서 론
재료 및 방법
1. 계면활성제, 가축분뇨 및 식종슬러지
2. 실험 조건
3. 데이터 분석
4. 통계적 분석
결과 및 고찰
1. SDS 주입을 통한 돈분뇨 내 암모니아 저감 효과
2. SDS가 혐기성소화에 미치는 영향
3. SDS 주입 농도에 따른 혐기성 미생물 군집의 변화
결 론
서 론
최근 가축분뇨 관리의 초점은 발생된 오염물질을 사후 처리하는 방식에서 벗어나, 축사 내 저장단계에서 오염물질의 생성과 배출을 선제적으로 억제하고 이후 자원화 공정까지 연계하는 방향으로 확대되고 있다(Lee et al., 2026). 특히 돈분뇨 저장조는 NH3가 지속적으로 생성·휘발되는 주요 배출원으로, 저장단계에서 암모니아의 발생을 제어하기 위해 다양한 물리·화학적 처리기술이 연구되고 있다(Yoon et al., 2026). 이러한 관점에서 최근에는 분뇨 저장단계에서 NH3의 생성 또는 기체상으로의 이동을 직접 제안하는 발생원 제어기술(source-control)이 주목받고 있다(Kupper et al., 2020). 그 중 계면활성제 기반의 표면 처리기술은 수용액의 표면장력을 낮추고 안정적인 거품층을 형성할 수 있어, 분뇨 표면의 기체와 액체가 접하는 계면을 물리적으로 차단함으로써 NH3의 휘발을 제한할 수 있다. 실제로 돈분뇨 표면에 계면활성제 기반 폼을 적용한 연구에서는 형성된 거품층이 NH3 방출을 감소시키는 것으로 보고되었으며(Rabin et al., 2024), 유사하게 최근 파일럿 규모 연구에서는 계면활성제에 의한 거품층이 약 73.6%의 NH3를 저감하는 데 기여하였다(Ahn et al., 2025). 이는 별도의 대규모 처리시설을 이용하기보다 분뇨가 저장되는 단계에서 직접 배출을 억제할 수 있다는 점에서 축산시설의 암모니아 관리기술로서 활용 가능성이 있다. 그러나 이러한 연구들은 주로 분뇨 표면에서의 NH3 휘발 억제에 초점을 두고 있으며, 계면활성제가 분뇨와 직접 접촉할 경우 저장 중 질소 형태의 전환에 어떠한 영향을 미치는지는 상대적으로 명확하지 않다.
계면활성제 중 sodium dodecyl sulfate (SDS)는 대표적인 음이온성 계면활성제로서 높은 거품 형성능을 가지고 있어 가축분뇨의 가스 배출 제어를 위한 처리물질로 활용 가능성이 제시되고 있다(Ambrose et al., 2023). SDS는 악취를 제어할 수 있는 잠재력을 보이지만, 특히 돈분뇨 피트와 같은 분뇨 관리 시스템에서의 적용은 아직 충분히 연구되지 않았다. 또한 SDS의 영향은 분뇨 표면에서 거품층을 형성하는 물리적 효과에만 국한되지 않을 수 있다. SDS는 생물학적으로 활성이 있는 계면활성제로서 미생물의 세포막과 대사활동에 영향을 미칠 수 있으며, 그 영향은 적용농도에 따라 달라질 수 있다. 이는 가축분뇨 저장 후 혐기성 소화와 같은 자원화 공정으로 유입될 때 저장단계에서 첨가된 SDS도 함께 이동하기 때문에 매우 중요한 요인으로 작용할 가능성이 높다. 실제로 음이온 계면활성제가 혐기성 소화 과정에 관여하는 주요 미생물의 성장과 대사활동에 부정적인 영향을 미칠 수 있음이 보고된 바 있으나(Abril et al., 2020), 반대로 일정 농도 범위에서는 SDS가 혐기성 조건에서 생분해되거나 유기물 전환 및 메탄생성 과정에 긍정적인 영향을 줄 가능성도 보고되고 있다(Takizawa et al., 2020; Pérez-Armendáriz et al., 2010). 따라서 SDS가 혐기성 소화에 미치는 영향은 적용 농도와 공존 기질에 따라 달라질 수 있으며, 특히 SDS 존재하에서 나타나는 메탄생성 변화가 SDS 자체의 생물학적 전환에 기인하는지를 파악할 필요가 있다. 그럼에도 돈분뇨 저장단계의 질소 전환과 후속 혐기성 소화 성능을 연계하여 SDS의 영향을 평가한 연구는 제한적이다.
따라서 본 연구에서는 서로 다른 농도의 SDS를 돈분뇨에 적용하여 저장기간 동안 NH4+-N 축적과 유기질소 분포 변화를 평가하였다. 또한, SDS가 혐기성 소화에 미치는 영향을 확인하기 위해 농도에 따른 메탄 생산성과 유기산 전환 특성을 분석하였다. 주요 SDS 농도 조건에서 박테리아 및 메탄생성 고세균의 군집 변화를 파악하여 SDS가 혐기성 소화 과정의 탄소전환 및 메탄생성에 미치는 영향을 미생물학적 관점에서 규명하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 계면활성제, 가축분뇨 및 식종슬러지
암모니아 저감 가능성을 평가하기 위해 계면활성제로서 SDS (97.0%, Junsei Chemical Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 활용하였다. 돈분뇨는 충북 청주시에 위치한 공공처리시설에서 채취하였으며, 4시간 이내에 실험실로 운반하여 입경 2 mm 체를 이용하여 큰 입자를 제거하였다. 돈분뇨의 총 화학적 산소요구량(TCOD), 용존성 화학적 산소요구량(SCOD), 총 고형물(TS) 및 휘발성 고형물(VS)은 각각 50.9±1.6 g/L, 22.4±0.2 g/L, 28.0±0.1 g/L, 18.6±0.2 g/L이었다.
SDS가 혐기성 소화 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 포도당(98.0%, Daejung Chemicals Co., Ltd., Siheung, Republic of Korea)을 기질로 사용하였다. 식종슬러지는 국내 맥주폐수 처리시설의 혐기성 소화조에서 채취하였으며, 식종슬러지의 TCOD, SCOD, TS 및 VS는 각각 73.6±3.7 g/L, 3.5±0.1 g/L, 88.6±0.1 g/L, 70.4±0.2 g/L이었다.
2. 실험 조건
NH4+-N 축적 억제 실험과 혐기성 소화 실험은 각각 250 mL serum bottle을 이용하여 별도로 수행하였다. NH4+-N 축적 억제 실험에서는 각 serum bottle에 돈분뇨 5 g VS/L를 주입하고 서로 다른 농도의 SDS (10, 25, 50, 및 100 mg/g VS) 및 증류수를 추가하여 총 유효부피 150 mL로 설정하였다. 목표 pH 조건을 맞추기 위해 3 N HCl을 이용하여 초기 pH를 7.0±0.1로 조정하였다. 이후 샘플은 shaking incubator (Model SI-300R, HYSC, Seoul, Republic of Korea)에서 35℃, 150 rpm 조건에서 10일동안 배양하였다.
혐기성 소화 실험을 위해 각 serum bottle에는 glucose, 식종슬러지, SDS 및 증류수를 주입하였으며, glucose 기준 TCOD 농도가 20,000 mg/L가 되도록 조정하고 총 유효부피는 100 mL로 설정하였다. 식종슬러지는 30 mL를 주입하였으며, SDS는 5 g/L 농도의 stock solution으로 제조한 후 각 bottle의 최종 농도가 50-1,600 mg/L가 되도록 첨가하였다. SDS를 주입하지 않은 샘플은 대조군으로 명명하였다. 목표 pH 조건을 맞추기 위해 3 N HCl 용액을 이용하여 초기 pH를 7.5 ± 0.2로 조정하였다. 혐기성 조건을 유지하기 위해 고순도 질소가스(99.999%)를 주입하였다. 샘플은 shaking incubator (Model SI-300R, HYSC, Seoul, Republic of Korea)에서 38℃, 150 rpm 조건에서 47일동안 배양하였으며, 모든 실험은 2반복으로 수행하였다.
SDS 자체를 기질로서 활용하는 실험을 위해 serum bottle에 식종슬러지와 SDS만을 주입하였으며 증류수 첨가를 통해 유효부피 100 mL으로 설정하였다. 실험은 40일동안 진행하였으며, 이외의 모든 조건은 앞선 혐기성 소화 실험과 동일하다.
3. 데이터 분석
회분식 실험에서 일일 가스 발생량은 유리 주사기를 통해 측정하였고, 바이오가스 내 CH4의 조성은 열전도도 검출기와 HayeSep D 컬럼(10 ft × 1/8")이 장착된 gas chromatography (SRI 310, SRI Instruments, Torrance, CA, USA)를 이용하여 분석하였다. 운반가스로는 고순도 질소가스(99.999%)를 사용하였으며, 유량은 10 mL/min으로 설정하였다. 유기산 및 암모니아 분석을 위해 원심분리기(FELTA-5, Hanil, Seoul, Republic of Korea)를 이용하여 고액 분리를 수행한 후, 0.45 μm 기공의 필터(Advantec, Durham, NC, USA)로 여과하였다. 암모니아는 5일마다 측정하였으며, 돈분뇨 내 NH4+-N의 양은 각 시점에서 측정된 NH4+-N농도에 반응조의 유효부피를 곱하여 산정하였다. 초기 돈분뇨에 존재하는 암모니아 농도는 보정하지 않았으며, SDS 처리에 따른 NH4+-N 감소율은 동일시점의 대조군과 각 SDS 처리 샘플의 NH4+-N의 양을 비교하여 산정하였다. 유기산 농도는 UV-Vis 검출기와 300 mm × 7.8 mm 컬럼(Aminex HPX-87H, Bio-Rad, Cotati, CA, USA)이 장착된 high performance liquid chromatography (Nexera-i LC-2040C MT Plus, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 분석하였다. 이동상으로는 0.008 N H2SO4를 사용하였으며, 유량은 0.6 mL/min으로 설정하였다. 암모니아 농도는 ion chromatography (790 Personal IC, Metrohm, Herisau, Switzerland)를 이용하여 분석하였으며, 3 mM의 methanesulfonic acid를 1.0 mL/min의 유량으로 설정하여 이동상으로 활용하였다. COD, TS, VS, 알칼리도 및 pH는 표준시험방법에 따라 측정하였다(Baird et al., 2017).
미생물 군집 분석을 위해 실험 종료 후 각 반응조에서 50 mL의 시료를 채취하고, 3,000 rpm에서 10분간 원심분리하였다. 침전된 시료 중 2 mL를 이용하여 제조사의 지침에 따라 Fast DNA Spin Kit for Soil (MP Biomedicals, Santa Ana, CA, USA)을 사용하여 DNA를 추출하였다. 이후 각 시료에서 추출된 DNA는 UltraClean Microbial DNA Isolation Kit (Mo Bio Laboratories, Carlsbad, CA, USA)를 이용하여 추가적으로 정제하였다. 시료 증폭은 GS-FLX Titanium emPCR Kit (454 Life Sciences)를 이용하여 수행하였으며, 각 시료에서 추출한 DNA 20 ng을 polymerase chain reaction (PCR) 반응의 주형으로 사용하였다. 16S ribosomal RNA (16S rRNA) 유전자의 증폭을 위해 universal primer인 27F (5'-GAGTTTGATCMTGGCTCAG-3')와 518R (5'-WTTACCGCGGCTGCTGG-3')를 사용하였다. PCR은 FastStart High Fidelity PCR System (Roche, Basel, Switzerland)을 이용하여 수행하였다. PCR 조건은 94°C에서 3분간 초기 변성한 후, 94°C에서 15초간 변성, 55°C에서 45초간 프라이머 결합, 72°C에서 1분간 연장하는 과정을 총 35회 반복하였으며, 마지막으로 72°C에서 8분간 최종 연장을 수행하였다. PCR 산물은 AMPure beads (Beckman Coulter, Brea, CA, USA)를 이용하여 정제하였다. 염기서열 분석은 제조사의 지침에 따라 454 pyrosequencing genome sequencer FLX Titanium (Life Sciences, CT, USA)을 이용하여 수행하였으며, 분석은 Macrogen (Seoul, Republic of Korea)에 의뢰하였다. 염기서열 분석 결과는 MOTHUR software를 이용하여 operational taxonomic units (OTUs) 분류, taxonomy 할당, 미생물 군집 비교 및 염기서열 분석을 수행하였다. 염기서열 분석 오류를 최소화하기 위해 하나를 초과하는 ambiguous base를 포함하는 서열을 제거하고, 길이가 300 nt 이상인 서열만을 분석에 사용하였다(Schloss et al., 2009).
4. 통계적 분석
실험 기간동안 측정한 바이오가스 발생량 및 조성을 기반으로 물질수지를 적용하여 CH4 발생량을 계산하였다. 누적 CH4 발생량 데이터는 modified Gompertz 식(식 (1))을 이용하여 적합하였으며, 이를 통해 CH4 발생 특성을 예측하였다(Kafle and Chen, 2016).
M(t) = Cumulative methane production at cultivation time (t; day) (mL), P is the ultimate gas production (mL); Rm is the gas production rate (mL/day), λ = Lag phase (day), e = 2.71828
결과 및 고찰
1. SDS 주입을 통한 돈분뇨 내 암모니아 저감 효과
SDS 첨가에 따른 암모니아성 질소의 축적 정도를 평가하기 위해 10일간의 배양 종료 후 NH4+-N의 양을 비교하였으며, 그 결과를 Figure 1에 제시하였다. 모든 SDS 샘플에서 대조군에 비해 낮은 NH4+-N 축적량이 나타났으며, 최종 NH4+-N의 감소율은 SDS 25 mg/g VS 조건에서 가장 높았다. 그러나 SDS 농도가 25 mg/g VS 이상으로 증가하더라도 NH4+-N 감소율이 추가적으로 나타나지는 않았으며, 이는 SDS에 의한 NH4+-N 축적 억제 효과가 주입량에 비례하여 증가하지 않음을 보여준다.
돈분뇨 내 질소 형태의 변화에 SDS가 미치는 영향을 파악하기 위해 실험 전후의 Organic-N과 NH4+-N 분포를 비교하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 초기 Organic-N과 NH4+-N의 비율은 각각 36.3%와 63.7%로 나타났다. 배양 10일 후 대조군에서는 Organic-N의 비율이 21.8%까지 감소한 반면 NH4+-N은 78.2%까지 증가하였다. 이는 배양 과정에서 돈분뇨 내 유기질소의 분해가 진행되어 NH4+-N으로 전환되었음을 시사한다. 반면 SDS 샘플에서는 SDS 농도가 증가함에 따라 NH4+-N 비율의 증가가 전반적으로 억제되는 경향을 보였다. 특히 10일 후 SDS 50 및 100 mg/g VS 조건의 NH4+-N 비율은 각각 66.6 및 66.0%로, 대조군 대비 낮게 나타났으며, 이에 대응하여 Organic-N은 상대적으로 높은 비율로 유지되었다. 이러한 결과는 SDS가 돈분뇨 내 Organic-N의 분해를 억제함으로써 NH4+-N 축적을 감소시켰음을 시사한다. 실제로 SDS 존재하에서 단백질 분해효소의 활성이 억제될 수 있음이 보고된 바 있으며(Khan et al., 2013), 이러한 특성을 고려하면 SDS는 분뇨 표면에 거품층을 형성하여 NH3의 휘발을 물리적으로 제한할 수 있을뿐만 아니라 유기질소의 분해과정에도 영향을 미쳐 암모니아 축적을 감소시켰을 가능성이 있다. 하지만 T-N을 별도로 측정하지 않았으므로 본 결과만으로 저장기간 중 전체 질소량의 변화 또는 질소 손실을 정량적으로 평가하는 데에는 한계가 있다.
Table 1.
Changes in organic-N and NH4+-N distribution during 10 day incubation under different SDS doses.
| Sample | Organic-N (%) | NH4+-N (%) | ||
| Day 0 | Day 10 | Day 0 | Day 10 | |
| Control | 36.3 | 21.8 | 63.7 | 78.2 |
| SDS 10 | 23.2 | 76.8 | ||
| SDS 25 | 29.3 | 70.7 | ||
| SDS 50 | 33.4 | 66.6 | ||
| SDS 100 | 34.0 | 66.0 | ||
2. SDS가 혐기성소화에 미치는 영향
(1) SDS 첨가에 따른 메탄생성 성능 변화
SDS 주입 농도에 따른 메탄 생산성을 비교한 결과는 Figure 2에 나타내었으며, modified Gompertz 식을 이용하여 산출한 메탄 수율과 메탄 생산 속도, 최종 pH 및 총 유기산 농도는 Table 2에 제시하였다. 모든 SDS 주입 샘플은 대조군에 비해 높은 누적 메탄 생산량을 나타내었다. 특히 SDS 400 샘플에서 445.7±40.9 mL로, 대조군 대비 167.5% 증가한 수치를 보이면서 가장 높은 생산량을 확인하였다. 그러나 SDS 농도가 400 mg/L 이상으로 증가함에 따라 메탄 생산이 감소하는 경향을 보였다. SDS 800 및 SDS 1600 샘플의 메탄생산량은 대조군대비 각각 147.5%, 50.4% 증가하였으나 최대 메탄 발생량을 나타낸 SDS 400 샘플과 비교하였을 때 각각 7.5%, 43.8% 감소하였다.
Table 2.
Concentration-dependent changes in methane production, final pH, and residual organic acids with SDS addition.
이러한 농도 효과는 최종 메탄 생산량보다 메탄 생산 속도에서 더욱 뚜렷하게 나타났다. SDS 400 조건에서 메탄 생산 속도는 303.9±13.6 mL/L/day로 가장 높았으며, 대조군의 129.2±3.6 mL/L/day보다 약 2.4배 높았다. 반면 SDS 1600 샘플에서는 61.1±6.5 mL/L/day로 급격히 감소하였으며, 이는 SDS 400 조건에 비해 79.9%, 대조군과 비교했을 때에도 52.7% 낮은 수준이었다. Takizawa et al. (2020)은 저농도 SDS(0.1-0.2 g/L)에서는 메탄생성이 증가한 반면, 고농도(0.4-0.8 g/L)에서는 아세트산과 프로피온산이 축적되고 메탄생성이 감소하는 농도 의존적 반응을 보고하였다. 이러한 결과는 적정 농도의 SDS가 메탄 생성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 가능성을 확인할 수 있었던 결과이다.
(2) SDS 첨가에 따른 중간대사산물 전환 특성
실험 종료 후 잔류 유기산을 측정하였으며, 총 유기산 농도와 분포를 Table 2와 Figure 3에 나타내었다. 대조군 샘플은 프로피온산과 뷰틸산이 각각 1,694±4, 4,620±569 mg COD/L로 검출되었으며, 특히 뷰틸산의 축적이 두드러졌다(73.2%). 반면 SDS가 첨가된 모든 조건에서는 뷰틸산이 검출되지 않았고, 프로피온산이 주요 잔류 유기산으로 나타나 SDS 첨가에 따라 유기산 조성이 크게 변화한 것을 확인하였다. 프로피온산 농도는 SDS 50 및 SDS 100 샘플에서 각각 5,970± 603 및 6,288±618 mg COD/L였으며, SDS 농도가 200-800 mg/L로 증가함에 따라 10,753- 11,355 mg COD/L까지 크게 증가하였다. 특히 가장 고농도인 SDS 1600은 프로피온산이 10,003±1,004 mg COD/L (90.6%)의 높은 수준으로 잔류하였을뿐만 아니라 다른 SDS 샘플에서는 검출되지 않았던 아세트산이 1,038±106 mg COD/L으로 축적되었다. 프로피온산과 아세트산의 동시 축적과 메탄 생산성의 현저한 감소는 고농도의 SDS가 프로피온산 산화 단계뿐만 아니라 아세트산 이용 및 최종 메탄생성으로 이어지는 후속 전환과정에도 부정적인 영향을 미쳤을 가능성을 시사한다. 이와 유사하게 Takizawa et al. (2020)은 고농도 SDS 조건에서 acetate와 propionate의 축적과 함께 메탄생성이 감소하였으며, 이를 산 생성 미생물보다 생성된 유기산의 후속 전환에 관여하는 메탄생성 과정이 상대적으로 크게 제한된 결과로 해석하였다. 따라서 SDS 1600 조건에서 나타난 유기산 축적과 낮은 메탄 생산 속도 역시 산 생성 자체의 중단보다는 생성된 중간대사산물의 후속 전환이 제한된 결과일 가능성이 있다.
(3)SDS의 직접적인 메탄 생성 기여 및 기질 공존에 따른 영향
앞선 glucose 이용 혐기성 소화실험(Table 2)에서는 모든 SDS 처리군에서 대조군보다 높은 메탄생성이 나타났으며, 특히 SDS 400에서 가장 높은 메탄생성이 확인되었다. 그러나 이러한 증가가 SDS 자체의 생물학적 전환에 의한 것인지, 또는 glucose와의 공존 조건에서 나타난 간접적인 영향인지는 Table 2의 결과만으로 구분하기 어렵다. 따라서 Table 2에서 관찰된 메탄생성 증가의 원인을 추가적으로 확인하기 위해, SDS만을 기질로 주입한 별도의 대조실험을 수행하였으며 그 결과를 Table 3에 제시하였다. 식종슬러지만을 주입한 blank에서 14.6±4.5 mL의 메탄이 발생하였고, 이를 보정한 순 메탄 발생량은 SDS 50 및 SDS 100에서 각각 27.8, 36.2 mL로 나타났다. 이는 SDS 자체의 COD로부터 이론적으로 생성 가능한 메탄 발생량인 3.2 및 6.3 mL에 비해 큰 수치이다. 저농도 SDS 첨가에 따른 메탄 발생의 증가는 SDS의 메탄 전환만으로는 설명하기 어려우며, SDS가 식종슬러지에 잔존하는 유기물의 분해 또는 미생물의 활성을 추가적으로 촉진했을 가능성을 보여준다. 동시에 SDS가 저농도에서는 혐기성 미생물에 의해 이용 가능한 유기물로 작용했을 가능성도 존재한다. 그러나 SDS 주입 농도가 증가함에 따라 양상은 뚜렷하게 변화하였다. SDS 200, 400 및 800에서 blank 보정 후 순 메탄 발생량은 각각 10.9, 5.0 및 13.1 mL로, 각 농도에서 SDS로부터 이론적으로 생성 가능한 메탄 발생량보다 낮게 나타났다. 이는 SDS 400에서 나타난 메탄생성 촉진이 SDS 자체의 직접적인 메탄 전환보다는, 쉽게 이용 가능한 유기기질이 공존할 때 미생물 대사와 탄소전환에 미치는 기질 의존적 영향과 관련되었을 가능성을 보여준다. 특히 SDS 1600은 총 메탄 발생량이 4.4±0.4 mL로 blank보다도 낮았으며 이러한 결과는 SDS가 단독으로 존재할 경우 저농도에서는 미생물 대사에 사용될 가능성이 있으나, 고농도에서는 메탄생성 활성을 저해할 수 있음을 시사한다.
Table 3.
Theoretical methane potential of SDS and observed methane production under SDS-only anaerobic conditions.
3. SDS 주입 농도에 따른 혐기성 미생물 군집의 변화
SDS 첨가에 따른 메탄 생산성 변화와 미생물 조성 간의 관계를 확인하기 위해 대조군, SDS 400, SDS 1600 샘플을 대상으로 미생물 군집분석을 수행하였고 그 결과는 Figure 4에 보여준다. 박테리아 군집 분석 결과, 대조군에서는 Clostridiaceae와 Anaerolineaceae가 각각 36.4%와 21.2%로 우점하였다(Figure 4a). SDS 400에서는 Anaerolineaceae가 20.5%로 유사하게 유지된 반면 Clostridiaceae는 17.6%로 감소하였고, Enterobacteriaceae는 대조군의 5.9%에서 10.7%로 증가하였다. 이러한 군집 변화는 SDS 1600에서 더욱 뚜렷하게 나타나 Enterobacteriaceae와 Sporanaerobacteraceae가 각각 52.2%와 15.1%로 크게 증가한 반면, Clostridiaceae와 Anaerolineaceae는 각각 3.4%와 8.8%까지 감소하였다. 이는 SDS 농도 증가에 따라 박테리아 군집이 Clostridiaceae와 Anaerolineaceae 중심에서 Enterobacteriaceae와 Sporanaerobacteraceae 중심으로 크게 전환되었음을 보여준다. 고세균의 경우, 대조군과 SDS 400은 유사한 조성을 나타내어 Methanotrichaceae는 40.9-42.2%로 가장 높은 비율을 차지하였으며, Methanobacteriaceae 또한 34.9-35.7%로 유사하게 유지되었다. 반면 SDS 1600은 Methanotrichaceae가 51.7%까지 증가한 반면, Methanoregulaceae는 대조군의 11.3%에서 2.8%까지 크게 감소하였다. Methanobacteriaceae와 Methanosarcinaceae는 각각 33.2% 및 11.6%로 비교적 안정적으로 유지되었다.
Species 수준에서는 이러한 군집 변화가 앞서 관찰된 유기산 조성 변화와 보다 직접적으로 연관되었다(Figure 5). 대조군과 관련된 종은 회색, 메탄 생산성이 가장 높았던 SDS 400과 관련된 종은 분홍색, SDS 1600에서 우점한 종은 빨간색으로 표시하였다. 조건별로 서로 다른 종들이 동일한 네트워크 내에서 군집을 형성한 것은 SDS 농도 증가가 개별 미생물의 풍부도뿐만 아니라 함께 변화하는 미생물 군집의 조합에도 영향을 미쳤음을 시사한다. 박테리아의 경우(Figure 5(a)) 대조군에서는 뷰틸산 생산과 관련된 Clostridium butyricum과 다양한 탄수화물을 이용하는 발효성 세균인 Levilinea saccharolytica가 각각 31.4% 및 16.6%로 주요 박테리아 종이었던 반면 SDS 첨가에 따라 Clostridium butyricum은 SDS 400과 SDS 1600에서 각각 12.3% 및 0.7%로 감소하였다(Guo et al., 2024; Harirchi et al., 2022). SDS 400 샘플은 Levilinea saccharolytica가 대조군과 유사한 수준으로 유지되었으며, Citrobacter 계열의 세균의 증가가 나타났다. SDS 400에서 Levilinea saccharolytica의 풍부도가 유지된 것으로 보아 SDS 존재 하에서도 초기 분해가 지속되었을 가능성을 확인하였다. 또한 Citrobacter 중 Citrobacter braakii는 음이온성 계면활성제 분해능이 보고되어 있어(Dhouib et al., 2003), 해당 미생물의 증가는 SDS 노출에 대한 적응 또는 생물학적 전환과 관련되었을 가능성이 있다. SDS 1600도 Citrobacter 계열의 미생물이 7.0-24.4%로 증가되는 공통적인 경향을 보여주었으나 Sporanaerobacter acetigenes의 경향이 SDS 400과 다르게 나타났다. SDS 400은 1.8%를 차지하였으나 SDS 1600에서는 15.1%까지 증가하였다. Sporanaerobacter acetigenes이 포도당 대사를 통해 아세트산을 주요 생성물로 형성하는 acetogenic bacterium으로 보고되어 있어 SDS 1600에서 나타난 이 종의 증가는 해당 조건에서의 아세트산 축적과 관련되었을 가능성이 있다(Zhang et al., 2025).
Figure 5.
SDS response-colored correlation-based species association networks of bacteria and archaea. Networks show species-level abundance-pattern associations in (a) bacteria and (b) archaea under SDS exposure. Node colors indicate SDS response patterns, including control-high (gray color), S400-high (pink color), S1600-high (red color), and Low/unclear groups. Edges represent strong positive abundance-pattern associations between species.
고세균 군집은 대조군과 SDS 400이 비교적 유사하게 나타났다(Figure 5(b)). 아세트산 이용 메탄생성균인 Methanothrix soehngenii는 대조군과 SDS 400에서 각각 38.2% 및 39.6%로 가장 높은 비율을 차지하였으며, 수소이용 메탄생성균인 Methanobacterium palustre와 Methanobacterium petrolearium도 높은 비율로 유지되었다. SDS 1600에서도 Methanothrix soehngenii가 48.3%로 아세트산 이용 메탄생성균이 우점하는 경향은 유사하였으나, 수소이용 메탄생성균인 Methanolinea mesophila와 Methanolinea tarda는 각각 1.6% 및 1.2%까지 감소하였다. Methanolinea spp.는 H2/CO2 및 formate를 이용하는 수소이용 메탄생성균이며, 프로피온산 산화는 H2 농도가 낮아야 원활하게 진행되는 syntrophic reaction이므로, 고농도 SDS에서 나타난 Methanolinea spp.의 감소는 프로피온산의 후속 전환이 제한된 결과와 관련되었을 가능성이 있다. 이는 SDS 1600에서 높은 프로피온산 잔류와 아세트산 축적이 동시에 나타나고 메탄 생산 속도가 크게 감소한 공정 결과와도 일치한다.
결 론
본 연구는 SDS를 이용한 돈분뇨 내 암모니아성 질소 축적 억제 가능성과 혐기성 소화에서의 농도 및 기질 의존적 영향을 평가하였다. SDS 첨가는 돈분뇨 내 NH4+-N 축적을 감소시키고 Organic-N의 감소를 제한하여 저장 중 질소 형태의 전환에 영향을 미칠 가능성을 보여주었다. 혐기성 소화에서는 중간 농도의 SDS에서 메탄생성이 증가한 반면, 고농도에서는 프로피온산과 아세트산의 잔류와 함께 메탄 생산 속도가 감소하여 중간대사산물의 후속 전환이 제한되는 양상이 나타났다. 또한 SDS 단독 조건과 공존 유기기질 조건의 차이는 메탄생성에 대한 SDS의 영향이 자체적인 기질 기여보다는 적용 농도와 공존 기질에 크게 좌우됨을 보여주었다. 이는 돈분뇨 관리에 SDS를 적용하기 위해서는 암모니아성 질소 축적 억제 효과와 혐기성 생물학적 처리에 대한 농도 의존적 영향을 함께 고려하여 적정 주입조건을 설정할 필요가 있다는 것을 시사한다. 하지만 본 연구의 혐기성 소화실험은 SDS 처리 돈분뇨를 직접 기질로 사용한 후속 소화실험이 아니라 glucose를 공존 유기기질로 이용하여 SDS 농도에 따른 혐기성 소화 반응을 평가한 것으로, 저장단계에서 SDS가 처리된 돈분뇨의 후속 소화 특성을 직접적으로 나타내는 데에는 한계가 있다. 따라서 실제 적용을 위해서는 SDS 처리 및 저장된 돈분뇨를 대상으로 한 연계 혐기성 소화실험을 통해 그 영향을 추가적으로 검증할 필요가 있다.
