요약:
세계적으로 증가하는 토지 사막화와 지속적인 농경지 감소라는 과제에 직면한 스위스와 아랍에미리트의 연구팀은 모래를 '살아있게' 만드는 창의적인 솔루션을 제안했습니다. 이번 연구는 스위스 연방재료과학기술연구소(Empa)와 아부다비 칼리파 대학교가 공동으로 수행했다. 연구자들은 원래 척박하고 느슨해 농업 생산에 거의 부적합했던 사막 모래가 특정 미생물을 도입함으로써 물을 유지하고 침식에 저항하며 식물 성장을 지원할 수 있는 새로운 매트릭스로 변형될 수 있기를 바라고 있습니다. 연구팀은 이 기술을 '살아있는 모래'라고 부른다.
UAE 토지의 90% 이상이 사막으로 덮여 있으며, 농업 생산이 가능한 토지는 전체 면적의 5% 미만입니다. 현재 우리나라는 식량 수요의 약 10~15%만 생산할 수 있으며 나머지는 수입에 크게 의존하고 있습니다. 연구자들은 이 문제가 중동에만 국한된 문제가 아니라고 지적합니다. 세계적인 기후 변화, 산림 황폐화, 토지 남용으로 인해 점점 더 많은 지역이 토지 황폐화와 사막화라는 유사한 문제에 직면하고 있습니다.
전통적인 모래땅은 농업 경작에 적합하지 않습니다. 모래 알갱이들 사이에 안정된 구조를 형성하는 것이 어렵기 때문에 토양은 바람과 물 침식에 취약합니다. 동시에 모래에는 유기 영양소가 부족하여 미생물과 식물의 성장을 오랫동안 유지할 수 없습니다. 더 심각한 것은 모래 알갱이 사이로 물이 빠르게 빠져나가 관개 효율이 극도로 낮아진다는 점이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 특정 박테리아와 곰팡이를 모래 환경에 도입했습니다. 이들 미생물은 생체고분자라고 불리는 천연 장쇄 분자를 분비할 수 있고 나아가 마이크로섬유의 대규모 네트워크를 형성할 수 있습니다. 이 섬유는 천연 접착제처럼 모래 알갱이 사이에 산재해 원래 독립된 모래 알갱이를 연결하여 보다 안정적인 전체 구조를 형성합니다.
연구 책임자는 재료과학 관점에서 이는 실제로 모래알과 생체섬유로 구성된 천연복합재료를 만드는 것과 같다고 말했다. 현미경 이미지는 미생물에 의해 생성된 섬유 네트워크가 개별 모래 알갱이를 감싸고 연결하여 느슨한 모래에 전례 없는 구조적 강도를 제공한다는 것을 보여줍니다.
그 효과를 검증하기 위해 연구진은 실험실 모래 샘플과 아부다비의 실제 모래 언덕에서 채취한 모래 샘플을 테스트에 사용했습니다. 그 결과, 박테리아로 처리한 시료의 기계적 강도가 크게 향상되었으며, 내식성이 일반 모래보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다.
더 중요한 점은 수분 보유 성능도 크게 향상되었다는 것입니다. 실험 데이터에 따르면 박테리아를 처리한 모래에서는 수분 침투율이 약 6배 감소한 것으로 나타났습니다. 이는 빠르게 배수되는 관개수가 기질에 더 오랫동안 남아 있어 향후 식물 성장을 위한 조건을 조성할 수 있음을 의미합니다.
또한 연구팀은 두 번째 개선 사항을 개발했습니다. 그들은 나노셀룰로오스를 생성하는 박테리아를 사용하여 초박형 바이오섬유 층을 만들고 이러한 재료를 모래 층과 교대로 결합하여 직물과 같은 구조를 만들었습니다. 첫 번째 옵션과 비교하여 이 층 구조는 모래의 안정성과 보수 능력을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
실험 결과, 나노셀룰로오스 층 구조를 적용한 후 수분 침투율이 무려 28배나 감소하는 것으로 나타났습니다. 일반 모래에 비해 물 저장 능력이 크게 향상되었습니다. 그러나 연구원들은 이 방법의 현재 제조주기가 길고 효율성이 더 향상될 여지가 여전히 있다고 지적했습니다.
미생물 성장 자체에는 영양분이 필요합니다. 이에 대해 연구팀은 해결하기 어려운 난관은 없다고 믿고 있다. 박테리아와 곰팡이가 필요로 하는 탄소원과 당분은 농업 폐기물이나 유기 폐기물의 이용 가능한 성분에서 직접 나올 수 있으므로 상대적으로 저렴한 재활용 모델을 형성할 수 있습니다.
연구원들은 '살아있는 모래'가 사막을 경작지로 바꾸는 첫 단계일 뿐이라고 강조합니다. 주요 목표는 즉시 완전한 농지를 만드는 것이 아니라 먼저 모래에 수분을 유지하고 더 많은 미생물의 성장을 지원하는 능력을 갖추는 것입니다. 안정적인 미생물 생태계가 형성되면 식물과 기타 유기물을 추가로 도입하여 토양의 질을 점진적으로 개선하는 것이 가능합니다.
전 세계적으로 점점 더 많은 지역이 토지 황폐화 문제에 직면함에 따라 천연 미생물을 사용하여 사막을 변화시키는 이 신기술이 광범위한 주목을 받았습니다. 대규모 농업 적용까지는 아직 갈 길이 멀지만 연구팀은 모래에 '생명'을 불어넣는다면 앞으로 사막 지역에 새로운 농업 발전 가능성이 생길 수 있다고 믿고 있다.
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