Journal of Bio-Environment Control ISSN:1229-4675(Print) 2765-3641(Online) 생물환경조절학회지

본 연구는 육묘기간과 PFAL 내 CO₂ 농도에 따른 참당귀의 지상부 및 지하부 생육, 광합성 색소 변화, 육묘기간을 평가하는 것을 목적으로 하였다. 참당귀 종자는 72구 트레이에 파종하였고 파종 후 40, 50, 및 60일차에 참당귀 묘의 형태학적 특징과 엽록소 함량을 조사하였다. PFAL 내 온도는 22/19℃ (주간/야간)으로 유지되었고 광주기는 12시간이었다. CO₂ 농도는 ambient (475 ± 40μmol∙mol^-1), ‘high concentration’ (‘HC’, 758 ± 29μmol∙mol^-1), 그리고 ‘very high concentration’ (‘VHC’, 1,197 ± 37μmol∙mol^-1) 세 가지 수준으로 설정되었다. CO₂ 공급은 자엽이 완전히 전개되고 본엽이 관측되는 파종 후 20일차에 시작되었다. 파종 후 50일차부터 관부직경, 엽면적, 뿌리발달, 그리고 건물중이 ambient에 비해 HC와 VHC에서 높았으며 이는 생육속도가 빨랐음을 의미한다. 하지만 HC와 VHC 간에 건물중은 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 형태학적 관점에서 VHC는 파종 후 60일차에 엽병장이 길고 엽면적이 넓어져 수평적 캐노피 확장이 이루어졌으며, 생리적으로는 총 엽록소 함량이 감소하였다. 또한 ambient에 비해 엽면적 지수가 높고 잎의 두께를 나타내는 지표인 비엽중이 감소하였다. 이는 생장속도가 빨라져 협소한 플러그 트레이 환경 내에서 개체 간 경쟁이 이루어진 결과로 판단된다. 따라서 참당귀의 육묘기간을 단축시키기 위한 적정 CO₂ 농도는 약 800μmol∙mol^-1로 판단되며, 적정 육묘기간은 50일로 사료된다.

과실색과 크기가 다른 품종별 성숙단계에 따른 호르몬의 변화 양상을 분석하였다. 설향과 만년설은 완숙기를 기준으로 과실무게가 각각 20.2와 23.0g인데 비해 파인베리는 4.6g으로 과색과 더불어 과실의 크기에서도 품종간 차이가 뚜렷하였다. 옥신 함량은 모든 품종에서 성숙과 더불어 채색기까지는 급격하게 증가한 후 완숙기에는 감소하는 경향을 보였다. 채색기의 옥신 함량은 설향과 만년설에서는 건물 1g 당 각각 1,542와 1,487ng인데 비해 파인베리에서는 348ng으로 낮은 경향을 보여 과실의 크기에 따른 품종간 차이는 뚜렷하였다. 지베렐린 함량은 모든 품종에서 성숙과 더불어 채색기까지는 증가한 후 완숙기에는 감소하는 경향을 보였다. 설향과 만년설의 채색기 지베렐린 함량은 건물 1g 당 각각 183과 213ng으로 파인베리의 92ng에 비해 2배 수준으로 높았다. 지아틴 함량은 모든 품종에서 변색기 이후에 급격하게 감소하는 경향을 보였다. 변색기의 지아틴 함량은 건물 1g 당 설향이 3.2µg, 만년설이 2.8µg, 파인베리가 2.4µg에서 채색기에는 0.6에서 0.8µg 수준으로 80% 이상이 감소하였다. 앱시스산 함량은 설향과 만년설에 비해 파인베리에서 낮았지만, 성숙이 진행될수록 모든 품종에서 증가하는 패턴을 보였다. 파인베리의 완숙기 과실의 앱시스산 함량은 건물 1g 당 1.13µg인데 비해 설향과 만년설에서는 각각 4.13과 3.96µg으로 3.7과 3.5배 정도 높은 경향이었다. 자스몬산 함량은 모든 품종에서 성숙과정이 진행될수록 증가하기 시작하여 완숙기에는 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 설향과 만년설의 완숙기 자스몬산 함량은 건물 1g 당 각각 12.95와 14.19ng인데 비해 파인베리에서는 19.94ng으로 1.5와 1.4배 정도 높은 경향을 보였다. 성숙단계에 따른 살리실산 함량변화는 모든 품종에서 미숙기에서 가장 많았고 성숙과정이 진행될수록 감소하는 경향을 보였다. 그러나 과실의 크기가 큰 설향이나 만년설에 비해 크기가 작은 파인베리에서 높은 경향이었다.

본 연구는 식물공장형 육묘시스템에서 광도 조절에 따른 수박 접목묘의 생육 및 품질을 평가하기 위해 수행되었다. 수박 접수는 고온기 품종 ‘부라보꿀(BK)’, 저온기 품종 ‘산타꿀(SK)’을 사용하였고, 대목으로 고온기 품종 ‘불로장생(BS)’, 저온기 품종 ‘동장군(DG)’을 사용하였다. 광도는 125 ± 25, 225 ± 25 및 325 ± 25µmol·m^-2·s^-1 3처리로 조정하여 실험을 진행하였다. 초장은 고온기 접목묘가 125 ± 25µmol·m^-2·s^-1, 저온기 접목묘가 225 ± 25µmol·m^-2·s^-1에서 가장 높았고, 줄기 직경과 마디수는 고온기 접목묘, 저온기 접목묘 모두 225 ± 25µmol·m^-2·s^-1에서 가장 높았다. 근장과 엽면적은 고온기 접목묘에서 325 ± 25µmol·m^-2·s^-1, 저온기 접목묘는 225 ± 25 µmol·m^-2·s^-1에서 가장 높았다. 또한 지상부 및 지하부 생체중과 건물중은 225 ± 25µmol·m^-2·s^-1 처리에서 가장 높게 나타났다. 충실도는 두 품종 모두 광도가 증가함에 따라 높아졌으며, 특히 고온기 접목묘에서 그 효과가 두드러졌다. 엽면적비(LAR)는 고온기 접목묘에서 광도 증가와 함께 유의하게 증가하였으나, 저온기 접목묘에서 유의한 차이가 없었다. 종합적으로 생육 특성은 225 ± 25µmol·m^-2·s^-1에서 높았으나, 묘소질을 고려했을 때 325 ± 25µmol·m^-2·s^-1에서 더욱 강건한 묘가 형성된 것으로 판단된다.

본 연구는 식물공장에서 미나리(Oenanthe javanica DC.)를 초장별(20cm, 30cm, 40cm, 50cm)로 재배할 경우 기능성 물질과 영양학적 가치가 유지되는지를 평가하기 위해 수행되었다. 미나리는 항산화 효과, 항염증, 간 보호 등 다양한 생리활성을 갖춘 기능성 채소로, 기존 재배 방식의 한계를 극복하고 연중 안정적인 생산이 가능한 식물공장 재배 가능성을 확인하는 것이 본 연구의 목적이다. 연구 결과, 초장 30cm에서 칼륨(K)과 칼슘(Ca) 함량이 가장 높았으며, 비타민 C 함량 또한 1,165.38mg·kg^-1으로 가장 높았다. 총 폴리페놀 함량은 초장 20－40cm에서 유사한 수준을 유지하였으며, 초장 50cm에서 감소하는 경향을 보였다. 기능성 물질인 Quercetin, Apigenin, Isorhamnetin 함량은 초장에 따른 변동 폭이 크지 않아, 단기 재배된 초장이 짧은 미나리도 충분한 기능성 물질을 함유하고 있음을 확인하였다. 식이섬유 함량 또한 모든 초장에서 일정 수준(300g·kg^-1 이상)을 유지하여 건강 기능성 채소로 활용 가능성이 높았다. 본 연구 결과를 종합하면, 식물공장에서 초장 30cm로 재배된 미나리는 높은 영양 가치와 기능성을 유지할 수 있으며, 기존 노지재배 방식과 비교해 연중 균일한 생산이 가능하여 산업적 활용 가치가 클 것으로 판단된다.

식량 운송 과정에서 발생하는 온실가스는 전 세계 온실가스 배출량의 15분의 1 수준이다. 식량이 이동하는 거리를 줄여 푸드 마일리지를 절감하는 것은 도시의 지속 가능성과 회복력을 향상시킬 수 있다. 옥상 온실은 푸드 마일리지를 감소시키고 에너지를 절감하는 도시농업의 한 형태로 주목받고 있다. 온실과 건물 모두 실내 환경을 유지하기 위해 냉난방이 요구된다. 건물과 온실의 통합 시스템 운영은 설비 공유로 인한 비용 절감, 건물과 온실 간 에너지 이동으로 인한 에너지 활용이 가능하다. 건물 에너지 시뮬레이션을 이용해 다양한 통합 시스템 에너지 성능 평가 연구가 수행되었지만, 실제 통합 시스템에 대한 검증과 설계변수 분석은 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 건물 에너지 시뮬레이션을 통해 옥상온실의 설치 유무, 옥상의 단열 성능 및 설치 면적에 따른 에너지 절감을 평가하고자 하였다. 현장 실험은 서울특별시 성동구 성수동의 옥상온실에서 수행되었다. 측정한 실내 온도를 통해 건물 에너지 시뮬레이션의 모델을 검증하였고 R² = 0.91의 결과를 보였다. 이후 설계변수가 에너지 부하에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 통합 시스템을 운영하는 경우, 독립적으로 운영하는 경우보다 에너지 부하량이 감소하는 경향을 보였다. 통합 시스템 설치 시 에너지 부하 절감 효과가 있으며, 효율적인 에너지 이용을 하는 도시농업이 될 수 있다고 사료된다. 건물 옥상의 열관류율을 0.251W/m²·K에서 1.535W/m²·K로 증가시켜 단열 성능을 약화시킨 경우, 옥상온실과 건물 최상층의 에너지 부하는 감소하는 경향을 보였다. 통합 시스템 설치 시 경계면의 열 교환이 증가하도록 설계하는 것이 에너지 부하 절감에 유리하다고 판단된다. 옥상온실 면적을 2.53배 증가시켰을 때 단위면적당 에너지 부하는 감소하는 경향을 보였다. 온실 면적 증가로 인해 에너지 부하량은 증가하지만, 건물과 온실의 열 교환이 증가하여 통합 시스템의 에너지 부하 절감이 가능하다고 판단된다. 본 연구의 결과는 통합 시스템을 통한 에너지 부하 절감을 위한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 기후 변화에 따른 에너지, 식량 문제의 해결 대책으로 옥상온실을 활용하기 위해서 추가적인 방안이 필요할 것으로 판단된다.

도라지는 한국, 중국 그리고 일본에서 주로 재배되는 약용작물이다. 도라지의 뿌리는 사포닌의 함량이 높고 기관지 보호에 효과가 좋아 약재로 이용이 많이 될 뿐만 아니라 가공식품, 화장품의 원료로 많이 이용되고 있다. 하지만 도라지의 대량 생산을 위한 폐쇄형 식물 생산 시스템 내 적정 광 환경에 대한 기초 데이터가 전무한 실정이다. 본 연구는 도라지의 광도와 광주기를 구명하기 위해 수행되었다. 도라지는 온도 24.9 ± 0.9℃, 상대습도 53.7 ± 10.9%의 폐쇄형 식물 생산 시스템에서 48일간 육묘하였다. 광도는 100, 150 및 200 ± 10µmol·m^-2·s^-1 그리고 광주기는 10/14, 12/12, 14/10h(명기/암기)로 처리하였다. 가장 높은 광도인 200µmol·m^-2·s^-1에서 지상부 생육이 가장 우수하였고 12/12와 14/10h 사이에는 유의적인 차이가 나타나지 않았다. 200µmol·m^-2·s^-1에서 광주기 12/12h의 절간장은 14/10h보다 유의적으로 짧았다. 200µmol·m^-2·s^-1에서 지하부 생육의 경우 광주기 12/12h보다 14/10h의 생육이 우수하였다. 결론적으로, 200µmol·m^-2·s^-1, 12/12h는 도라지 공정 육묘의 광 환경으로 적합할 것으로 판단된다.

지구를 넘어선 과학적 관심이 확장됨에 따라, 우주 농업에 대한 연구는 외계 환경에서 인간 생존을 지원하기 위한 필수 요소가 되었다. 본 연구는 2차원 클리노스테이트(2-D clinostat)를 이용하여 중력 변화가 상추의 생장과 광합성에 미치는 영향을 분석하였다. 식물은 회전축의 중심, 6cm, 12cm 떨어진 위치에 배치되었으며, 대조군과 함께 9일 동안 비교되었다. 생장은 엽장 및 엽폭을 통해 평가하였고, 광합성 반응은 OJIP 엽록소 형광 및 광화학 지표를 통해 분석하였다. 엽장은 유의한 차이를 보이지 않았지만, 엽폭은 6cm 및 12cm 처리구에서 유의하게 감소하였다. 이들 처리구에서는 광계 II(PSII) 활성과 전자 전달 효율이 감소하여 광합성 스트레스 증가와 에너지 이용 효율 저하를 나타냈다. 특히, J단계와 P단계에서의 형광 증가 현상은 더 큰 반경 거리에서 광합성계의 민감성이 높아졌음을 시사한다. 본 연구는 중력 보상 조건 하에서 식물의 생리적 반응에 대한 정량적 통찰을 제공하며, 우주 농업 시스템의 최적화를 위한 기초 자료를 제공한다.

본 연구는 ‘설향’ 딸기 유묘를 대상으로, 꽃눈 분화 유도 조건(단일일장, 야간 15°C)과 비유도 조건(연속광, 24－25°C)에서의 형태적 및 생리적 반응을 비교하여, 꽃눈 분화와 관련된 주요 생장 지표를 확인하고자 수행되었다. 유묘는 15일간 각각의 환경 조건에 따라 처리된 후, 모든 처리구를 동일한 비유도 조건(연속광, 24－25°C) 하에 배양하며 총 49일간 관찰하였다. 관부 직경, 잎 수, 엽면적, 런너 수 등 형태적 지표와 함께 건물중 분포, 엽록소 농도(SPAD), 가용성 당(자당, 포도당, 과당) 함량을 조사하였다. 그 결과, 꽃눈 분화 유도 처리군은 관부 직경과 뿌리 생체량, 잎의 엽록소 농도가 유의하게 높았으며, 이는 생식 생장으로의 전환을 나타내는 초기 지표로 판단되었다. 반면, 비유도 조건에서는 잎 수, 런너 수, 줄기 생체중, 엽면적이 증가하여 영양생장이 지속됨을 확인하였다. 특히, 유도 처리 28일 이후 관부 내 자당 농도가 두드러지게 증가하였으며, 이는 꽃눈 분화 개시와의 관련성을 시사한다. 본 연구는 환경 조건에 따른 딸기 유묘의 생장 반응 차이를 규명하고, 꽃눈 분화 예측과 정식 시기 결정을 위한 유용한 생리적 지표를 제시함으로써, 환경 제어 기반의 효과적인 유묘 관리 전략 수립에 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

도라지(Platycodon grandiflorum [Jacq.] A. DC.)와 더덕(Codonopsis lanceolata)은 한국, 중국, 일본에서 주로 재배되는 약용작물이다. 광질은 작물의 광형태형성을 조절하며, 그 반응은 작물의 종류에 따라 다르다. 따라서 밀폐형 식물생산시스템(CPPS)에서 작물에 적합한 광질을 최적화하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 도라지와 더덕묘를 CPPS 조건에서 재배할 때 적합한 광질을 최적화하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 red, green, blue, red-green (RG), green-blue (GB), red-blue (RB), red-green-blue (RGB) 그리고 white lights를 이용하여 광질의 영향을 평가하였다. 환경은 온도 25±0.6℃, 상대습도 55±4.7%, 광주기 16/8시간(명/암), 광합성유효광양자속밀도(PPFD) 110±5μmol·m^-2·s^-1로 제어하였다. 도라지묘는 RGB 광 처리 시 초장과 엽간장는 짧지만 지상부 및 뿌리 생장이 왕성하였다. 더덕묘는 GB 및 RGB 광 처리 시 다른 광질보다 짧은 초장과 절간장을 유지하면서도 지상부 및 뿌리 생장이 개선되었다. 다분광영상(multi-spectral imaging)을 활용한 엽면적 분석에서는 도라지에서 결정계수(R²)가 더 높게 나타났다. 본 연구 결과는 CPPS에서 도라지와 더덕 재배에 적합한 광질을 선정하는 데 있어 기초자료로 활용될 수 있다.

본 연구는 담액수경재배(Deep Flow Technique, DFT)로 재배된 잎들깨(Perilla frutescens)의 생장 및 생리적 반응에 미치는 인산결핍의 영향을 분석하였다. 인산 결핍 처리는 야마자키 표준 배양액을 수정하여 0% (대조구), 30%, 50%, 70%, 100%의 5 수준으로 달리 조성하였다. 처리 20일부터 80일까지 인산 결핍 수준이 증가함에 따라 초장, 엽수, 마디 수, 경직경이 유의미하게 감소하였다. 80일째에는 100% 인산 결핍 처리에서 초장이 10.1cm, 엽수는 식물체당 2.7장으로 급감하였으며, 이는 대조구의 73.5cm 및 12.8장에 비해 현저한 생장 저해를 나타냈다. 또한, 인산 결핍 조건에서 생체중과 건물중 모두 현저히 감소하였으며, 대조구의 생체중은 93.4g 이었으나 100% 인산결핍 처리구에서는 2.1g으로, 건물중은 11.8g에서 0.4g으로 크게 감소하였다. 인산 결핍 정도가 증가할수록 하부엽에서 황화(Chlorosis) 및 괴사(Necrosis)와 같은 생리장해 증상이 뚜렷하게 나타났다. 이러한 결과는 인산이 잎들깨의 영양생장과 건물생산량 증가에 필수적인 역할을 수행함을 나타내었다.

본 연구는 수직농장에서 상업적 생산에 적합한 왜성 토마토를 대상으로 음이온을 처리하고, 생육단계별(영양생장, 생식생장) 생육 특성과 기체교환 활성 반응을 분석하여, 과채류에 대한 음이온의 적용 가능성을 평가하고자 수행되었다. 실험을 위해 왜성 토마토 묘를 온도 24도, 습도60%, 이산화탄소 농도 600μmol·mol^-1, 광도 320μmol·m^-2·s^-1 PPFD, white LED, 광주기16h의 수직농장 모듈에서 5주간 재배하였다. 음이온은 광주기 시간동안 12 × 10⁵ions∙cm^-3의 음이온을 처리하였다. 정식 후 5주 동안 매주 생육조사를 진행하였고, 정식 후 4주 동안 매주 광합성율과 증산율을 측정하였다. 정식 1주차 광합성율은 음이온 처리구에서 유의적으로 높게 나타났으나, 이후에는 광합성율과 증산율 모두 처리구간 유의 차이는 확인되지 않았으나, 전반적으로 음이온 처리구가 대조구보다 높은 수치를 나타내는 경향을 보였다. 영양생장 지표들은 처리간 차이가 크지 않았으나, 생식 기관의 발달(화방수, 꽃수, 과실수)은 대조구에 비해 유의적으로 높은 값을 나타냈다. 이러한 결과는 음이온 처리가 과채류인 왜성 토마토의 생식생장을 촉진하고 과실 생산량을 증가시켰음을 확인하여, 과채류에 음이온의 적용 가능성을 확인하였다. 향후에는 음이온 처리 농도의 최적화 및 수확한 과실의 품질 비교를 포함한 후속 연구가 필요하다.