농업의 미래: 빛나는 식물과 실크로 코팅된 씨앗

 

MIT의 연구원들은 농업을 기후 변화에 적응시키고 식량 안보를 강화하기 위해 스트레스 신호 식물, 미생물 비료, 보호용 종자 코팅과 같은 혁신적인 농업 기술을 개발하고 있다.

 

지구 온도가 상승함에 따라 농업 관행은 새로운 도전에 적응해야 한다. 기후 변화로 인해 가뭄 빈도가 증가할 것으로 예상되며 일부 토지는 더 이상 경작할 수 없을 수 있다. 또한, 지구 온난화에 기여하는 탄소 발자국이 큰 비료 및 기타 농약 생산을 확대하지 않고는 끊임없이 증가하는 인구를 먹이는 것이 점점 더 어려워지고 있다.

 

현재 MIT의 과학자들은 스트레스를 받을 때 경보를 울리는 식물을 개발하고 가뭄에 더 강한 씨앗을 만드는 것을 포함하여 다양한 각도에서 이러한 문제를 해결하고 있다. 이러한 기술과 아직 고안되지 않은 기술은 기후가 변화함에 따라 세계 인구를 먹이는 데 필수적일 것이다.

 

"물 다음으로 우리에게 필요한 것은 식량이다. 우선순위 측면에서 물, 식량, 그리고 그 다음이 모든 것이다. MIT의 토목 및 환경 공학과 조교수인 베네데토 마렐리는 "우리는 100억 명의 인구를 부양할 새로운 전략을 찾으려고 노력하면서, 새로운 식품 제조 방법을 발명해야 할 것이다."라고 말했다.

 

마렐리는 MIT에서 최근 시작한 기후 프로젝트의 6개 미션 중 하나의 책임자로, 산업 탈탄소화와 회복력 있는 도시 건설과 같은 연구 분야에 중점을 두고 있다. 마렐리는 위험도가 높고 보상이 큰 비전통적 솔루션을 식별하는 것을 목표로 하는 와일드 카드 미션을 지휘한다.

 

다양한 분야의 전문 지식을 활용하여 MIT는 기후 변화로 인한 과제를 해결할 수 있는 좋은 위치에 있다고 마렐리는 말한다. "엔지니어링, 대규모 처리, 생물 공학, 인프라 공학을 포함한 학문 분야에서 인문학, 과학, 경제학과 함께 강점을 결합하면 큰 기회가 된다."

 

가뭄으로부터 씨앗 보호

재생 의학 분야에서 일하는 생물 의학 엔지니어로 경력을 시작한 마렐리는 현재 가뭄 기간 동안 또는 영양소가 고갈된 토양에서 씨앗이 생존하고 발아하도록 돕는 방식으로 작물 수확량을 늘리는 방법을 개발하고 있다. 그러한 목적을 달성하기 위해 그는 실크와 기타 폴리머를 기반으로 한 씨앗 코팅을 고안해냈는데, 이는 중요한 발아 과정에서 씨앗을 감싸고 영양을 공급할 수 있다.

MIT 연구원들은 중요한 발아 단계에서 물 부족의 스트레스로부터 씨앗을 보호하고, 심지어 식물에 추가 영양을 공급하는 방법을 고안했다. 출처: Felice Frankel

 

건강한 토양에서 식물은 질소, 인산염 및 기타 필요한 영양소를 이용할 수 있으며, 이 중 많은 영양소는 토양에 사는 미생물에 의해 공급된다. 그러나 가뭄이나 과도한 농사로 피해를 입은 토양은 종종 이러한 영양소가 부족하다. 마렐리의 아이디어는 식물 생장을 촉진하는 박테리아가 공기에서 질소를 흡수하여 식물에 공급함으로써 질소를 "고정"할 수 있는 폴리머로 씨앗을 코팅하는 것이었다. 미생물은 또한 식물에 필요한 다른 영양소를 제공할 수 있다.

 

그는 첫 번째 세대의 씨앗 코팅을 위해 이러한 미생물을 실크로 만든 코팅에 포함시켰다. 실크는 이전에 농산물, 육류 및 기타 식품의 유통기한을 연장할 수 있음을 보여준 소재이다. MIT의 연구실에서 마렐리는 씨앗 코팅이 발아하는 식물이 가뭄, 자외선 노출 및 높은 염도에서 살아남는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었다.

 

현재 그는 모로코의 모하메드 6세 공과대학의 연구자들과 함께 기후 변화로 인한 강수량 감소로 인해 6년 연속 가뭄을 겪고 있는 모로코 원산 작물에 이 접근 방식을 적용하고 있다.

 

이러한 연구를 위해 연구자들은 실크 대신 모로코에서 쉽게 구할 수 있는 음식물 쓰레기에서 추출한 바이오폴리머 코팅을 사용하고 있다.

 

"우리는 지역 사회와 협력하여 바이오폴리머를 추출하고, 특정 환경에서 작동하는 재료를 만들 수 있도록 대규모로 작동하는 공정을 구축하려고 노력하고 있다."라고 마렐리는 말한다. "우리는 MIT에서 자원이 풍부한 환경에서 아이디어를 생각해 낼 수 있지만, 그곳에서 일하려면 지역 사회, 지역 이해 관계자와 대화하고, 그들의 독창성을 활용하여 우리의 솔루션을 지역 환경에 실제로 적용할 수 있는 것과 일치시켜야 한다."

 

비료로서의 미생물

가뭄을 겪고 있든 아니든, 합성 비료를 사용하면 작물이 훨씬 더 잘 자란다. 대부분의 농장에 필수적이기는 하지만 비료를 적용하는 것은 비용이 많이 들고 환경에 영향을 미친다. 전 세계 비료의 대부분은 고온 고압에서 질소와 수소를 암모니아로 전환하는 하버-보쉬 공정을 사용하여 생산된다. 이 에너지 집약적 공정은 전 세계 온실 가스 배출량의 약 1.5%를 차지하며, 이를 전 세계 농장으로 배달하는 데 필요한 운송으로 인해 배출량이 더욱 늘어난다.

 

MIT의 화학 공학 폴 엠 쿡 경력 개발 조교수인 아리엘 퍼스트는 하버-보쉬 공정에 대한 미생물 대안을 개발하고 있다. 일부 농장에서는 질소 고정 박테리아를 작물 뿌리에 직접 적용하는 실험을 했으며, 어느 정도 성공을 거두었다. 그러나 미생물은 장기간 보관하거나 어디든 배송하기에는 너무 섬세하기 때문에 농장의 생물 반응기에서 생산해야 한다.

 MIT 화학 엔지니어들은 박테리아 세포의 성장이나 기능을 방해하지 않으면서도 손상으로부터 보호하는 금속 유기 코팅을 고안했다. 이 코팅된 박테리아는 농부들이 미생물을 비료로 사용하는 것을 훨씬 더 쉽게 만들 수 있다. 왼쪽의 삽도는 미생물의 보호 껍질을 만드는 구성 요소를 보여준다. 가운데 삽도에 삼각형 형태로 표시되어 있다. 출처: Jose-Luis Olivares, MIT, 연구원 제공 수치 기반

 

이러한 과제를 극복하기 위해 퍼스트는 미생물을 열이나 기타 스트레스로 파괴되는 것을 방지하는 보호 껍질로 코팅하는 방법을 개발했다. 이 코팅은 또한 동결 건조로 인한 손상으로부터 미생물을 보호합니다. 이 공정을 통해 미생물을 운반하기가 더 쉬워진다.

 

코팅의 구성은 다양할 수 있지만 모두 두 가지 구성 요소로 구성된다. 하나는 철, 망간 또는 아연과 같은 금속이고 다른 하나는 폴리페놀이다. 폴리페놀은 타닌과 기타 항산화제를 포함하는 일종의 식물 유래 유기 화합물이다. 이 두 가지 구성 요소는 박테리아를 캡슐화하는 보호 껍질로 자체 조립된다.

 

식물을 위한 고통 센서

몇 년 전, MIT의 화학공학과 카본 P. 더브스 교수인 마이클 스트라노는 식물 자체를 고통에 처했을 때를 알려주는 센서로 사용하는 아이디어를 탐구하기 시작했다. 식물이 가뭄, 해충의 공격 또는 기타 종류의 스트레스를 겪을 때, 식물은 스스로를 방어하기 위해 호르몬과 기타 신호 분자를 생성한다.

 

다양한 분자를 위한 작은 센서 개발을 전문으로 하는 연구실의 스트라노는 이러한 센서를 식물 내부에 배치하여 고통 신호를 포착할 수 있을지 궁금해했다. 스트라노 연구실은 센서를 만들기 위해 형광을 방출하는 단일벽 탄소 나노튜브의 특수한 특성을 활용한다. 튜브를 다양한 유형의 폴리머로 감싸면 센서를 조정하여 특정 대상을 감지하고 대상이 있을 때 형광 신호를 방출할 수 있다.

 

식물에 사용하기 위해 스트라노와 그의 동료들은 살리실산과 과산화수소와 같은 신호 분자를 감지할 수 있는 센서를 만들었다. 그런 다음 이러한 센서를 식물에 해를 끼치지 않고 식물 잎의 아랫부분에 삽입할 수 있음을 보여주었다. 센서가 잎의 중배엽에 삽입되면 다양한 신호를 포착할 수 있으며, 이는 적외선 카메라로 읽을 수 있다.

탄소 나노튜브로 만든 한 쌍의 센서를 사용하여 연구자들은 식물이 열, 빛 또는 곤충이나 박테리아의 공격과 같은 스트레스에 반응하는 데 도움이 되는 신호를 발견했다. 농부들은 이러한 센서를 사용하여 작물에 대한 위협을 모니터링하여 작물이 없어지기 전에 개입할 수 있다. 출처: MIT News; iStock

 

이러한 센서는 식물이 다양한 스트레스를 겪고 있는지 실시간으로 알 수 있다. 지금까지 농부가 조치를 취할 수 있을 만큼 빠르게 정보를 얻을 수 있는 방법이 없었다.

"우리가 시도하는 것은 농부의 손에 정보를 매우 빠르게 전달하는 도구를 만드는 것이다. 수확량을 늘릴 수 있는 적응적 결정을 내릴 수 있을 만큼 빠르게 말이다."라고 스트라노는 말한다. "우리는 식물이 내부적으로 통신하고 다른 식물과 통신하는 방식을 진정으로 이해하는 혁명의 한가운데에 있다."

 

이러한 종류의 감지는 농부가 가뭄 및 기타 스트레스에 더 빨리 대응할 수 있도록 돕는 밭이나 온실, 수직 농장 및 기술을 사용하여 통제된 환경에서 작물을 재배하는 기타 유형의 실내 농장에 배치될 수 있다.

 

이 분야에서 스트라노의 많은 작업은 미국 농무부(USDA)의 지원을 받아 싱가포르-MIT 연구 및 기술 연합(SMART)의 농업 정밀성을 위한 파괴적이고 지속 가능한 기술(DiSTAP) 프로그램의 일환으로 수행되었으며, 싱가포르의 Growy라는 통제된 환경 농장에서 작물에 대한 테스트에 센서가 배치되었다.

"같은 기본적인 종류의 도구가 야외 농업이나 통제된 환경 농업에서 문제를 감지하는 데 도움이 될 수 있다." 스트라노가 말했다. "둘 다 같은 문제로 고통받는다. 농부들이 수확량 손실을 막기에는 너무 늦게 정보를 얻는다는 것이다."

 

살충제 사용 감소

살충제는 농부들에게 또 다른 막대한 재정적 비용을 초래한다. 전 세계적으로 농부들은 매년 살충제에 약 600억 달러를 지출한다. 이 살충제의 대부분은 물과 토양에 축적되어 인간을 포함한 많은 종에게 해를 끼칠 수 있다. 하지만 살충제를 사용하지 않으면 농부들은 작물의 절반 이상을 잃을 수 있다.

 

MIT 기계공학 교수인 크리파 바라나시는 농부들이 식물에 도달하는 살충제의 양을 측정하는 데 도움이 되는 도구와 살충제가 식물에 더 효율적으로 부착되어 토양과 물로 유출되는 양을 줄이는 데 도움이 되는 기술을 연구하고 있다.

 

액체 방울과 표면 간의 상호 작용에 초점을 맞춘 연구를 하는 바라나시는 10년 이상 전에 USDA에서 열린 컨퍼런스에 참석한 후 자신의 연구를 농업에 적용하는 것에 대해 생각하기 시작했다. 그곳에서 그는 잎 표면에서 발생하는 상호 작용을 최적화하여 살충제 적용의 효율성을 개선하는 방법을 개발하기로 결심했다.

 

"수십억 개의 살충제 방울이 모든 에이커의 작물에 뿌려지고 있지만, 궁극적으로 목표에 도달하고 유지되는 것은 극히 일부에 불과하다. 나는 이것이 우리가 해결할 수 있는 문제라고 생각했다."라고 그는 말한다.

 

바라나시와 그의 학생들은 살충제 방울이 튀어나오는 대신 잎에 더 잘 붙도록 하는 전략을 탐구하기 시작했다. 그들은 양전하와 음전하를 띤 폴리머를 첨가하면 반대 전하를 띤 방울이 잎 표면에 친수성(물을 끌어들이는) 코팅을 형성하여 다음 방울이 잎에 달라붙는 데 도움이 된다는 것을 발견했다.

AgZen은 살포기가 밭을 주행하는 동안 살포된 화학 물질이 식물에 얼마나 부착되는지 실시간으로 정확히 모니터링할 수 있는 농업용 시스템을 개발했다. 태블릿에서 실행되는 내장 소프트웨어는 운영자에게 각 잎이 살포로 얼마나 덮였는지 정확히 보여준다. 출처: AgZen 제공

나중에 그들은 살포하기 전에 살충제에 계면활성제를 첨가하는 사용하기 쉬운 기술을 개발했다. 이 혼합물을 특수 노즐을 통해 살포하면 계면활성제로 "가려진" 작은 물방울이 형성된다. 계면활성제는 물방울이 튀어나오지 않고 몇 밀리초 이내에 잎에 달라붙도록 돕는다.

 

2020년에 바라나시와 비슈누 자야프라카시 SM '19, PhD '22는 AgZen이라는 회사를 설립하여 기술을 상용화하고 농부들에게 제공했다. 그들은 살충제 접착력을 개선하기 위한 아이디어를 EnhanceCoverage라는 제품에 통합했다.

 

이 제품을 테스트하는 동안 그들은 얼마나 많은 물방울이 식물에 남아 있는지 측정할 좋은 방법이 없다는 것을 깨달았다. 그래서 그들은 머신 비전을 기반으로 하는 RealCoverage라는 제품을 개발하게 되었다. 이 제품은 모든 살충제 분무기에 부착할 수 있으며 살충제 물방울의 몇 퍼센트가 모든 잎에 붙어 있고 남아 있는지에 대한 실시간 피드백을 제공할 수 있다.

 

RealCoverage는 2024년에 아이오와주의 콩부터 조지아주의 면화까지 미국 전역의 65,000에이커 농지에 사용되었다. 이 제품을 사용한 농부들은 데이터를 사용하여 배송을 최적화하고 어떤 경우에는 살포되는 화학 물질을 변경함으로써 살충제 사용을 30~50% 줄일 수 있었다.

그는 2025년에 출시될 예정인 EnhanceCoverage 제품이 농부들이 살충제 사용을 더욱 줄이는 데 도움이 되기를 바란다.

 

"우리의 사명은 농부들이 더 나은 수확량을 달성하는 동시에 비용을 절감할 수 있도록 돕는 것이다. 우리는 이 모든 것을 수행하는 동시에 폐기물과 대기, 토양, 물에 넣는 화학 물질의 양을 줄이는 방법을 찾았다."라고 바라나시는 말한다. "이것이 MIT 접근 방식이다. 실제 문제가 무엇인지 파악하고 해결책을 찾는 방법이다. 이제 저희는 도구를 갖게 되었고, 모든 곳에 배포하여 모든 사람이 그 혜택을 받기를 바란다."