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202007.15

번개가 잦으면 풍년이 든다는 것이 사실일까?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/1138

다양한 곡물의 모습. 코로나19로 곡물 수출 제한 조치가 각국에서 발동되고 있다. 

 

코로나19로 국가 간 이동이 제한되면서 다양한 분야에서의 글로벌 밸류 체인이 붕괴될 수 있다는 우려가 현실로 다가오고 있는데요. 그중에서도 가장 심각한 화두로 떠오르고 있는 것이 바로 식량안보에 대한 문제입니다. 코로나19로 곡물 수출 제한조치가 각국에서 발동되고 있는 탓인데, 이를 두고 글로벌 식량 전쟁이 급속화 될 것이라고 예견하는 전문가들도 많습니다.

 

안타깝게도 우리나라는 식량자급률이 아주 낮습니다. 한국농촌경제연구원 자료(2018년 기준)에 따르면 한국은 22.5%에 불과한데요. 재난 발생시 식량 공급에 문제가 생기면 10명 중 2~3명 분량만 자급자족할 수 있다는 의미입니다. 우크라이나 302.8%, 호주 251.7%, 캐나다 177.4%, 미국 124.7%, 중국 98.9%와 비교해서 볼 때도 초라한 수준입니다. 국가 차원의 먹거리 공급체계의 안전망 구축이 시급한 이유이기도 하죠.

 

여기에 구원투수로 떠오르고 있는 기술이 바로 ‘플라즈마’입니다. 핵융합 발전 등 첨단산업에 주로 적용되던 플라즈마 기술이 농업 및 식품 분야에서도 활용도를 높이고 있는 건데요. 미래 혁신기술로도 주목받고 있는 ‘플라즈마 파밍(Plasma Farming)’에 대해 알아보겠습니다.

 

 

|인공 번개인 플라즈마를 이용한 농업 기술

 

농작물 위로 번개가 치는 모습. 번개가 많이 치는 해에는 농사가 풍년이 든다는 속담이 있다.

 

‘번개가 많이 치는 해에는 농사가 풍년이 든다’는 속담 혹시 들어보셨나요? 구전되는 옛말이지만 옛 선조들의 지혜가 엿보이는 과학적인 표현인데요. 대기가 격렬하게 움직이면 그 속에서 얼음 알갱이들이 서로 부딪히며 정전기가 만들어지는데, 이때 위와 아래에 각각 양전하와 음전하가 몰리게 됩니다. 위, 아래의 서로 다른 전하가 부딪혀서 엄청난 에너지의 불꽃을 만들어내는 것을 번개라고 하는데요. 번개가 치면 공기 중의 질소가 이온화되어 빗방울에 녹아들고, 그 빗물이 땅에 스며들어 천연 질소 비료가 되는 거죠. 번개와 풍년의 등식이 성립되는 이유이기도 합니다.

 

플라즈마와 번개의 연관성은 바로 전하의 분리에서 찾을 수 있습니다. 번개는 기체에 열을 가해 음전하와 양전하로 분리된 상태를 일컫는 플라즈마의 대표적 현상으로 볼 수 있는데요. 이 플라즈마를 농장에서 식탁에 이르는 농식품 전주기에서 적용할 수 있는 포괄적으로 응용하는 것을 두고 ‘플라스마 파밍’ 기술이라고 합니다. 이를테면 번개를 인위적으로 생성해 농식품 산업 분야 연구에 활용한다고도 볼 수 있죠.

 

 

|종자 발아율 촉진은 물론 곰팡이 방지까지, 팔방미인 플라즈마

 

다양한 산업에서 활용되고 있는 저온 플라즈마는 이온, 전자, 래디칼, 자외선(UV) 등 여러 가지 구성 요소들이 혼재되어있는 상태로 각각의 특성을 활용하면 농식품 분야에서 다양하게 활용될 수 있습니다. 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터에서 바로 이 저온 플라즈마를 이용한 농식품 산업 기술 개발을 이끌고 있는데요. 현재 센터에서는 농산품의 생산, 저장, 유통뿐 아니라, 식품안전, 농식품 폐기물 처리 등 농식품 산업 분야 고부가가치를 실현할 수 있는 다양한 플라즈마-농식품 융합 기술 개발을 위한 연구를 활발히 진행하고 있습니다.

 

특히 최근 심혈을 기울이고 있는 분야는 ‘플라즈마 기술 기반 스마트 저장 시스템’의 개발과 실증입니다. 유해미생물 살균, 숙성 억제 등 신선 농·축·수산·식품의 저장성 향상을 위한 통합솔루션 시스템으로, 실제 농가에서 실증이 완료되면 국내 농산품의 저장 및 수출에 유용하게 활용될 것으로 기대되고 있습니다. 상하기 쉬운 농산품의 저장 유통 기한을 늘릴 수 있는 획기적인 시스템이기 때문에 식량 자원 측면에서나 환경오염 측면에서도 좋은 사례가 될 것으로 보고 있습니다.

 

플라즈마 기술 기반 스마트 저장 시스템’을 설명하는 도식

 

뿐만 아니라 플라즈마 수 처리 종자 실험실에서는 플라즈마 적용한 종자의 발아와 생육을 돕는 연구를 진행 중인데요. 지난 2017년에는 플라즈마를 이용해 새싹인삼 생장 증진 실험을 진행, 새싹인삼 씨앗을 플라즈마로 처리한 결과 초기 출아율이 일반 새싹보다 두 배 이상 높게 나온 것을 확인할 수 있었습니다. 초기 생장률도 50% 가량 향상됐으니 플라즈마의 효용성이 입증된 셈이었죠. 무엇보다 플라즈마로 처리한 새싹인삼은 일반 대조군에 비해 진세노사이드 등 인삼의 유용 대사체 함량이 1.6~2.5배 높았습니다. 이는 플라즈마를 통한 새싹인삼의 생장 증진이 실험적으로 확인된 세계 최초의 사례로 꼽히기도 했습니다.

 

인삼의 생장 활성을 실험 중인 플라즈마 발생장치
인삼의 생장 활성을 실험 중인 플라즈마 발생장치

 


|플라즈마 새싹 보리, 곧 식탁 위로?


최근에는 플라즈마를 이용해 새싹보리 안에 들어 있는 기능성 물질 함량과 생산량을 증가시킬 수 있는 기술이 개발되어 주목받기도 했습니다. 지난 2월 국가핵융합연구소와 공동연구를 수행한 농촌진흥청은 플라즈마 처리한 보리종자 발아율이 최대 12.4%까지 높아졌다고 밝혔는데요. 플라즈마로 인해 종자의 표면이 울퉁불퉁해지면서 수분을 흡수할 수 있는 면적이 늘어났는데, 이것이 바로 발아율을 증가시킨 원인이 됐습니다. 새싹보리 길이가 약 20%, 무게는 약 52% 정도 증가한 것으로 알려졌죠. 또한, 보리종자가 발아한 후 1일째에 1회 6분간 플라즈마를 처리해서 9일간 재배했을 경우 식물체의 생육이 가장 좋았던 것으로 나타났습니다.

 

플라즈마 처리에 따른 보리싹 식물체 모습 및 생육

 

또한 이번 실험을 통해 새싹보리의 주요 기능성분인 뇌기능촉진, 정신안정, 혈압저하 등에 좋은 가바(GABA)와 혈중 지질개선에 도움을 주는 폴리코사놀, 혈당 강하 효능이 있는 사포나린 등의 함량이 증가한 것을 확인했으며, 이 기술을 특허출원하기도 했습니다. 이번 연구가 의미있는 이유는 플라즈마를 활용한 식량 작물 연구의 확장 가능성을 확인했다는 데 있습니다. 이번 성과를 기반으로 플라즈마를 이용한 고함유 새싹보리의 재배가 가능할 것으로 기대되고 있으며, 다른 작물로도 확대·발전할 수 있는 계기가 될 것으로 예상됩니다.

 

 

|해결사 플라즈마, 다양한 분야에서 전천후 활약


플라즈마 기술은 반도체, 디스플레이 등 첨단산업에서 뿐만 아니라 농업 및 식품과 의료 분야 등 활용 범위를 넓혀가며 부가가치를 창출하고 있습니다. 미래 혁신기술로 주목받으며 활발한 연구개발이 이뤄지고 있는 플라즈마 기술의 전천후 활약이 기대되는 이유입니다.

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