KR20140035821A - 아이스플랜트의 수경재배용 양액 조성물 및 이를 이용한 재배방법 - Google Patents

아이스플랜트의 수경재배용 양액 조성물 및 이를 이용한 재배방법 Download PDF

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차미경
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 아이스플랜트의 수경재배용 양액 조성물 및 상기 조성물을 이용한 식물공장 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 식물공장에서의 대량재배를 목적으로 하는 본 발명의 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물은 아이스플랜트의 다량원소 성분을 근거로 조성되어 기존 양액 조성물에 비해 아이스플랜트의 생산성을 현저히 향상시킬 수 있어 식물공장에서의 대량재배 등에 유용하게 활용될 수 있다. 또한 상기 본 발명의 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 이용한 식물공장 시스템은 최근 힐링 플랜트 등의 기능성 식물로 각광받고 있는 아이스플랜트의 생육 정도 및 생산량을 증대시킬 수 있으므로, 재배 자동화, 환경제어 기술 및 모델링 기법을 통한 환경 친화적인 식물공장 시스템의 개발 뿐 아니라 수직농장, 폐쇄 생태계 생명 유지 시스템 및 우주농업과 같은 미래 지향적인 농업형태로의 개발에도 광범위하게 활용될 수 있다.

Description

아이스플랜트의 수경재배용 양액 조성물 및 이를 이용한 재배방법 {Composition of nutrient solution for hydroponic culture of ice plant and culturing method using the same}
본 발명은 아이스플랜트의 수경재배용 양액 조성물 및 이를 이용한 재배방법에 관한 것으로, 구체적으로 식물공장에서의 대량재배를 목적으로 하는 본 발명의 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물은 아이스플랜트의 다량원소 성분을 근거로 조성되어 기존 양액 조성물에 비해 아이스플랜트의 생산성과 품질을 현저히 향상시킬 수 있으므로 식물공장에서의 대량재배 등에 유용하게 활용될 수 있다.
식물공장은 우리나라에서 아직 상업화 단계에는 미치지 못하나 최근 농촌진흥청을 중심으로 관련연구가 활발히 진행 중인 분야이다. 1990년대 초 유리온실 보급으로 양액재배 기술이 발전된 이래 1996년 농촌진흥청에서 재배시험에 착수하였고, 2004년도에는 수평형 식물공장의 요소기술 개발에 성공하여 250 ㎡ 규모의 수평형 식물공장이 운영되었으며, 2009년부터 시작한 수직형 식물공장 생산 자동화 시스템의 개발로 인해 수평적 개념에서 수직적 개념의 식물공장에 대한 연구가 이루어지고 있다. 최근에는 국내 처음으로 완전폐쇄형 식물공장 시설이 시도되어 상추, 양상추, 시금치 등의 엽채류를 비롯하여 인삼 등을 실증재배 하는데 이용되기도 하였다 [전주생물소재연구소, News Letter No.8, 2009]. 일부 대기업에서도 이러한 식물공장의 개발 및 설치에 많은 관심을 보이고 있으나 초기투자비용이 너무 많이 소요되어 계속적인 실용화 연구가 절실히 필요한 실정이다.
아이스플랜트(common ice plant, 학명: Mesembryanthemum crystallinum L.)는 식물공장과 같이 제어된 환경 하에 재배 가능한 엽채류로 최근 각광받고 있는 식물이다. 다육식물로서 발아율이 낮고 성장속도가 느린 특징이 있으며, 원산지는 남아프리카의 나미브 사막으로 주요 분포 지역은 아프리카 남부, 동서부, 북부, 오스트레일리아 남서부, 아메리카의 서쪽 건조지역이다. 표면에 있는 투명한 결정체인 블래더 세포(bladder cells)에는 이노시톨류, 베타카로틴과 같은 인체에 유용한 성분과 각종 미네랄을 함유하고 있으며, 이러한 줄기와 잎의 블래더 세포가 얼음결정과 같은 모양을 하고 있어 '아이스플랜트'라 불리게 되었다. 이러한 아이스플랜트에는 혈당치를 낮추는 피니톨(pinitol) 및 중성지방을 억제하는 마이요이노시톨(myoinositol)이 다량 함유되어 있어 당뇨병 예방 또는 치료를 위해 잎과 줄기를 생식 또는 즙액의 방법으로 섭취하는 힐링 푸드(healing food vegetable)로도 사용되고 있다.
따라서 아이스플랜트를 식물공장 시스템 등으로 대량 재배하는 것이 요구되고 있으나, 국내에 새롭게 도입된 채소류인 만큼 이에 대한 재배연구는 아직까지는 미흡한 실정이다. 특히 식물공장 재배기술이 제대로 보급되어 있지 않아 아이스플랜트에 적합한 재배기술을 개발하고 구축할 필요가 있다.
수경재배나 식물공장에서 작물에 적합한 재배용 양액의 공급은 작물의 생산성을 증대시키는 중요한 요인으로 작용한다. 따라서 고품질 작물의 대량생산을 목적으로 하는 식물공장 시스템을 개발하기 위해서는 작물의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 적절한 양액 개발이 절실히 요구되며, 이에 수경재배용 양액 조성물 관련 연구들이 계속적으로 이루어지고 있다.
구체적으로, 대한민국 특허공개 제2004-0071086호에는 게르마늄 및 셀레늄 함유 비료를 이용한 식용, 약용, 식물류의 재배방법이; 대한민국 특허등록 제0688990호에는 유기성 칼슘, 유기성 셀레늄, 아미노산 액비, 목초액, 벤토나이트 등을 함유하는 혼합물을 시비하여 셀레늄과 칼슘 함량이 높은 채소를 재배하는 방법이; 대한민국 특허공개 제2004-0098784호에는 셀레늄 및 게르마늄을 함유하는 엽채류 재배용 양액 조성물이; 대한민국 특허등록 제1120635호에는 셀레늄 나노입자, 수산화칼슘 나노입자 및 산화철 나노입자를 포함하는 셀레늄, 칼슘, 철 등의 미네랄 함유량 증가를 위한 과채류 재배용 미네랄 양액 조성물이; 대한민국 특허등록 제1144641호에는 미네랄 심층수, 염분, 게르마늄, 제올라이트, 셀레늄, 천연 식이유황, 키토산 및 해조류 등을 포함하는 액상복합비료가 개시되어 있으나, 아이스플랜트의 대량재배를 목적으로 하는 양액 조성물에 대한 연구는 아직까지 미흡한 실정이다.
이에 본 발명자들은 아이스플랜트의 식물공장 재배 실현화를 위한 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 개발하기 위해 예의 연구한 결과, 아이스플랜트의 성분 분석을 통해 다량원소 함량을 근거로 조성된 수경재배용 양액 조성물 및 이를 이용한 식물공장 시스템이 아이스플랜트 재배의 생육 및 생산량을 현저히 증대시킬 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
KR 1020040071086 A KR 100688990 B KR 1020040098784 A KR 101120635 B KR 101144641 B
따라서 본 발명의 목적은 아이스플랜트의 생육 및 생산량을 향상시킬 수 있으면서 식물공장 시스템에 효과적으로 적용할 수 있는 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 양액 조성물을 사용하여 아이스플랜트의 생육 및 생산량을 향상시킬 수 있는 아이스플랜트의 재배방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 NO3-N 6.3-7.7 mM/L, NH4-N 0.6-0.7 mM/L, H2PO4 0.6-0.7 mM/L, K 3.6-4.4 mM/L, Ca 1.4-1.7 mM/L, Mg 0.9-1.1 mM/L 및 SO4-S 0.9-1.1 mM/L를 포함하는 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 양액 조성물은 5.5~6.5 범위의 pH 및 0.8~1.2 dS·m-1 범위의 EC(electrical conductivity) 값을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 양액 조성물은 5 내지 20 부피%의 용천수를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 양액 조성물에 기능성 물질 시비를 위하여 Na2SeO3을 수확하기 5 내지 10일전에 0.1 내지 3.0 ppm을 추가로 첨가할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 양액 조성물을 처리하여 아이스플랜트를 수경재배하는 것을 포함하는 아이스플랜트의 재배방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배는 2단 이상의 다단식 베드에 아이스플랜트를 재배하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배는 20~25℃의 온도, 65~75%의 상대습도 및 600~900 μmol·mol-1의 이산화탄소 농도를 갖도록 지상부 환경을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배는 3파장 형광등 또는 LED 광원을 이용하여 100~200 μmol·m-2·s-1 범위의 광도로 광처리를 수행하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배는 파종 이후 잎이 2~4장이 되었을 때 10~25 cm의 재식거리로 정식을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물 및 이를 이용한 아이스플랜트의 재배방법은 최근 힐링 플랜트 등의 기능성 식물로 각광받고 있는 아이스플랜트의 생육 정도 및 생산량을 증대시킬 수 있으므로, 재배 자동화, 환경제어 기술 및 모델링 기법을 통한 환경 친화적인 식물공장 시스템의 개발 뿐 아니라 수직농장, 폐쇄 생태계 생명 유지 시스템 및 우주농업과 같은 미래 지향적인 농업형태로의 개발에도 광범위하게 활용될 수 있다.
도 1a 내지 1d는 각각 본 발명의 일실시예에 따라 2012년 1월 31일부터 2월 1일까지 식물공장 내에서 20~25℃의 온도, 65~75%의 상대습도, 600~900 μmol·mol-1의 이산화탄소 농도 또는 900~1000 μmol·mol-1의 이산화탄소 농도로 지상부 환경을 제어하여 식물공장 내 온도분포(1a), 상대습도분포(1b) 또는 이산화탄소 농도 분포(1c 및 1d)를 나타낸 결과 그래프이다. 이때, 도 1a 내지 1d에서의 'on' 및 'off'는 각각 오후 10시부터 오전 10까지의 광처리 수행 및 오전 10시부터 오후 10까지의 광처리 비수행을 의미한다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 식물공장 내에서 0 내지 2000 μmol·m-2·s-1 범위에서 서로 다른 광도로 광처리를 수행하여 재배한 아이스플랜트의 광합성량을 나타낸 결과 그래프이다.
도 2b 및 2c는 각각 본 발명의 일실시예에 따라 식물공장 내에서 광도 100 또는 200 μmol·m-2·s-1의 50 W 삼파장 형광등(FL_100 또는 FL_200) 또는 광도 100 μmol·m-2·s-1의 LED 광원(LED_100)을 통해 광처리를 수행하여 재배한 아이스플랜트의 생체중(Fresh weight) 및 건물중(Dry weight)을 나타낸 결과 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물(IP) 및 비교양액으로 일본원예시험장액(Cont.)을 사용하여 재배한 아이스플랜트의 생체중(Fresh weight) 및 건물중(Dry weight)을 나타낸 결과 그래프이다.
도 3b 및 3c는 각각 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물(IP) 및 상기 양액 조성물에 용천수를 5 부피%로 첨가한 양액 조성물(Spring water)을 사용하여 식물공장 내에서 재배한 아이스플랜트의 생체중(Fresh weight) 및 건물중(Dry weight)을 나타낸 그래프이다.
도 3d는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물(IP)에 용천수를 50 부피%(왼쪽사진) 또는 100 부피%(오른쪽사진)로 첨가한 양액 조성물을 처리하여 식물공장 내에서 재배한 아이스플랜트의 생육상태를 확인한 결과 사진이다.
도 3e와 3f는 본 발명의 일실시예에 따라 제주된 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물에 셀레늄(Na2SeO3)을 0, 2, 4, 9 ppm으로 첨가한 양액 조성물을 처리하여 식물공장 내에서 재배한 아이스플랜트의 생육상태를 확인한 결과 사진이다.
도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 일실시예에 따라 식물공장 내에서 재식밀도 15×10(5 cm, 67 plants/m2), 15×15(15 cm, 44 plants/m2), 15×20(20 cm, 33 plants/m2) 또는 15×25(25 cm, 27 plants/m2) cm로 재배한 아이스플랜트의 개체당(4a) 또는 단위면적당(4b) 생체중(Fresh weight) 및 건물중(Dry weight)을 나타낸 결과 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물은 아이스플랜트(common ice plant)의 성분 분석을 통해 확인된 다량 원소 성분들의 함량을 근거로 조성되었으므로, 아이스플랜트 재배시 생육 및 생산량 증대에 효과적이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 아이스플랜트 성분 분석을 통해 확인된 다량원소 함량을 근거로 양이온(칼슘, 칼륨과 마그네슘)과 음이온(질소, 인, 황)의 함량비를 mM 단위로 산출한 결과, NO3-N 6.3-7.7 mM/L, NH4-N 0.6-0.7 mM/L, H2PO4 0.6-0.7 mM/L, K 3.6-4.4 mM/L, Ca 1.4-1.7 mM/L, Mg 0.9-1.1 mM/L 및 SO4-S 0.9-1.1 mM/L를 포함하는 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 제조할 수 있었다. 상기 본 발명에 따른 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물의 pH는 통상의 방법에 따라 5.5~6.5 범위 내로 조정할 수 있으며, EC(electrical conductivity)는 통상의 방법에 따라 0.8~1.2 dS·m-1가 되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 양액 조성물은 상기 원소들 외에도 나트륨 또는 셀레늄 등의 보조 성분들은 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 아이스플랜트는 염생식물이므로 배양액에 나트륨을 첨가할 때 생육이 증대되는 것으로 알려져 있다 [Agarie et al., Journal of Experimental Botany (2007), 58(8), 1957-1967]. 따라서 본 발명의 아이스플랜트 양액 조성물은 이러한 나트륨 공급원으로써 용천수를 5 내지 20 부피% 범위로 추가로 포함할 수 있으며, 상기 용천수는 제주도 등의 화산지대로부터 수득한 것일 수 있다. 상기 용천수의 함량은 이에 제한되는 것은 아니나, 본 발명의 일실시예에 따르면 50 부피% 이상으로 포함되는 경우 조직이 단단해지고 엽색이 빨강색으로 변할 수 있으며 강한 염류 농도로 인해 위조증상이 발생되면서 고사를 일으킬 수 있으므로, 아이스플랜트 재배 목적 및 아이스플랜트 종류에 따라 적절히 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 처리하여 아이스플랜트를 수경재배하는 것을 포함하는 아이스플랜트의 재배방법을 제공하며, 상기 수경재배 공정은 통상적인 아이스플랜트 시비 처리방법에 따라 NFT(박막수경) 시스템, 담액수경 시스템, 분무(수)경 시스템, 점적호수 시스템, 점적관수 시스템 등을 통해 수행할 수 있다. 이때, 박막수경 및 담액수경 시스템의 경우에는 (수중)모터를 이용하여 매일 10분 공급/10분 정지를 계속 반복하여 하루 동안 배양액을 공급하거나, 24시간 계속해서 연속급액 할 수 있으며, 분무(수)경, 점적호수 및 점적관수 시스템의 경우에는 하루 1-3번 일정량, 바람직하게는 100 mL/plant 씩의 배양액을 공급할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배는 바람직하게는 지하공기를 이용한 제주형 식물공장 형태일 수 있다. 화산지역인 제주도의 지하에 있던 공기는 14~19℃로 연중 일정한 온도를 유지하면서 460~13,100 ppm 농도의 이산화탄소(CO2)를 함유하는 특징을 갖는다. 따라서 식물공장 시스템에 상기 제주형 식물공장 형태를 도입할 경우 냉ㆍ난방 및 이산화탄소 공급제어를 위한 추가의 에너지 소비를 최소화시킬 수 있으므로 최적의 환경조건을 제공하면서 고유가 시대에 경쟁력 향상을 기대할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배의 재배 베드는 2단 이상의 다단식 베드일 수 있으며, 바람직하게는 3단일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배는 통상적인 아이스플랜트 재배방법에 따라 20~25℃의 온도, 65~75%의 상대습도 및 600~900 μmol·mol-1의 이산화탄소 농도를 갖도록 지상부 환경을 제어하는 것을 포함할 수 있으나, 이때 온도, 상대습도 또는 이산화탄소 농도의 범위는 상기 바람직한 범위에 제한되지 않으며 아이스플랜트의 품종 및 재배목적 등에 따라 식물공장 시스템 내 지상부 환경을 적절히 조절하여 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배의 지상부 환경의 온도 및 습도를 제어하기 위해 식물공장 내에 온도센서 및 습도센서를 설치할 수 있으며, 난방기 또는 냉방기를 가동시켜 온도를 제어하고, 제습기 또는 가습기를 가동시켜 상대습도를 제어할 수 있다. 또한, 공기 중 이산화탄소의 농도를 제어하기 위해 식물공장 내에 이산화탄소 농도 센서를 설치하고 전동기 가동을 통해 지하공기를 유입시켜 이산화탄소 농도를 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 방법에 따라 2012년 1월 31일부터 2월 1일까지 20~25℃의 온도, 65~75%의 상대습도 및 600~900 μmol·mol-1의 이산화탄소 농도를 갖도록 지상부 환경 제어를 수행한 결과, 도 1a 내지 1c에 나타낸 바와 같이, 식물공장 내 온도분포는 평균 23.6±0.22℃로, 최고 26.3℃ 및 최저 21.7℃인 것을 확인하였고, 상대습도는 평균 66.8±0.21%로, 최고 69.64% 및 최저 63%인 것을 확인하였으며, 이산화탄소 농도 분포는 평균 748±8.0 μmol·mol-1로, 최고 894 μmol·mol-1 및 최저 666 μmol·mol-1인 것을 확인하였다. 한편, 이산화탄소 농도의 경우 너무 높게 설정되는 경우 변화 폭이 커져 정밀한 제어가 어려워짐을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 수경재배는 3파장 형광등 또는 LED 광원을 사용하여 100~200 μmol·m-2·s-1 범위의 광도로 광처리를 수행하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 0 내지 2000 μmol·m-2·s- 1 까지 서로 다른 광도로 광처리를 수행하여, 광도 변화에 따른 아이스플랜트의 광합성량을 측정한 결과, 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 광도 변화에 따른 아이스플랜트의 최대 광합성량은 15 μmol·CO2·m-2·s-1인 것을 확인하였으며, 이의 60~80% 이상의 광합성량을 얻기 위해 최소 100~200 μmol·m-2·s-1의 광도가 필요한 것을 확인하였다.
또한, 광원으로 55 W 삼파장 형광등 또는 LED 광원을 사용하여 광처리를 수행한 결과 광도가 높아질수록 생체중과 건물중이 증가한 반면, 동일한 광도의 형광등과 LED 광원 간의 아이스플랜트 생육에 대한 유의적인 차이는 없는 것을 확인하였다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명의 수경재배는 파종 이후 잎이 2~4장이 되었을 때 10~25 cm의 재식거리로, 바람직하게는 10~15 cm의 재식거리로 정식을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 식물공장 내에서 파종 후 15×10, 15×15, 15×20 또는 15×25 cm의 재식밀도로 정식한 아이스플랜트를 재배한 결과, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 개체당 생육량의 경우 재식밀도를 15×20 cm(33 plant/m2)로 하여 재배한 아이스플랜트가 가장 우수했으며, 도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 단위면적당 생육량의 경우 재식밀도를 15×10 cm(67 plant/m2)로 하여 재배한 아이스플랜트가 가장 우수한 것을 확인하였다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 식물공장 내에서 셀레늄(Na2SeO3)을 정식 후 38일(수확 10일 전)과 정식 후 43일(수확 5일 전)에 0, 2, 4, 9 ppm으로 배양액에 처리할 경우, 셀레늄 처리에 따른 지상부 생육량과 건물량이 감소하는 경향을 보였다. 정식 후 38일의 아이스플랜트 엽내 셀레늄 농도는 식물체 건물중당 0, 10.6, 16.6, 18.8 ppm 이었다. 정식 후 43일의 아이스플랜트 엽내 셀레늄 농도는 식물체 건물중당 0, 20.9, 28.2, 33.4 ppm 이었다. 기능성 물질인 셀레늄을 처리할 경우 엽내로 셀레늄이 흡수되는 것을 관찰하였으며, 2 ppm 처리구가 흡수에 대한 효율성에서 우수하였다. 셀레늄 처리는 정식부터 처리할 수 있지만, 생육이 불량해지는 측면이 있다. 따라서 정식부터 처리할 경우 셀레늄의 농도는 2 ppm 이하로 처리하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물 및 이를 이용한 아이스플랜트의 재배방법은 아이스플랜트의 생육 정도 및 생산량을 증대시킬 수 있으므로, 이에 따라 아직 우리나라에서 확립되지 않은 아이스플랜트의 대량 생산을 위한 효과적인 식물공장 시스템 구축 모델을 제공함으로써 최근 힐링 플랜트(healing plant) 등의 기능성 식물로 각광받고 있는 아이스플랜트의 생산 증대를 통한 국내 농법의 경쟁력 향상에 기여할 뿐 아니라 재배 자동화, 환경제어 기술 및 모델링 기법을 통한 환경 친화적인 식물공장 시스템의 개발과 수직농장, 폐쇄 생태계 생명 유지 시스템 및 우주농업과 같은 미래 지향적인 농업형태로의 개발 등에도 광범위하게 활용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 추가적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물의 제조
1) 아이스플랜트 다량원소 분석
아이스플랜트의 다량원소 성분 분석을 위해 통상적인 H2SO4-HClO4 분해법 [농촌진흥청 표준분석법, 2011]에 따라 하기와 같은 분석을 수행하였다.
건조 분쇄된 아이스플랜트 시료 0.5 g을 100 ㎖ 삼각 플라스크에 넣고 여기에 농축 황산(conc. H2SO4) 1 ㎖ 및 50% HClO4 용액 10 ㎖를 가하여 분해조(Hotplant & magnetic stirrer, 민성과학)에 넣었다. 이를 낮은 온도(눈금 3, 100℃)에서 10분 동안 예비가열 후 점차 온도를 높여 분해온도(눈금 7, 310-410℃)에서 시료 혼합액이 검정색→붉은색(고온사용)→노란색→백색으로 변화하도록 3-4시간 분해를 수행하였으며, 이때 분해공정은 날씨나 마쇄된 시료의 입자에 따라 다소 수행시간에 차이가 있을 수 있으므로 최종 분해된 혼합액이 1 ㎖ 정도 남을 때까지 주의하여 수행하였다. 수득한 분해 혼합액에 증류수를 가한 후 이를 No. 6 여과지를 통해 여과시켰으며, 여과된 분해액 100 ㎖를 대상으로 통상의 방법에 따라 원자흡광 분광광도분석(atomic absorption spectrophotometry), 이온 크로마토그래피(ion chromatography) 또는 유도결합 플라즈마 분석(inductively coupled plasma analysis)을 수행하여 분해액 내 함유된 다량원소를 분석하였다. 분석 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
함유
다량원소		 다량원소 (%) 미량원소 (ppm)
K Ca Mg Na Fe Mn B Cu Zn Mo
함량 8.0 0.3 0.3 15 102 442 65 23.4 39.9 4.9
그 결과, 상기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 아이스플랜트는 다량원소로 K, Ca 및 Mg를 각각 8.0%, 0.3% 및 0.3%로 함유하는 것을 확인하였다.
2) 수경재배용 양액 조성물 제조 및 셀레늄 처리
상기에서 분석된 아이스플랜트의 다량원소 함량을 근거로 양이온(칼슘, 칼륨과 마그네슘)과 음이온(질소, 인, 황)의 함량비를 mM 단위로 산출하였다. 산출된 결과에 따라 NO3-N 6.3-7.7 mM/L, NH4-N 0.6-0.7 mM/L, H2PO4 0.6-0.7 mM/L, K 3.6-4.4 mM/L, Ca 1.4-1.7 mM/L, Mg 0.9-1.1 mM/L 및 SO4-S 0.9-1.1 mM/L를 함유하는 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 제조하였다. 제조된 양액 조성물의 pH는 통상의 방법에 따라 5.5~6.5 범위 내로 조정하였으며, EC는 통상의 방법에 따라 0.8~1.2 dS·m-1가 되도록 하였다.
추가적인 셀레늄 처리는, Na2SeO3를 정식 후 정식 후 38일(수확 10일 전)과 정식 후 43일(수확 5일 전)에 배양액에 0, 2, 4, 9 ppm을 처리하여 엽내 셀레늄 함량을 식물체 분석과 같은 방법으로 조사하였다.
실시예 2: 식물공장 재배 환경 제어 및 시스템 구축
1) 식물공장 표준 환경 구축
본 발명의 일실시예에 따른 아이스플랜트 식물공장 시스템을 구축하기 위해 식물공장 표준 환경을 다음과 같이 구축하여 실험하였다.
우선, 아이스플랜트의 식물공장으로 지하공기를 이용한 제주형 식물공장을 도입하여 환경구축을 위한 재배실험을 수행하였다. 제주도는 화산지역이므로 지하에서 흡입되는 공기가 14 내지 19℃로 연중 일정한 온도를 유지하면서 460 내지 13,100 ppm 농도의 이산화탄소(CO2)를 함유하는 특징을 갖는다. 따라서 식물공장의 냉ㆍ난방 및 이산화탄소 공급제어를 위해 추가의 에너지 소비를 최소화시키는 최적의 환경조건이라 할 수 있으며 고유가 시대에 경쟁력 향상을 기대할 수 있다.
하기 실험에서 표준으로 도입된 식물공장 환경으로는 인공광원으로 4.3 m2 마다 형광등(55W)을 설치하여 사용하였으며, 이때 형광등으로 아이스플랜트(common ice plant)를 재배할 경우 100 μmol·m-2·s-1 이상의 광도가 필요하므로 형광등은 재배 베드면으로부터 40 cm 거리에 설치되도록 하였다. 양액 공급 시스템으로는 NFT(박막수경) 시스템을 도입하였으며, 정식은 파종 후 잎이 2~4장이 되었을 때 15×15 cm의 재식거리로 4열 배열하여 수행하였다. 또한, 베드는 2400(길이, L)×600(폭, W)×2000(높이, H) mm의 크기로 3단으로 설치하였다.
이러한 표준 환경 하에서의 이산화탄소 농도는 500 내지 4100 ppm 범위 내에서 변화하였으며, 지하공기를 유입시켜 이산화탄소 센서를 통해 측정한 결과 4000 ppm으로 일정해지는 것을 확인하였다. 또한, 각 베드별 광분포는 각각의 베드의 광분포를 달리하여 평균적으로 각각 90, 170 및 140 μmol·m-2·s-1인 것을 확인하였다.
이러한 환경을 표준으로 하여, 하기에서와 같이 인공광, 이산화탄소 농도, 온도, 습도 등의 지상부 환경; 양액 조성, 용천수 처리 등의 지하부 환경; 및 재식밀도 등을 제어하여 아이스플랜트 식물공장 시스템을 구축하였다.
2) 식물공장의 지상부 환경 제어 온도, 습도 및 이산화탄소 농도 제어
식물공장의 지상부 환경을 제어하고자 상기 1)의 표준환경을 갖춘 식물공장 내에 온도센서 및 습도센서 각 3개씩을 설치한 후 난방기(전기스토브, 한빛) 또는 냉방기(에어컨, 삼성)를 가동시켜 온도를 20~25℃로, 그리고 제습기(공기순환제습기, (주)신안그린테크) 또는 가습기(엠텍점보가습기, 엠텍)를 가동시켜 상대습도를 65~75%로 제어하였다. 또한, 공기 중 이산화탄소의 농도를 제어하기 위해 식물공장에 센서 1개를 설치한 후 이산화탄소 농도가 600~900 μmol·mol-1이 되도록 전동기(제품명 : 전동기, 제조사 : 신일진풍력) 가동을 통해 지하공기를 유입시켜 제어하였다.
이러한 지상부 환경 제어는 2012년 1월 31일부터 2월 1일까지 수행하였으며, 제어에 따른 온도분포, 습도분포 및 이산화탄소 농도 분포를 확인하였다.
그 결과, 도 1a 및 1b에 나타낸 바와 같이, 2012년 1월 31일부터 2월 1일까지의 식물공장 내 온도분포는 평균 23.6±0.22℃로, 최고 26.3℃ 및 최저 21.7℃인 것을 확인하였으며, 상대습도는 평균 66.8±0.21%로, 최고 69.64% 및 최저 63%인 것을 확인하였다. 또한, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 2012년 1월 31일부터 2월 1일까지의 이산화탄소 농도 분포는 평균 748±8.0 μmol·mol-1로, 최고 894 μmol·mol-1 및 최저 666 μmol·mol-1인 것을 확인하였다. 따라서 상기 조건에 따른 온도, 습도 및 이산화탄소 농도 제어를 통해 식물공장 시스템이 정밀하게 제어될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 이산화탄소 농도의 경우 비교를 위해 센서를 3개 설치한 후 2012년 2월 23일부터 2월 25일까지 이산화탄소 농도가 900~1000 μmol·mol-1이 되도록 전동기(제품명 : 전동기, 제조사 : 신일진풍력) 가동을 통해 지하공기를 유입시켜 제어하였으며, 이러한 제어에 따른 이산화탄소 농도 분포를 상기에서와 같이 확인하였다.
그 결과, 도 1d에 나타낸 바와 같이, 상기 조건에서의 이산화탄소의 농도 분포는 평균 1087±20.0 μmol·mol-1로, 최고 1528 μmol·mol-1 및 최저 897 μmol·mol-1인 것을 확인하였으며, 이로써 이산화탄소 농도가 높게 설정될 경우 변화 폭이 커져 정밀한 제어가 어려워짐을 알 수 있다.
3) 식물공장의 지상부 환경 제어 인공광 제어
상기 1)의 표준환경을 갖춘 식물공장 내에서 0 내지 2000 μmol·m-2·s-1 범위의 서로 다른 광도를 갖는 LED 광원을 사용하여 광도 변화에 따른 아이스플랜트의 광합성량을 휴대용 광합성측정기(Li-6400, Li-cor)를 통해 제조사 설명서(http://www.licor.com/env/products/photosynthesis/)에 따라 측정하였다.
그 결과, 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 광도 변화에 따른 아이스플랜트의 최대 광합성량은 15 μmol·CO2·m-2·s-1인 것을 확인하였으며, 이의 60~80%의 광합성량을 얻기 위해 최소 100~200 μmol·m-2·s-1의 광도가 필요한 것을 확인하였다.
또한, 광원과 광도에 따른 아이스플랜트의 생육상태를 확인하기 위해, 상기 1)의 표준환경을 갖춘 식물공장 내에서 광도 100 또는 200 μmol·m-2·s-1의 50 W 삼파장 형광등 또는 광도 100 μmol·m-2·s-1의 LED 광원을 이용하여 광처리를 수행하여 2011년 6월 27일 파종 및 7월 19일 정식한 아이스플랜트를 8월 9일(도 2b) 또는 26일(도 2c)에 수확하여 생체중(fresh weight)과 건물중(dry weight)을 측정하였다.
그 결과, 도 2b 및 2c에서 볼 수 있는 바와 같이, 8월 9일 또는 26일에 수확한 아이스플랜트 모두 높은 광도의 광처리군에서 생체중과 건물중이 증가한 것을 확인하였으며, 동일한 광도에서는 형광등과 LED 광원 간의 생육에서 유의적인 차이가 없는 것을 확인하였다.
4) 식물공장의 지하부 환경 제어 배양액의 조성 제어
본 발명의 일실시예에 따라 상기 실시예 1에서 제조한 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물 및 비교를 위해 기존 아이스플랜트의 양액으로 사용되어온 일본원예시험장액을 사용하여 비교 실험을 수행하였다. 상기 1)의 표준환경을 갖춘 식물공장 내에서 2010년 9월 16일 파종 및 10월 7일 정식한 아이스플랜트에 본 발명에 따른 아이스플랜트 양액 조성물 및 일본원예시험장액을 각각 NFT 시스템(타이머가 장착된 수중모터를 이용하여 매일 10분 공급/10분 정지를 계속 반복하여 하루 동안 배양액을 공급하거나, 24시간 계속해서 연속급액)을 통해 배양액을 공급하여 재배하였으며, 재배된 아이스플랜트를 11월 11일에 수확하여 생육정도를 확인하였다.
그 결과, 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이, 기존 일본원예시험장액과 비교하여 상기 실시예 1에서 제조된 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물을 사용하는 경우 아이스플랜트의 생육이 현저히 우수한 것을 확인하였다.
또한, 아이스플랜트는 염생식물이므로 배양액에 나트륨을 첨가해줄 때 생육이 진전되는 것으로 알려져 있다 [Agarie et al., Journal of Experimental Botany (2007), 58(8), 1957-1967]. 이러한 나트륨 공급원으로서 제주도의 용천수를 상기 실시예 1에서 제조된 아이스플랜트 양액 조성물에 5 내지 100 부피%의 농도로 첨가하여 용천수 첨가 농도에 따른 아이스플랜트 생육 변화를 분석하였다. 상기 용천수는 제주시 구좌읍 한동리 2972-1 번지 제주테크노파크 용암해수 산업화 지원센터로부터 취수한 것으로, 평균 나트륨함량은 10,690 ppm이다. 하기 표 2와 표 3은 사용된 용천수의 성분분석 결과이다 (단위 ppm).
Br V Se Ge Fe Zn Mn Cu Sr B
최소 57 0.007 0.004 0.001 0.01 0.001 0.001 0.002 6.27 3.24
최대 70 0.04 0.04 0.002 0.02 0.03 0.005 0.013 10.4 4.86
평균 62.6 0.02 0.02 0.002 0.011 0.011 0.002 0.007 7.47 4.03
Mo Na Mg K Ca Cl F Si SO4 2 -
최소 0.002 9832 1165 355 366 19400 0.64 6.6 1788
최대 0.03 12100 1423 457 440 24387 1.18 13.8 2840
평균 0.010 10690 1360 406 397 21731 0.9 8.89 2351
상기 1)의 표준환경을 갖춘 식물공장 내에서 2010년 7월 13일 파종 및 8월 31일 정식한 아이스플랜트에 상기 실시예 1에서 제조된 양액 조성물에 상기 용천수를 첨가하지 않거나 5~100%로 첨가한 것을 각각 상기 양액 공급방법과 동일하게 공급하여 재배하였으며, 재배된 아이스플랜트를 9월 16일(도 3b) 또는 30일(도 3c)에 수확하여 생육정도를 확인하였다.
그 결과, 도 3b 및 3c에서 볼 수 있는 바와 같이, 양액 조성물에 용천수를 5%로 첨가할 경우 아이스플랜트의 초기 생육량이 가장 뛰어난 것을 확인하였으며, 도 3d에서 볼 수 있는 바와 같이, 용천수의 함량을 50%까지 높였을 경우에는 조직이 단단해지고 엽색이 빨강색으로 변하는 것과 용천수의 함량을 100%까지 높였을 경우에는 강한 염류 농도로 인해 위조증상이 발생되면서 고사하는 것을 확인하였다. 또한, 용천수의 함량이 20% 이하로 첨가될 경우 아이스플랜트 생육에 특별히 문제를 일으키지는 않는 것을 확인하였다.
5) 식물공장의 환경 제어 재식밀도 제어
상기 1)의 표준환경을 갖춘 식물공장 내에서 2011년 8월 2일 파종 및 9월 16일 정식한 아이스플랜트를 각각 15×10, 15×15, 15×20 또는 15×25 cm의 재식밀도로 재배하여 10월 14일에 수확하였다. 수확한 아이스플랜트의 개체당 또는 단위면적당 생체중 및 건물중을 측정하여 생육 정도를 분석하였다.
그 결과, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 개체당 생육량의 경우 재식밀도를 15×20 cm(33 plant/m2)로 하여 재배한 아이스플랜트가 가장 우수했으며, 도 4b에서 볼 수 있는 바와 같이, 단위면적당 생육량의 경우 재식밀도를 15×10 cm(67 plant/m2)로 하여 재배한 아이스플랜트가 가장 우수한 것을 확인하였다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. NO3-N 6.3-7.7 mM/L, NH4-N 0.6-0.7 mM/L, H2PO4 0.6-0.7 mM/L, K 3.6-4.4 mM/L, Ca 1.4-1.7 mM/L, Mg 0.9-1.1 mM/L 및 SO4-S 0.9-1.1 mM/L를 포함하는 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양액 조성물은 5.5~6.5 범위의 pH 및 0.8~1.2 dS·m-1 범위의 EC(electrical conductivity) 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양액 조성물은 5 내지 20 부피%의 용천수를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 아이스플랜트 수경재배용 양액 조성물.
  4. 제 1항에 따른 양액 조성물을 아이스플랜트에 공급하여 수경재배하는 것을 포함하는 아이스플랜트의 재배방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수경재배는 2단 이상의 다단식 베드에 아이스플랜트를 재배하는 것을 특징으로 하는 아이스플랜트의 재배방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 수경재배는 20~25℃의 온도, 65~75%의 상대습도 및 600~900 μmol·mol-1의 이산화탄소 농도를 유지하는 것을 특징으로 하는 아이스플랜트의 재배방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 수경재배는 3파장 형광등 또는 LED 광원을 이용하여 100~200 μmol·m-2·s-1 범위의 광도로 광처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 아이스플랜트의 재배방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 수경재배는 파종 이후 잎이 2~4장이 되었을 때 10~25 cm의 재식거리로 정식을 수행하는 것을 특징으로 하는 아이스플랜트의 재배방법.
  9. 제 4항에 있어서,
    수확하기 5 내지 10일 전 셀레늄(Na2SeO3) 0.1 ~ 3.0 ppm을 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 아이스플랜트의 재배방법.
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