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[자연에서 배우는 과학] 맹그로브 나무와 사막 선인장

by 에디터's 2022. 4. 28.

물 부족 문제 해결의 열쇠!
맹그로브 나무와 사막 선인장

사진출처 : pixabay

우리가 생존하는 데 있어 가장 중요한 것은 무엇일까요? 누군가에게는 따뜻하고 안전하게 쉴 수 있는 집일 수도 있고, 누군가에게는 허기를 채울 수 있는 음식일 수도 있겠지요. 하지만 그 누구나 인정할 수밖에 없는 중요한 것이 한 가지 있습니다. 그것은 바로 ‘물’이지요. 물은 사람에게 무엇보다 중요한 요소입니다. 우리 몸의 70%를 차지하고 있는 물은 우리 몸의 체온, 삼투압, 혈액의 수소이온 농도를 조절하며 건강을 유지할 수 있게 도와줍니다.

 

또한, 몸에 필요한 영양분을 온몸 구석구석 공급하며 필요시에는 눈물, 땀, 소변 등을 통해 노폐물을 배출시키기도 하지요. 우리는 물 없이 3일 이상을 견디기 힘들다고 합니다. 물의 중요함과 소중함은 우리 인간에 국한된 것만은 아닙니다. 인간과 마찬가지로 지구상 모든 동식물은 물 없이는 살아갈 수가 없습니다.

 

사진출처 : pixabay

문제는 이 소중한 물이 점점 부족해지고 있다는 사실인데요. 사실 이 지구에는 물 자체가 부족한 것은 아닙니다. 지구에 있는 전체 물로 지구를 덮는다면 지구 표면을 2.7㎞가량 덮을 수 있는 양입니다. 하지만 우리가 이 중에서 사용할 수 있는 물은 해수를 제외하면 2.5%, 그중에서도 인간이 사용할 수 있는 물은 0.3%에 불과합니다. 이는 전체 물의 0.0075%에 불과하다는 것이지요. 매우 적은 양에 불과하다고 생각할 수도 있지만, 이 정도의 양으로도 우리는 충분히 생활할 수 있습니다. 왜냐하면 물은 계속 순환하면서 우리에게 되돌아오기 때문이지요.

 

사진출처 : pixabay

하지만 급격한 인구 증가와 함께 나타난 환경오염은 물 부족 현상을 야기시켰습니다. 또 산업의 성장으로 개인의 물 사용량이 높아진 것도 하나의 이유입니다. 이런 여러 복합적인 이유로 인류는 현재 심각한 물 부족의 위기를 겪게 되었습니다. 그렇다면 우리는 이 물 부족 사태를 해결하기 위하여 어떤 방법을 취해야 할까요?

 

여기 주목해볼 만한 연구가 있습니다. 몇몇 연구자들은 물 부족 현상을 해결할 방법을 자연에서 찾고자 했습니다. 그 힌트를 준 것은 맹그로브 나무와 사막의 선인장입니다. 특히, 이전의 비용과 여러 기술적 한계에 직면하여 상용화가 불발된 해수 담수화 기술을 생체모방기술을 활용하여 물 부족 지역에 효율적으로 제공할 수 있어 각광 받고 있습니다. 맹그로브 나무와 사막의 선인장이 어떻게 해수담수화의 힌트가 되는지 한번 살펴볼까요?

 

사막에서 오아시스가 생명의 터전이 되듯이 맹그로브도 바다라는 식물의 사막에서 생명의 보금자리가 됩니다. 이는 맹그로브가 바닷물을 민물로 만드는 탁월한 담수화 능력을 가지고 있기 때문인데요, 심지어 바닷물의 염분에 3배에 달하는 곳에서도 견딜 수 있다니 그 담수화 능력은 상상을 초월할 정도일 것입니다.

 

사진출처 : pixabay

맹그로브의 뿌리의 표피는 –94mV에 달하는 큰 음전하를 띄고 있어 양전하를 지니고 있는 Na+ 이온을 걸러낼 수 있다고 합니다. 즉, 해수가 뿌리를 통과하면서 양전하를 가지고 있는 염분이 음전하를 띄고 있는 뿌리에 붙어서 통과되지 못한다는 것이지요. 이렇게 여과된 물은 기존의 염분보다 90%가 감소한다고 합니다.

 

포항공대 기계공학부 이상준 교수팀은 맹그로브 뿌리의 이러한 정전기적 특성을 모방하여 새로운 해수담수화 방법을 개발하였습니다. 연구진은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 소재의 멤브레인(여과막)에 양전하 물질과 음전하 물질을 층층이 적층하는 방식으로 새로운 해수 담수화 여과장치를 개발하였습니다. 이 장치로 염화나트륨 수용액을 통과시켜보니 97%의 염분이 제거되었다고 합니다.

 

실험이 진행된 사흘 동안 토출 유량이 7.6L로 일정하게 유지됐습니다. 이는 폐색 현상으로 인해 여과막에 성능 저하 또한 일어나지 않았다는 사실입니다. 폐색 현상이란 여과를 반복적으로 시행할 때 물속에 있던 여러 물질이 여과망에 축적되는 현상을 말합니다. 이 여과 장치는 전기장치 없이도 작동 가능하기 때문에 아프리카나 여러 물이 필요한 오지에서도 자유롭고 편리하게 쓰일 것이라고 기대되고 있습니다.

 

사진출처 : pixabay

사막에서 서식하는 선인장의 물 집적 기술을 통해서도 물 부족을 해결할 해법의 힌트를 얻고 있습니다. 사막기후에서 서식하는 식물들은 각자의 생존기술이 있는데, 그중에서도 생명 유지에 꼭 필요한 물을 어떻게 구하는지는 중요한 문제로 대부분의 식물은 뿌리를 깊이 내려 지하에 있는 물을 섭취하지만, 선인장은 그 반대입니다. 선인장은 대기 중의 수분을 직접 모아 사용합니다. 선인장은 가시와 거친 줄기 표면을 이용하여 대기 중의 수분을 물로 응집시킵니다.

 

캘리포니아 공대의 과학자들은 선인장이 대기 중 물을 포집하는 모습을 모방하여 새로운 물 수확 시스템을 개발하였습니다. 연구팀은 물을 끌어당기는 성질이 강한 친수성 하이드로겔 막을 이용하여 선인장의 미세한 표피 구조를 인위적으로 만들었습니다. 연구진은 태양열을 흡수할 수 있는 장치 안에 55㎠에서 125㎠까지 다양한 크기의 막을 만들어 하루 동안 대기 중의 물을 포집하였는데요, 그 결과로 총 160㎖의 물을 얻었다고 합니다. 이 결과는 하이드로겔 막이 1㎥일 경우에는 하루 동안 34L의 물을 아무 전기적 장치 없이 생산해낼 수 있다는 의미입니다.

 

많은 연구자는 인류에게 당면한 물 부족 위기에 대응하기 위해 열심히 연구하고 있습니다. 첨단과학 기술을 동원해 이 위기를 극복하려고 애쓰고 있지요. 하지만 그보다 먼저 우리가 해야 할 일이 있습니다. 늦었다고 생각하는 지금, 이 순간부터라고 자연 훼손을 멈추는 일이 인류가 할 수 있는 가장 강력한 대응기술이 아닐까 생각됩니다. 환경오염에 맞서 오늘부터 내가 실천할 수 있는 것 한 가지씩 시작해보는 것은 어떨까요?

 

 

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