STEAM R&E 연구결과보고서
(미래 사회에서 감자는 인류에게 최선의 식량 자원이 될 수 있는가?)
2016. 11. 30.
휘경여자고등학교
< 연구 결과요약 >
과 제 명 미래 사회에서 감자는 인류에게 최선의 식량 자원이 될 수 있는가?
연구목표
최근에는 지구 기후 환경의 변화가 또 하나의 식량 부족 문제의 요인이 될 것이라 는 예측이 커지고 있다. 지구의 기후 변화에 따른 대비 차원의 식량자원의 구축이 필요하지 않을까 하는 동기에서 본 연구는 출발했다.
또한 우주 개척 시대를 맞이하여 여러 가지 제약 조건이 따르는 화성에서 식물을 재배할 수 있는지 그 가능성을 알아보고자 했다.
연구내용
○ 미래 식량자원으로 선정한 감자를 여러 제약요소(온도 등) 하에서 재배한다.
○ 실험 결과를 근거로 미래의 새로운 환경에서 재배에 적합한 품종을 선정한다.
○ 화성에서 식물 재배에 미치는 제약 요인들을 파악한다.
○ 바이오스피어를 제작하여 화성에서의 감자 재배 가능성을 탐색한다.
연구성과
1. 고온 조건(비닐하우스)에서의 감자 재배>
- 상온에 비해 비닐하우스에서 자란 감자가 생장이 더디고, 수확량도 - 지구 온난화에 적합한 감자 품종은 금선과 자영으로 나타남.적음.
2. 자외선 조사 실험
: 화성 표면에 해당하는 세기의 자외선 C를 비춘 결과 감자 잎이 크게 손상됨.
3. 수경 재배 결과
: 감자와 같은 괴경 식물은 수경 재배에 부적합한 것으로 결론.
4. 바이오스피어 실험 결과
- 이산화탄소 농도(ppm) : 밤낮의 변화에 따라 주기적인 변화를 보였으며, 전체적으로 날짜가 지남에 따라 감소하는 경향을 보임.
- 산소의 농도(%) : 큰 변화가 나타나지 않음.
- 습도(%) : 낮 동안 감소하고 밤에는 증가하는 경향을 보였으며 초기에 비해 날짜가 지남에 따라 습도가 크게 증가함.
주요어 (Key words)
식량자원, 기후 변화, 미래 식량, 화성의 조건
< 연구 결과보고서 >
1. 연구 개요
□ 연구 동기 및 배경
○ 신문과 뉴스에서 북한과 아프리카 등 세계 절반의 인구가 굶주리고 있다는 것을 접한 적이 있다. 질병과 전쟁과 같은 환경 외적 요인들도 있고, 가뭄과 홍수와 같은 환경적 요인도 있다. 최근에는 지구 기후 환경의 변화가 또 하나의 요인이 될 것이라는 예측이 커지고 있다. 새로운 식량재배지를 찾아 떠나는 영화가 등장하기도 했다. 현재 기아상태에 있는 지역을 위한 식량자원의 발굴, 그리고 지구의 기후 변화에 따른 대비 차원의 식량자 원의 구축이 필요하지 않을까 하는 동기에서 본 연구는 출발했다. 또한 이 연구를 통해 식량 문제와 지구온난화로 인한 환경 문제등 인류의 미래에 대한 폭넓은 시야를 갖게 될 것으로 기대한다.
□ 연구 목적
○ 지구 온난화 등 기후 변화가 농작물 재배 환경에 미칠 영향을 파악한다.
○ 환경 오염, 우주 정착 등이 가져올 농작물 재배에 대한 제약 요소들을 파악한다.
○ 미래에 닥칠 식량부족 문제를 해결하기 위한 방안으로 지구 온난화와 같이 환경 변화에 대한 적응력이 강한 식물 자원을 발굴한다.
○ 환경 오염이나 우주 정착에 대비한 식물 자원을 발굴하고 필요한 재배 기술을 모색한다.
□ 연구 범위
○ 연구 분야 : 감자 생육 조건 및 재배 기술 탐색
○ 연구 진행 단계 : 미래 지구 기후로 예상되는 지구 온도 상승, 자외선 조사량 증가가 감자 재배에 미치는 영향을 파악하고, 화성에서 감자 재배 가능성을 확인하는 실험을 진행
2. 연구 수행 내용
□ 관련 선행연구 조사
○ 최근의 지구온난화(기후변화)가 한반도 농업환경에 미칠 영향은 농작물의 재배 지대 변화, 고랭지 작물 재배면적 감소로 고랭지 채소의 안정공급 차질, 맥류 안전재배지역의 확대, 월동환경 변화에 따른 병해충 재해 증가, 작물 수량 및 품질 영향에 따른 생산성 변화로 전망된다. (심교문 외 3인, “지구온난화에 따른 한반도의 농업환경 영향평가”, 한국농림기상학회·한국생물환경조절학회 공동학술발표대회 자료집 17권 1호, 2008)
○ 감자의 생육 온도가 생육 및 수확량에 미치는 영향에 대한 선행 연구가 1건 있었으나 (이진언, “감자의 재배 시기와 생육 조건에 따른 생육 및 수확량 변화”, 서울대학교 석사학위 논문, 2010), 단일 품종에 대한 연구였으므로 다양한 감자 품종에 대한 연구를 통해 재배 환경 변화에 대한 적응력을 비교하는 연구가 필요하다고 생각하게 되었다.
○ 자외선 조사가 감자의 생육에 미치는 영향을 연구한 경우(배은정 외 1인, “자외선 조사가 감자의 생육 및 minituber 생산에 미치는 영향”, 한국원예학회, 1988 )가 있었으나 자외선 조사 목적이 재배시 감자의 부패를 방지하기 위한 것이어서 오존층 파괴로 인해 예상되는 자외선 조사량과는 큰 차이가 있었고, 단일 품종에 대한 연구 결과였으므로, 다양한 감자 품종을 대상으로 자외선 조사량에 따른 감자의 생육 상태를 비교하는 연구가 필요하다고 생각하게 되었다
○ 감자는 수경 재배가 가능한 작물로 감자의 수경 재배 조건에 대한 선행 연구가 일부분 이루어져 있는 상태이다.(강형식 외 5인,“감자‘제서’품종의 봄 수경 재배 시 적정 괴경형성처리 방법 규명, 한국작물학회 학술발표대회 논문집, 20
□ 문제의 착안점
○ 지구 온난화에 따른 지구 재난 영화를 보면서 만약 영화에서와 같은 일이 실제로 일어난다면 농작물 재배에도 큰 영향을 미쳐 식량 문제 또한 심각해질 것이라는 생각을 하게 되었다.
○ 영화 마션에서 주인공이 감자를 키우는 내용을 보고 화성에서 정말 감자 재배가 가능할까 라는 의문이 생겨 이를 확인해 보고 싶었다.
□ 연구주제의 선정 과정
○ 영화 ‘마션’에서 주인공이 감자를 재배하는 장면을 보고 ‘왜 하필 감자일까?’라는 의문이 생겨 학생들이 감자에 대해 조사한 결과 감자가 전 세계적으로 널리 재배되는 작물로서 다양한 환경에서 재배할 수 있는 장점이 있다는 것을 알게 되었다.
○ (사)농수산식품유통연구원 김원일 사무국장님께 문의한 결과 감자는 재배가 용이하고 재배 기간이 짧아 연구에 적합한 재료라는 조언을 얻었고 이에 미래 식량 자원 후보로서 감자를 선정하였다.
○ 미래에 예상되는 재배 환경의 변화에 대한 감자의 적응력을 확인하기 위하여 다양한 감자 품종을 대상으로 온도 조건, 자외선 강도 조건에 따른 감자의 생산성 을 확인하는 실험을 수행하기로 하였다.
□ 연구내용
○ 지구 온난화, 환경 오염과 같이 농작물 재배 환경의 변화에 따른 예상 결과를 조사/검토한다.
○ 현 재배환경 중 핵심 제약요소, 그리고 미래 예측가능한 제약요소들을 파악한다.
○ 미래 식량자원으로 선별된 감자를 여러 제약요소(온도, 자외선, 수경 재배) 하에 재배한다.
○ 실험 결과를 근거로 미래에 예측되는 새로운 환경에서 생존력이 높고 생산력도 높은 품종을 선정한다.
□ 연구방법 및 절차
○ 농작물 재배 환경 변화 예측 및 제약 요소 파악(문헌 조사) ○ 연구용 감자 품종 확보
- 농촌진흥청 농업유전자원 정보센터를 통해 토종 감자 품종들과 외래종 감자 품종을 분양 받는다.
○ 다양한 제약 조건하에서 감자 재배 실험 가. 연구 설비 제작
- 전열 장치와 비닐을 이용하여 일정한 온도를 유지할 수 있는 감자 재배 장치를 제작한다.
- 일정 온도 조건에서 자외선 조사량을 다르게 할 수 있는 감자 재배 장치를 제작한다.
- 수경 재배 장치를 제작한다.
나. 감자 재배
- 품종별로 재배 온도를 다르게 한 조건에서 재배하여 생육 상태를 비교한다.
- 품종별로 자외선 조사량을 달리한 조건에서 재배하여 생육 상태를 비교한다.
- 품종별 수경 재배를 통해 생육 상태를 비교한다.
○ 화성 조건에서 감자 재배 가능성 연구 - 바이오 스피어 제작
- 감자 재배시 기체 조성 변화 분석
- 온도, 자외선 세기 등 식물 재배 환경 요인 조절 방안 연구
□ 연구 활동 및 과정
○ 실험설계
1. 미래 지구의 환경변화를 반영한 감자 재배 실험 1) 온도조건에 따른 재배
- 비닐하우스를 이용하여 상온의 온도보다 높은 온도를 유지할 수 있게 한다.
- 비닐하우스 속 감자의 품종별 생육 상태를 관찰한다.
2) 자외선 강도 조건에 따른 재배
- 일정한 온도에서 자외선 조사량만 변화 시킨다.
- 자외선의 조사량을 다르게 할 수 있는 재배 장치는 uva, uvc램프를 이용하여 재작한다.
- 자외선 램프를 쬐었을 때 감자의 품종별 생육 상태를 관찰한다.
3) 수경재배
- 감자 수경재배 장치는 시중에서 구하기 어려움으로 수경재배 장치를 고안 한다.
- 품종별 수경재배를 통한 생육 상태를 비교한다.
2. 화성에서의 감자 재배 가능성 실험(바이오스피어 연구) 1) 미니 바이오 스피어 제작
- 아크릴판을 이용하여 미니 바이오스피어를 제작하였다.
- 바이오스피어 내에 감자 개체와 측정 센서(산소, 이산화탄소, 온도, 습도, 자외선 측정용)를 설치 한 후 실리콘을 이용하여 밀폐시켰다.
2) 각 변인들의 변화 양상을 측정하였다.
○ 시행착오
가. 첫 번째 감자 재배
-날짜(심은 날짜): 2016. 4..20. 수
-품종: 페보리따, 레드데일, 수미, 아틸란틱, 혜삼(우리 팀이름), 자영
-방법: 스티로폼 화분을 사용, 청산비료와 일반 모래나 흙을 3:1로 썪어서 사용 -결과: 싹이 전혀 나지 않음. 감자는 흙안에서 썩음.
- 실패원인
1) 식물이 자랄 흙에 대해 무지해서 비료를 일반 흙보다 비율을 크게 함.
2) 스티로폼에서 물이 잘 빠져나가지 못함.
나. 두 번째 도전
-날짜(심은 날짜): 2016. 5. 16 -품종: 수미, 자영, 혜삼
-방법: 학교 건산홀 뒤쪽 밭에 잡초를 뽑아내고 밭을 만듦. 고랑을 만들고, 비닐을 씌움(잡초방지)
-결과: 감자의 생장은 아주 잘이루어 짐. 줄기가 약 1.5m 정도로 길고 튼튼하게 자랐지만, 괴경(감자)는 거의 달리지 않음.
-실패 원인
1) 이번 날씨가 너무 더워서 밤 동안 호흡량이 많아 괴경 형성이 방해됨.
2) 너무 얕게 감자를 심음. 줄기가 햇빛을 보게 되면 감자가 생기지 못함.
2016. 5. 16. 월요일
2016. 6. 28 화요일/ 7. 5 화요일
혜삼 자영 수미
다. 세 번째 도전
- 날짜(심은 날짜): 2016. 7. 31
- 품종: 아틸란틱, 레드데일, 페보리따, 수미
- 방법: 5월달에 심은 감자를 뽑아내고, 다시 밭을 갈아서, (CJ 김원일분의 도움을 받아) 비료와, 영양분을 적절히 줌. 비닐도 씌움
- 결과: 각각의 품종당 1~2개씩 30cm정도 자라다가 멈춤. 감자는 지름: 2~3cm 정도로 1개당 1,2개씩 달림.
- 실패원인: 잘 모르겠음.
라. 네 번째 도전
- 날짜(심은 날짜): 2016. 9. 2. 화 - 품종: 자영, 대지, 금선, 진선, 방울
- 방법: 생물실 실험실 베란에 부직포 화분과 주문한 흙을 넣고, 씨감자를 큰 화분에는 3개씩, 작은 화분에는 2개씩 넣음. 총 품종당 씨감자 11~12개를 심음 - 실험: 자외선(uva램프 8와트짜리)실험, 수경재배, 비닐하우스
2016. 7. 31.
만드는 과정
3. 연구 결과 및 시사점
□ 실험 결과
1. 자외선 조사 실험
2. 수경재배 실험
4일째: 잎의 색이 변하기 시작함(녹색-> 어두운 보라색) 7일째: 잎전체가 보라빛
1. 싹튼 이후 감자 수경재배 2. 씨감자 수경재배
4일째: 잎의 색이 변하기 시작함(녹색-> 어두운 보라색) 7일째: 잎전체가 보라빛
3. 고온 조건 재배(비닐하우스)
자영 방울 금선 대지 진선
: : :
□ 실험 결과 분석
1. 자외선 조사 실험- 모두 강한 자외선으로 죽어버렸다. 감자가 달리긴 했지만 그것은 이미 자외선 실험전에 달린 것으로 추정된다.
2. 고온 재배 실험
가. 비닐하우스와 상온에서의 온도와 습도 변화
- 온도는 비닐하우스 안이 밖보다 평균 1~2도 씩 더 높게 측정 됨.
- 습도는 비닐하우스 안이 밖보다 1~2% 정도 높게 측정
대지 자영 방울 금선 진선
3주후
자외선실험을 한 감자들
나. 상온(대조군)과 비닐하우스에서 키운 감자 비교
- 생육상태나 수확량을 보면 상온에서 자란 감자보다 비닐하우스에서 자란 감자 가 생장이 더디고, 수확량도 적다.
- 수확량(감자의 총질량): 금선>자영>대지>진선>방울 (상온) 금선>대지>방울>자영>진선(비닐하우스) - 생육의 정도(상층부 길이, 줄기둘레): 대지>금선>자영>진선>방울(상온) 자영>금선>대지>방울>진선(비닐하우스)
시간(11/11~12 측정) 온도 습도(%)
상온 비닐하우스 상온 비닐하우스
08:00 AM 4 4.7 40 41
10:30 AM 7.6 10 38 38
12:00 AM 9.2 12.2 38 39
03:20 PM 11.4 12.7 39 41
06:30 PM 9.2 10.2 고장 고장
10:30 PM 6.8 9.2 고장 고장
담날 10:00AM 16.8 18.2 고장 고장
상층부, 줄기 두께 측정 감자 지름 측정 감자 질량 측정 실험실 상황
비닐하우스
금선 대지 방울 자영 진선
상온(대조군)
3. 수경재배
- 옮겨 심은 감자는 2주내로 죽었으며, 씨감자 통째로 심은 감자는 자라긴 했지만 어느 정도 자란 후 감자는 달리지 않고 썩어 죽었다.
- 자문(CJ 김희택 분께 자문)한 결과, 감자는 수경재배가 거의 불가능하며 가끔 수경재배 로 재배하기도 하는데 그것은 물에 많은 양분과 용존 산소를 포함하여 계속적으로 순환시켜주기 때문에 가능하다는 걸을 알게 되었다.
4. 미니바이오스피어 연구
비닐하우스 상층부(cm) 줄 기 두 께
(cm)
감자 평균
지름(cm)
감자 개수
(개)
감자 총 질량 (g)
금선 62.6 4.5~5.5 3.5 12 340.8(1위)
대지 65 3~4 3.7 7 153.3
방울 53.5 2.8~3.1 2.1 7 47.6(꼴등)
자영 80.3 3.5~4 2.9 12 228(2위)
진선 37.3 3~3.3 2.7 4 73.6
상온 상층부(cm) 줄 기 두 께
(cm)
감자 평균
지름(cm)
감자 개수
(개)
감자 총 질량 (g)
금선 77 3.5~4.5 3.8 36 1058.4(1위)
대지 87 4~5 4.2 24 1044(2위)
방울 56.3 4~5 3.4 50 990
자영 66 4~5 2.8 57 832
진선 64.6 4.5~5.5 3.9 25 805(꼴등)
가. 미니바이오스피어 제작 및 설치
나. 산소와 이산화탄소 농도 변화표
온도(℃) 습도(%) O2(바이오) CO2(바이오)
실내 바이오 실내 바이오 실내 바이오 실내 바이오
(B/M)
23일 18시 14 18 30 44 20.7 470/398
23일 20시 12.4 16.8 30 50 20.7 503/402
24일 07시 11.4 14 29 76.4 20.6 706/586
24일 08시 9 14 31 76 20.6 704/576
24일 10시 11.1 17 28.7 69.5 20.6 466/425
24일 12시 18.1 20 20.9 76 20.4 202/122
24일 14시 16 18 21 79? 20.7 105/64
24일 16시 16 25 25 66.4 20.6 56/14.6
24일 20시 9 15 30.4 78 20.6 160/56
24일 21시 10 16 29.6 81 20.7 180/107
25일 08시 9 14.3 33 80.4 20.7 380/295
25일 12시 16 18 24.5 79 20.3 107/293
25일 16시 17 22 24 80 20.6 70/14.6
26일 08시 13 15 35 82 20.7 376/280
나. 산소와 이산화탄소 농도 변화 그래프
□ 연구 결론
1. 상온에 비해 비닐하우스에서 자란 정도는 금선(32.1%), 자영(27%), 대지(14.6), 진선(9%), 방울(4%) 이렇게 된다. 따라서 지구기온이 상승했을 때 재배에 가장 적합한 감자의 품종은 금선과 자영이라고 할 수 있다.
2. 화성에서의 감자 재배 가능성을 연구하기 위해서는 산소와 이산화탄소 농도 조절 뿐만 아니라 지구보다 강한 것으로 알려진 자외선 C의 영향, 저온 환경에서 필요한 온도 조절 시스템에 대한 자료 축적이 필요하다.
□ 시사점
○ 나중에 지구가 점점 기온이 높아지고, 황폐화되었을 때 감자를 계속 수확하고 싶다면, 환경을 감자 생육에 적합하게 만들어 주던가, 아니면 그런 환경에 잘 크는 새로운 품종을 개발해야 한다.
○ 미니바이오스피어 실험을 통해 화성에서의 감자 재배 가능성을 확인하였다.
자외선을 차단하기 위해 외부 차단재는 유리나 아클릴 재질이 적당할 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 후속 연구 추진
○ 화성에서 감자를 재배할 수 있는 바이오스피어 개발 방안 연구 지속 - 온도, 토양 및 물 문제 해결 방안을 연구해야 함
