농사는 푸른 하늘 아래 푸른 잎이 무성한 들판, 바람에 흔들리는 옥수수, 산비탈에 새겨진 웅장한 계단식 논을 떠올리게 합니다. 농업은 약 12,000년 전 인간이 유목민 사냥꾼-채집꾼 생활 방식에서 더 영구적인 정착지로 전환하면서 사회와 우리의 식습관을 변화시켰습니다.
최근 몇 세기 동안 혁신적인 농업 장비와 합성 화학 비료는 점점 늘어나는 인구를 먹여 살리기 위해 식량 생산을 늘렸습니다. 하지만 뒷마당 정원사라면 누구나 알다시피 식물성 식품(상추, 토마토, 허브, 곡물, 호박)을 재배하는 것은 여전히 오래된 전략에 크게 의존합니다. 즉, 영양이 풍부한 토양에 씨앗을 심고, 충분한 햇빛을 쬐어 수분을 공급한 다음, 씨앗이 자랄 때까지 기다리는 것입니다.
이 전략에는 단점이 있습니다. 농업은 세계 거주 가능한 땅의 거의 절반을 사용하고 인간이 발생시키는 온실 가스 배출량의 최대 3분의 1을 차지한다고 세인트루이스의 워싱턴 대학교의 펭 지아오와 그의 팀은 최근 분석에서 썼습니다 .
이유는? 햇볕이 잘 드는 지역은 자연스럽게 작물을 재배하기에 충분한 빛을 제공하지만, 겨울이 추운 지역은 종종 일년 중 일부 기간 동안 재배 조명과 온실이 필요합니다. 이는 에너지 소비, 물류적 골치 아픈 일, 그리고 궁극적으로 식량 비용을 증가시킵니다.
지아오와 동료들은 논문에서 토지 이용과 온실 가스 배출을 줄이기 위해 농업 관행을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 주장했습니다.
"전기 농업"이라고 불리는 이 접근법은 태양광 패널을 사용하여 주변 CO 2를 아세트산이라는 에너지원으로 바꾸는 화학 반응을 유발합니다. 특정 버섯, 효모 및 조류는 이미 아세트산을 음식으로 소비합니다. 약간의 유전적 변형을 통해 곡물, 토마토 또는 상추와 같은 다른 일반적인 음식도 아세트산을 소비하도록 조작할 수 있습니다.
팀은 이것이 "농업에 있어서 획기적인 혁명이 될 수 있다"고 적었습니다.
한 추정에 따르면, 미국이 전기 농업을 완전히 도입한다면 농지 사용량이 거의 90% 감소할 것입니다. 비슷한 시스템을 사용하면 우주 비행 중에도 작물을 더 효율적으로 재배할 수 있으며, 작은 공간에서의 효율성이 핵심입니다. 더 많은 연구를 통해 아세트산을 사용하여 전통적인 광합성을 우회하고 어둠 속에서 식물을 재배할 수도 있습니다.
"이 새로운 공정의 요점은 광합성의 효율성을 높이는 것입니다." Jiao가 보도자료에서 말했습니다 . "지금은 약 4%의 효율성을 보이고 있는데, 이는 이미 광합성보다 4배 더 높습니다. 이 방법으로 모든 것이 더 효율적이기 때문에 식품 생산과 관련된 CO 2 발자국이 훨씬 작아집니다."
인간 대 음식
농업은 탄소 배출을 줄이는 데 가장 어려운 분야 중 하나입니다. 세계 인구가 증가함에 따라 환경에 미치는 영향도 커질 가능성이 큽니다.
"살 수 있는 지구를 유지하기 위해서는 세계 식량 시스템을 재구상해야 할 시급한 필요성이 있습니다."라고 팀은 썼습니다.
광합성은 농업의 핵심입니다. 식물과 일부 박테리아에서 엽록체라는 녹색 분자 기계는 햇빛을 흡수하여 그 빛을 에너지로 전환합니다. 대부분 농장이 캘리포니아 중부와 같은 햇볕이 잘 드는 지역에 있는 것은 우연이 아닙니다.
농부와 과학자들은 수직 농업 으로 농업 발자국을 줄이려고 노력했습니다 . 수직 농장은 넓은 수평 밭이 아닌 쌓인 선반에서 작물을 재배합니다. 이 방법은 종종 수경 재배에 의존하는데, 여기서 식물은 토양 대신 물 기반 시스템에서 영양분을 흡수합니다. AeroGarden 과 비슷 하지만 산업적 규모입니다.
이 시스템은 실내에서 운영되므로 식물은 일년 내내 자랄 수 있습니다. 하지만 인공 성장 조명에 크게 의존하면 높은 에너지 소비로 인해 확장 능력이 제한됩니다.
문제의 일부는 효율성입니다. "기존 수직 농업에서 LED 성장 조명에 공급되는 전기의 상당 부분은 열로 손실됩니다."라고 팀은 설명했습니다.
전기 농업 또는 "전기 농업"은 이러한 과제를 피합니다. 이 시스템은 공기에서 주변 CO 2를 포집 하고 물과 전기를 사용하여 가스를 에탄올과 아세트산을 포함한 다양한 분자로 변환합니다. 아세트산은 일부 종에게 "식물성 식품"입니다.
아세트산은 많은 생물학적 반응의 핵심인 식초와 같은 화학 물질입니다. 최근 연구에 따르면 CO 2 로 만든 아세트산은 자연 광합성이 필요 없이 완전한 어둠 속에서 효모, 버섯 및 녹조류를 재배하는 데 사용할 수 있습니다 . 약간의 햇빛이 있으면 이 화학 물질은 전통적인 농업 기술에 비해 9가지 다른 작물 유형에서 성장을 4배나 증가시켰습니다.
이러한 초기 결과를 접한 과학자들은 다음과 같은 의문을 품었습니다. 아세트산염만을 사용하여 광합성을 대체할 수 있을까요?
그렇지 않습니다. 대부분의 성인 작물 식물은 자연스럽게 광합성을 통해 무게와 크기를 키워야 합니다. 전기-농축으로 자란 식물은 아세트산을 소비하기 위해 신진대사를 전환해야 합니다. 대부분의 성인 식물은 아세트산을 처리하기 어려워합니다. 이를 주요 식량원으로 삼습니다.
하지만 식물은 씨앗에서 발아하면서 이 분자를 에너지로 사용할 수 있습니다 . 마치 유아 시절에 우유를 마셨지만 나중에 락토오스 불내증이 생긴 사람들과 비슷합니다. 유전적 프로그래밍은 여전히 존재합니다. 그저 재활성화만 하면 됩니다.
바로 여기서 유전공학이 등장합니다.
아세트산 대사에 관여하는 유전자를 조정하면 식물이 분자를 소화하는 자연적 능력을 되살릴 수 있을지도 모릅니다. 이 전략은 아직 직접 테스트되지 않았습니다. 하지만 박테리아에서 아세트산 대사에 관여하는 유전자를 증폭시키면 식물이 그것을 먹는 능력이 향상되었습니다.
아세트산염을 먹는 식물을 개발하는 것은 전기 농업 시스템을 구축하는 데 있어 "중요한 단계"입니다.
팀은 토지 사용을 줄이기 위해 수직으로 쌓은 구조를 구상하는데, 이는 냉장고의 세 구역과 비슷합니다. 첫 번째 구역인 지붕은 태양광 패널로 덮여 에너지를 수집합니다. 중간 구역은 이 에너지를 사용하여 CO 2를 분해 하고 아세트산을 생성하여 아래 구역에서 자라는 식물에 영양을 공급합니다. 작물의 종류에 따라 이 구역은 냉장고의 트레이처럼 서로 위에 쌓인 약 3~7개의 식물 "층"을 보유할 수 있습니다.
야생으로
전기-농업은 환경에 이로울 수 있으며, 미국에서만 농업에 사용되는 총 토지 사용량을 약 88%나 줄일 수 있습니다. 이를 통해 울창한 숲과 같은 자연 생태계로 복원될 수 있는 10억 에이커 이상의 토지가 확보될 것입니다. 이 기술은 또한 식품 가격을 안정시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 기후 변화로 인해 날씨가 점점 더 예측 불가능해짐에 따라 개발도상국이 가장 큰 타격을 입는 경우가 많습니다. 대규모 실내 시스템은 변동성을 억제하는 데 도움이 될 수 있습니다.
하지만 이 모든 것에 얼마나 많은 비용이 들 것인지는 아직 불확실합니다. 이 분야는 아직 매우 초기 단계에 있습니다. 현재 과학자들은 토마토와 상추 유전자를 조정하여 아세트산염을 음식으로 사용하는 능력을 높이고 있습니다. 감자, 옥수수, 쌀, 밀과 같은 고칼로리 주요 작물이 다음 목록에 있습니다. 식물을 제외하고, 이론적으로는 유사한 기술을 유제품과 식물성 육류 재배에도 사용할 수 있지만, 이 아이디어는 아직 테스트되지 않았습니다.
Jiao는 "이것은 이 연구의 첫 단계에 불과하며, 가까운 미래에 효율성과 비용이 크게 향상될 수 있을 것으로 기대합니다."라고 말했습니다.
이미지 크레디트: Unsplash 의 Francesco Gallarotti