서 론

최근 국가적인 추세로 축산분뇨의 자원화가 주를 이루고 있으며 이를 통해 농경지에 가축분뇨 퇴액비를 살포하는 농가가 증가하고 있다 (Bernal et al., 2009; Kim et al., 2008). 가축분뇨는 퇴비화, 액비화, 정화방류 등 여러 방법으로 처리되며 (Kim et al., 2020), 이 중 퇴비화 및 액비화는 농업에 직접적으로 적용되어 화학비료의 과다 사용을 줄이고, 토양 내 미생물을 풍부하게 하여 토양을 개량시키는 등 농업에서의 가축 분뇨 이용은 여러 이점이 있다고 연구 보고가 존재한다 (Liebig and Doran, 1999; Siavoshi et al., 2011). 또한 축산업에서 발생하는 가축 분뇨를 농업에 재활용하여 자원 손실을 방지하고 환경 측면으로도 긍정적인 효과를 가져올 수 있다. 이러한 이유로 더 높은 부가가치를 창출하기 위한 기술적, 정책적 노력이 활발히 이루어지고 있다.

가축분뇨를 액체 비료로 활용하는 것은 많은 이점을 제공하지만, 실제로 농작물 생산에 이를 적용하는 것은 여러 가지 도전 과제가 있다. 그 이유는 첫째, 분뇨와 축사 세척수가 혼합되면서 영양분의 함량이 크게 변동할 수 있다. 둘째, 액비의 경우 질소와 칼륨 함량은 높지만 인산 함량이 낮아, 일반적으로 질소 요구량이 많은 농작물에 적절히 사용하기가 어렵다 (Lim et al., 2008). 셋째, 작물 수확 후 남아 있는 양분 함량이 토양에 따라 다르기 때문에 매번 비료 사용 처방량을 조정해야 하는 번거로움이 있다.

발효액비는 비료 공정규격 상 가축분뇨 발효액을 지칭하며, 이를 침전시키거나 분리막을 이용하여 부유물질을 제거하는 등의 과정을 거쳐 관비 또는 점적 호스에 적합하게 막힘없이 사용할 수 있게끔 만든 것을 여과 액비라고 지칭한다 (Lee et al., 2023). 해당 논문은 우분유래 여과액비가 상추의 재배에 있어 어떤 영향을 미치는지 분석하고자 하였다. 실험 작물로 선정된 상추 (Lactuca Sativa L.)는 국화과에 속하는 한해살이 식용 작물로 국내에서도 전국적으로 생산되고 있는 채소이다. 95 %의 수분으로 이루어져 있으며 식이섬유, 비타민, 철분 등을 함유하고 있어 대표적인 건강채소로써 자리 잡고 있다 (Kim et al., 2016; Koudela and Petříková, 2008).

최근 초고령화 사회로 진입함에 따라 건강한 먹거리에 대한 인식이 높아지고, 이는 채소 소비량의 증가로도 이어져 왔다 (MAFRA, 2021). 위와 같은 맥락으로 고령화 사회에 진입함에 따라 노화에 대한 관심 또한 커지고 있는데 (Song et al., 2018), 이를 해결하기 위해 활성산소의 축적에 대항하는 식물의 항산화체계를 생각해 볼 수 있다. 노화는 체내의 활성산소가 축적되어 발생하는 것으로 세포 내에 이러한 활성산소가 다량 축적되면 세포의 기능장애를 유발하여 심혈관계 질환, 암, 염증 등이 발생하여 노화를 유도하는 것이다 (Prasad et al., 2017). 이러한 활성산소에 대항하여, 항산화 효소, 천연 항산화제 및 항산화 물질의 섭취는 체내 방어시스템의 정상적 유지를 가능하게 하고, 활성산소의 생성 및 축적을 예방할 수 있게 한다 (Bhattacharya, 2015; Caverzan et al., 2016). 식물은 호흡을 통해 산화스트레스를 받고 이를 방어하기 위한 항산화 효소를 생성하여 항산화 체계를 구축한다. 이러한 식물의 항산화체계는 천연적인 항산화 소재로써 이용 가능하다 (Hossain et al., 2007). 이러한 식물의 생리적 효과를 가축분뇨 유래 여과액비 성능평가의 지표로써 이용한다면 농축산업 발전의 도약으로써 시사하는 바가 있다고 생각된다. 따라서 본 연구는 대표적인 채소인 상추를 실험 작물로 선정하여 우분 유래 여과액비와 인산을 혼합한 액비 FLF + P가 화학양액 (Chemical liquid fertilizer, CLF)과 비교하여 상추의 생육 및 생리적 효과에 있어 어떤 영향을 미치는지 평가하였다.

재료 및 방법

1. 공시재료 및 생육환경

재배실험은 상지대학교 스마트팜 유리 온실 내에서 진행되었다. 본 실험에 사용된 상추는 잎상추 중에서도 일반적으로 많이 알려져 있는 종류인 적상추와 청상추를 이용하였다. 종묘사에서 적상추와 청상추의 모종을 구매하여 2023년 9월 22일에 포트 (14.5 cm×14.5 cm×16 cm Simpol crop., Korea)에 이식하였다. 포트는 원예용 상토 (HANULBIO co. Ltd., Korea)로 채워 넣었다. 모종 식재 후 약 일주일 후인 2023년 9월 27일부터 FLF와 대조구인 CLF를 관비 재배로 공급하였다. 공급은 하루에 두 번 오전 6시 및 오후 6시에 이루어졌다.

2. 관비 처리

실험에 사용된 CLF는 농촌진흥청 농업기술길라잡이 수경재배에 수록된 yamasaki 배양액 조성표 (Rural Development Administration, 2021)를 기반으로 만들었다. 배양액의 조성표는 다량원소의 경우 1L를 기준으로 NO₃ 5 me, NH₄ 0.5 me, Total N 5.5 me, PO₄ 1.5 me, K 3 me, Ca 2 me, Mg 1 me, SO₄ 1 me이었으며 미량원소의 경우 1L를 기준으로 Fe 3 mg, B 0.5 mg, Mn 0.5 mg, Zn 0.05 mg, Cu 0.02 mg, Mo 0.01 mg이었다.

본 연구에서는 발효된 액체 비료에 여과 과정을 거쳐 인산암모늄을 추가한 여과액비 (filtered liquid manure fertilizer + ammonium phosphate, FLF + P)를 이용하였다. 여과액비의 경우 작물에 공급하기 이전에 성분 분석을 실시하였다 (Table 1). 성분분석결과는 N, P, K 중 P의 함량이 75.29 mg/kg으로 매우 적은 수치를 나타냈다. 이는 퇴비를 여과할 때 인산이 여과막을 통과하지 못해 인산의 수치가 떨어지는 것으로 가축분뇨를 여과할 때 나타나는 일반적인 문제점이다. 이를 보완하기 위해 여과액 20 L 당 (NH₄)₃PO₄ 50 g을 부가적으로 공급하여 실험을 진행하였다. 식물에 공급할 때는 두 처리구 모두 야마자키 배양액의 질소기준에 맞춰서 희석 후에 공급하였다.

3. 생육조사

생육조사 항목의 경우 초장, 엽장, 엽폭, 생체중, 건물중, SPAD, Chlorophyll 총 7가지 항목을 선정하여 진행하였다. 생육조사는 모종 식재 후 약 두 달 뒤인 2023년 10월 20일에 진행되었다. 초장은 지면에서부터 직각으로 식물체 끝까지의 길이를 쟀다. 생체중은 수확직후의 무게를 쟀으며 건물중은 60℃에서 24시간 동안 건조시켰으며 건조후의 무게를 측정하였다. SPAD 측정은 SPAD 측정기 (SPAD-502plus, Minolta, Japen)을 이용하여 측정하였으며 완전히 전개된 잎을 3반복하고 평균값을 산출하여 결과를 냈다. Chlorophyll 함량은 기존 연구문헌을 참고하였다 (Barnes et al., 1992). 상추 생잎을 20 mg으로 정량 후 5 ml 100% DMSO (dimethyl sulphoxid)에 침적시킨 후에 항온수조 (WCB-22, Daihan, Korea)를 이용하여 65℃에서 암조건으로 6시간 중탕하였다. 그 이후 분광광도계 (OPTIZEN POP, KLAB, Korea)를 이용하여 665 nm (A665) 및 648 nm (A648)의 파장으로 흡광도를 측정하였다. Chlorophyll 함량 식은 다음과 같다.

Chlorophyll a = (14.85 A₆₆₅-5.14 A₆₄8)

Chlorophyll b = (25.48 A₆₆₅-7.36 A₆₄₈)

Total Chlorophyll = (7.49 A₆₆₅ + 20.34 A₆₄₈)

4. 수질측정

CLF 및 FLF + P의 수질측정은 Multi Water Quality Meter (Lutron WA-2017SD, Lutron electronic enterprise Co., USA)를 이용하여 EC (Electrical Conductivity), pH (percentage of Hydrogen ions) 2가지 항목을 측정하였다. CLF과 FLF + P 모두 작물 흡수 이전과 흡수 이후로 나누어 각각 3번씩 측정하여 비교하였다.

5. 항산화능력

항산화 분석은 연구 문헌에 제시된 방법을 따라 수행하였다 (Jo et al., 2022). 추출물은 메탄올을 이용한 상추 추출물을 만들었다. 수확한 상추의 지상부와 지하부를 절단하여 분리하고 증류수로 세척하였다. 세척된 상추는 열풍건조기를 이용해 상추의 잎을 건조하고 건조과정을 거친 식물체 조직을 막자사발을 이용해 분말화하여 상추 분말 0.5 g에 99.5 % methyl alchole (Daejung, Korea)를 첨가하여 25 ml를 만들었다. 이를 58℃의 shacking incubator (ED_SI300R, HYSC, Korea)에 24시간 교반하고 centrifuge를 이용하여 1300 xg에서 15분간 작동시켜 원심분리 시킨 후 상등액만을 추출하여 항산화 분석에 사용되었다.

총 페놀 함량 (TPC)을 측정하기 위해 Folin-Ciocalteu 방법을 활용하였다 (Odabasoglu et al., 2004; Slinkard and Singleton, 1977). 실험 방법으로는 각각 자유라디칼 소거 활성 (DPPH scavenging activity)은 (Brand-Williams et al., 1995), 환원력 분석 (Reducing power)은 (Oyaizu, 1986)의 방법을 일부 수정하여 사용하였다 (Jo et al., 2022). 각 항산화 활성 실험을 위한 표준물질의 정량 곡선은 0.99 이상의 결정계수 (R²)를 나타내었다 (Figure 1). 모든 항산화 실험은 15 반복으로 진행되었으며 TPC는 분광광도계 (OPIZEN POP, KLAB, Korea)를 이용해 측정하였으며 그 외 실험의 경우 96 well plate 리더기를 이용하여 측정하였다.

Figure 1.

Standard curve of total phenol, DPPH.

결과 및 고찰

1. 생육

생육조사 결과, CLF와 FLF + P의 순서대로 초장은 청상추에서 19.21 cm, 19.85 cm이었으며 적상추에서 19.53 cm, 18.91 cm의 값을 나타냈다 (Figure 2). 엽장은 청상추에서 16.48 cm, 16.77 cm이었으며 적상추에서 16.32 cm, 16.47 cm이었다. 엽폭은 청상추에서 13.17 cm, 12.57 cm이었으며 적상추에서 12.91 cm, 12.65 cm이었다. SPAD은 청상추에서 28.08, 28.07이었으며 적상추에서 27.63, 27.82이었다. 생체중은 청상추에서 76.8 g, 72.4 g이었으며 적상추에서 81.67 g, 79.8 g이었다. 건물중은 청상추에서 3.34 g, 3.11 g이었으며 적상추에서 3.04 g, 3 g이었다. Chlorophyll은 청상추에서 6.05 ug/ml^-1, 5.45 ug/ml^-1이었으며 적상추에서 5.91 ug/ml^-1, 5.17 ug/ml^-1이었다. 위의 모든 항목에서 조사결과 나온 수치는 통계적 유의성을 관찰하지 못했으며 식물체의 실물사진 또한 육안상으로 관찰해봤을 때 차이는 보이지 않았다. Yen et al. (2024)에 따르면 브로콜리를 재배할 때 화학 비료 처리구와 가축 분뇨 액비 처리구에서 식물 성장과 관련된 특성인 초장, 엽장, 엽폭 및 SPAD 값이 포함되었으며, 수확 후 브로콜리의 특성인 크기, 수확량, 생체중, 건물중에서 처리구 간 유의미한 차이는 나타나지 않았다. Lee et al. (2015)의 논문은 폐코이어 배지를 유기질 비료와 혼합하여 재활용하면 배추와 상추의 생육을 촉진할 수 있음을 보여주며, 이는 폐기물 감소와 자원 재활용 측면에서 중요한 의미를 갖다. 생육조사 결과 CLF와 FLF + P 간의 유의성 있는 차이는 보이지 않았으며 상추의 생육발달에 있어 FLF + P는 CLF만큼의 생육 발달을 보인 것을 알 수 있었다.

Figure 2.

Growth change observation of lettuce under different treatment (Green: green lettuce, Red: red lettuce, CLF: chemical liquid fertilizer, FLF+P: filtered liquid manure fertilizer + phosphate) Statistical significance was determined a two-tailed student’s t-test. n=15 (* : p < 0.05, ** : p < 0.01, *** : p < 0.001).

2. 수질

가축분 작물 재배에서 pH와 EC (전기전도도)는 중요한 수질 지표로서, 식물의 성장과 영양 흡수에 직접적인 영향을 미친다. CLF 및 FLF + P의 EC, pH를 식물의 흡수 이전과 이후로 나누어 각각 3씩 수질측정을 진행한 결과 (Figure 3). pH는 영양소의 가용성과 흡수율에 큰 영향을 미치기 때문에, pH가 일정하게 유지되는 것은 작물의 안정적인 성장에 긍정적인 요소로 작용한다. 특히, 본 실험에서 CLF 및 FLF + P 처리 조건 모두에서 pH가 크게 변동하지 않았다는 점은 이러한 처리 조건이 작물에 적절한 환경을 제공할 수 있음을 시사한다. 반면, EC의 경우 작물 흡수 전후에 차이가 나타났다. 이는 작물이 양분을 흡수하면서 용액의 염 농도가 변화했음을 의미하며, 이는 작물의 생장과 영양 흡수에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 높은 EC는 과도한 염 농도로 인해 작물의 뿌리 흡수를 방해할 수 있으며, 반대로 낮은 EC는 영양분 공급이 부족할 수 있음을 나타낸다. 일반적으로 수경재배에서 작물생육에 적합한 pH는 5.5에서 6 내외지만, 기존 연구된 논문에 따르면 pH 5 부터 pH 7 조건에서 잎상추의 광합성 속도와 증산량은 유의성 있는 차이가 없었다고 보고된 바 있다 (Park et al., 1999). 본 연구에서 pH 값의 경우 작물의 흡수 이전 값은 CLF의 6.57 FLF + P의 6.63이었으며 흡수 이후의 값은 CLF의 6.48, FLF + P의 6.58이었다. 흡수 이전과 이후의 값 모두 미세한 차이는 있었으나 Park et al. (1999) 의 논문에서 제시된 범위인 pH 5부터 pH 7까지의 생육 범주에 속하였다. 작물의 흡수 전과 후의 pH 값이 상추의 생육에 적합한 범위에서 일정하다.

Figure 3.

Fertilizer quality measurments. (Before: Before the crop absorption, After: After the crop absorption, CLF: chemical liquid fertilizer, FLF+P: filtered liquid manure fertilizer + phosphate). The values are reported as mean ± standard deviation (n=3). Distinct lowercase letters indicate significant differences determined by the Duncan test at p < 0.05.

3. 항산화 능력

CLF 및 FLF + P에 따른 상추의 항산화 분석을 진행하였다 (Figure 4). 실험 결과에 따르면, TPC 및 DPPH 소거능 결과, CLF와 FLF + P의 순서대로 청상추에서 5.46 mg GAE/ml^-1, 5.14 mg GAE/ml^-1 및 76.13%, 72.55%이었으며 적상추에서 5.10 mg GAE/ml^-1, 5.51 mg GAE/ml^-1 및 78.42%, 76.51%의 값을 나타냈다. 총 폴리페놀 함량 및 DPPH 소거능은 CLF와 FLF + P 모두 적상추와 청상추간의 유의성있는 차이는 보이지 않았다. 즉, FLF + P 처리가 화학양액 (CLF)과 비슷한 수준의 항산화 물질을 포함하고 있으며, 활성산소 제거 능력에서도 비슷한 효능을 나타낸다는 것이다. 환원력은 청상추의 경우 두 처리구 간에 유의미한 차이가 없었지만, 적상추에서는 두 처리구 간에 유의미한 차이가 있고 FLF + P 처리구의 환원력이 더 높음을 알 수 있었다. 이러한 결과는 여과액비에 인을 첨가하는 과정이 화학양액을 사용했을 때와 동일한 수준의 항산화 효과를 기대할 수 있음을 보여주며, 이는 FLF + P가 CLF와 비교해도 항산화 측면에서 뒤떨어지지 않는다는 점을 시사한다. Yang et al. (2018)에 따르면 비료 유형의 효과는 주로 상추의 생장보다는 대사에 더 뚜렷하게 나타났으며 비료 사용이 식물의 품질 변화를 일으킬 수 있음을 보여준다. Panuccio et al. (2021)에 따르면 비료 효과는 토양 유형보다 사용 농도에 더 의존하며, 토양에 미치는 영향은 정도의 차이는 있지만 모두 긍정적임으로 증명되었다고 보고하였다.

Figure 4.

Antioxidant activity assay. (Green: green lettuce, Red: red lettuce, CLF: chemical liquid fertilizer, FLF+P: filtered liquid manure fertilizer + phosphate) Statistical significance was determined a two-tailed student’s t-test. n=15 (* : p < 0.05, ** : p < 0.01, *** : p < 0.001).

Muscolo et al. (2022)의 경우 상추 재배 시 유기 비료는 화학 비료에 비해 상추의 영양 품질과 항산화 능력을 더 높였으며, 황 기반 비료도 긍정적인 효과를 보였다. Salama et al. (2015)의 논문에 따르면 펜넬 재배 시 유기 및 바이오 비료 적용으로 인해 단향 펜넬 품종의 TPC 수확량이 증가했으며, Dolce 품종에서는 TPC가 83% 이상, Zefa fino 품종에서는 79% 이상 증가하였다. 따라서 FLF + P는 환경 친화적이고 지속 가능한 농업 실천을 위한 비료로서, 작물의 건강 증진 및 항산화 특성 향상을 통해 소비자에게 더 건강한 농산물을 제공할 수 있는 중요한 역할을 할 수 있다.

결 론

본 연구는 FLF + P의 공급시 청상추와 적상추 생육의 특이적인 효과를 관찰하기 위해 진행되었으며 생육의 경우 초장, 엽장, 엽폭, 생체중, 건물중, SPAD, Chlorophyll 등의 모든 항목에서 두 처리구 간에 통계적으로 유의미한 차이가 나타나지 않았다. 생육조사 결과를 종합하면, CLF와 FLF + P 간에는 유의미한 차이가 나타나지 않았으며, FLF + P가 CLF와 비슷한 수준의 생육 발달을 보였다. 환경 측면에서 FLF + P와 CLF의 pH 값이 작물의 흡수 전과 후에 안정적으로 유지되었으며, EC 값은 흡수 이후에 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과로 보아 상추의 생육결과는 FLF + P와 CLF의 특징적인 성상으로 인한 결과라는 것을 시사한다. 항산화 분석 실험 결과, TPC 및 DPPH 소거능에서는 CLF와 FLF + P 두 처리구 간에 유의미한 차이가 관찰되지 않았다. 이는 FLF + P가 CLF와 비교했을 때 항산화 물질의 총량이나 활성산소 소거 능력에서 큰 차이를 보이지 않는다는 것을 의미한다. 그리고 적상추의 환원력 분석 결과에서는 FLF + P 처리구가 CLF 처리구에 비해 유의미하게 높은 수치를 보였다. 이는 FLF + P가 항산화 물질로서 작용하는 환원력을 더욱 증대시킬 수 있음을 시사한다. 이러한 결과는 여과액비에 인을 첨가함으로써 청상추의 항산화 성분을 향상할 가능성을 보여준다. 결론적으로 여과액비는 온실에서 사용하기 어려운 점 중에 여과액비의 인 함량이 적은데 본 연구에 통해 여과액비와 인산을 혼합한 액비의 온실 사용 가능성은 점차 현실화되고 있으며, 이를 위한 기술적 조건이 충족되면, 온실 재배에서도 안정적이고 효과적으로 활용될 수 있을 것이다. 앞으로의 연구는 이러한 가능성을 더욱 명확히 하고, 여과액비의 적용 범위를 확대하는 데 기여할 것이다.