농업

아쿠아포닉스 – 알아야 할 모든 것

mm
게시일
업데이트일
Securities.io maintains rigorous editorial standards and may receive compensation from reviewed links. We are not a registered investment adviser and this is not investment advice. Please view our affiliate disclosure.

아쿠아포닉스란 무엇인가

아쿠아포닉스는 식물을 수산 양식과 결합하여 재배하는 방법으로, 물고기와 궁극적으로 가재, 달팽이, 조개, 새우와 같은 수생 동물을 기르는 것을 포함합니다. 이는 수경재배와 에어로포닉스를 포함한 광범위한 ‘무토양’ 재배 방법의 일부입니다.

현대 형태의 아쿠아포닉스는 종종 비교적 고급 기술의 수경재배와 결합됩니다—토양 없이 식물을 재배하는 방식으로, 물을 이용해 영양분을 공급합니다. 이는 수직 농업이나 실내 농업 시스템의 일부가 되는 경우가 많습니다.

우리는 수경재배에서 가능한 다양한 시스템과 그 장단점에 대해 자세히 논의했으며, 해당 내용은 우리의 기사 “수경재배 – 알아야 할 모든 것”에 실려 있습니다.

농업과 수산 양식의 결합은 매우 오래된 역사를 가지고 있습니다. 아즈텍인들은 친암파스라 불리는 고지대 농경지를 호수 위에 조성했습니다. 중국 농부들은 수천 년 동안 논에서 물고기와 함께 쌀을 재배했으며, 동남아시아의 토착 문화들, 특히 앙코르 와트와 같은 놀라운 도시에서도 이러한 방식이 활용되었습니다.

아쿠아포닉스 시장 규모는 2024년에 거의 12억 달러에 달하며, 2029년까지 연평균 9.6% 성장할 것으로 예상됩니다. 가장 큰 시장은 북미와 아시아에 위치하고 있습니다.

아쿠아포닉스의 과학

수경재배는 재배 조건을 매우 정밀하게 제어하여 일관된 고품질 작물을 재배할 수 있게 해줍니다. 또한 물과 공간 효율성이 뛰어납니다. 그런데 같은 물을 이용해 매우 촘촘하고 건강한 고기도 생산할 수 있다면 어떨까요? 이는 수경재배 시스템이 사용하는 물을 수산 양식 성장 탱크와 연결함으로써 가능해집니다.

아쿠아포닉스를 지지하는 가장 강력한 논거는 각각의 구성 요소가 분리된 수경재배와 수산 양식에서 발생하는 문제를 해결하는 순환 구조를 형성한다는 점입니다.

수경재배는 매우 효율적인 재배 시스템이지만, 식물이 건강하게 성장하도록 물에 지속적으로 비료를 추가해야 합니다.

한편, 수산 양식은 많은 양의 신선하고 깨끗한 물과 여과가 필요합니다. 물고기의 배설물(또는 다른 수생 동물) 등이 축적되어 물을 오염시키기 때문입니다.

아쿠아포닉스 시스템에서는 두 문제가 모두 해결됩니다. 물고기 배설물은 더 이상 오염물이 아니라 식물에 필요한 질소가 풍부한 비료가 됩니다. 그리고 식물 뿌리가 이를 흡수함으로써 물을 ‘무료’로 정화하고 여과합니다.

아쿠아포닉스 시스템 유형

매체 기반 아쿠아포닉스 시스템

자갈, 용암암석, 점토 펠릿과 같은 비활성 매체가 식물 뿌리를 고정합니다. 식물 성장 베드는 벨 사이펀을 통해 물고기 탱크의 물이 주기적으로 흐르게 되어 영양분이 식물에 전달됩니다.

식물이 물을 여과한 후, 물은 다시 물고기 탱크로 돌아가 순환이 완성됩니다. 때때로 비활성 매체 베드에 벌레를 추가하여 물고기 배설물을 분해하도록 돕기도 합니다.

이 시스템은 필터를 사용하지 않고 가장 적은 부품을 사용하므로 가장 간단합니다.

래프트 시스템

식물은 떠 있는 래프트 위에 배치되고 뿌리는 물에 매달려 있습니다. 수산 양식 탱크에서 영양이 풍부한 물이 지속적으로 여과 시스템을 거쳐 식물 래프트로 흐릅니다.

여과 장치에는 식물이 영양분을 더 ‘소화하기 쉽게’ 만드는 박테리아가 포함되어 있습니다.

이 시스템은 더 복잡하지만, 물 파이프와 여과 장치가 맞는 한 래프트 수나 물고기 탱크 크기에 제한이 없어 훨씬 쉽게 규모를 확대할 수 있습니다.

영양막 기술(NFT)

이 시스템은 매체 기반 아쿠아포닉스와 유사하지만, 물고기 탱크에서 나오는 얇은 물막이 지속적으로 흐릅니다. 래프트 시스템과 같은 중간 여과 장치는 없습니다.

이 시스템은 몇 가지 장점을 제공하지만 제한점도 있습니다.

흐르는 물과 얇은 물층은 풍부한 산소 공급을 가능하게 하여 식물 뿌리와 물고기 모두에 유익합니다. 물은 다시 탱크로 돌아갑니다. 또한 공간 효율성이 높아 좁은 공간이나 높은 수직 농업 시스템에서도 사용할 수 있습니다. 마지막으로, 영양분과 물의 지속적인 흐름은 매체 기반 시스템보다 식물 성장에 더 큰 촉진 효과를 주지만, 래프트 시스템의 여과 장치가 필요하지 않습니다.

하지만 NFT 시스템은 잎채소와 같이 뿌리가 작고 얇은 식물에만 적합합니다; 뿌리가 큰 식물은 잘 자라지 못합니다. 또한 뿌리가 얕은 채널을 막아 영양 결핍을 일으킬 수 있습니다. 물 온도는 급격히 변동할 수 있는데, 특히 식물이 직사광에 노출될 경우 식물과 물고기 모두에 문제가 발생할 수 있습니다.

아쿠아포닉스로 재배할 수 있는 것

식물 측면

수경재배로 재배 가능한 대부분의 식물은 아쿠아포닉스로도 재배할 수 있습니다. 수경재배 시장은 주로 고부가가치 작물에 의해 지배되며, 지속적인 수요와 고품질·통제된 성장 환경이 필요합니다:

  • 토마토.
  • 허브.
  • 상추.
  • 오이.
  • 고추.

기타 고부가가치 작물도 수경재배·아쿠아포닉스로 재배할 수 있으며, 예를 들어 대마초나 홉이 있습니다. 이러한 경우 수경재배·아쿠아포닉스는 성장 조건의 일관성을 높여 맛과 화학 조성의 일관성을 보장합니다.

수산 양식 측면

물고기 양식

가장 일반적인 수생 동물 양식은 물고기입니다.

아쿠아포닉스 시스템에는 담수가 필수이며, 염분이 많은 바닷물은 시스템의 식물 부분에 독성이 있습니다.

소금물 아쿠아포닉스를 개발하기 위한 연구가 진행 중이며, 높은 염내성을 가진 식물을 찾고 있습니다. 탐색된 옵션으로는 일반 아이스 플랜트(일본에서 인기 있는 수경재배 작물), 염내성 GMO 쌀 품종, 혹은 해조류가 있습니다.

인기 있는 물고기에는 다음이 포함됩니다:

  • 틸라피아(아쿠아포닉스에서 가장 흔한 물고기).
  • 블루길/브림/선피시/크래피.
  • 메기.
  • 농어.
  • 잉어.
  • 코이.
  • 파쿠.
  • 천사어, 구피, 테트라, 검은송어, 몰리, 금붕어 등 다양한 관상어.

일반적으로, 최적의 물고기는 다음과 같은 특성을 가지고 있으며, 이는 전반적인 수산 양식에도 유리합니다:

  • 작은 제한된 탱크에서도 서로 잘 살아가며, 성체 최대 크기가 작음.
    • 포획 상태에서 번식이 잘 되는 것도 중요한 특성입니다.
  • 특히 식용 물고기의 경우 빠른 성장과 좋은 사료 전환비(1파운드의 물고기를 키우는 데 필요한 사료 무게)가 이상적입니다.
  • 질병에 대한 높은 저항성.
  • 저온 물에 대한 좋은 내성(비용이 많이 드는 난방 필요성을 줄임) 및 온도 변동에 대한 내성(계절 변화에 따라 제어가 어려움).
    • 물고기 탱크의 온도와 물고기 종은 해당 지역에 맞게 조정되어야 합니다.
  • 해당 종에 대한 강한 시장 수요.

기타 수생 동물

물고기 외에도 아쿠아포닉스로 사육할 수 있는 다른 동물들이 있습니다. 예를 들어:

  • 가재/야비(바다가재와 비슷한 작은 민물 갑각류).
  • 새우와 대하(민물 종류일 경우). 이들은 비교적 높은 수온이 필요합니다.
  • 조개, 굴 및 기타 껍질류
    • 껍질은 물을 깨끗하게 유지하고 고부가가치 제품을 제공하는 데 도움이 됩니다.
    • 하지만 시스템 배관 안에 퍼져 쌓이면 막힘을 일으킬 수 있습니다.
    • 껍질은 주로 미세조류와 플랑크톤을 먹기 때문에, 조류 수경재배를 활용하면 식물이나 물고기 없이도 독특한 아쿠아포닉스 시스템을 만들 수 있습니다.
  • 거북이 및 수생 파충류. 수생 파충류는 일부 국가에서 애완동물이나 식용으로 사육되기도 합니다. 따라서 따뜻한 환경에서는 물고기와 동일한 역할을 할 수 있습니다.
  • 벌레(“vermiponics”).
    • 벌레는 농업 폐기물, 주방 쓰레기, 토끼 분뇨 등 물고기 사료로 사용할 수 없는 물질을 먹일 수 있습니다.
    • 산소 요구량이 적고 일반적으로 더 복잡한 동물보다 회복력이 높습니다.

박테리아 여과

모든 아쿠아포닉스 시스템이 여과 장치를 사용하는 것은 아니지만, 대규모 설치에서는 종종 필요합니다.

이러한 여과 장치의 목적은 암모니아가 풍부한 수생 동물의 배설물을 질산염과 아질산염(‘질산화’)으로 전환할 수 있는 박테리아를 보유하는 것입니다. 이는 식물에 더 유익합니다.

암모니아가 질산염으로 전환되지 않아 식물이 사용하지 못하면, 고농도의 암모니아(및 어느 정도의 아질산염)는 물고기와 다른 수생 동물을 죽일 수 있습니다. 식물은 암모니아를 잘 흡수하지 못하기 때문에 많은 설계에서 질산화가 필수적입니다.

암모니아는 Nitrosomonas 박테리아에 의해 아질산염으로 전환되고, 아질산염은 Nitrobacter 박테리아에 의해 질산염으로 전환됩니다. 이 과정은 시간이 걸릴 수 있으므로, 설계 및 운영 시 여러 개의 박테리아 여과 탱크가 순차적으로 처리된 물을 방출하도록 고려해야 합니다.

아쿠아포닉스의 장점

아쿠아포닉스는 수경재배의 많은 장점(및 제한)을 공유합니다. 여기에는 전통 농업에 비해 물 소비량이 1/6~1/10 수준으로 감소하고, 매우 일관되고 생산적인 성장 조건, 낮은 살충제 사용 및 제초제 불사용, 그리고 토양에서 발생하는 질병의 제거가 포함됩니다.

아쿠아포닉스는 수경재배나 수산 양식만으로는 얻을 수 없는 고유한 장점도 가지고 있습니다:

  • 모든 비료가 자연스럽게 물고기 배설물에서 나옵니다.
    • 수산 양식에 필수적인 물고기 사료가 두 번 재사용되어 비료 비용을 절감합니다.
    • 시스템에 화학 비료가 들어가지 않아 보다 자연스럽고 유기적인 수경재배가 가능합니다.
  • 물고기의 물이 자연스럽게 정화됩니다. 이는 매일 5~30%의 물을 배출해야 하는 필요성을 대체합니다.
  • 단백질이 풍부한 식품과 건강한 식물 제품을 동시에 생산합니다.
  • 다양한 수입원.
    • 채소와 물고기 시장 가격은 크게 변동하지만 서로 상관관계가 없습니다.
    • 물고기 수확은 규칙적이지 않지만, 보다 규칙적인 수경재배 수입 외에 큰 현금 흐름을 제공할 수 있습니다.

아쿠아포닉스의 단점

수경재배와 수산 양식 각각보다 전반적으로 더 효율적이지만, 아쿠아포닉스는 자체적인 도전 과제를 안고 있습니다.

복잡성 및 비용

비용이 이미 수경재배의 주요 제한 요인이었지만, 아쿠아포닉스는 더욱 복잡해져 설치 비용이 더 많이 듭니다. 수산 양식 시스템이 수경재배 시스템에 추가되었습니다.

각 시스템은 물을 정화할 충분한 식물과 충분한 비료를 제공할 물고기가 맞춰지도록 정확히 규모를 맞춰야 합니다.

이 복잡한 시스템은 공기 온도와 물 온도 모두를 잘 관리해야 하며, 증발 및 평균 습도도 고려해야 합니다. 또한 식물과 동물 모두 물의 pH를 변화시킬 수 있어, 균형이 깨지면 성장 저하 또는 사망을 초래할 수 있습니다.

제어 및 기술

모든 파라미터가 상호 연결되어 있기 때문에, 지속적인 감독과 센서가 필요합니다.

마찬가지로, 질병 발생을 감시해야 하는 대상이 물고기와 식물 모두가 되며, 치료가 더 어려워집니다. 예를 들어 물고기에게 항생제를 투여하면 식물이 오염될 수 있고, 식물에 살균제를 사용하면 물고기 고기가 오염될 수 있습니다.

이와 같은 복잡한 시스템을 모니터링하고 관리하려면 충분한 지식과 훈련이 필요하며, 이는 ‘단순한’ 수경재배나 수산 양식보다 더 많은 전문성을 요구합니다.

에너지 수요

온도 변동은 수생 동물에게 치명적일 수 있으며, 큰 변화나 급격한 변화에 대한 내성이 낮은 식물보다 더 빠르게 영향을 미칩니다.

따라서 아쿠아포닉스 시스템은 물 온도를 적절한 범위로 유지하기 위해 난방 및/또는 냉방 시스템이 필요할 가능성이 높습니다.

이는 특히 일부 기후에서 아쿠아포닉스를 매우 에너지 집약적으로 만들 수 있습니다. 또한 식물 부분에 자연광과 온실 사용을 복잡하게 합니다. 인공 조명과 식물 난방 필요성을 줄이지만, 여름철 물이 과열되어 수생 동물에게 문제가 될 수 있습니다.

복원력

아쿠아포닉스 시스템은 본질적으로 매우 인공적이며, 많은 배관, 펌프, 센서, 여과 장치 등이 필요합니다. 따라서 모든 것이 원활히 작동해야 합니다:

  • 부품 및 구성 요소의 공급망.
  • 전력 공급.
  • 고도로 자동화되고 정교한 작업을 위한 전자 연결 시스템.
  • 필요한 모니터링 및 유지보수를 효율적으로 수행할 수 있는 숙련 인력.

이러한 문제는 수경재배보다 더 두드러지며, 물고기는 지속적인 사료, 정화된 물, 산소 공급이 필요합니다.

따라서 아쿠아포닉스 시스템이 24시간만이라도 중단되면 모든 물고기가 죽을 수 있으며, 이는 식물만으로는 견딜 수 있었을 상황입니다.

이러한 위험을 완화하는 방법도 있지만, 예를 들어 시스템 중복성이나 더 큰 재고(설치 비용 증가), 혹은 재생 에너지 기반의 지역 전력 공급 등이 있습니다. 그럼에도 아쿠아포닉스는 수경재배만큼, 혹은 개방된 들판에서 빗물로 재배되는 작물만큼 회복력이 뛰어나지는 않을 것입니다.

아쿠아포닉스 혁신

아쿠아포닉스 혁신

아쿠아포닉스는 수경재배와 수산 양식을 결합하므로, 두 분야의 혁신이 생산성을 향상시킬 수 있습니다.

수경재배 혁신

LED 조명

LED 조명은 수경재배와 아쿠아포닉스에서 중요한 기술 개입 중 하나입니다. 이 조명은 다른 광원에 비해 에너지 소비가 훨씬 적고, 열 발생이 적으며, 수명이 깁니다.

또한, 가시광선 스펙트럼 전체가 광합성에 유용한 것은 아니므로, 녹색 빛을 배제한 전용 LED를 사용해 인공 조명에 소비되는 전력을 더욱 줄일 수 있습니다.

출처: Agritecture

eSoil

수경재배는 전통 농업에서는 불가능한 식물에 대한 직접적인 제어를 가능하게 합니다. 이는 빛이나 영양분 접근을 늘리는 것을 넘어 작물 생산성을 향상시킬 새로운 실험의 문을 엽니다.

예를 들어, 우리는 기사 “전기가 수경재배 작물 성장에 슈퍼차지”에서 이러한 옵션을 탐구했습니다. 연구자들은 셀룰로오스(종이의 주요 성분)와 전도성 폴리머인 PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)를 혼합한 맞춤형 인공 기질, 즉 “전도성 토양/eSoil”을 사용했습니다. 이를 통해 묘목에 지속적인 저전압을 가해 성장률을 50% 증가시켰습니다.

이는 수경재배 시스템이 제공하는 높은 제어 수준 덕분에 상당한 생산성 향상을 이룰 수 있는 한 예에 불과합니다.

수산 양식 혁신

수산 양식의 주요 문제 중 하나는 해충 및 질병 관리입니다. 바이오테크놀로지의 발전으로 RNAi 치료를 이용해 예를 들어 새우 양식에 큰 부정적 영향을 미치는 백반증후군 바이러스(WSSV)와 같은 바이러스의 영향을 감소시킬 수 있게 되었습니다.

백신은 물고기 사료에 특수 미세 캡슐화를 통해 혹은 유전적으로 변형된 식용 자가 복제 알gae를 이용해 전달될 수도 있습니다.

마지막으로, 야생 어류 자원이 급속히 고갈됨에 따라, Fishcoin과 같은 블록체인 솔루션을 활용한 신뢰성 높은 공급 방식을 통해 소비자에게 전달되는 어류 고기가 가장 윤리적이며 에너지 비용이 최소화된 방식으로 생산되었음을 보장할 수 있습니다.

또한, 노르웨이의 연어 양식 기업 Cermaq와 센서 회사 BioSort가 협업해 개발한 iFarm과 같은 개별 물고기 모니터링 센서와 같은 고급 기술 솔루션도 활용될 수 있습니다.

수경재배와 수산 양식 모두를 위한 혁신

IoT 및 센서 기반 자동화

센서와 전자 부품 비용이 감소하면서 온도, 습도, 조명, pH 수준 및 영양분 양을 지속적으로 모니터링할 수 있게 되었습니다. 동물이 존재하므로 원치 않는 변동이 더 흔하고 심각한 결과를 초래하기 때문에, 이는 수경재배보다 더욱 중요한 모니터링 수준입니다.

이 센서 기반 방법은 실시간으로 조건을 추적하고 조정하여 항상 최적 상태를 유지하도록 돕습니다.

AI 기반 기술

앞서 언급했듯이, 아쿠아포닉스는 물 시스템, 질병, 영양 수준, 온도, pH, 여과 품질 등을 매우 집중적으로 모니터링해야 합니다.

AI는 조명 수준, 습도, 영양 수준 등 기존 환경 조건을 최적화하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 AI는 특정 조건에 맞는 맞춤형 솔루션을 만들어 투자 효율성을 높이고 비용을 절감합니다. 시간이 지나면서 AI는 인간 운영자의 고도의 교육 및 지식 요구를 감소시킬 수 있습니다.

AI는 머신 비전이나 자동화된 생화학 테스트를 활용해 인간이 감지하기 전에 질병 존재를 경고할 수 있습니다.

마지막으로, 자율 농업 로봇이 등장함에 따라, 식물의 파종, 가지치기, 수확 및 교체와 물고기의 사료 공급, 번식, 수확을 AI가 제어하는 아쿠아포닉스 시스템이 자율적으로 수행되는 모습을 상상할 수 있습니다.

아쿠아포닉스 설치 시작

아쿠아포닉스 시스템은 균형 잡힌 안정적인 질소 순환을 구축하기 위해 서서히 시작 단계가 필요합니다. 물고기를 추가하기 전에 시스템에 암모니아를 투입하고 여과 장치 내부에 박테리아 바이오필름이 성장하도록 하여 암모니아가 효율적으로 아질산염과 질산염으로 전환되도록 질소 순환을 먼저 확립하는 것이 좋습니다.

같은 원칙이 물고기와 식물을 추가할 때도 적용됩니다. 점진적인 도입을 통해 수질 파라미터, 물고기 급여 및 식물 성장을 조정할 수 있습니다. 시스템이 다양한 성장 단계에 있는 식물과 동물이 원활히 작동하고 지속적인 수확이 이루어질 때 비로소 수산 양식 시스템이 완전히 구축된 것으로 간주됩니다.

규모 설정

아쿠아포닉스의 복잡성 때문에 대부분의 시스템은 예상되는 정확한 투자 수익률을 목표로 상업 규모로 구축됩니다. 또한 높은 수준의 자동화와 센서 기술이 통합되는 경향이 있습니다.

이는 수동 제어가 가능한 소규모 시스템을 구축할 수 없다는 의미는 아니지만, 산도, 온도, 암모니아 농도 등을 균형 있게 유지하기가 더 어려워지고, 보다 세밀한 조정이 필요합니다.

이 분야는 아직 초기 단계이며 표준화된 템플릿이 없고 많은 실험이 진행 중입니다. 그러나 이제는 개발 단계의 개념에 그치지 않고, 주목할 만한 대규모 설치 사례도 존재합니다:

결론

아쿠아포닉스는 현재 수경재배와 수산 양식 방식의 많은 제한점을 해결하는 매우 효율적인 설계입니다. 이는 수경재배가 화학 비료에 의존하는 정도와 수산 양식으로 인한 물 오염 및 폐기물을 모두 감소시킬 수 있습니다.

하지만 이는 훨씬 더 기술적인 분야이며, 대부분의 개인과 기업은 아쿠아포닉스로 결합하기 전에 수경재배나 수산 양식 중 하나에서 충분한 경험을 쌓는 것이 유리합니다.

이렇게 하면 시스템 복잡성으로 인한 질병 및 해충 관리, 화학적 불균형(pH, 암모니아 농도 등), 종 선택, 온도 변동 등 다양한 도전을 성공적으로 다룰 가능성이 높아집니다.

그럼에도 전 세계 인구 증가와 야생 어류 자원 고갈, 경작 가능한 토지 감소를 고려할 때, 아쿠아포닉스는 고품질 식물 제품과 고단백 건강한 육류를 생산하는 강력한 해결책이 될 수 있습니다. 또한 토지와 물 사용을 줄이고 오염 배출도 크게 감소시킵니다.

mm

Jonathan은 유전체 분석 및 임상 시험에서 연구를 수행한 전 바이오케미스트 연구자입니다. 그는 현재创新, 시장 주기 및 지구 정치에 중점을 둔 그의 출판물 'The Eurasian Century"에서 주식 분석가 및 금융 작가로 활동하고 있습니다.