지구의 온도가 상승함에 따라 농업 관행도 적응해야 할 것입니다. 가뭄이 더 빈번해질 가능성이 높고, 일부 땅은 더 이상 경작할 수 없을 수도 있습니다. 게다가 비료와 기타 농약의 생산을 확대하지 않고도 계속 증가하는 인구를 먹여 살려야 하는 과제가 있습니다. 이러한 비료와 농약은 지구 전체의 온난화에 기여하는 탄소 발자국이 큽니다.

MIT의 연구자들은 스트레스를 받으면 경보를 울리는 식물을 엔지니어링하는 것부터 가뭄에 더 강한 씨앗을 만드는 것까지 다양한 각도에서 이러한 농업적 과제를 수행하고 있습니다. 이러한 유형의 기술과 아직 고안되지 않은 기술은 기후가 변화함에 따라 세계 인구를 먹이는 데 필수적입니다.

"물 다음으로 우리에게 필요한 것은 식량입니다. 우선순위에 따라 물, 식량, 그리고 그 외 모든 것이 있습니다. 100억 명의 인구를 부양하기 위한 새로운 전략을 찾으려고 노력하면서 식량을 만드는 새로운 방법을 발명해야 합니다." MIT의 토목 및 환경 공학과 조교수인 베네데토 마렐리는 이렇게 말합니다.

Marelli는 MIT에서 최근 시작한 기후 프로젝트의 6개 미션 중 하나의 책임자로  , 산업 탈탄소화와 회복력 있는 도시 건설과 같은 연구 분야에 중점을 두고 있습니다. Marelli는 고위험 고보상인 비전통적 솔루션을 식별하는 것을 목표로 하는 Wild Cards 미션을 지휘합니다.

다양한 분야의 전문성을 바탕으로 MIT는 기후 변화로 인한 과제를 해결할 수 있는 좋은 위치에 있다고 Marelli는 말합니다. "인문학, 과학, 경제학과 더불어 엔지니어링, 대규모 처리, 생물 공학, 인프라 공학을 포함한 학문 분야에서 우리의 강점을 하나로 모으면 큰 기회가 됩니다."

가뭄으로부터 씨앗을 보호하다

재생 의학을 연구하는 생물의학 엔지니어로 경력을 시작한 Marelli는 이제 가뭄이나 영양분이 고갈된 토양에서 씨앗이 생존하고 발아하도록 돕는 방식으로 작물 수확량을 늘리는 방법을 개발하고 있습니다. 이를 달성하기 위해 그는  실크와 기타 폴리머를 기반으로 한 씨앗 코팅을 고안하여 중요한 발아 과정에서 씨앗을 감싸고 영양을 공급할 수 있습니다.

건강한 토양에서 식물은 질소, 인산염 및 필요한 다른 영양소를 이용할 수 있으며, 이 중 많은 영양소는 토양에 사는 미생물에 의해 공급됩니다. 그러나 가뭄이나 과도한 농사로 피해를 입은 토양에서는 이러한 영양소가 부족합니다. Marelli의 아이디어는 식물 생장을 촉진하는 박테리아가 공기에서 질소를 흡수하여 식물에 공급함으로써 질소를 "고정"할 수 있는 폴리머로 씨앗을 코팅하는 것이었습니다. 미생물은 또한 식물에 필요한 다른 영양소를 공급할 수 있습니다.

첫 번째 세대의 종자 코팅을 위해 그는 이 미생물을 실크로 만든 코팅에 삽입했습니다. 실크는 그가 이전에  농산물, 육류 및 기타 식품의 유통기한을 연장할 수 있다는  것을 보여준 소재입니다. MIT의 연구실에서 Marelli는 종자 코팅이 발아하는 식물이 가뭄, 자외선 노출 및 높은 염분에서 살아남는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다.

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

이러한 연구에서 연구진은 실크 대신 모로코에서 쉽게 구할 수 있는 음식물 쓰레기에서 추출한 생체고분자 코팅을 사용하고 있습니다.

"우리는 지역 사회와 협력하여 바이오폴리머를 추출하고, 특정 환경에서 작동하는 재료를 만들 수 있도록 대규모로 작동하는 프로세스를 구축하려고 합니다." Marelli가 말했습니다. "우리는 MIT에서 고자원 환경에서 아이디어를 생각해 낼 수 있지만, 그곳에서 일하려면 지역 사회, 지역 이해 관계자와 대화하고, 그들의 독창성을 활용하여 우리의 솔루션을 지역 환경에 실제로 적용될 수 있는 것과 일치시켜야 합니다."

비료로서의 미생물

가뭄이 들든 없든, 합성 비료를 시용하면 작물이 훨씬 더 잘 자랍니다. 대부분의 농장에 필수적이기는 하지만 비료를 시용하는 것은 비용이 많이 들고 환경에 영향을 미칩니다. 전 세계 비료의 대부분은 고온 고압에서 질소와 수소를 암모니아로 전환하는 하버-보쉬 공정을 사용하여 생산됩니다. 이 에너지 집약적 공정은 전 세계 온실 가스 배출량의 약 1.5%를 차지하며, 전 세계 농장에 이를 전달하는 데 필요한 운송으로 인해 배출량이 더 늘어납니다.

MIT의 화학공학과 Paul M. Cook Career Development 조교수인 Ariel Furst는  Haber-Bosch 공정에 대한 미생물 대안을 개발하고 있습니다  . 일부 농장에서는 질소 고정 박테리아를 작물 뿌리에 직접 적용하는 실험을 했으며, 어느 정도 성공을 거두었습니다. 그러나 미생물은 장기간 보관하거나 어디든 배송하기에는 너무 섬세하기 때문에 농장의 생물 반응기에서 생산해야 합니다.

이러한 과제를 극복하기 위해 Furst는 미생물을 보호 껍질로 코팅하여 열이나 기타 스트레스로 인해 파괴되는 것을 방지하는 방법을 개발했습니다. 이 코팅은 또한 동결 건조로 인한 손상으로부터 미생물을 보호합니다. 동결 건조는 미생물을 운반하기 더 쉬운 프로세스입니다.

코팅은 구성이 다양할 수 있지만 모두 두 가지 성분으로 구성되어 있습니다. 하나는 철, 망간 또는 아연과 같은 금속이고 다른 하나는 폴리페놀입니다. 폴리페놀은 타닌과 기타 항산화제를 포함하는 식물 유래 유기 화합물의 일종입니다. 이 두 가지 성분은 박테리아를 캡슐화하는 보호 껍질로 자체 조립됩니다.

"이 미생물은 씨앗과 함께 전달되므로 성장 중간에 비료를 줄 필요가 없습니다. 또한 비용을 절감하고 농부에게 더 많은 자율권을 제공하며 농업과 관련된 탄소 배출을 줄입니다." Furst가 말했습니다. "우리는 농업을 완전히 재생 가능하게 만들어 토양 건강을 회복하는 동시에 작물 수확량과 작물의 영양 밀도를 높이는 방법이 될 것이라고 생각합니다."

Furst는 Seia Bio라는 회사를 설립했는데, 이 회사는 코팅된 미생물을 상업화하는 데 주력하고 있으며 브라질 농장에서 테스트를 시작했습니다. Furst는 연구실에서 대기에서 이산화탄소를 포집하여 석회암으로 전환할 수 있는 코팅 미생물에 대한 접근 방식을 적용하는 작업도 하고 있습니다. 이는 토양 pH를 높이는 데 도움이 됩니다.

"토양의 pH를 변화시켜 안정화하는 데 도움이 될 수 있으며, CO 2 를 직접 공기에서 포집하는 효과적인 방법이기도 합니다 ." 그녀는 말합니다. "지금은 농부들이 석회암을 트럭으로 실어 토양의 pH를 변화시킬 수 있으므로 미생물이 스스로 할 수 있는 것을 가져오기 위해 많은 배출물을 만들고 있습니다."

식물용 스트레스 센서

몇 년 전, MIT의 화학공학과 Carbon P. Dubbs 교수인 Michael Strano는 식물 자체를 센서로 사용하여 식물이 곤경에 처했을 때를 알아내는 아이디어를 탐구하기 시작했습니다. 식물이 가뭄, 해충의 공격 또는 기타 종류의 스트레스를 겪을 때, 그들은 스스로를 방어하기 위해 호르몬과 기타 신호 분자를 생성합니다.

다양한 분자에 대한 작은 센서 개발을 전문으로 하는 연구실을 둔 Strano는 이러한 센서를 식물 내부에 배치하여 이러한 고통 신호를 포착할 수 있을지 궁금해했습니다. Strano의 연구실은 센서를 만들기 위해 형광을 방출하는 단일벽 탄소 나노튜브의 특수한 특성을 활용합니다. 튜브를 다양한 유형의 폴리머로 감싸면 센서가 특정 대상을 감지하도록 조정하여 대상이 있을 때 형광 신호를 방출할 수 있습니다.

식물에 사용하기 위해 Strano와 그의 동료들은  살리실산과 과산화수소와 같은 신호 분자를 감지할 수 있는 센서를 만들었습니다  . 그런 다음 이러한 센서를 식물에 해를 끼치지 않고 식물 잎의 아랫부분에 삽입할 수 있음을 보여주었습니다. 잎의 중엽에 삽입되면 센서는 다양한 신호를 포착할 수 있으며, 이는 적외선 카메라로 읽을 수 있습니다.

이러한 센서는 식물이 다양한 스트레스를 겪고 있는지 실시간으로 보여줄 수 있습니다. 지금까지 농부가 조치를 취할 수 있을 만큼 빠르게 정보를 얻을 수 있는 방법은 없었습니다.

"우리가 하려는 것은 농부의 손에 정보를 매우 빠르게 전달하는 도구를 만드는 것입니다. 수확량을 늘릴 수 있는 적응적 결정을 내릴 수 있을 만큼 빠르게요." 스트라노가 말했습니다. "우리는 식물이 내부적으로 소통하고 다른 식물과 소통하는 방식을 진정으로 이해하는 혁명의 한가운데에 있습니다."

이런 종류의 감지 기술은 농장에 배치되어 농부들이 가뭄이나 다른 스트레스에 더 빨리 대처할 수 있도록 도울 수 있으며, 온실, 수직 농장 및 기술을 사용하여 통제된 환경에서 작물을 재배하는 다른 유형의 실내 농장에도 사용될 수 있습니다.

이 분야에서 스트라노의 많은 작업은 미국 농무부(USDA)의 지원을 받아 싱가포르-MIT 연구 기술 연합(SMART)의 농업 정밀성을 위한 혁신적이고 지속 가능한 기술(DiSTAP) 프로그램의 일환으로 수행되었으며, 싱가포르의 Growy라는 통제된 환경 농장에서 센서를 작물에 배치하여 테스트를 실시했습니다.

"같은 기본적인 종류의 도구가 야외 농업이나 통제된 환경 농업에서 문제를 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다." 스트라노가 말했습니다. "둘 다 같은 문제로 고통받습니다. 농부들이 수확량 손실을 막기에는 너무 늦게 정보를 얻는다는 것입니다."

살충제 사용 감소

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

MIT 기계공학 교수인 크리파 바라나시는 농부들이 식물에 얼마나 많은 살충제가 도달하는지 측정하는 데 도움이 되는 도구와 살충제가 식물에 더 효율적으로 부착되어 토양과 물로 유출되는 양을 줄이는 데 도움이 되는 기술을 연구하고 있습니다.

액체 방울과 표면 간의 상호작용에 초점을 맞춘 연구를 하는 바라나시는 10년 이상 전에 USDA에서 열린 컨퍼런스에 참석한 후 자신의 연구를 농업에 적용하는 것에 대해 생각하기 시작했습니다. 그곳에서 그는 잎 표면에서 발생하는 상호작용을 최적화하여 살충제 적용의 효율성을 개선하는 방법을 개발하기 시작했습니다.

"수십억 방울의 살충제가 모든 에이커의 작물에 뿌려지고 있으며, 궁극적으로 목표에 도달하고 유지되는 것은 극히 일부에 불과합니다. 이것은 우리가 해결할 수 있는 문제처럼 보였습니다."라고 그는 말합니다.

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

나중에 그들은 살포하기 전에 살충제에 계면활성제를 첨가하는 사용하기 쉬운 기술을 개발했습니다. 이 혼합물을 특수 노즐을 통해 살포하면 계면활성제에 "덮인" 작은 물방울이 형성됩니다. 계면활성제는 물방울이 튀어나오지 않고 몇 밀리초 이내에 잎에 달라붙도록 도와줍니다.

2020년, 바라나시와 비슈누 자야프라카쉬 SM '19, 박사 '22는   기술을 상용화하고 농부의 손에 넣기 위해 AgZen 이라는 회사를 설립했습니다. 그들은 살충제 접착력을 개선하기 위한 아이디어를 EnhanceCoverage라는 제품에 통합했습니다.

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

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

그는 2025년에 출시될 예정인 EnhanceCoverage 제품이 농부들의 살충제 사용을 더욱 줄이는 데 도움이 되기를 바라고 있습니다.

"우리의 사명은 농부들이 더 나은 수확량을 달성하는 동시에 비용을 절감할 수 있도록 돕는 것입니다. 우리는 이 모든 것을 수행하는 동시에 대기와 토양, 물에 투입하는 폐기물과 화학 물질의 양을 줄이는 방법을 찾았습니다." 바라나시가 말했습니다. "이것이 MIT 접근 방식입니다. 실제 문제가 무엇인지 파악하고 해결책을 찾는 방법입니다. 이제 우리는 도구를 갖게 되었고, 모든 곳에 배치하여 모든 사람이 그 혜택을 받기를 바랍니다."