Lactuca sativa

1. 개요

□ 연구목적

○ 안전한 먹거리의 요구

- 기후변화와 후쿠시마 원전사태와 같은 예기치 않은 사고로 인하 여 농산물의 수량과 안전성이 크게 위협받고 있다.

- 한반도의 CO2 농도가 2010년에 370~390pm이었으나, 21세기 말 에는 540~940ppm으로 증가할 것으로 전망되고 있는 가운데 기 록적인 고온, 호우, 한파 또는 강풍 피해 등의 기후변화가 빈발 하고 있다(기상청, 2011).

- 후쿠시마 원전사고로 말미암아 방사능에 의한 농산물과 수산물 의 오염이 심각한 수준에 이르고 있다.

○ 식물공장의 실용화 기술 개발에 대한 관심

- 식물공장은 안전성이 우수한 채소의 계획적 생산이 가능하도록 내부의 빛, 기온, 이산화탄소(CO2), 습도, 풍속, 배양액 온도와 농 도 등 환경요소의 제어가 가능한 시설이다.

- 식물공장의 실용화를 위해서는 농산물 생산에 필요한 자원(CO2, 물)을 효율적으로 이용할 수 있는 기술 개발이 필요하다.

○ CO2 활용에 의한 버섯과 채소의 생산

- 호기성 미생물인 버섯의 종균은 배양과 생육 과정을 거치면서 다량의 CO2를 배출하므로 채소를 생산하는 식물공장에서 CO2

발생원으로 활용할 수 있다.

- 식물은 광합성에 의해서 CO2를 흡수하므로 식물공장 내에서 채 소의 광합성속도를 높이려면 _CO2 농도를 적정 수준으로 유지해야 한다.

○ 본 연구의 목적은 생산량이 꾸준하게 증가하고 있는 새송이버섯 의 생육 단계와 생육 온도에 따른 CO2 발생속도를 측정하고, 흑 로메인 상추와 새송이 버섯의 CO2 소비 및 발생 속도에 근거하 여 식물공장에서 상추와 버섯을 함께 재배하기 위한 작물의 적 정 혼합 비율을 추정하는 데 있다.

□ 연구범위

안전성이 우수한 농산물에 대한 소비자들의 관심이 증대되고 있어 식물 공장에서의 채소생산이 주목받고 있다. 이에 따라 식물공장에서 채소를 계획적으로 생산하기 위한 재배기술과 더불어 식물공장 내의 환경요소를 적정 수준으로 제어하기 위한 환경제어 및 자동화 시스템을 개발하기 위한 노력이 국내 외에서 활발하게 이루어지고 있다. 식물공장의 실용화를 위 해서는 농산물 생산에 필요한 자원 가운데 CO2를 효율적으로 이용할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 버섯의 재배 단계에서 발생된 고농도의 CO2를 상추 재배에 활용할 경우 상추의 광합성능력이 커지면서 생장이 촉진될 것이다. 또한 버섯의 재배 단계에서 CO2 농도가 급격하게 올라가는 것을 방지하면서 버섯의 자실체 분화 또는 생장의 촉진이 기대된다. 이러한 사실을 토대로 본 연구의 범위를 다음과 같이 설정하였다.

○ 새송이 버섯이 배출한 CO2를 상추가 이용할 수 있도록 소규모의 식물공장형 버섯 재배실과 상추 재배실을 제작한다.

○ 생육 단계 및 생육 온도에 따라 새송이 버섯의 CO2 농도를 측정한 후 CO2 발생속도를 분석한다.

○ 생육 단계 및 생육 온도에 따라 새송이 버섯의 생육 특성을 분석한다.

○ 상추와 새송이 버섯의 CO2 소비 및 발생 속도에 근거하여 식물공장에 서 상추와 버섯을 함께 재배하기 위한 작물의 적정 혼합 비율을 제시 한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 이론적 배경

1) 최근 들어 잦은 기후변화에 따라 작물 생산의 불안정성이 커지 고 있는 데다, 안전한 먹거리에 대한 소비자의 관심이 늘어나면 서, 안전성이 우수한 농산물을 공장적 방식으로 생산할 수 있는 식물공장에 대한 관심이 커지고 있다.

2) 국내 외 대학, 연구소 및 기업체를 중심으로 식물공장 개발에

관한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 가운데 식물공장 내의 광, CO2 농도, 온도, 습도 등을 관리하는 환경제어시스템이 설치 되고 있다.

3) 대기 중의 CO2 농도는 350~370ppm 수준을 유지하나, 식물공장 또는 온실 내에서의 CO2 농도는 시각 또는 날씨에 따라 크게 변 한다. 특히 식물공장은 밀폐형 구조로 이루어져 있기 때문에 형 광등 또는 LED와 같은 광원이 필요하다. 그런데 광원을 켜면 작 물이 광합성을 시작하면서 실내의 CO2가 작물에 흡수되고, CO2

농도는 100-150ppm 정도로 급격하게 내려간다. 이러한 조건에서 는 CO2가 부족하므로 작물이 제대로 자랄 수 없다.

4) 때문에 식물공장에서는 CO2 농도를 일정한 수준으로 유지하면 서 작물의 광합성을 촉진하고자 액화 CO2를 인위적으로 구입하 여 공급하고 있다. 재배면적 1 ha를 기준으로 약 120톤의 액화 CO2가 필요하므로, 액화 CO2 단가(300원/kg)를 고려하면 액화 CO2 공급기를 제외하고도 액화 CO2의 구입에 36,000천원이 지 출되어야 한다.

5) 온실 내에서 재배되는 작물의 생장과 수량에 미치는 CO2 농도 의 상승효과는 작물의 종류에 따라 다르다. 온실 내의 CO2 농도 를 1,000~1,500ppm 수준으로 공급하면 엽채류(상추, 시금치 등) 와 과채류(고추, 토마토, 오이 등)의 수량이 각각 2.4배, 1.4배 향 상되었다(Mortensen, 1987).

○ 선행 연구

1) 버섯의 종균은 호기성 생명체로 체내에서 호흡 과정을 진행하 며 그 산물로 다량의 CO2를 방출한다. 버섯의 재배과정에서 발 생하는 고농도의 CO2는 버섯의 대 길이 생장과 갓 형태 발달 에 문제를 일으킬 수 있기 때문에 환기를 통해 재배실 내부 CO2 농도를 관리해 주어야 한다(장 등, 2009).

2) 버섯의 재배과정에서 발생한 고농도의 CO2를 대기로 방출할 경 우 온실 가스로 작용하게 되는 문제점이 나타난다(Cleary 등, 2005). 그러므로 고농도의 잉여 CO2를 대기로 방출하지 않고

식물 재배에 이용하는 식물공장을 개발할 경우 CO2 배출의 저 감 효과를 거둘 수 있다.

3) 버섯과 상추의 재배 과정에서 이루어지는 CO2 교환을 추적하여 식물공장에 활용하려는 연구가 있었으나(Kitaya 등, 1994), 활엽 수 고목을 배지로 사용한 표고버섯 재배로 말미암아 배지의 기 능에 따른 정량화된 결과를 얻지 못하였다.

4) 새송이 버섯은 CO2 농도가 2,400ppm 이상으로 올라가면 품질 이 떨어진다(류 등, 2005). 그러므로 새송이 버섯 재배실을 제작 할 때 품질 저하가 일어나지 않도록 CO2 농도를 적정한 수준 으로 유지하기 위한 노력이 필요하다. 상추도 생장에 필요한 광 합성을 할 수 있도록 충분한 CO2가 공급되어야 한다. 그러므로 버섯과 상추를 재배하는 식물공장에서는 두 작물의 제한 조건 에 따라 CO2를 유동적으로 변화시킬 수 있어야한다.

5) 이러한 제한 조건들을 충족하는 시스템을 제작하려면 버섯의 CO2 발생속도와 상추의 CO2 소비속도가 평형을 이루도록 버섯 과 상추의 개체 수 조절과 두 작물의 생육 단계에 따라 개체 수의 비율을 결정해야 한다.

6) 따라서 본 연구는 버섯과 상추의 재배실에서 CO2 교환이 일어 나는 시스템을 설계하여 생장 단계에 따라 버섯의 CO2 발생속 도와 상추의 소비속도를 정량화하고, 밀폐형 식물공장에서 버 섯과 상추 재배가 가능하도록 두 작물의 적정 혼합 비율을 제 시하고자 수행되었다.

□ 연구주제의 선정

○ 식물공장 견학을 통한 문제점 파악

- 본 연구에 참여하고 있는 학생은 신문 또는 TV 뉴스에 등장했던 식물공장 관련 내용에 관심을 갖게 되었는데, 대학에서 개발하고 있는 식물공장 연구시설을 견학할 기회에 작물을 공장적 방식으로 생산하려면 수경재배 장치는 물론 광, CO2 농도, 온도, 습도 등 다양한 환경요소를 측정할 수 있는 센서와 제어시스템이 필요함을 알게 되었다.

- ^더구나 식물공장에서 CO2가 부족한 경우가 자주 발생되고, 이 때 부족 한 CO2를 인위적으로 구입해서 공급해야만 문제점이 해결됨을 알게 되었다. 해결 방안을 생각하던 중에 다량의 CO2를 배출하는 버섯을 이용할 경우 작물과 버섯 모두에게 유리하겠다는 아이디어를 떠올리 게 되었다. 즉 버섯은 호흡 작용으로 CO2를 배출하고, 작물은 광합성 작용으로 CO2를 흡수하므로 버섯의 호흡 기능과 상추의 광합성 기능 을 상호 보완 관계로 접근할 경우 상추와 버섯의 생장이 모두 촉진될 것이라는 생각을 갖게 되었다.

- 현재 식물공장에서는 채소가 주로 생산되고 있어 다양한 작물의 재배 와 더불어 자원(CO2, 물)을 효율적으로 이용할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 그러므로 친구들과 함께 식물공장에서 채소와 버섯을 동시 에 생산하기 위한 CO2 활용 방안에 대한 토론을 이어가면서 『식물공 장에서 채소와 버섯을 생산하기 위한 CO2 활용 기술』이 STEAM R&E 주제에 어울릴 것으로 생각하고 담당 교과 선생님께 토론 내용 을 설명 드리고 관련 자료를 모으기 시작하였다.

- 담당 교과 선생님께서는 토론 내용을 듣고 나서 STEAM R&E의 기본 원칙이 “일상생활이나 현실에서 쉽게 발견할 수 있는 문 제를 학생이 주도적으로 발견하고 창의적인 방법으로 문제를 해 결하는 역량을 키우는 것”이라고 말씀하시면서 우리들의 관심 사항이 STEAM R&E 주제에 적합하다고 말씀해주셨다.

○ 자문 교수님의 확보

- 담당 교과 선생님께서는 STEAM R&E가 다양한 분야의 지식을 복합적으로 적용할 수 있는 연구 주제를 장려하고 있는 바,『식 물공장에서 채소와 버섯을 생산하기 위한 CO2 활용 기술』은 과학(작물, 환경)과 공학(센서, 제어)의 융합 분야 지식을 적용할 수 있는 주제이므로 해당 주제를 성공적으로 수행하려면 관련 분야의 전문가 도움을 얻는 것이 좋겠다고 조언해 주셨다.

- 식물공장, 작물 생산, 환경계측 및 제어 분야의 전문가를 물색하 던 중에 선생님으로부터 서울대학교 농업생명과학대학 식물생산 과학부의 손정익 교수님을 소개받았고, STEAM R&E 주제를 상

의 드리면서 자문교수 역할을 맡아주실 것을 요청 드렸다.

- 현재 한국생물환경조절학회 회장과 식물공장연구회 회장을 맡고 계신 손 교수님께서는 식물공장과 시설원예 분야의 최고 전문가 임에도 불구하고 경험이 부족한 우리들의 주제와 요청을 관심 있게 들으신 후에 자문교수 역할과 실험 지원을 약속해주셨다. - 또한 식물공장의 실용화를 위해서 생산비 절감과 재배 작물의

다양화가 크게 요구되고 있는 시점에서『식물공장에서 채소와 버섯을 생산하기 위한 CO2 활용 기술 개발』은 ‘의미 있는 아이 디어’라고 격려해주시면서 ‘가능하면 채소와 버섯의 동시 재배뿐 만 아니라 품질을 향상시키기 위한 CO2 활용 기술이 개발되면 좋겠다.’라는 의견을 주시기도 하셨다.

□ 연구 방법

○ 버섯과 상추 생산을 위한 식물공장에서의 CO2 활용 기술 개발을 위한 연구를 수행하고자 대학의 연구실(서울대학교 시설원예환경조 절공학연구실)을 방문하여 식물공장 관련 연구시설을 견학하고, 선행 연구 결과를 살펴보았다. 또한 식물공장에서 사용되는 광, CO2 농도, 온도, 습도 측정용 센서의 종류, 동작 특성 및 사용 방법을 습득하였다.

○ 서울대학교 시설원예환경조절공학연구실에서 식물공장 관련 실험장 치 및 기기를 보유하고 있으므로, 본 연구를 진행하는데 적합하도록 실험 장치를 개선하여 실험에 사용하기로 하였다.

○ 새송이 버섯과 로메인 상추를 실험용 작물로 이용하되, 새송이 버섯은 종균이 접종된 것을 이용하고, 상추는 직접 파종하고 묘를 키운 후 실험에 이용하기로 하였다.

○ 상추의 파종, 육묘된 상추의 정식, 배양액의 조성, 재배 실험이 종료된 버섯과 상추의 생장조사 방법을 습득한 후 실험에 필요한 상추의 파종, 정식 및 생장조사를 직접 하였다.

○ 데이터로거에 의해서 기록된 식물공장 내의 CO2 농도, 온도, 습도 데이터를 Excel에서 불러들인 후 그래프를 작성하고, 선형 회귀분석 방법을 학습하였다.

○ 버섯과 상추의 재배실을 제작할 때 공기보다 분자량이 큰 CO2가 원활하게 순환되도록 2개의 재배실을 수직 방향으로 설치하되, 버섯 재배실을 상부에, 상추 재배실을 하부에 설치할 것을 제안하였다.

○ 새송이 버섯의 생장 단계에 따라 측정된 CO2 농도 변화에 기초하여 버섯의 CO2 발생속도를 분석하였다.

○ 식물공장에서 채소와 버섯 생산을 위한 CO2 활용 기술을 개발하고자 상추와 새송이 버섯의 CO2 소비 및 발생 속도에 근거하여 상추와 버섯을 함께 재배하기 위한 작물의 적정 혼합 비율을 제시하였다.

○ 실험 단계에서 서울대학교 시설원예환경조절공학연구실을 방문하여 자문교수님으로부터 연구 수행내용과 연구결과에 대한 설명을 들으 며 연구를 진행하였다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 2013년 5월-6월

- 서울대학교 시설원예환경조절공학연구실을 방문하여 식물공장 관련 연구시설을 견학하고, 선행 연구 결과를 살펴보았다.

- 식물공장에서 사용되는 광, CO2 농도, 온도, 습도 측정용 센서의 종류, 동작 특성 및 사용 방법을 습득하였다.

○ 2013년 7월-8월

- 상추를 스폰지에 파종하고, 4주간 묘를 키운 후 실험에 사용하 였다. 종균이 접종된 새송이 버섯은 외부에서 구해 사용하였다.

- 데이터로거에 의해서 기록된 식물공장 내의 CO2 농도, 온도, 습 도 데이터를 Excel에서 불러들인 후 그래프를 작성하였다.

- 생육 단계와 생육 온도별로 새송이 버섯의 CO2 발생속도를 측 정하였다. 각 생육 단계와 생육 온도별로 버섯 재배실에 5병씩 넣고, 3반복으로 CO2농도를 측정하였다. 측정된 CO2 농도에 기 초하여 버섯의 CO2 발생속도를 계산하였다.

- 재배 실험이 종료되면 버섯의 생장 특성(갓 직경, 대 길이, 자실 체 무게)과 상추의 생장특성(엽면적, 지상부 생체무게, 지상부 건 물무게)을 측정한 후 분석하였다.

○ 2013년 9월-10월

- 새송이 버섯 재배실 내의 CO2 농도가 2,000~2,500ppm을 유지하 고, 상추 재배실의 CO2 농도가 400ppm 이상을 유지하도록 다이 아프램 펌프와 AC/DC 컨트롤러를 작동시키면서 버섯과 상추의 혼합 재배가 이루어진 재배실 내의 CO2 농도를 측정하였다.

- 생장 실험이 종료된 후 상추의 엽면적, 지상부 생체무게 및 건 물무게를 측정하였다.

- 이제까지 진행된 연구 결과를 중심으로 논문 “상추와 버섯의 CO2 소비 및 발생량에 근거한 밀폐형 식물생산시스템 내 적정 작물 혼합비율 추정”을 만들어 (사)한국원예학회 2013년 추계학 술대회에서 발표하였다.

○ 2013년 11월

- 버섯과 상추의 혼합 재배 실험 결과를 분석하고, 버섯과 상추 재배실에서의 CO2 농도의 평형을 검토하였다.

- 지금까지 진행된 연구결과들을 정리하고 최종연구결과보고서를 작성하였다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 버섯과 상추재배용 실험 장치 제작

- 버섯과 상추재배 과정에서 CO2 활용을 위한 실험을 수행하고자 각각 1.0m×0.8m×0.5m 크기의 버섯 재배실과 상추 재배실을 아 크릴로 제작하였다. 공기보다 분자량이 큰 CO2가 원활하게 순환 되도록 버섯재배실을 상부에, 상추재배실을 하부에 설치하였다 (그림 1).

- 상추 재배실에는 담액식 수경재배가 가능하도록 재배베드를 설 치하였으며, 배양액의 EC를 1.2 dS m^-1로 조절하였다. 상추 재배 에 필요한 인공광원으로서 적색, 청색 및 백색LED(FGL-B1200, FC POIBE, Korea)를 이용하였다. 광환경으로서 LED로부터 조사 된 광합성유효광양자속(photosynthetic photon flux, PPF)은 340

μmol m^-2 s^-1이었고, 적색광:청색광:백색광의 광량 비율은 8:1:1이 었다. 상추의 재식간격은 10 cm×10 cm이었다.

- 버섯 상추의 재배실 내부 기온은 펠티에(Peltier) 소자를 이용하 여 18℃와 22℃로 조절하였다. 기온 조절용 펠티에 소자에 응축 된 내부 습공기가 양액 통으로 회수되도록 장치를 구성한 결과 내부 습도가 70%로 조절되었다.

그림 1. 버섯과 상추 재배실의 외관.

○ 버섯의 배양과 상추의 육묘

- 실험에 사용된 새송이버섯은 경기도 안성시 금광면에 위치한 아 인농산에서 배양되었으며, 공시 균주는 경기도 농업기술원 버섯 연구소로부터 분양받은 새송이 2호이다. 재배에 사용된 배지는 톱밥, 콘코프 및 첨가제가 1:1:2(v/v, %)의 비율로 혼합되었다.

체적이 950 mL인 폴리프로필렌(PP)병에 수분함량이 65~68%인 배지를 570 g 정도 충진한 후 120℃에서 90분간 살균하였다. 균 사가 접종된 배지는 26~28일간 전기 배양되었으며, 후기 배양은

5~6일간 이루어졌다. 배양실의 기온은 21~22℃이며, 습도는 65~70%, CO2 농도는 2,000~2,400ppm을 유지하였다.

- 후기 배양이 끝나고 접종된 배지의 표면을 제거하는 균 긁기 작 업을 마친 후 7~8일 정도 자실체의 발이 기간을 가졌다. 생육실 의 기온은 18℃에서 15℃까지 점차 낮추었으며, 습도는 초기 95%에서 후기에는 80~85%로 낮추었다. 이 때 CO2 농도는 1,000ppm 이하로 유지되었다.

- 실험에 사용된 상추는 흑로메인(

Lactuca sativa

L.)으로서, 스펀지 에 파종하여 4주간의 육묘기간을 거쳐 본엽 10매된 것을 사용하 였다. 파종 후 2~4주째에 전기전도도가 0.6 dS m^-1인 Yamazaki 배양액을 공급하였다. 광환경으로 육묘상에서의 PPF가 200 μmol m^-2 s^-1가 유지되도록 형광등(FPL55EX-D, Zhejiang Sunsea Lighting Electrical Appliance Co. Ltd., China)을 사용하였다. 이 때 광주기는 명기 16시간, 암기 8시간으로 설정하였다. 육묘상의 기온과 CO2 농도는 각각 22℃, 400 ppm로 조절되었다.

○ 버섯의 생육 단계에 따른 CO2 발생속도 및 생육 특성 분석 1) 버섯의 생육 단계에 따른 CO2 발생속도

- 새송이 버섯이 발생하는 CO2 농도를 측정하고자 내부 기온이 일정하게 유지되는 밀폐형 아크릴 재배실에 버섯을 넣었다. CO2

농도의 측정에 CO2 센서(LI-820, LI-COR, Lincoln, USA)와 데이 터로거(CR1000, Campbell Scientific Inc., USA)를 이용하였다.

- 생육단계에 따른 CO2 발생속도를 측정하고자 균 긁기 후 7일, 9 일, 11일, 13일, 15일, 17일째의 버섯을 이용하였다. 한편, 균 긁 기 후 13일째에 2.5~3cm 정도로 생장된 자실체 2대를 남기고 나 머지를 제거하는 솎아내기 작업을 실시하였다. 각 생육 단계별로 재배실 내부에 버섯을 5병씩 넣고, 3반복으로 측정하였다. 또한 CO2 농도를 5초 간격으로 측정하여 버섯의 CO2 발생속도를 계 산하였다. 한편 배지로부터의 CO2 발생속도를 계산하고자 CO2

발생속도의 측정이 끝난 버섯의 자실체 부위를 제거한 후 배지 와 균사 부분을 다시 밀폐형 재배실에 넣어 동일한 방식으로

CO2 발생속도를 측정하였다.

- 자실체가 발달하는 동안 1병에 대한 CO2 발생속도를 균사가 포 함된 배지와 자실체로 구분하여 측정한 결과는 그림 2와 같다.

그림 2. 새송이 버섯의 균사가 포함된 배지 와 자실체의 CO2 발생속도(A) 및 균 긁기 후의 CO2 발생속도(B). (수직바는 3반복에 대한 평균과 표준편차를 의미함.)

- 측정 결과, 배지의 CO2 발생속도가 자실체의 CO2 발생속도에 비해 매우 높게 나타났으나, 출하시기인 균 긁기 후 17일째에 이 르러 차이가 줄어들었다. 자실체의 단위 생체무게당 CO2 발생속 도는 배지에 비해 높게 나타났으며, 자실체 발달 초기인 균 긁기 후 9일째부터 13일째까지 점차 감소하였다. 이 때 균 긁기 후 13 일째에 솎아내는 작업을 실시하면 자실체의 단위 생체무게당 CO2 발생속도는 증가 후 출하시기에 이르러 다시 감소하였다. 이러한 결과를 통해 솎아내기 작업이 남은 자실체의 대사활동을

촉진한 것으로 추정된다.

2) 버섯의 생육 단계에 따른 생육 특성

- 생육 단계에 따른 새송이 버섯 자실체의 생육 특성을 분석하고자 갓 직경과 대 길이를 측정하였다. 생체무게는 병 무게를 제외한 배지 와 균사, 자실체가 포함된 무게를 측정한 뒤, 자실체를 제거하여 별도 의 무게를 측정하였다. 갓 직경은 타원체로 가정하여 장축과 단축의 길이를 측정한 후 평균값을 계산하였다. 갓 직경과 대 길이는 솎아내 기를 실시한 자실체를 대상으로 하여 균 긁기 후 13일, 15일, 17일째에 측정되었다.

- 솎음처리 후 수확하기 전 까지 기간에 걸쳐 버섯 자실체에 대하여 갓 직경과 대 길이, 자실체의 무게를 측정한 결과는 표 1과 같다.

자실체 무게가 지수 함수적으로 증가하였으나, 갓 직경과 대 길이는 선형적으로 증가하였다. 국립농산물품질관리원의 농산물표준규격 에 따르면 균긁기 후 17일째의 자실체는 크기 L에 해당하나, 갓 직경 과 대 길이에 대한 기준이 제시되어 있지 않으므로 표준화된 품질을 측정할 수 없었다. 한편 류(2006)가 제시한 등급기준에 따르면 균긁기 후 17일째인 새송이버섯의 자실체 등급은 대 길이 기준으로 상품, 무게 기준으로는 특품에 해당하였다.

표 1. 생육 단계에 따른 새송이 버섯의 생육 특성

생육 단계 갓 직경(cm) 대 길이(cm) 자실체 무게 (g) 13일째^z

15일째 17일째

17.0±5.5 45.8±10.4 70.1±12.9

42.0±8.2 90.7±11.8 113.0±14.9

13.8±10.3 63.7±14.9 105.8±10.0

z: 버섯의 균 긁기 후 경과된 일수

- 자실체가 발달하는 동안 1병에 대한 전체 생체무게, 배지 무게 및 자실체 무게를 측정한 결과는 그림 3과 같다. 전체 생체무게는 균 긁기 후 7일째부터 13일째까지 증가하였으나, 13일째에 솎아내기를 한 후 감소하였다. 배지 무게는 균 긁기 후 11~17일째까지 감소하였

다. 배지 무게의 감소부분은 자실체 생체무게의 지수적 증가로 인하 여 소실된 것으로 보이며, 균 긁기 후 13일째에 솎아내기 작업에 따라 잘라낸 자실체의 평균 무게는 52.9g이었다. 한편 자실체의 솎음을 통한 무게 손실 이외에도 배지의 함수율 변화에 따른 무게의 손실이 추가적으로 고려되어야 할 것이다.

그림 3. 균 긁기 후 새송이 버섯의 전체 생 체무게와 배지 무게 (A) 및 자실체 무게(B).

(수직바는 3반복에 대한 평균과 표준편차를 의미함.)

○ 버섯의 생육 온도에 따른 CO2 발생속도 및 생육 특성 분석 1) 버섯의 생육 온도에 따른 CO2 발생속도

- 균 긁기 후 13일, 14일째에 생육 온도에 따른 새송이 버섯의 CO2

발생속도를 측정하였다. 이 때 생육 온도는 새송이 버섯과 흑로메인 상추의 적정 생육 조건을 고려하여 16.5℃, 18℃, 21℃, 24℃로 설정하

였다. 또한 솎아내기 작업의 영향을 살펴보고자 균 긁기 후 13일째의 버섯은 솎아내지 않은 상태로, 균 긁기 후 14일째의 버섯은 솎아내기 작업을 실시한 상태로 측정하였다. 각 측정 별로 재배실 내부에 버섯 을 3병씩 넣고, 3반복으로 측정하였다. CO2 농도를 5초 간격으로 측정 하여 버섯의 CO2 발생속도를 계산하였다.

- 생육 온도에 따른 새송이 버섯 1병의 CO2 발생속도는 그림 4와 같다.

솎아내기 전 새송이 버섯 1병당 CO2 발생속도는 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 한편, 솎아내기 후에는 16.5℃와 24℃에서 CO2 발생 속도가 높게 나타났고, 18℃와 21℃의 온도에서는 CO2 발생속도가 줄어들었다.

그림 4. 생육 온도에 따른 버섯 1병의 CO2 발생속도 (수직 바는 3반복에 대한 평균과 표준편차를 의미함.)

2) 버섯의 생육 온도에 따른 생육 특성

- 균 긁기 후 13일째와 14일째에 생육 온도 처리에 따른 새송이 버섯의 병당 생체무게는 표 2와 같다.

- 균 긁기 후 14일째에 새송이 버섯의 생체무게는 생육 온도와 무관하게 전체적으로 감소하였다. 이러한 결과는 균 긁기 후 13일째의 버섯은 솎아내지 않은 상태이고, 균 긁기 후 14일째의 버섯은 솎아내기 작업 을 실시한 상태이기 때문으로 판단된다.

표 2. 생육 온도에 따른 새송이 버섯의 생체무게

구분 생체무게(g)

기온(℃)

생육 단계 16.5 18 21 24

13일째^z 632.45±31.62 629.02±16.17 619.18±13.11 607.91±31.19 14일째 532.68±33.95 519.51±30.85 513.77±28.91 506.42±19.43

z균 긁기 후 경과된 일수

○ 버섯과 상추의 혼합재배 실험에서 CO2 농도 변화 및 생육 특성 1) 버섯과 상추의 혼합재배 실험

- 버섯의 CO2 발생과 상추의 CO2 소비에 근거하여 식물공장에서 버섯 과 상추 생산을 위한 기초 자료를 얻고자 버섯과 상추의 혼합 재배 실험을 수행하였다.

- 내부 기온이 일정하게 유지되는 2개의 밀폐형 아크릴 재배실의 CO2를 순환시키면서, 새송이 버섯과 흑로메인 상추를 혼합 재배하며 CO2

농도 변화를 측정하였다. 버섯과 상추 재배실 사이의 공기를 순환시 키고자 62 L min^-1의 유량을 갖는 2대의 Diaphragm 펌프(Boxer 7004, Uno International Ltd., London, UK)를 각 재배실에 설치하였다.

또한 순환된 공기가 각 재배실 내부에서 균일하게 혼합되도록 환기팬 을 설치하였고, 내부 풍속을 0.3 m s^-1로 유지하였다.

- 버섯 재배실은 생육실 조건과 유사하도록 암막을 이용하여 암조건을 만들어 주었으며, 내부 습도는 65~70%로 유지하였다. 상추 재배실에 는 담액식 수경재배가 가능하도록 재배베드를 설치하였으며, 배양액 의 EC를 1.2 dSㆍm^-1로 조절하였다. 인공광원으로는 적색, 청색 및 백색LED(FGL-B1200, FC POIBE, Korea)를 이용하였다. LED로부터 조사된 PPF가 340 μmol m^-2 s^-1인 가운데 적색광:청색광:백색광의 광량 비율은 8:1:1이었다. 상추의 재식간격은 10 cm×10 cm이었다.

- 재배실 내 환경 요소의 측정과 제어를 위해서 데이터로거(CR1000, Campbell Scientific Inc, USA)를 이용하였다. 또한, 버섯 재배실과 상추 생육 재배실의 CO2 농도를 측정하고자 CO2 센서(LI-820,

LI-COR, USA)를 설치하였고, 측정된 CO2 농도를 5초 간격으로 저장 하였다. 재배실내의 CO2 농도에 따라 AC/DC 컨트롤러 (SDM-CD16AC, Campbell Scientific Inc., USA)와 Diaphragm 펌프 가 작동되면서 두 재배실 사이의 공기가 자동으로 교환되었다. - 새송이 버섯은 CO2 농도가 2,400 ppm 이상일 때 버섯의 품질이 떨어

진다는 연구결과(류 등, 2005)에 근거하여 CO2 농도가 2,000~2,500 ppm을 유지하도록 펌프 작동 값을 설정하였다. 한편 상추 재배실의 CO2 농도가 400ppm이하로 내려가면 펌프를 작동하여 버섯과 상추 재배실의 공기가 순환되도록 설정하였다. 버섯과 상추의 재배 비율을 표 3과 같이 설정하고 CO2 농도 변화를 기록하였다. 또한 두 재배실에 서의 CO2 균형 여부를 확인하고자 각 기간별로 두 재배실의 평균 CO2 농도에 대한 선형 회귀분석을 실시하였다.

표 3. 생육 단계에 따른 버섯과 상추의 혼합재배 처리 조건 처리

조건

버섯 상추

생육 단계 버섯

개체수(병) 생육 단계 상추 개체수(주) A

B C D E

9일째^y 10일째 12일째 12일째 14일째

3 4 3 2 2

7일째^y 8일째 10일째 10일째 12일째

9 11

9 9 11

y: 버섯의 균긁기 후 경과된 일수

z: 상추의 정식 후 경과된 일수

2) 버섯과 상추의 혼합 재배에서 CO2 농도 변화 특성 분석

- 버섯과 상추를 혼합 재배한 5개의 처리조건(표 3)에 대한 재배실 내부에서의 CO2 농도와 두 재배실에서의 평균 CO2 농도 변화에 대한 선형 회귀분석 결과는 그림 5와 같다.

- 5개의 처리조건 가운데, 처리조건 A, D, E에서는 버섯과 상추 재배실 의 CO2 농도가 균형을 이루었으나, 처리조건 B와 C에서는 CO2 농도

가 증가하였다. CO2 농도가 균형을 이루었을 때 선형회귀식의 기울기 a가 거의 0에 가까웠고, 결정계수(R²)도 작게 나타났다.

그림 5. 버섯과 상추를 혼합재배한 경우 9일째(A), 10일째(B), 12일째(C), 12일째(D), 14일째(E) 재배 실 내부의 CO2 농도 변화

- 한편, CO2 농도가 균형을 이루지 못하였을 때 선형회귀식의 결정계수 는 0.9 이상으로 높게 나타났다. 그러므로 본 연구에서는 선형회귀식 의 기울기와 결정계수가 작은 경우 두 재배실에서의 CO2 발생속도와 소비속도가 평형을 이루었다고 판단하였으며, 결정계수가 큰 경우 한 쪽 재배실에서의 CO2 발생속도 또는 소비속도가 크기 때문에 두 재배실의 CO2 평형이 이루어지지 않은 것으로 판단하였다. 3) 버섯과 상추 재배의 적정 혼합비율 추정

- 균 긁기 후 9일째 버섯 3병과 상추 9주, 균 긁기 후 12일째 버섯 2병과 상추 9주, 균 긁기 후 14일째 버섯 2병과 상추 11주는 CO2

발생 및 소비속도가 평형을 이루었다. 즉, 균 긁기 후 9, 12, 14일째에 새송이 버섯 1병의 CO2 발생속도는 정식 후 7, 10, 12일째인 상추 3, 4.5, 5.5주의 CO2 소비속도에 대응하는 것이다. 반면 균 긁기 후 10일째 버섯 4병과 상추 11주, 균 긁기 후 12일째 버섯 3병과 상추 9주는 버섯의 CO2 발생속도는 상추의 CO2 소비속도에 비해 높기 때문에 밀폐 재배실 내부에서 CO2 발생속도와 소비속도가 평형을 이루지 못하였다. 이 경우 강제 환기를 실시하지 않으면 밀폐형 식물 공장 내의 CO2 농도가 버섯의 품질을 저하시킬 만큼 높게 상승하므 로, 외부 공기를 유입하여 CO2 농도를 낮추거나, 또는 상추 재배주수 를 늘려서 CO2 농도의 균형을 맞추어야 한다.

4) 버섯과 상추의 혼합 재배에서 상추의 생육 특성 분석

- 상추의 생육 특성을 분석하고자 실험 개시 전 3주에 대한 지상부 생체무게와 엽면적을 측정하였고, 생장 실험이 종료된 후 9주에 대한 지상부 생체무게와 엽면적을 측정하였다. 또한 측정한 상추의 잎을 80℃에서 6일간 건조하여 건물무게를 측정하였다(표 4).

표 4. 상추의 생육 특성 생육 단계 지상부

생체무게(g)

지상부

건물무게(g) 엽면적(cm²) 7일째^z

12일째

10.31±2.3 20.42±7.3

0.82±0.2 3.98±1.3

273.87±67.8 426.38±140.3

z: 상추의 정식 후 경과된 일수

- 상추의 생육 특성을 분석한 결과 정식 후 12일째에 측정된 지상부 생체무게와 엽면적은 정식 후 7일째에 비해서 각각 2.0배, 1.6배로 나타났다. 한편 정식 후 12일째에 상추의 지상부 건물무게는 정식 후 7일째에 비해서 무려 4.9배 높게 나타났다. 상추의 생체무게와 엽면적에 비해서 건물무게가 크게 증가한 것은 상추의 광합성속도 증가에 따라 건물무게가 늘어난 결과로 판단된다. 즉 버섯과 상추의 혼합재배와 두 재배실 사이의 CO2 교환 및 평형에 의해서 상추 재배 실의 CO2 농도가 설정 값을 유지하였고, 이로 인하여 상추의 광합성 속도 증가에 따라 건물무게가 크게 증가한 것으로 판단된다.

□ 시사점

○ 식물공장의 실용화를 위해서는 작물생산에 필요한 자원을 효율적으 로 이용하는 기술개발이 필요함을 깊이 인식하였다.

○ 본 연구 활동을 통해 버섯의 호흡에 따른 CO2 발생과 상추의 광합성에 따른 CO2 소비 특성을 이해하였다.

○ 식물공장에서 버섯과 상추를 적정 혼합비율로 재배할 경우 버섯 재배 과정에서 발생된 CO2를 상추의 광합성 원으로 활용할 수 있으므로 식물공장에서 CO2의 이용 효율을 높일 수 있다.

○ 본 연구에서 추정된 버섯과 상추재배의 적정 혼합비율을 개선하려면 버섯과 상추의 적정 재배조건(광, 기온 등), 버섯의 CO2 발생속도 및 상추의 CO2 소비속도를 종합적으로 고려한 시뮬레이션 모형 개발 이 후속연구로 이어져야할 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 홍보

○ 2013년 10월 30일-11월 2일에 원광대학교에서 개최된 (사)한국원예학 회 추계학술발표대회에서 본 연구 결과의 일부에 해당하는 “상추와 버섯의 CO2 소비 및 발생량에 근거한 밀폐형 식물생산시스템 내 적정 작물 혼합비율 추정”을 포스터로 발표한 바 있었다(그림 6).

그림 6. (사)한국원예학회에서 발표된 연구 결과

□ 사후 활용 방안

○ (사)한국원예학회 추계학술발표회에서 포스터로 발표한 연구 결과를 정리하여 (사)한국원예학회의 국문학술지인 원예과학기술지(SCIE 급)에 게재하여 연구 성과를 확산할 예정이다.

○ 본 연구에서 얻어진 버섯과 상추 재배 과정에서의 CO2 소비 및 발생 속도에 근거한 밀폐형 식물생산시스템 내 작물의 적정혼합 비율 추정 결과는 식물공장을 이용한 버섯과 채소의 대량생산 기술을 개발하는 데 필요한 기초적인 자료로서 활용될 것이다. 또한 버섯과 채소의 CO2 소비 및 발생 속도는 생육단계에 따라 CO2 농도를 적정한 수준으

로 관리하기위한 식물공장 내 CO2 농도 예측 및 관리용 시뮬레이션 모델 개발에 활용될 수 있다.

5. 참고문헌

○ Cleary, J., N.T. Roulet, and T.R. Moore. 2005. Greenhouse Gas Emissions from Canadian Peat Extraction, 1990-2000: A Life-Cycle Analysis. Ambio. 34(6):456-461.

○ Kitaya, Y. A. Tani, M. Kiyota, I. Aiga. 1994. Plant growth and gas balance in a plant and mushroom cultivation system. Adv. Space Res. 14(11):281-284.

○ Mortensen, L.M. 1987. Review: CO2 enrichment in greenhouse. Crop responses. Sci. Hort. 33(1):1-25.

○ 기상청. 2011. 한반도 기후변화 전망보고서 p.20-21.

○ 류재산, 김민근, 조숙현, 윤용철, 서원명, 이현숙. 2005. 큰느타리 재배 의 최적 CO2 조건. 한국버섯학회지 3(3):95-99.

○ 손정익, 박종석, 박한영. 1999. 도시형 식물공장의 탄산가스 변화특성 해석. 한국원예학회지 40(2):205-208.

○ 장명준, 하태문, 이윤헤, 주영철. 2009. 느타리버섯의 품종별 환기회수 에 따른 생육 특성. 생물환경조절학회지 18(3):208-214.