유엔(UN)은 오는 2030년까지 약 8억 4,000만 명이 식량부족에 봉착할 것으로 보고 있다.

그러나 과학자의 생각은 다르다. 나노와 인공지능(AI) 기술을 적용해 정밀농업을 수행할 경우 예상되는 기아를 해소할 수 있다는 것.

영국 버밍엄 대학이 이끄는 국제연구팀은 최근 이 같은 내용이 담긴 논문을 국제학술지에 게재했다. 논문이 제시하고 있는 농업 모델은 나노, 인공지능 등 첨단 과학을 활용해 식량을 증산하고 온실가스 배출을 줄이는 획기적인 방안을 담고 있다.

나노기술‧기계학습을 적용해 정밀농업 시도

그동안 기후 변화, 인구 증가, 토양의 질 저하 등의 요인으로 인해 세계 식량사정은 어려움을 겪어왔다.

논문 공동저자인 버밍엄 대학의 이졸테 린치(Iseult Lynch) 교수는 25일 ‘라이브 사이언스’와의 인터뷰를 통해 “추정한 바에 따르면 지구 인구의 9%인 약 6억 9,000만 명이 현재 배고픈 상태에 있는 것으로 나타났다.”라고 말했다.

그는 “이 문제에 대한 지속가능한 농업 솔루션을 찾으려면 대담하고 새로운 접근 방식이 필요하다.”라고 말했다. “나노과학과 같은 재료 관련 과학과 인공지능의 기계학습과 같은 정보학 등 다양한 분야의 지식을 활용할 필요가 있다.”는 것.

연구팀은 현재 농업 현장에서 획기적인 정밀농업(precision agriculture)을 시도하고 있다.

연구팀은 논문을 통해 “영양 순환(nutrient cycling) 및 작물 생산성(crop productivity)을 위한 기존 모델에 나노 기술과 정보학 등을 결합해 수확량을 이전보다 훨씬 더 증산할 수 있었다.”라고 말했다.

그리고 영양소의 흡수 및 전달, 영양소 포획 및 토양 미생물 군집에 대한 장기적인 영향을 최적화하면서 지속해서 증산이 가능한 경작 모델을 설계할 수 있었다고 밝혔다.

주목을 끄는 부분은 이 농법이 온실가스 배출을 최소한으로 낮춘 친환경 농업을 지향하고 있다는 점이다. 작물 비옥도를 목표로 하면서도 토양 품질, 작물 수확량 및 영양소 사용 효율(NUE)을 강화하고 아산화질소 배출을 크게 줄일 수 있는 잠재력을 제공한다는 것.

이 농법을 적용해 오는 2050년까지 영국 기후변화법에 따른 온실가스 배출량을 제로화 할 수 있다고 말했다.

논문은 국제 식물학지 ‘네이처 플랜츠(Nature Plants)’ 지 24일자에 게제됐다. 제목은 ‘지속가능하고 정밀한 농업을 가능하게 하는 나노‧인공지능 기술(Nanotechnology and artificial intelligence to enable sustainable and precision agriculture)’.

나노 차원에서 물질 순환 제어 가능해

버밍엄 대학의 논문이 주목받고 있는 이유는 나노 차원에서 다양한 물질이 뿌리, 잎, 토양 등과 상호작용하고 있는 방식을 기반으로 하고 있기 때문이다.

논문은 나노 차원에서 생태계를 조성하고 있는 다양한 물질이 서로에게 어떤 영향을 미치고 있으며, 장기적으로는 농업 생태계 전반에 어떤 영향을 주고 있으며, 그로 인해 이들 물질들의 수명주기가 어떻게 변화하고 있는지에 초점을 맞추고 있다.

연구팀은 이 농업 모델을 ‘나노 기반의 농업 시스템’이라고 부르고 있다.

또 모든 순환과정을 인공지능의 기계학습 기능을 적용해 나노 물질들의 속성을 분석한 후 순환 과정을 제어해 나갈 방법을 제안하고 있다.

이졸테 린치 교수는 “나노 기술과 인공지능을 사용하는 정밀 농업은 지속가능한 식량 생산을 위한 흥미로운 기회를 제공하고 있다.”라며, “향후 더 많은 정보를 축적해 작물과 토양이 지속해서 공존할 수 있도록 환경을 조성해나갈 계획”이라고 말했다.

관심을 끄는 대목은 최근 지구온난화의 원인으로 지목받고 있는 농작물 경작지 증가 문제를 다루고 있다는 점이다. 늘어나는 인구 증가로 인해 필요한 농산물을 생산하기 위해서는 경작지를 계속 늘려나가야 한다.

더 우려되는 것은 지구 온난화를 유발하는 이산화탄소보다 300배 더 강력한 질소 비료로 인한 아산화질소가 대량 배출되고 있다는 사실이다. 대기로 배출되는 인위적인 아산화질소의 약 70%는 농업 부문에서 발생하고 있다.

이런 환경에서 농지의 효율성은 극도로 악화됐으며, 또한 늘어나는 온실가스 배출의 요인으로 지목받고 있다. 지구 온실 가스 배출량의 약 11%가 농업에서 발생하고 있는 것으로 추산되고 있다.

그러나 새로 개발하고 있는 나노 비료는 작물 비옥도를 목표로 하고 있다고 밝혔다. 영양의 효율성을 강화하고, 아산화질소 배출을 줄일 수 있는 잠재력을 제공할 수 있다며, 오는 2050년까지 영국 기후변화법에 따른 온실가스 배출량을 제로화 할 수 있다고 말했다.

이런 성과를 기대할 수 있는 것은 최근 급속히 발전하고 있는 나노 기술과 인공지능이다. 펭 창 교수는 “AI의 기계학습을 포함한 컴퓨팅 접근 방식, 나노 기반의 농업은 향후 발전을 주도하면서 세계가 당면한 식량부족, 지구온난화 등의 문제를 해결할 수 있다.”라고 말했다.