Research article

Journal of Animal Environmental Science. 31 August 2023. 37~45
https://doi.org/10.11109/JAES.2023.25.2.037

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 재료 및 방법

  •   1. 배지 조성

  •   2. 축산분뇨, 퇴비 및 토양에서 세균의 분리 및 동정

  •   3. 성장성, 효소 역가 및 특성

  •   4. 미생물의 암모니아 분해능 측정

  •   5. 미생물의 열 스트레스 저항성 및 후보 균주 간 길항작용

  •   6. 액상형 복합미생물제 제조

  •   7. 현장시험 구성 및 규모형 퇴비 제조

  •   8. 현장실험 조사 일정 및 퇴비 더미 관리

  •   9. 현장실험 조사 항목 및 방법

  •   10. 통계분석

  • 결과 및 고찰

  •   1. 복합미생물 구성 균주 선발

  •   2. 축분퇴비의 평가

  • 결 론

서 론

2009년 미국 농무부가 의회에 제출한 연구 보고서는 가축분뇨를 ‘작물 비료, 토양 개선 및 재생 에너지의 귀중한 자원’으로 정의하였다 (MacDonald et al., 2009). 퇴비화는 가축 분뇨 및 기타 농업 폐기물을 고품질 농업 유기 비료로 전환하는 효과적이고 널리 사용되는 방법이다. 숙성된 가축분뇨로 처리된 퇴비는 경종 및 사료 작물포에 적용할 수 있고 친환경 순환농업을 수행에 중요한 역할을 하고 있다 (Bernal et al., 2009; Quan et al., 2022). 강우로 인한 표토 유실과 장기간의 화학비료 사용으로 인하여 토양의 비옥도가 낮아지는 등의 토질 문제 해결에 가축분뇨 퇴비를 비료로 사용하는 것은 문제 해결에 유용하다 (Kim et al., 2019; Quan et al., 2022; Rayne and Aula, 2020).

그러나 축산분뇨는 퇴비화 시 악취로 인한 민원 문제를 발생시키는데, 축산분뇨의 악취원인 물질이 되는 VFA (Volatile fatty acid), NH3, H2S, CH4, amine 및 아산화질소 (N2O)류 등으로 인하여 가축분뇨를 저장하거나 분해하는 과정에서 발생하는 악취는 사람과 주변 환경을 오염시킬 수 있어 친환경적인 처리가 필요하다 (Ko et al., 2008). 퇴비 제조에서 온도하락은 퇴비화에 중대한 영향을 미치는데 (Sun et al., 2017), 이는 미생물의 대사과정을 둔화시키거나 중지시킬 수 있으며 (Abdellah et al., 2021). 추위는 퇴비의 중온성 단계를 연장하고 고온성 단계를 단축하며 퇴비숙성에 부정적 영향을 미친다 (Hou et al., 2017). 이에 추운 시기 가축분뇨의 퇴비화는 다른 시기 대비 미생물 활동의 위축으로 퇴비화 기간이 길어지거나, 퇴비품질이 저하되는 현상이 나타날 수 있다. 퇴비화 과정에서 환경 온도가 20°C 이하로 떨어지면 퇴비화 속도가 느려질 수 있다 (Yao et al., 2020). 난방 방법으로는 전기 가열, 천연가스 또는 바이오가스 가열, 겨울철 덮개작물 재배 등을 사용하여 저온 조건에서의 복합분해 과정을 촉진할 수 있지만 대규모 퇴비 생산에는 에너지 소비, 비용 증가, 경제 효율 감소 등의 문제가 따르게 된다 (Abdellah et al., 2021). 그래서 미생물 접종은 퇴비화 과정을 가속화하는 대체 기술로 사용될 수 있으며 (Sun et al., 2017), 퇴비에 미생물 제제를 첨가하면 퇴비 형성을 가속화하고 휘발성 가스 배출을 줄이며 성분 가치가 보다 높은 고품질 비료를 생성하는 데 도움이 되는 것으로 나타났다. 온도 조건이 미생물 접종 선택에 미치는 영향을 고려하여, 극한 더위나 극한 추위에 적응력이 강한 미생물을 선택하는 것이 특히 중요하다. 미생물 첨가제는 중온성 및 호열성 박테리아의 증식으로 온도 곡선과 암모니아 배출에 영향을 주었다 (Rastogi et al., 2020). 현재 Alcaligenes, Bacillus, Clostridium, Enterococcus, Lactobacillus 등의 미생물은 모두 상업화된 퇴비 미생물 첨가제로 사용되고 있고 (Barthod et al., 2018), 이 외에도 일부 연구자들은 저온성 균주를 사용하여 추운 지역의 퇴비 성숙도를 향상시키는 실험을 수행한 바 있다 (Hou et al., 2017; Abdellah et al., 2021).

본 연구의 목적은 퇴비화 과정에서의 발효열 촉진 및 악취 가스 발생량 제어에 적합한 미생물을 활용함으로써 생물학적 처리가 겨울철 추운 시기 퇴비화 기간의 길어짐과 퇴비품질 저하 현상의 개선 및 악취 발생량 감소에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

재료 및 방법

1. 배지 조성

악취 제거용 균주를 분리하기 위하여 암모늄 산화균 분리용 배지와 질소 산화균 분리용 배지 2종의 선택배지를 이용하였고 온도 스트레스 검토를 위해 영양 배지 (Nutrient Agar; Difco, USA)를 이용하였다. 암모늄 산화균 분리용 배지 조성은 Na2HPO4 13.5 g/l, KH2PO4 0.7 g/l, MgSO4 0.5 g/l, FeCl2 0.014 g/l, CaCl2 0.18 g/l, (NH4)2SO4 0.5 g/l, Agar 15.0 g/l; 질소 산화균 분리용 배지 조성은 Na2HPO4 13.5 g/l, MgSO4 0.1 g/l, KH2PO4 0.7 g/l, NaHCO3 0.5 g/l, FeCl3 0.014 g/l, CaCl2 0.18 g/l, NaNO2 0.5 g/l, Agar 15.0 g/l로, 121°C에서 20분간 멸균 후 각각의 평판배지를 사용하였다.

2. 축산분뇨, 퇴비 및 토양에서 세균의 분리 및 동정

축산분뇨, 퇴비 및 토양에서 채취한 시료들을 각각 1 g씩 취하여 0.85% NaCl 용액으로 균질화하였고, 연속 희석법으로 1×10-5~1×10-3 농도에 해당하는 샘플을 100 ㎕씩 취하여 평판배지에 도말하였다. 30°C에서 24~48시간 배양 후 상이한 형태의 single colony에 대하여 3회 연속으로 순수분리 하였다. 선발된 후보 균주를 동정하기 위하여 16S rDNA 유전자 서열을 분석하였다 (SolGent, Korea). Primer로 27F (5’-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3’)와 1492R (5’-GGT TAC CTT GTT ACG ACT T-3’)을 사용하여 ABI PRISM 3730XL DNA analyzer로 분석하였다. Homology 검색은 NCBI의 BLAST를 이용하여 수행하였다.

3. 성장성, 효소 역가 및 특성

Amylase 활성은 영양 배지 (NA; Difco, USA)에 1% Soluble starch를 혼합하여 평판배지 제작 후 후보 균주를 획선 도말하여 30°C에서 48시간 배양한 다음 1% iodine solution 추가 이후 세균 주위의 clean zone를 비교 및 관찰하였다. Cellulase 활성은 NA 배지에 1% CMC (Carboxymethyl cellulose sodium salt)를 혼합하여 평판배지 제작 후 후보 균주를 획선 도말하여 30°C에서 48시간 배양한 다음 0.2% congo red액 염색 및 1M NaCl로 세척한 다음 균학 주위의 clean zone을 비교 및 관찰하였다. Protease 활성은 NA 배지에 1% skim milk를 혼합하여 평판배지 제작 후 후보 균주를 획선 도말하여 30°C 48시간 배양한 다음 균락 주의의 clean zone을 비교 및 관찰하였다. Lipase는 Spirit Blue Agar (SBA, Difco, USA)를 이용하여 평판배지 제작 후 후보 균주를 획선 도말하여 30°C에서 48시간 배양한 다음 균락 주위의 clean zone을 비교 및 관찰하였다.

4. 미생물의 암모니아 분해능 측정

암모니아 분석은 Indophenol 법으로 하였으며, 동일한 축산분뇨 희석액을 균질하여 각 실험구별 3 반복으로 250 ml 플라스틱병에 125 ml씩 담고 분리된 균주의 배양액을 각각 1%씩 접종한 후 실험 기간 15일 동안 30°C 아크릴 수조에 넣어 생장시켰다. 각 일자별로 희석액을 취하여 원심분리기 (5415 D, EPPENDORF Co., Germany)로 상온에서 10,000 rpm, 3분 원심분리 후 상등액에 phenol color reagent와 alkalin-hypochlorite 반응액을 첨가하여 실온에서 20분간 반응시킨 후 96 well plate의 well당 샘플 200 ㎕를 넣고, Micro plate reader (Synergy2, biotech Co., USA)로 3 반복 측정한 수치를 blank 값으로 보정한 평균을 취하여 아래의 공식에 근거하여 균주별 암모니아 분해능 수준을 계상하여 후보 균주 선발에 이용하였다. 계산 방법은 아래의 공식에 근거하여 계산하였다.

NH4-N(mg/100ml)=시료OD/StandardOD×Standard농도

5. 미생물의 열 스트레스 저항성 및 후보 균주 간 길항작용

열 스트레스 저항성은 분리된 균주의 배양액을 영양 배지 2개에 100 ㎕씩 도말 후 각 –20°C 와 55°C 항온기에서 24시간 노출시킨 후 30°C에서 48시간 재배양하여, 처음부터 영양 배지에 100 ㎕ 도말 후 30°C에서 48시간 배양시킨 동일 균주와의 군집 생성수 및 크기 비교로 온도 저항성을 측정함으로써 후보 균주 선발에 이용하였다. 균주 간 길항작용 수준을 검토는 영양 배지에 균주간 직교로 교차하도록 획선 도말하여 교차지점 균주의 성장 형태 관찰로 균주 간 길항 수준 및 경쟁적 배재 우열을 조사하였다.

6. 액상형 복합미생물제 제조

복합미생물제는 일반 생균형 시제품 균주 농도와 비슷한 수준인 106~7 CFU/ml이 되도록 제조하기 위해 Luria-Bertani (LB; Difco, USA)배지를 이용하여 30°C에서 균주별 36~72시간 내외로 호기 진탕 배양하여 각 균주의 농도가 약 106 CFU/ml이 되도록 하였다. 퇴비화 단계별 과정에서 유기물 분해와 악취제어에 영향을 끼칠 것으로 기대하는 Alcaligenes aquatilis, Rhodococcus jostii, Alcaligenes faecalis, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis의 배양 최종시점 균주농도는 1.8×106 CFU/ml, 6.7×105 CFU/ml, 1.7×106 CFU/ml, 1.9×106 CFU/ml, 7.7×106 CFU/ml이었다. 배양된 균주는 목적한 농도 도달 시점에 각 수거 후 완전히 밀봉하였고, 현장시험 실시 전까지 개별 냉장 보관하여 이후 축분 혼합물 총 중량당 약 1:100 수준의 처리에 사용하였다. 각 균주배양액 혼합으로 제조된 미생물제의 활성 수준은 6.3×106 CFU/ml으로 계상되었다.

7. 현장시험 구성 및 규모형 퇴비 제조

개발된 복합미생물제 처리 여부를 Table 1과 같이하여 퇴비 제조 시 미생물제를 처리하지 않은 대조구 (C)와 미생물제를 처리한 처리구 (T)로 하여 2종의 시험구를 구성하였다. 축분은 인근 우사와 육계 사육장에서 제공 받은 우분 및 부산물과 계분 및 부산물을 부피 기준 5:5로 혼합하여 사용하였고, 공극제로 톱밥을 이용하였다. 선행 조사된 원료별 수분 함량을 기준으로 혼합 시 퇴비더미의 함수량이 약 65%가 되도록 물이 추가 투입하는 형태로 구성하여 퇴비더미의 규모가 각 2.5 톤 수준이 되도록 조성하였다. 처리구에는 액상형 복합미생물제를 총중량 2.5톤의 1.2% 수준이 되는 30 L로 하여 처리하였으며, 대조구에는 액상형 복합미생물제 영양성분에 대한 균형으로 1% 수준의 당밀용액을 30 L로 하여 투입하였다. 고형원료는 파렛트 저울로 칭량하여 투입하였고, 액상원료는 개량이 가능한 물탱크를 이용하여 정량 투입하였다.

Table 1.

Physical properties of raw materials for composting.

Experimental
group
Item
Livestock manure1 (kg) Sawdust2 (kg) Microbial agents (L) 1% molasses solution (L) Water (L)
Control 1,400 400 0 30 650
Treatment 1,400 400 30 0 650

1The moisture content of chicken manure and waste products was determined to be 55.4% in a previous study., moisture content of cattle manure and waste products was determined to be 61.9% in a previous study.

2The moisture content of sawdust was determined to be 25.4% in a previous study.

8. 현장실험 조사 일정 및 퇴비 더미 관리

온실에 대조구와 처리구의 퇴비더미 각각을 나란히 배치하여 일조량 및 바람 세기 등 외기로부터의 영향이 유사할 수 있도록 하였고, 분리벽 설치로 섞임을 방지하였다. 퇴비화 방법은 퇴적식 퇴비화 방법으로 하여 Figure 1과 같은 형태로 실시하였다. 뒤집기 작업은 퇴비 더미 온도가 확연히 떨어지는 추세가 보이는 시험 (약 10일 간격)을 기준으로 수행하였으며, 실험개시일 기준 30일경까지는 미생물 활성 유지를 위해 뒤집기 작업 수행 시 각 퇴비 더미의 소실된 수분량을 현장 측정하여 소실량 평균을 퇴비 더미 2기에 동일한 수준으로 투입하는 가수 작업을 병행하였다. 이 밖의 퇴비 더미 관리는 퇴비 더미 제조 농가의 관행에 따랐다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/jaes/2023-025-02/N0360250201/images/jaes_2023_252_37_F1.jpg
Figrue 1.

Preparation of test site (a) and form of compost piles for evaluating the microbial agents (b).

9. 현장실험 조사 항목 및 방법

(1) 현장 측정

기온은 오후 5시를 기준으로 퇴비 제조 시설 외부 지정 자리에 걸어둔 온도계 (Testo905-T1, Testo SE & Co. KGaA., USA.)를 이용하여 측정하였고, 퇴비더미 온도와 전기전도도 (EC)는 탐침이 달린 온도계 (Testo905-T1, Testo SE & Co. KGaA., USA.)와 토양측정계 (HMM-400 Pro, Hanyoung system Co. Ltd., KOR.)를 이용하여 측정하였다. 악취는 시험구별로 퇴비 더미의 각기 다른 위치에서 채취하여 시료가 100g이 되도록 칭량한 후 밀봉하였다. 10분 대기 한 다음 밀봉된 내부로 검지관 (3 L, 3 La, 3 M; Gastec. Corp., JPN.)을 넣어, 실린더 (Gas sampling pump, Gastec. Corp., JPN.)로 플라스크 내 기체를 100 ml 흡기하여 황화수소, 암모니아, 아민류를 순차대로 측정하였다. 각 측정은 3 반복으로 수행하였다.

(2) 시료 채취 및 이화학적 분석

시험개시 직후 초반은 약 5일 간격으로 이후부터는 약 10일 간격으로 시험구별 퇴비 더미 여러 위치와 깊이에서 시료를 채취한 후 균등 혼합하여 밀봉하였고, 분석 전까지 냉동 보관 후 일괄적으로 「비료의 품질검사방법 및 시료채취 기준」의 분석 방법에 준하여 분석하였다. 수분 함량은 3 g의 퇴비 시료를 100°C에서 5시간 건조한 후에 감량된 값을 수분으로 하였고, 유기물은 600°C 회화로 이용 감소량 및 수분량을 제한 양으로 하였다. 전질소는 증류된 붕산용액을 표준황산액으로 적정하는 황산법 (켈달법)으로, 인산과 칼리 전량은 산반응 마이크로파 분해 후 유도결합플라즈마 (ICP)기로 측정하였다.

10. 통계분석

본 연구에서 대조구와 처리구 같은 측정 기간 간의 결과를 분산 분석 이용으로 분석하였으며, 사용한 통계 모형은 다음과 같다: Yijkl = μ + Fi + εijkl. 여기서 Yijkl는 반복측정에서 관측된 결과값, μ는 전체 모집단의 평균, Fi는 처리군 i의 고정효과, εijkl는 잔차이다. 통계적 유의수준은 P < 0.05로 설정하였고, P ≥ 0.05에서 ≤ 0.10은 경향성 기준으로 하였으며, 표기는 산출된 P값으로 하였다. 통계분석에는 SPSS v22 (IBM Corp., Armonk, NY)을 이용하였다.

결과 및 고찰

1. 복합미생물 구성 균주 선발

퇴비화 기간 중 암모니아 가스 발생량 경감 효과와 열 스트레스 저항성이 있는 균주를 선발하였으며 선발에 유효한 특성은 Table 2와 같다.

Table 2.

Characteristics of strains used in composition of microbial agent.

Strains Growth
(48h)
Enzyme activity (24h) Nitrogen utilization characteristics
Amylase Cellulase Lipase Protease Nitric fixation &
reduction
Ammonium
oxidation
Alcaligenes aquatilis ++1 ++ - ++ - ++ ++
Rhodococcus jostii ++ ++ - + - ++ +++
Alcaligenes faecalis +++ - - + - + +++
Lysinibacillus varians +++ ++ - + - +++ ++
Bacillus megaterium +++ - ++ + +++ ++ +++
Bacillus velezensis +++ + +++ + ++ ++ +++
Bacillus subtilis +++ + +++ ++ +++ ++++ +++
Glutamicibacter arilaitensis ++ - - + - ++ -
Cupriavidus nectar +++ - - + + ++ ++
Bacillus licheniformis +++ + + ++ ++ +++ +++
Bacillus subtilis +++ + +++ ++ +++ ++ +++
Pediococcus acidilactici +++ + - +++ + ++ +++
Bacillus sp. SinR4 +++ +++ - - +++ - -

1The symbols indicate the strength of the effect. ‘-’ means no effect; ‘±’ means it has a subtle effect; ‘+’, ‘++’, ‘+++’ means as the number of “+” increases, the effect gradually increases.

2. 축분퇴비의 평가

(1) 퇴비화 기간 중 기온 및 퇴비 더미 발열 양상

2022년도 4월의 이상 기온 발생으로 실험개시일 기준 2~3일까지 일 평균 기온이 높았던 환경적 애로사항이 발생한 바 있다. 두 실험구 모두에서 퇴비 더미에 폭기를 해주기 위한 뒤집기 작업이 있는 당일에는 급격한 온도 저하가 있었으나, 이후 빠르게 온도가 점증하였다. 퇴비의 온도변화 곡선은 초기에 더미 온도가 빠르게 55°C 이상으로 상승하는 가열 단계 (heating phase), 이어서 일정 시간 동안 유지되는 고온 단계 (thermophilic phase), 그리고 마지막으로 퇴비가 점차 숙성되며 냉각 단계 (cooling phase)로 전환되는 세 가지 명확한 단계로 구성된다 (Pereira-Neto et al., 1987). 실험구별 퇴비 더미의 온도변화는 전체적으로 볼 때 점증 후 점감하는 형태로 퇴비 제조 시 발생하는 일반적인 형상으로 비슷한 상태를 보였다. 대조구는 후기 약 30일 동안 처리구 대비 평균 온도가 높았고, 처리구는 전기 약 30일 동안 대조구 대비 평균 온도가 높아 고온유지 집중화 시기가 달랐다. 퇴비화 온도가 70°C를 초과하면 유기물 분해에 필요한 대부분의 미생물이 억제되며, 55°C 이하에서는 생물학적 분해 속도가 느려져 퇴비화 기간이 연장되며, 병원균 제거에도 불리하므로, 이 범위 내에서 유지하는 것이 가장 이상적이며, 광범위하게 채택된 최소 위생 기준은 퇴비화 온도가 최소한 3일 동안 55°C를 유지하는 것이다 (Pereira-Neto et al., 1987). 그리고 다른 실험 결과를 참고하면, 돼지 똥과 옥수수 껍질을 재료로 한 퇴비에 Acinetobacter pittii, Bacillus subtilis subsp. stercoris, Bacillus altitudinis을 포함하는 복합미생물제를 첨가하면, 온도 상승 시간을 효과적으로 줄이고 고온 기간을 연장하며, 최대 온도를 높일 수 있다 (Li et al., 2020; Zhao et al., 2021). 대조구에서 가장 높은 온도가 발생한 측정일은 평균 온도 58.9°C의 측정일 9일 차이고, 처리구에서 가장 높은 온도가 조사된 측정일은 평균 온도 60.1°C의 측정일 23일 차로 조사되었다 (Table 3). 실험구별로 각 퇴비 더미의 내부 온도가 안정적으로 유지됨에 따라 대다수 측정일에서 실험구간 온도 차이에 P < 0.05 수준의 통계적 유의성이 나타났다. 퇴비화 후숙 과정까지 감안하여 약 4개월 동안 현장시험을 진행하였으나, 시험개시일 70일 이후부터 두 실험구 모두의 퇴비 더미 온도가 30°C 대로 완만하게 점감하며 유지되는 형태로 비슷한 상태를 보였고 실험구간의 유의미한 차이가 발생하지 않았다.

Table 3.

Temperature ranges of air and each compost piles in composting period.

Item Test date (day)
1 5 9 13 19 23 28 33 38 43 48 53 58 63 68
Air (°C) 13.8 15.3 12.3 20.0 19.0 11.3 20.5 13.5 15.4 23.1 22.4 16.9 18.7 15.6 17.3
Compost
piles (°C)
C 44.6
±0.2
57.5
±0.1
58.9
±0.1
49.3
±0.1
53.8
±0.1
56.8
±0.1
54.1
±0.1
49.3
±0.1
54.5
±0.1
56.8
±0.1
55.2
±0.1
53.4
±0.1
49.5
±0.1
45.7
±0.1
42.2
±0.1
T 44.6
±0.1
55.5
±0.2
59.6
±0.1
54.4
±0.1
56.9
±0.2
60.1
±0.1
56.5
±0.1
48.8
±0.1
48.2
±0.2
52.3
±0.1
51.2
±0.1
48.8
±0.1
44.0
±0.1
42.5
±0.1
42.5
±0.1
p value1 0.768 <0.001 0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.004 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 0.021

1The p values represent the results of ANOVA analysis conducted to assess group differences.

(2) 퇴비화 기간 중 악취 가스 발생 양상

암모니아 가스 발생량은 시험 개시일 기준 30일 동안 높은 수준의 발생이 관측되었고, 전반적으로 복합미생물제를 사용한 처리구에서 발생량이 낮았다. 대조구의 암모니아 가스 최고발생량은 측정일 14일째의 175.5 ppm이며 처리구의 암모니아 가스 최고발생량은 측정일 11일째의 91.0 ppm으로 관측되었다. 후각으로 암모니아 가스를 감지하기 어려운 5 ppm 이하 농도를 암모니아 가스 소멸기로 보았을 때 대조구는 측정일 58일에 소멸기로의 진입이 있었고, 처리구는 측정일 38일에 소멸기로의 진입이 있었다. 시험구간 통계적 유의성 (p < 0.05)이 있는 암모니아 발생량 차이는 측정일 63일에 관측되었고, 경향 (p < 0.10)이 나타나는 측정일은 48일째로 관측되었다 (Table 4).

Table 4.

Ammonia gas production in each compost piles of composting period.

Item Test date (day)
1 5 9 13 19 23 28 33 38 43 48 53 58 63 68
Ammoina
(ppm)
C 13.8
±1.5
56.0
±7.1
48.5
±19.1
102.5
±20.6
141.0
±64.2
123.8
±47.0
45.8
±25.4
51.3
±22.1
16.0
±7.3
14.6
±6.4
12.0
±4.2
5.8
±3.9
1.4
±0.5
0.8
±0.2
0.3
±0.2
T 13.0
±1.6
55.5
±8.2
41.5
±1.0
45.0
±30.0
37.0
±10.1
77.5
±12.6
25.3
±11.6
20.0
±4.1
3.8
±1.0
3.3
±0.6
3.0
±1.8
0.9
±0.4
0.4
±0.1
0.0
±0.0
0.0
±0.0
p value1 0.524 0.930 0.493 0.020 0.019 0.264 0.192 0.032 0.016 0.012 0.008 0.048 0.008 <0.000 0.040

1The p values represent the results of ANOVA analysis conducted to assess group differences.

다양한 생물학적 처리 시설에서 발생하는 불쾌한 냄새는 대체로 황과 질소의 무기 및 유기 화합물, 저분자 지방산, 테르펜, 카르보닐 및 알코올에 기인하며, 통풍이 잘되는 환경에서는 유기물이 미생물 세포로 합성될 때 발생하는 휘발성 생물 중간체를 통해 CO2, NO3-, SO4- 같은 최종 제품을 생성한다. 일반적으로, 불쾌한 냄새가 있는 퇴비 재료는 제대로 진행되는 퇴비화 과정에서 이 냄새가 점차 약해지며, 퇴비화가 끝나면 사라진다 (Kissel et al., 1992). 여러 연구들이 복합미생물제를 첨가하면 콤포스트 내의 악취가 상당히 제거된다는 것을 보여주었다. Alcaligenes faecalis 균주는 악취와 VFA 제거에 매우 효과적인 균주로 알려져 있고 또한, Rhodococcus opacus는 악취 제거에 우수하게 나타나 돼지 분뇨 처리에 효과적으로 사용될 수 있다 (Quan et al., 2022). 보고된 암모니아 제거 미생물은 Bacillus, Alcaligenes sp, Pseudomonas, Zoogloea, Acinetobacter, Thiobacillus, Saccharomyces, Candida, Aspergillus, Penicillium, Rhizopus 등 있다 (Chen et al., 2016).

조사 기간 중 암모니아와 같이 질소 화합물류로 악취를 발생시키는 아민류 가스 발생량은 암모니아 가스 발생량과 유사한 증감 형태를 보였으며, 측정일 19일 이후 복합미생물제를 사용한 처리구에서 대조구 대비 아민류 가스 발생량이 낮았다. 아민류 가스 최고발생량은 두 실험구 모두 측정일 13일에서 관측되었으며, 대조구는 232.5 ppm, 처리구는 235.0 ppm으로 조사되었다. 아민류의 감지 수준을 암모니아와 같은 5 ppm 이하 농도로 기준 할 때 대조구는 약 53일에 소멸기로 진입이 하였고, 처리구는 약 38일에 소멸기로 진입하였다. 실험구간 통계적 유의성 (p < 0.05)이 있는 아민류 가스 발생량 차이는 측정일 19일에 최초 관측되었고, 이후 측정일 33일, 58일, 63일, 및 68일에서 관측되었다 (Table 5).

황화수소 가스는 실험개시 1일차 대조구에서 2.0±0.16 ppm, 처리구에서 2.1±0.17 ppm으로 측정 (p = 0.55)되었고, 실험개시 2 일차는 실험구 모두에서 0.05 ppm 이하의 발생량이 측정되었다. 3 일차부터 실험종료 시까지 황화수소는 검출되지 않았다.

Table 5.

Amine gas production in each compost piles of composting period.

Item Test date (day)
1 5 9 13 19 23 28 33 38 43 48 53 58 63 68
Amine
(ppm)
C 4.5
±1.0
51.8
±21.2
37.5
±17.6
132.5
±53.8
58.5
±1.9
110.0
±73.9
81.5
±65.4
76.0
±19.6
15.8
±14.9
11.3
±8.7
8.2
±6.4
0.8
±0.1
0.5
±0.1
0.3
±0.0
0.1
±0.1
T 5.0
±1.6
55.8
±2.2
35.0
±5.8
235.0
±31.1
15.0
±6.0
50.0
±11.5
45.3
±9.6
27.5
±5.6
1.9
±0.3
3.1
±0.8
2.1
±1.2
0.5
±0.2
0.2
±0.1
0.0
±0.0
0.0
±0.0
p value1 0.620 0.720 0.796 0.938 <0.000 0.160 0.315 0.003 0.112 0.113 0.112 0.170 <0.000 <0.000 0.002

1The p values represent the results of ANOVA analysis conducted to assess group differences.

(3) 퇴비화 기간 중 퇴비 더미의 물성 양상

제조된 각 퇴비 더미의 함수량은 현장실험임을 감암했을 때 주 실험구 모두에서 큰 차이가 없는 적정한 수준에서 퇴비화가 진행되었으며, 선행된 예비 실험의 결과와 달리 의도했던 65% 함수량 시작에는 미치지 못한 상태로 실험이 개시되었다. 대조구에서 가장 높은 수분 함량이 발생한 측정일은 평균 수분 61.0±4.6%의 측정일 23 일차였으며, 처리구 또한 가장 높은 온도가 조사된 측정일은 평균 수분 63.0±3.0%의 측정일 23 일차로 조사되었다. 전체적으로 대조구의 수분 감량 수준이 큰 것으로 관찰되었고, 실험개시 약 2개월이 경과한 63일에는 실험구간의 함수량 차이 (p < 0.05)가 6% 이상으로 나타났다 (Table 6). 이는 초기 약 한 달 동안은 퇴비 더미 내 미생물의 활성을 고려하여 고온으로 더미 내 소실된 수분을 보충해주는 작업을 하였고, 이후로는 후숙진입을 위해 수행치 않았다. 이로 인해 후반기의 퇴비 더미 함수량은 소실된 수분량을 그대로 반영하게 되었고, 이에 30일 이후 퇴비 더미 온도가 전반적으로 더 높았던 대조구에서 더 많은 수분 소실이 일어나 차이를 발생시킨 것으로 보인다.

Table 6.

Water content in each compost piles of composting period.

Item Test date (day)
1 5 9 13 23 33 43 53 63
Water (%) C 58.3±2.9 59.7±1.5 59.3±3.2 58.7±5.8 61.0±4.6 55.0±5.0 52.0±3.5 52.0±3.6 50.3±2.3
T 60.3±1.5 59.7±2.9 60.0±2.6 60.0±5.5 63.0±3.0 57.0±1.7 56.0±3.6 57.0±2.6 56.7±2.1
p value1 0.349 1.000 0.795 0.851 0.561 0.548 0.238 0.125 0.024

1The p values represent the results of ANOVA analysis conducted to assess group differences.

제조된 각 퇴비 더미의 초기 pH 수준은 두 시험구 모두에서 8.5 정도로 같은 수준이었고, 퇴비화 기간이 길어짐에 따라 점점 감소하는 것으로 조사되었다. 퇴비 더미의 발열에 따른 암모니아, 아민 등의 형태로 소실된 성분에 의한 pH 감소도 있겠으나, pH 감소 추이를 보았을 때 퇴비화 기간 1개월 이후 호열성 미생물 위축이 발생하는 시점부터 pH 감소가 보다 두드러지게 나타났다. pH가 43일 차 이후 대조구의 pH 감소폭이 처리구보다 더 컸던 것은 후숙기간으로의 진입이 늦음으로 인해 중온 미생물 활동이 길어져 처리구 대비 유기산 생성량은 많고, 무기태질소류의 손실은 컸기 때문으로 추측된다. 대조구에서 가장 높은 pH가 발생한 측정일은 평균 pH 8.9±0.0의 측정일 9 일차였고, 처리구에서 가장 높은 pH가 발생한 측정일은 평균 pH 8.8±0.0의 측정일 9 일차 및 23 일차로 조사되었다. 최종 측정일인 63 일차에서 대조구와 처리구 모두 pH 7대로 측정되어, 다른 가축분 퇴비에서 발생하는 상태와 비슷한 pH 수준으로 조사되었고, 비료로 활용하기 적정 수준에 도달한 것으로 나타났다. 실험구간 통계적 유의성 (p < 0.05)이 있는 pH 차이는 측정일 1, 13일을 제외하고 모두 발생하였다 (Table 7).

Table 7.

pH value in each compost piles of composting period.

Item Test date (day)
1 5 9 13 23 33 43 53 63
pH C 8.5±0.0 8.8±0.0 8.9±0.0 8.7±0.0 8.8±0.0 8.6±0.0 8.0±0.0 7.6±0.1 7.2±0.1
T 8.5±0.1 8.7±0.1 8.8±0.0 8.7±0.1 8.8±0.0 8.5±0.0 7.8±0.1 8.1±0.0 7.5±0.1
p value1 0.374 0.016 <0.001 0.374 - 0.016 0.002 <0.001 0.016

1The p values represent the results of ANOVA analysis conducted to assess group differences.

제조된 각 퇴비 더미의 초기 EC 수준은 대조구가 16.3± 3.2 mS/cm이고, 처리구가 16.7± 2.1 mS/cm로 측정되어 두 실험구가 유사한 전기전도도를 가지는 것으로 조사되었다. EC의 변화 수준 또한 pH와 같이 퇴비화 기간이 길어짐에 따라 초기 대비 후기가 감소한 형태를 보였으나, pH와 달리 약 측정일 20일 정도를 기점으로 급격한 감소가 실험구 모두에서 발견되었다. 이후 완만한 증감은 있으나, 감소된 EC 수준에서 유지되는 형태를 보였다. 대조구에서 가장 높은 EC 값이 발생한 측정일은 평균 EC 값 29.6±4.8 mS/cm의 측정일 23 일차였으며, 처리구 또한 가장 높은 EC값이 조사된 측정일은 평균 EC 값이 29.6±4.8 mS/cm의 측정일 23 일차로 조사되었다. 실험구간 통계적 유의성 (p < 0.05)이 있는 EC 차이가 측정일 43일에 관측되었는데, 이는 질소태 화합물들의 급격한 감소가 발생한 시기와 겹쳐 있음에 따라, 전도도에 영향하는 물질의 양적 변화와 시료 채취 시 오류에 기인한 것으로 추정된다 (Table 8).

Table 8.

Electric conductivity value in each compost piles of composting period.

Item Test date (day)
1 5 9 13 23 33 43 53 63
EC C 16.3±3.2 19.4±3.6 21.9±0.9 29.6±4.8 12.4±2.8 12.4±0.9 17.1±0.6 9.5±0.8 16.0±3.2
T 16.7±2.1 22.1±4.0 23.7±3.0 25.1±0.9 12.7±2.8 16.2±2.3 12.4±0.7 13.5±3.3 15.9±1.8
p value1 0.865 0.435 0.369 0.181 0.882 0.056 0.001 0.112 0.976

1The p values represent the results of ANOVA analysis conducted to assess group differences.

(4) 퇴비품질

후숙 기간에 진입한 실험구 2종의 73일령 퇴비더미 시료의 퇴비품질 성분 함량에서 시험구간 유기물, 인산 및 칼리 함량은 모두 비슷한 수준으로 시험구간 통계적 유의성은 발견되지 않았다. 반면 총질소 함량은 처리구가 대조구에 비하여 유의적으로 낮았는데 (p < 0.05), 이는 동일한 시점 처리구의 퇴비더미 성분에서 질화된 물질의 소실량이 대조구보다 양이 많아서 발생한 것으로 판단된다 (Table 9).

Table 9.

Nutrient content of the each compost piles on 73-day of the trial.

Item Organic matter (%) Total nitrogen (%) C/N ratio (%) P2O5 (%) K2O (%)
C 24.5±0.7 0.82±0.02 14.3±0.6 2.14±0.14 1.90±0.11
T 24.4±0.5 0.74±0.05 14.7±0.6 2.15±0.11 1.94±0.08
p value1 0.738 0.043 0.418 0.951 0.610

1The p values represent the results of ANOVA analysis conducted to assess group differences.

결 론

퇴비화 과정에서 일어나는 현실적 어려움을 생물학적으로 대응하기 위해 퇴비화 개선을 목적한 균주를 이용하여 미생물제를 구성하였다. 퇴비화 개선의 요인으로 퇴비화 기간 단축과 퇴비화 중 악취발생량 개선을 두고 이에 대응할 수 있는 균주를 선발하였다. 퇴비화 과정 전반에서 발생하는 악취발생량 개선을 위해 암모니아 등의 질소 화합물 분해능을 가지며 퇴비화 중 각 온도 단계에 따라 적극 활용될 수 있는 균주로 저온에서 성장성이 좋은 Alcaligenes aquatilis와이 Glutamicibacter arilaitensis, 중온에서 성장성이 좋은 Rhodococcus jostiiAlcaligenes faecalis, 그리고 고온에서 성장성이 좋은 Bacillus sp.를 이용하였다. 그리고 유기화합물 분해능이 우수하며 고열에서도 생존이 가능한 균주들을 선발, 이용함으로써 미생물적 물질 분해 수준 전반을 개선하고자 하였다. 이같은 목적으로 구성된 균주를 각기 배양, 혼합하여 제조한 미생물제의 효과 검토를 위해 규모형 퇴비 더미를 이용한 현장시험을 진행하였다. 약 2개월에 걸친 퇴비화 과정 전체에서 전반이 되는 28일 차까지 미생물제를 처리한 퇴비더미에서 발열 양상이 더 높은 것이 관찰되었고, 기간 중 암모니아와 아민 같은 악취를 유발하는 물질들의 발생을 감소시킴으로써 생물학적 대응으로 퇴비화 과정이 개선될 수 있음을 보였다. 이에 퇴비화 시 퇴비품질 저하 없이 제조공정에서 유익한 효과를 낼 수 있는 균주를 추가하는 형태로 퇴비 공정에서 발생하는 악취 가스의 발생을 감소시키고 발열양상을 제어하는 것과 같은 접근법은 자원 재활용과 환경 보호와 경제적 이점을 가져올 수 있는 것으로 생각된다.

Acknowledgements

본 결과물은 농림축산식품부 및 과학기술정보통신부, 농촌진흥청의 재원으로 농림식품기술기획평가원과 재단법인 스마트팜연구개발사업단의 스마트팜다부처패키지혁신기술개발사업 (421009042HD0702068207325)의 연구결과입니다.

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