금속 나노입자가 작물 보호를 혁신할 수 있다

식물을 질병과 해충으로부터 보호하는 것은 거대한 글로벌 사업이며 $83.3B 규모이며 2025년에는 연평균 성장률 5%로 성장. 효과적인 작물 보호가 없으면 해충과 질병으로 인한 손실이 식량 공급, 가격 및 전 세계 식량 안보에 추가적인 압력을 가하게 된다.

또한 농업 수확량을 높게 유지하려는 압력은 전 세계 인구가 100억에 가까워질 것으로 예상됨에 따라 계속 증가하고 있다. 이 증가하는 수요를 충족하려면 향후 수십 년 동안 식량 생산을 50~60% 이상 크게 늘려야 할 것으로 추정된다.

하지만 작물 보호는 여전히 합성 화학물질에 크게 의존하고 있으며, 이들 중 일부는 환경에 잔존하거나 수계를 오염시키고 식품에 잔류물을 남긴다. 따라서 연구자들은 대체 기술을 찾기 위해 노력하고 있다.

“현재 농업 생산성은 기후 변화, 토양 황폐화, 낮은 영양소 이용 효율성, 그리고 증가하는 생물학적·비생물학적 스트레스 등 여러 요인에 의해 제한되고 있다. 이러한 문제는 합성 비료와 살충제의 과다 사용과 같은 전통적인 농업 관행의 광범위한 사용으로 더욱 악화되어 토양 황폐화, 수질 오염 및 생물 다양성 손실을 초래한다.”

다른 화학물질을 찾는 대신, 새로운 연구 방향은 나노재료의 잠재력을 조사하는 것이다. 나노재료의 특성은 단순히 조성에 의해서만이 아니라 원자 수준의 구조에 의해 결정된다.

일반적인 화학 처리와 달리, 나노입자는 활성 성분의 표적 전달, 제어된 방출 및 향상된 생체 이용률을 제공할 수 있다.

“나노재료, 특히 나노입자는 높은 비표면적, 반응성 및 기능적 변형 가능성과 같은 독특한 물리화학적 특성을 가지고 있다. 금속 기반 나노입자는 높은 생물학적 활성을 지니고 있어 나노입자 중에서도 특별한 위치를 차지한다.”

러시아 ITMO 대학교와 남아프리카 공화국 더반 공과대학교의 연구원들은 이 기술의 최신 현황과 향후 잠재력 및 한계를 검토했다.

그들은 South African Journal of Botany¹에 “생명공학을 위한 금속 기반 나노입자: 농업 분야 적용“라는 제목으로 연구 결과를 발표했다.

나노입자와 작물 보호

항진균 활성

아연 산화물(ZnO), 은(Ag), 구리(Cu), 철 산화물(Fe₂O₃), 이산화티타늄(TiO₂) 등 다양한 금속 나노입자가 농업에서 상당한 잠재력을 보여주었다. 이들은 식물 추출물과 미생물을 이용한 «green» 합성을 통해 환경 친화적이고 비용 효율적인 대안으로 금속 나노입자를 생산할 수 있다.

이들의 가장 강력한 효과는 항진균 처리로, 병원성 곰팡이의 성장을 죽이거나 억제한다. 이들은 반응성 산소 종(ROS)을 생성하고 병원체의 세포막을 파괴함으로써 작용한다.

출처: South African Journal of Botany

보다 구체적으로, 은은 이 적용 분야에서 가장 강력한 금속 중 하나로, 다양한 곰팡이와 박테리아 병원체에 영향을 미친다(같은 이유로 은 이온은 이미 병원에서 감염을 퇴치하는 데 사용되고 있다).

또 다른 잘 알려진 살균제는 구리이다. 구리는 식물 세포벽을 강화하고 곰팡이 성장을 억제함으로써 작용하는 것으로 보인다.

마지막으로, 티타늄 나노입자는 곰팡이 병원체에 효과적인 것으로 알려져 있으며, 탄산칼슘 및 철 산화물 나노입자도 잠재력을 가지고 있으나 연구가 덜 진행되었다.

항균 활성

동일한 나노입자는 고정화, 박테리아 세포막 파괴, 산화성 분자(ROS) 생성 등 다양한 작용을 통해 항균 처리 역할을 할 수 있다.

추가적으로, 친환경 합성 방법을 통해 포유류 몸과 생체 적합성을 갖는 항균 나노입자를 생산할 수 있어 인간 건강에 무해하다.

출처: South African Journal of Botany

여기서도 은뿐만 아니라 아연과 구리 역시 이러한 나노입자를 형성하는 데 가장 많이 연구된 금속이다. 입자 크기만으로 효능이 결정되지 않는다. 한 구리 나노입자 연구에서 가장 작은 입자를 가진 제형이 예상외로 가장 낮은 항균 활성을 보였으며, 이는 조성 및 표면 특성도 중요함을 보여준다.

출처: South African Journal of Botany

이 금속들은 이 적용 분야에서 가장 유망한 것으로 보이며, 예를 들어 한 연구에서는 철 산화물 나노입자가 질병 심각성을 27% 감소시킨 반면, 은은 67% 감소시켰다.

벌레와 곤충에 대한 영향

식물에서 추출한 여러 금속 나노입자 추출물은 철(적철석 – Fe₂O₃), 산화구리, 산화아연 등을 포함해 곤충 침입 방제에 효과가 있는 것으로 나타났습니다. 식물 추출물이나 곤충에 독성이 알려진 박테리아 배양액으로 만든 은 나노입자도 좋은 결과를 보였습니다.

이 적용 분야에서 가장 흥미로운 활용은 농지보다는 곡물과 밀가루가 해충에 오염될 수 있는 창고에서 작물을 보존하는 것이 될 수 있습니다. 이러한 상황에서 알루미늄 산화물 나노입자는 이미 상업적 운영에 사용되고 있습니다.

출처: South African Journal of Botany

그러나 식품 저장 적용 시 최종 식품에 나노입자 농도가 높아지므로, 연구 저자들은 포유류와 인간에 대한 이 나노입자의 안전성을 확보하기 위해 추가 분석이 필요하다고 주장합니다.

추가 조사가 필요한 또 다른 연구 분야는 꿀벌과 해충을 잡아먹는 포식성 곤충 등 유익 곤충에 대한 바람직하지 않은 독성 영향을 조사하는 것입니다.

선충은 3,000여 종의 식물을 감염시켜 많은 작물 질병을 일으키는 작은 벌레로, 나노입자는 이에도 도움이 될 수 있습니다. 특히 선충은 기존 화학물질로 처리하기 어려운 경우가 많으며, 뿌리혹선충(Meloidogyne incognita) 만으로도 전 세계적으로 1,000억 달러에 달하는 막대한 작물 손실을 초래합니다.

“금속 나노입자의 사용은 비용이 많이 드는 화학물질 및 유전적 방법보다 더 빠르고 저렴한 해충 문제 해결책을 제공할 수 있습니다.”

녹색 은 나노입자를 Aloe vera 추출물로 얻으면 M. incognita에 대해 최대 60% 억제 효과를 달성할 수 있으며, 시험관 내에서. 더욱 큰 효과가 얻어집니다.

마찬가지로, 산화철, 티타늄 및 구리 나노입자는 M. incognita.의 발달을 크게 억제했습니다.

“토마토 식물에 대한 실험 결과, «green» 나노입자는 M. incognita에 대해 가장 높은 활성을 보였으며, 200 mg/L 농도에서 45일 동안 나노입자가 알을 낳은 수를 41% 감소시키고 혹(생식 부위) 형성을 38% 감소시켰습니다.”

나노입자의 작물에 대한 기타 효과

금속 나노입자가 병원균과 해충에 미치는 효과가 이 기술의 가장 중요한 적용 분야이지만, 다른 생물학적 활동도 중요할 수 있습니다.

예를 들어, 낮은 농도의 나노입자는 성장을 촉진하는 반면, 높은 농도는 독성을 나타내어 생리적 과정을 억제할 수 있으며, 이는 철저히 용량 의존적인 효과입니다.

출처: South African Journal of Botany

또한 뿌리와 싹의 성장을 촉진하고 카로티노이드와 엽록소 a 및 b의 형성을 돕습니다.

이는 금 나노입자에 대해서도 연구된 효과입니다. 예를 들어, 금 나노입자는 희귀 약용 식물 Gloriosa superba. 의 발아를 개선하는 데 사용되었습니다.

철 및 몰리브덴 나노입자는 Solanum lycopersicum 식물의 질소 흡수를 향상시키는 것으로 밝혀졌습니다.

또 다른 흥미로운 분야는 중금속으로 오염된 토양 및 식물을 정화하는 데 나노입자를 활용하는 것입니다. 이산화티타늄과 셀레늄 나노입자는 밀 식물에서 카드뮴 오염을 제거하는 데 사용되었습니다.

마지막으로, 나노입자는 식물이 환경 스트레스를 견디도록 도울 수 있습니다. 과잉 염분에 대처하고 광합성을 개선하거나 가뭄을 견디는 데 도움이 됩니다.

출처: South African Journal of Botany

농업에서 나노입자의 한계와 미래

시험관 내 및 제한된 실험실 분석을 통해 금속 나노입자가 병원균 및 해충 방지, 성장 촉진 등 농업에 큰 잠재력을 가지고 있음이 크게 입증되었습니다. 식물 추출물로부터 이러한 나노입자를 생산하는 것은 특히 유망한데, 이는 “그린” 생산 경로와 향상된 생물학적 활성을 동시에 제공할 가능성을 제시합니다.

그러나 대규모 적용에 앞서 실제 농장에서의 영향을 보다 잘 이해해야 합니다. 특히, 꿀벌, 기타 수분 매개자(나비, 파리 등) 및 지렁이와 같이 농업 생태계에서 필수적인 역할을 하는 비표적 유기체에 대한 영향은 아직 명확하지 않습니다. 무해한 선충, 곰팡이 또는 박테리아 종도 의도치 않게 해를 입을 수 있으며, 이는 토양 건강 및 탄소·질소 순환에 영향을 미칠 수 있습니다. 나노입자의 토양 및 전반적인 환경 내 지속성뿐만 아니라 화학적 변형(응집, 흡착, 용해, 산화환원 반응, 황화)도 중요한 요소가 될 수 있습니다.

이러한 제품에 대한 규제 체계는 매우 파편화되고 미비합니다.

농약 산업 입장에서는 대규모 상용화를 위해 «safe-by-design» 전략을 통한 종특이적이며 무독성인 제형 개발이 필요합니다.

그럼에도 불구하고 투자자들은 이 기술에 주목해야 합니다. 이 기술은 살충제 제조업체의 환경적 프로파일을 개선하면서, 인구가 지속적으로 증가하는 세계를 먹여 살리기 위해 필요한 작물 보호 효율성을 유지할 수 있기 때문입니다.

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FMC Corporation

상위 5대 농약 기업(시너지, 바이엘, 코르테바, BASF 포함) 중에서, FMC는 “순수 플레이”(crop chemistry 및 biologicals) 전문 기업으로, 통합 종자 및 유전 형질 사업 라인에서 발생하는 부수적인 수익이 전혀 없는 유일한 기업으로 차별화됩니다.

저마진 원자재 부문과 경쟁하기보다는, 자체 특허 화학 물질과 전문 포뮬레이션 기술을 우선시하는 비즈니스 모델을 채택하고 있으며, 혁신적인 처리제는 정밀 농업 및 생물제제(RNA, 페로몬 등)를 중심으로 개발됩니다.

이는 회사가 이번 연구에서 논의된 나노입자와 같은 새로운 포뮬러 및 생물학적 혁신을 통합할 좋은 위치에 있게 하지만, 이러한 기술은 아직 실험 단계에 머물러 있으며 FMC의 매출에 포함되지 않습니다.

FMC의 경쟁력 핵심은 프리미엄 살충제 포트폴리오이며, 제초제가 그 다음으로 큰 시장을 차지합니다. 북미와 라틴아메리카에서의 매출이 회사 매출의 대부분을 차지하고, 그 다음으로 EMEA 지역 매출이 이어집니다.

출처: FMC

그의 작물 노출은 다양화되어 있으며, 대두와 과일/채소가 각각 20%씩을 차지하고, 쌀, 옥수수, 사탕수수 및 곡물로 균형을 이룹니다.

2026년, 인도 자회사의 매각으로 인해 회사는 매출과 이익이 감소했지만, 자유 현금 흐름은 긍정적인 상태를 유지했습니다. 회사는 부채 감소를 위해 2026년에 10억 달러를 창출하는 것을 목표로 하고 있습니다.

하지만 FMC는 새로운 활성 성분 매출이 50% 이상 성장한 것을 목격했으며, 이는 혁신 중심 전략의 성공을 보여줍니다. 또한 브라질과 같은 주요 시장에서 재배자에게 직접 판매가 증가하고 있습니다.

출처: FMC

전반적으로, FMC는 다른 대형 농약 기업보다 규모가 작고 계절적 변동성이 더 큰 기업이지만, 혁신과 특정 작물에 대한 맞춤형 솔루션에 훨씬 더 집중하고 있습니다.

따라서 이는 높은 마진을 제공하고 혁신을 지속시키며, 회사 주식이 투자자에게 첨단 작물 보호 시장에 대한 노출을 제공하도록 합니다.

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참조된 연구

^{1. Roman Olegovich Shaikenov 외, 금속 기반 나노입자 바이오기술: 농업 분야 적용. South African Journal of Botany. 2026년 11월. 페이지: 124-139. 권 198. 10.1016/j.sajb.2026.09.013}