 이 지역 공급을 기다리고 있습니다.

프로젝트는 현재 투자 유치 단계에 있으며, France 2030(프랑스 국가투자 프로그램) 지원금은 이미 확보했습니다. 2027년 착공을 위해 여러분도 참여하실 수 있습니다. 이 첫 농장은 복제를 전제로 설계되어, 다른 생활권에 들어설 다음 농장들의 모델이 될 것입니다.

그래서 실제로는 어떻게 작동할까요?

원리는 한 문장으로 요약됩니다. 사료가 회로에 들어가 물고기를 먹이고, 그 배출물을 박테리아가 비료로 바꾸며, 식물이 이를 소비하고, 그렇게 정화된 물이 수조로 돌아갑니다.

나머지는 모두 이 균형의 매일의 운영에 달려 있습니다. 물고기에게 알맞게 먹이고, 수질 지표를 관찰하고, 어군과 작물의 상태를 살피는 일입니다. 이 작업은 검증된 자동화 설비의 도움을 받아 10명 남짓한 팀이 수행합니다.

이렇게 저희 농장은 하나의 인프라에서 서로를 보완하는 두 가지 생산을 얻고, 합성 비료에 전혀 의존하지 않으며, 노지 농업보다 물을 5분의 1만 씁니다. 아쿠아포닉스가 농업 전환과 식량 주권의 가장 구체적인 수단 가운데 하나로 꼽히는 이유입니다. 로컬 생산을 지속가능한 방식으로 소비지 가까이 옮기는 로컬 유통의 논리이기도 합니다. 이 주제는 아쿠아포닉스, 수경재배, 에어로포닉스: 무엇이 다를까요? 글에서 자세히 다뤘습니다.

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