전기로 농작물을 키우는 농부들

농민들이 환경에 해를 끼치지 않으면서 생산성을 높일 수 있는 방법을 모색함에 따라 전기 원예가 떠오르고 있습니다. 우리 모두 곧 전기 야채를 즐길 수 있을까요?

반투명한 오렌지 큐브는 재배 조명 아래에서 유혹적으로 흔들리며 젤리 곰과 터키 기쁨 사이의 이국적인 과자처럼 온 세상을 찾습니다. 구멍을 뚫는 작은 공기 터널에서 튀어나온 생생한 녹색 잎이 아니었다면 Maddalena Salvalaio가 보지 않을 때 입에 넣고 싶은 유혹을 느꼈을 것입니다. 그녀는 내 마음을 읽는 것 같습니다. "우리는 종종 방문객들에게 그것들을 먹지 말라고 상기시켜야 합니다."라고 그녀는 말합니다.

큐브는 액체를 담는 그물망 구조의 소재인 하이드로겔로 만들어졌다. 의료 기기 및 기저귀에서 더 일반적으로 발견됩니다. 그러나 여기 Imperial College London의 Plant Morphogenesis Laboratory에서 연구 기술자인 Salvalaio와 수석 연구원인 Giovanni Sena 는 수직 농업의 미래를 바꾸기 위해 그것들을 사용하고 있습니다. 이 대담하고 새로운 접근법의 비밀 소스는 각 큐브의 양쪽 측면에 있는 전극입니다.

Salvalaio와 Sena의 실험은 다양한 전기 개입을 사용하여 농업을 활성화하는 것을 목표로 하는 프로젝트의 성장하는 글로벌 집합체 중 하나입니다. 지난 10~20년 동안 종자, 농작물 및 들판을 전기적으로 자극하는 방법이 급증했습니다. 발아를 촉진하는 충격적인 씨앗; 물을 뿌린 물을 재핑하기까지 합니다. 미국의 국립과학재단(NSF)은 상온에서 전달되는 본질적으로 제어되는 번개인 저온 플라즈마의 농업적 사용을 연구하기 위해 수백만 달러를 지원했습니다.

중국에서는 정부가 농작물 수확량을 늘리기 위해 토양에 전기를 끌어들이는 거대한 굴착 장치를 사용하는 농업 프로젝트를 지원하고 있습니다 . 캐나다에서는 상업적인 재배자가 상추를 비옥하게 하기 위해 저온 혈장을 실험하고 있습니다 . 이제 "EEG"가 식물의 내부 전기 수명을 도청할 수 있고 농업 산업에서 적극적으로 구애하고 있는 스위스 회사인 Vivent와 같은 신생 기업이 현장에 진입하고 있습니다. 유기농 원예 인플 루 언서 커뮤니티 조차도 트렌드를 스니핑하고 있습니다.

새로운 프로젝트의 확산은 이상한 19세기 강박관념을 실천하는 사람들에게 매우 친숙해 보일 것입니다. 결과. ( 식물성 전기의 기이한 선구자에 대한 BBC Future의 자세한 내용을 읽어보십시오 .)

새로운 연구자들은 "스마트 농업" 또는 "4차 농업 혁명"과 같은 용어를 선호하면서 "전기 배양"이라는 단어를 피합니다. 그러나 기본 메커니즘은 동일하게 유지되며 옹호자들은 사막에서 수세기를 보낸 후 식물을 위한 전기가 마침내 결실을 맺을 준비가 되었다는 확신으로 통합되었습니다. 희망은 이러한 미래형 시스템이 대규모 농업의 환경적 결과를 줄이는 글로벌 식량 위기에 대처하기 위해 입대할 수 있다는 것입니다.

현대 농업은 많은 환경 문제를 안고 있습니다. 2005년 추정치 에 따르면 전 세계적으로 다양한 구성 요소가 매년 온실 가스 배출량의 10-12%에 기여할 수 있습니다. 20세기 초 농업에 혁명을 일으킨 에너지 소모적인 Haber-Bosch 공정으로 생성된 합성 비료의 생산은 현재 연간 수억 톤의 이산화탄소(CO2)를 발생시킵니다 . 규제되지 않은 토지 사용으로 인한 토양 침식은 더 많은 것을 추가합니다 .

그러나 스위스 ETH 취리히 세계식량시스템센터의 책임자인 식물 생태학자 니나 부흐만(Nina Buchmann)은 비평가들에 대해 인내심이 거의 없다. "때때로 나는 그들에게 묻고 싶은 유혹을 느낍니다. 오늘 뭔가 먹었습니까?" 그녀는 투자 회사인 Vontobel이 주최한 농업 경제학 시상식에서 참석자들에게 말했습니다 . 농업 회사는 어려운 바늘에 실을 꿰어야 합니다. 빠르게 성장하는 인구를 먹여 살릴 수 있지만 오염된 살충제나 비료 유출 없이 에너지 비용을 낮추고 더 적은 토지를 사용하며 점점 더 예측할 수 없고 온난화되는 세계에서 작물 수확량을 지속적으로 증가시켜야 합니다.

전기 농업이라는 새로운 물결의 선봉에 있는 많은 연구자들은 그것이 식량 생산의 각 측면을 개선하는 데 역할을 할 수 있다고 생각합니다.

하이드로겔 큐브와 소량의 전기를 사용하여 Maddalena Salvalaio는 식물이 옆으로 자라는 뿌리를 개발하도록 장려하고 있습니다(Credit: Maddalena Salvalaio)

짜릿한 수율

수확량을 늘리기 위해 일부 과학자들은 1780년대에 프랑스 물리학자가 발명한 "전기식생계"에서 영감을 받은 발명품으로 돌아가고 있습니다. . 보다 발전된 버전은 베이징에서 찾을 수 있습니다. 연구원들은 식물에 전기를 주입하기 위해 원래 장치와 유사한 장비를 설치했습니다. 전임자와 달리 그들은 특히 2022년 생두에서 우수한 결과를 보고했습니다 .

미국에서는 여러 기관에서 인공 번개라는 다른 접근 방식을 부활시키려고 노력하고 있습니다. 번개는 오랫동안 식물과 심지어 버섯에 활력을 주는 것으로 이해되어 왔습니다. 그러나 수세기 전에 옛 전기 재배자들이 처음으로 번개의 이점을 활용하려고 시도했을 때 의심스러운 일화적인 결과가 모든 접근법을 권장해야 했습니다 . 인공 버전은 식물을 활성화시키는 것만큼이나 식물을 때릴 가능성이 높습니다.

그러나 20세기에 이르러 보다 정확하게 번개를 전달하는 것이 가능해졌습니다. 자연에서 번개는 일종의 이온화 가스로 형성되는 일반적으로 수백만 도의 과열 물질인 플라즈마를 생성합니다. 마이크로칩 시대의 최첨단 도구 덕분에 상온에서 물건을 휘두를 수 있게 되었습니다. 저온 플라즈마로 알려진 농업에 대한 이 접근 방식은 "현재 매우 활발한 분야"라고 최근 미국 국립 과학 재단에서 플라즈마 물리학 프로그램 책임자로 임기를 마친 Seton Hall University의 Jose Lopez 교수는 말합니다. 그와 앨라배마주 오크우드 대학의 생화학자인 Alexander Volkov는 다양한 형태의 저온 플라즈마로 어린 종자를 제거하는 성장하는 농업 추세를 수용한 사람들 중 하나입니다.

그의 실험에서 Volkov는 식물에 따라 20-75 % 의 수확 증가를 보았습니다 . 종자를 혈장에서 1분 미만 처리하면 감자 수확량이 40% 증가했습니다. "한 양배추 농장에서 통계를 얻기 위해 실험을 하게 했습니다."라고 Volkov는 말합니다. "양배추 생산량을 75% 늘렸습니다. 맛도 더 좋아졌습니다." 맛은 더 달달하다고 하더군요.

볼코프는 혼자가 아니었습니다. 약간의 종자 제거 연구는 식물이 더 빠르고 더 크게 자라도록 돕는 것부터 해충 저항에 이르기까지 다양한 이점을 보고했습니다 .

"플라즈마는 우리가 아는 한 종자를 깨우는 역할을 합니다."라고 Lopez는 설명합니다. 씨앗이 처음 발아할 때 새로운 식물은 다양한 환경 스트레스 요인에 가장 취약합니다. 결과적으로 씨앗은 환경에 만족할 때까지 열리지 않습니다. 이 과정을 서두르는 것은 일반적으로 산과 같은 화학적 수단을 통해 달성되었지만 농업에서 오랫동안 표준 관행이었습니다. 플라즈마도 같은 일을 하는 것처럼 보이지만 훨씬 더 효과적으로 . "그것은 씨앗 벽을 뚫고 그 씨앗을 심을 때 물과 흙을 더 잘 흡수할 수 있습니다."라고 Lopez는 말합니다. "몇 초만 처리하면 그 식물은 처리되지 않은 씨앗보다 더 빨리 자랍니다."

플라스마는 심지어 이미 자란 식물에 활력을 주는 것으로 보인다고 NSF의 자체 그룹이 플라스마 연필 이라는 정밀 도구를 사용하여 스위트 바질 식물을 스팟 처리한 Lopez는 말합니다. 플라스마는 보다 견고하고 건강한 성장을 자극하여 식물의 키뿐만 아니라 전체 질량을 20% 증가 시켰습니다 .

"결과는 놀랍습니다."라고 Lopez는 말합니다. 비록 이것이 어떻게 작동하는지 완전히 확신할 수 없는 작은 문제가 있지만 특히 전기와 전체 식물의 상호 작용에 관해서는 그렇습니다. Volkov는 종자 부스트를 담당하는 분자 메커니즘을 찾고 있습니다. NSF는 2017년 볼코프가 포함된 여러 대학 그룹에 2000만 달러(1570만 파운드)의 보조금을 수여했다 . 2022년에는 2천만 달러를 추가했습니다.

 

소름 끼치는 의심

이러한 불확실성은 농업 분야의 전기가 여전히 의심의 여지가 있는 이유를 설명하는 데 어느 정도 도움이 됩니다. 회의론자들은 최초의 빅토리아 시대 사람들 이 다년생 식물을 비과학적인 성공으로 몰아넣은 지 200년이 지난 지금까지도 전기가 정확히 어떻게 식물 생물학과 상호작용하는지에 대해 제대로 이해하지 못하고 있다고 반대합니다. 1700년대 이후로 전기 문화가 다시 유행할 때마다 이와 똑같은 앞뒤로 등장하여 전기 문화를 쓸모없는 모호함으로 되돌려 놓았습니다.

오늘날 많은 상업용 채소 재배자들은 폴리터널이나 온실을 사용합니다. 이러한 환경에서 작물을 주의 깊게 모니터링하면 생산성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다(제공: Getty Images)

"우리는 전기장이 식물 성장을 향상시킨다는 것을 수십 년 동안 알고 있었습니다."라고 Sena는 말합니다. 문제는 이 데이터가 완전히 재생산된 적이 없다는 것입니다. 실험은 다양한 조건에서 수행되었습니다. 그리고 200년 동안 "우리는 물건을 제거했고 그것들은 더 커졌습니다"라는 말을 들은 후, 사람들은 약간의 조급함을 용서받을 수 있다고 Sena는 말합니다. "물론 그들은 더 자랐습니다! 하지만 왜 그런지 이해합니까?" 그는 말한다.

그러나이 개입을 기술적으로 건전한 방법으로 바꾸려면 기초 과학을 이해하는 데 도움이됩니다.

전기장에 대한 식물 반응의 분자 메커니즘을 밝히는 것은 Sena 그룹이 Imperial에서 수행하는 작업의 핵심입니다. 무엇보다도 그들은 이 반응의 과소평가된 측면, 즉 식물 내부에서 생성된 전기 신호에 집중하기 시작했습니다. 식물은 모든 성장 단계와 해부학적 모든 부분에서 무수히 많은 이들을 보냅니다. 최근 리뷰에서 Sena 연구실의 박사 과정 학생인 Eleonora Moratto는 다양한그들을. 묘목은 뿌리가 나오기 전에 전류의 급상승을 보여줍니다. 자란 식물은 포식에 대한 반응과 친구에게 자신을 식별하기 위해 전기 신호를 보냅니다. 꽃 전기장의 독특한 모양은 선호하는 꽃가루 매개자임을 식별할 수 있지만 Moratto가 발견한 것처럼 뿌리의 생체 전기적 특성은 유해한 미생물 의 유혹적인 표적이 될 수도 있습니다 .

이러한 신호의 불협화음을 듣고 해독할 수 있는 도구가 급증했습니다. 그럼에도 불구하고 스웨덴 Linköping 대학의 Eleni Stavrinidou와 그녀의 공동 저자는 식물을 위한 생체 전자 이식 장치의 최신 기술에 대한 2021년 리뷰에서 이들이 매우 유용할지라도 여전히 충분히 활용되지 않고 있다고 지적했습니다. 작물 생물학 모니터링 및 조절. 올해 세계경제포럼(World Economic Forum)은 농업을 개선할 수 있는 잠재력을 인정받아 식물 웨어러블을 2023년 10대 기술로 선정했습니다. 이것이 바로 일부 상업적 재배자와 신생 기업이 이를 사용하려고 하는 것입니다.

 

식물용 웨어러블

네덜란드보다 농작물을 더 심각하게 여기는 곳은 거의 없습니다 . 그들의 온실은 정원 센터보다 마이크로칩 제조 공장처럼 보일 수 있습니다. 정원사가 실험실 가운을 입는 네덜란드 Honselersdijk에 있는 8,000평방미터(86,000평방피트)의 첨단 연구 온실 시설인 Tomatoworld의 경우는 확실히 그렇습니다. "지금 우리가 어떻게 토마토를 생산하는지 볼 수 있다면…." 47년 동안 토마토 재배자로 생계를 이어온 Ab van Marrjewik은 말합니다. 이는 대규모 작업이 될 수 있습니다. 토마토는 특정 온도가 필요하고 잠재력을 최대한 발휘하려면 스트레스를 피해야 합니다.

Tomatoworld는 토마토에 대한 일종의 "EEG"인 최첨단 기술을 시험하고 있습니다. 스위스에 본사를 둔 식물 기술 기업인 Vivent가 만든 PhytlSigns라는 기술은 이식된 뇌 전극과 같은 식물을 사용하여 줄기의 신호를 듣습니다. 식물 전기 신호 문헌에서 훈련된 딥 러닝 알고리즘과 함께 이 시스템은 일종의 식물-영어 번역기의 기초를 형성합니다. 이것의 요점은 온실 운영자가 갈증이나 해충 감염을 나타내는 식물 자체의 조기 경고 시스템에 대한 액세스 권한을 제공하는 것입니다. Tomatoworld는 2021년에 첫 번째 실험 센서를 배치했으며 이듬해에 결과를 보기 시작했다고 말합니다.

심장 모니터처럼 보이는 PhytlSigns 인터페이스는 식물의 구불구불한 전기적 활동을 이해하기 쉬운 3개의 밴드로 코딩합니다. 녹색은 토마토 식물이 정상적인 하루를 보내고 있음을 의미합니다. 이산화탄소. 노란색은 일종의 스트레스를 나타냅니다. 주황색이 보이면 모든 사람이 하던 일을 멈추고 무엇이 잘못되었는지 파악해야 합니다.

van Marrewijk는 이 로제타 스톤이 그와 같은 재배자들이 농업의 미래를 채울 기술적 개입에 대해 그의 아기 매실 토마토가 어떻게 느끼는지 이해하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

적어도 van Marrewijk에게는 토마토 EEG가 작동하는 것 같습니다. 어느 토요일 아침 5시 30분, 온실의 온도는 규정된 상수 15-16C(59-43F)에서 12C(56F)로 떨어졌습니다. 나중에 PhytlSigns 판독값을 검토한 결과 온실 온도가 식물의 안락한 영역 아래로 떨어지면서 전기 신호의 진폭과 주파수가 행복한 녹색에서 놀라운 노란색으로 꾸준히 상승하는 것으로 나타났습니다.

양배추 종자를 혈장으로 처리하면 수확량이 최대 75%까지 증가할 수 있습니다(Credit: Getty Images)

Vivent의 수석 과학자인 Nigel Wallbridge는 초기 센서는 식물 신호를 도청하는 조잡한 방법이었다고 말합니다. "개인적인 대화라기보다는 축구 관중의 이야기를 듣는 것과 비슷합니다."라고 그는 말합니다. 그러나 2년 후 센서가 Tomatoworld의 청취 지점에 남아 있는 동안 업그레이드된 버전은 토마토를 넘어 온실 너머의 세계로 확산되었습니다. Wallbridge는 "우리는 이제 훨씬 더 야외 활동을 하고 있습니다."라고 말합니다. "사탕무, 감자, 우리는 씨앗의 신호까지 듣고 있습니다." 다양한 새로운 파트너가 PhytlSigns 센서를 이탈리아, 독일, 프랑스, ​​영국, 네덜란드 및 스웨덴에서 자체 필드 테스트에 도입했습니다. 거대 농업 기업인 바이엘(Bayer)도 그 중 하나입니다 .

가장 반가운 새로운 신호 중 하나는 치명적일 수 있는 곰팡이에 대한 식물의 반응 입니다. Wallbridge는 "당신이 그것을 볼 수 있다면, 당신의 작물은 이미 사라진 것입니다."라고 말합니다. 공기 중의 포자가 땅에 떨어진 후, 불치병으로 발전하는 데 며칠 밖에 걸리지 않으며, 그 시점에서 전체 작물을 파괴해야 합니다. "예방할 수만 있고 치료할 수는 없습니다." 예방 조치에는 침입의 증거가 있든 없든 매주 독성 화학 물질을 살포하는 것이 포함됩니다. Wallbridge는 눈에 보이는 증거에 의존하는 대신 식물 자체의 방어 신호를 활용할 수 있다는 것이 게임 체인저라고 말합니다. "그것은 지속적인 선제 분무를 포함하지 않는 치료의 길을 열어줍니다."

Vivent는 또한 대학과 데이터를 공유하여 더 많은 통찰력을 제공합니다. Kavya Sai와 그녀의 동료들은 Punjab에 있는 Jalandhar 국립 기술 연구소에서 PhytlSigns가 얻은 신호를 분석하여 높은 정확도로 특정 영양소 결핍을 탐지하고 분류할 수 있었습니다. "식물은 전기 생리학적 데이터에 근본적인 물리적 상태에 대한 증언을 남깁니다." 저자는 철과 망간 결핍과 같은 구체적인 정보를 밝히면서 썼습니다.

Wallbridge는 이것이 식물을 위한 웨어러블 기술이 다가오는 농업의 전기 혁명에서 중요한 역할을 할 이유라고 생각합니다. "드론, 위성, 토양 센서가 있지만 그 중 어느 것도 플랜트의 내부 상태에 대한 액세스를 제공하지 않습니다."라고 그는 말합니다. 이것에 대한 도청은 모든 것을 덜 사용할 수 있기 때문에 강력합니다. 특정 영양소 결핍을 목표로 하면 비료를 적게 사용할 수 있으므로 지하수로 침출되는 질산염이 줄어듭니다. "식물이 실제로 필요한 것이 무엇인지, 언제 필요한지 정확히 알고 있다면 적절한 양을 사용할 수 있습니다."

 

하늘이 한계다

그러나 다른 필요와 달리 더 많은 땅을 만들 수는 없습니다. 오랫동안 이 문제에 대한 최선의 해답은 작물이 어떤 표면에서도 자랄 수 있는 수직 농업의 약속이었습니다.

단 하나의 문제가 있다고 Sena는 말합니다. 우리가 수직 농업이라고 부르는 것은 약간 잘못된 이름입니다. 우리는 수직으로 식물을 키우는 것이 아닙니다. 우리는 수평 성장의 좁은 상자를 서로 수직으로 쌓고 있습니다.

뿌리가 수직이 되지 않기 때문입니다. 뿌리는 중력의 법칙을 따릅니다. 그들은 물을 찾고 "아래"를 찾습니다. 여담으로 우주에서 많은 뿌리를 가진 식물을 키우는 것이 매우 어려운 이유도 이 때문이다. 중력이 없으면 뿌리가 여기저기 돌아다니기 때문에 적절하게 먹이를 주기가 논리적으로 어렵습니다.

수직 농업이 문자 그대로 주석에 적힌대로 작동했다면 어떨까요? 뿌리가 아래가 아니라 세로로 뻗어 있는 농작물과 나무를 재배할 수 있다면 어떨까요?

뿌리는 살아있는 유기체가 중력장의 당김과 물의 존재를 감지하고 따라가도록 조직을 조정하기 때문에 아래로 자랍니다. 그러나 그것이 모든 뿌리가 감지할 수 있는 것은 아닙니다. 그들은 또한 전기장을 감지할 수 있습니다. 게다가 그 감각은 다른 감각을 무시할 수 있습니다. 과학자들은 지난 100년 동안 전기장 아래에서 무엇이든 음극 끝을 향해 기어간다는 것을 이해했습니다. 상처 치유를 위한 의학에서 점점 더 잘 이해되고 있는 이 현상은 이제 식물 연구에서도 뜨거운 주제가 되었습니다. 전기장은 중력장에 대한 뿌리의 반응에 대해 거부권을 가집니다.

작년에 Salvalaio와 Sena는 처음으로 Arabidopsis 식물이 뿌리 성장의 방향을 바꾸도록 하기 위해 특정 용량의 전기를 사용하는 방법을 정확한 분자 세부 사항으로 보여주었습니다. 다시 말해, 그들은 그들이 원하는 대로 자라게 했습니다.

따라서 그 맛있어 보이는 큐브. Salvalaio와 Sena는 성장하는 Arabidopsis 식물을 수용할 수 있는 특수 3D 인쇄 패턴 하이드로겔 큐브와 뿌리의 성장을 옆으로 안내할 전극을 개발하기 위해 런던의 Dyson School of Design Engineering 과 제휴했습니다. 밝은 녹색 잎은 통기 터널이 양육 환경으로 입증되었음을 분명히 보여줍니다. 그들의 뿌리는 전체적으로 두껍게 구불 구불합니다.

Salvalaio는 이번 여름 후반에 재핑을 시작하는 것을 목표로 합니다. 일이 잘 풀린다면 "하늘이 한계다"라는 말은 삼가면서 말하는 것입니다. "뿌리 성장 방향을 제어할 수 있다는 것은 벽뿐만 아니라 천장에서도 나무를 키울 수 있다는 것을 의미합니다."라고 Sena는 말합니다. 이 새로운 전기적 돌파구를 통해 무중력 환경에서 나무를 재배하는 것도 가능할 것입니다. 아마도 곧 국제 우주 정거장(ISS)에 나무가 생기거나 달에 숲이 생길 것입니다.