서 론
재료 및 방법
1. 한우사 준비
2. 첨가제의 특징
3. 분석방법
4. 통계처리
결과 및 고찰
1. 음수량 및 체중변화 분석
2. 우상의 가스환경 분석
3. 우상바닥성분과 생분 분석
4. 미생물 균총 변화
결 론
서 론
국민의 생활수준 향상과 더불어 국내 축산물 소비는 증가추세에 있으며, 이는 가축 사육 마릿수의 증가로 이어져 왔다. 2022년 4사분기 기준 (12월 01일 기준)가축사육마릿수는 한ㆍ육우 369만 4천 마리, 젖소 39만 마리, 돼지 1천 112만 4천 마리, 산란계 7천418만 8천 마리, 육계 8천 871만 3천 마리, 오리 599만 4천 마리가 사육되고 있는 것으로 파악되고 있다 (Statistics Korea, 2023). 늘어난 가축 사육마릿수는 그대로 가축분뇨 발생량에 반영되며, 적절한 처리없이 배출될 경우 인근 수계의 오염 및 부영양화를 초래하며, 주민민원의 요소가 될 수 있다. 2021년 기준 일일 가축분뇨 발생량은 14만 2천톤에 달하며, 이 중 퇴ㆍ액비로 자원화되고 있는 물량은 자가처리와 위탁처리 모두전체 분뇨 발생량의 87.5% 수준으로 자연순환을 위한 농경지로 환원된다고 볼 수 있다 (Ministry of Environment, 2022). 이는 지난 2012년 1월 1일부로 가축분뇨의 해양투기가 전면 금지됨에 따라 육상에서 처리될 물량이 증가해왔고, 처리물량의 증가와 함께 퇴비 및 액비로의 자원화량도 증가했다.
농업환경 전체를 고려할 때, 축산업으로부터 발생하는 분뇨는 퇴ㆍ액비로의 자원화를 통해 질소, 인산, 칼리 등의 성분을 순환할 수 있게 만드는 매개 역할을 하고 있다. 전체 분뇨 발생량의 87.5%가 농경지로 투입된다는 것은 매우 고무적인 일이라 할 수 있을 것이다. 하지만, 화학비료와 함께 과도한 양분의 투입은 양분의 용출과 빗물에 의한 유실로 이어져 수계의 부영양화를 촉진시킬 수 있고 대규모로 발생하고 있는 분뇨에 의한 냄새 민원은 사회적 문제로 대두되어 왔다. 축산에 의한 냄새민원은 2,604건 (2013년)에서 6,718건 (2018년)으로 5년간 약 2.6배가 증가하였으며 (Roh et al., 2021), 이후 관계기관 및 축산농가의 환경개선사업으로 2020년 1분기 1,620건에서 2021년 1분기 1,438건으로 감소세를 보이고 있으나 여전히 축산업을 위축시키는 요인이 되고 있는 실정이다. 더구나 날로 심해져가고 있는 기후변화의 원인으로 지목되는 온실가스배출은 축산분야에서도 예외일 수 없으며, 특히 농산업분야의 온실가스인 CH4와 N2O는 장내발효와 분뇨관리과정에서 발생하고 있다. 정부에서는 2050 탄소중립 선언과 같은 국가적 중심사업정책을 내세우며, 농식품분야의 온실가스 감축을 위해 2030년까지 Business as usual (BAU) 대비 37% 감축을 목표로 하고 있어 저탄소 배출 농업기술의 개발이 시급한 상황이다 (Jeong and Kim, 2022). 국내 주요 가축 중 반추동물인 한우는 영양생리적으로 반추위 내 혐기적인 조건에서 섭취된 사료가 발효과정을 거쳐 CH4를 발생시키게 되는 소화과정이 필수적이기 때문에 이를 저감시키는 기술은 반추동물의 생산성과 연관되어 단순한 접근으로는 해결될 수 없을 것이다. 또한, 가축분뇨에서 발생하는 암모니아 가스는 최근 문제가 되고 있는 미세먼지의 전구물질로 여겨짐에 따라 사회적 우려와 민원의 요인이 되고 있다.
축산현장으로부터 발생하는 냄새의 저감기술 개발은 지속가능한 축산업의 영위에 필수적인 사안으로 다양한 기술들이 개발되어왔다. 사료 내 벤토나이트 혹은 생균제 등 사료첨가제도 개발되어 왔으며, 시설로는 바이오커튼, 안개분모, 탈취탑 등과 냄새발생의 원인물질인 분뇨를 슬러리피트에서 바로 제거할 수 있는 액비순환시스템이 널리 사용되고 있다 (RDA, 2022). 전처리의 개념이 될 수 있는 사료 및 음용수 첨가제로 사용되는 생균제는 후처리로도 분뇨 위에 도포하는 등 널리 사용되고 있는 실정이다.
본 연구에서는 한우농가를 대상으로 한우 음용수에 첨가하고 있는 첨가제의 우상에서 발생하는 냄새의 저감효과를 파악하고자 수행되었다.
재료 및 방법
1. 한우사 준비
경상북도 영주시 단산면에 위치한 농장에서 사용 중에 있는 음수첨가제의 효능을 파악하고자 육성사 한우동 전체 64마리 중 총 32마리의 육성우 (육성초기 (E) 16두 및 육성후기 (M) 16두)를 대상으로 음수첨가제가 급수대에 업체의 사용법에 따라 1000:1로 희석하여 급여되고 있는 우방과 그렇지 아니한 우방의 환경변화를 모니터링하였다. Figure 1에 나타난 바와 같이 음수라인을 구성하고 AW처리 음수라인의 공급은 우방번호 5에서 12까지 이루어졌으며 우상바닥의 분뇨혼합물 시료의 간섭을 최소화하기 위해 한우 육성기의 한우를 전기와 후기로 나누어 입식하였다. 시료의 간섭억제를 위해 시험대상 우방은 control로써 육성후기의 2와 3, 육성전기의 14와 15를 택하였고, AW처리구로써 육성후기의 6과 7, 육성전기의 10과 11을 이용할 수 있도록 설계하였고 control과 AW처리구 당 M과 E 각 8마리씩 16마리가 배치되어 전체 32마리로 시험하였다. 처리구를 위한 AW는 음수라인에 맥동펌프를 설치하여 1000:1의 비율로 자동주입될 수 있도록 하였다. 시료는 가능한 오염되지 않도록 관리하였다.
2. 첨가제의 특징
에이피텍이라는 업체로부터 공여받은 첨가제는 부엽토 등 주로 광물질 위주로 포함이 되어 있다고 알려져 있으며 “단미사료/광물성-혼합광물질”로 등록되어 있는 제품으로 성분표 기준 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 칼륨이 각각 100, 60, 20, 200 ppm 이상 함유되어 있는 것으로 표기되어 있었다. 이전에 사용된 연구결과는 찾아 볼 수 없었으며, 일반적인 생균제나 비타민 첨가제와 같은 특이성분을 집중적으로 투입하기 보다는 음수대 내에 1000배로 희석하여 투입함으로써 반추위 내 미생물 활성을 위한 미네랄 첨가가 주요한 역할일 것으로 추측된다. 부가적인 분석을 통해 총 고형물 (total solids, TS)은 0.32% 수준으로 유기물로 대변되는 총 휘발성고형물 (total volatile solids, TVS)은 0.16%로 매우 낮게 나타났으며, 중금속 위해성을 조사하기 위해 비료공정규격 상의 중금속 8종을 분석한 결과,구리와 아연 항목에서만 각각 0.314, 0.204 ppm수준으로 검출되어 음수시 분뇨에 혼합되더라도 문제가 없을 것으로 판단된다.
3. 분석방법
농장에서 기 사용되고 있는 음수첨가제가 분 성분, 나아가 우상에서의 성분변화와 가스발생에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험이었다. 음수첨가제는 특유의 냄새를 함유하기 때문에 급수기에 적용시 한우로 하여금 기호성에 문제가 발생할 수 있으므로 전체 시험기간 3개월 간 음수량을 측정하였으며, 기호성 및 대사생리에 따른 증체율 및 체중의 변이를 파악하고자 하였다. 따라서, 분석범위는 우체의 음수량과 증체량, 우상에서의 가스발생 특성, 우상의 분뇨 혼합물 성분 및 우체 내 분 성분, 채취된 분뇨의 퇴비화 특성 분석으로 최종적으로 음수첨가제의 효능을 파악하고자 하였다.
우사 내 가스환경과 우분의 성상변화를 측정하여 음수첨가제의 효과를 비교하고자 하였다. 가스환경의 변화를 측정하기 위하여 시험에 사용된 우상에 챔버 (dynamic chamber)를 설치하고 (Figure 2) 유량을 5 L/min으로 설정한 후 가스측정기 (Gas detector, SKT100-X5, China)로 NH3, H2S 및 VOCs를 측정하여 비교하였다 (González et al., 2022).
가스 챔버는 총 용적이 10 L로 구성되었으며, 빠져나가는 공기는 정체공간, 즉 E에서 체류하는 동안 측정이 이루어졌다.
우방 내 분뇨의 성분과 직장으로부터 직접 채취한 분의 총고형물 (total solids, TS), 총휘발성고형물 (total volatile solids, TVS), 총질소 (total nitrogen, T-N), 암모니아성 질소 (NH4-N), 질산성 질소 (NOx-N), 총인 (total phosphorus, T-P) 등을 측정하여 분내 가스발생 가능성에 대한 평가를 진행하였다 (APHA, 2005).
또한, 우상에서 분뇨와 깔짚의 혼합물이 음수첨가에 따라 퇴비화 과정에 미치는 영향을 파악하기 위해 음수첨가제 처리구와 대조구의 우방으로부터 시료를 채취하여 20 L 스티로폼 박스 6개를 준비하여 각 3반복으로 3주간 퇴비화를 진행하며 온도 변화를 모니터링하였다.
음수첨가제는 1차적으로 반추위 미생물의 생육환경에 영향을 주게되고 나아가 우체의 대사생리에 영향을 미칠 수 있으며, 이를 통해 분변의 미생물군집에 변화가 기대된다. 따라서 본 연구에 따른 시험축의 분 내 미생물의 차이를 측정하기 위해서 직장으로부터 분을 직접 채취하여 미생물의 계통분석을 의뢰하였다.
4. 통계처리
본 연구에서 얻은 결과는 Microsoft excel의 student t-test에 의해 유의성을 검정하였으며, 각 실험결과는 3반복의 결과로 Mean ± SD로 표시했다. 실험처리구와 대조구로부터 얻은 자료 평균치 간의 차이는 student t-test에 의해 95% 수준에서 유의성을 검증하였다.
결과 및 고찰
1. 음수량 및 체중변화 분석
급수라인에 유량계를 설치하였고 실제로 급여된 물의 양을 비교할 수 있었다. 시험시기가 9월에서 11월 말이었기 때문에 시간이 경과함에 따라 전체적인 음수량은 감소하는 것으로 나타났으나 처리구에 따른 변이는 아니었던 것으로 나타났다 (Table 1). 마리 당 일일 음수량은 시험기간 전체 평균 AW와 대조구에서 각각 34.8, 33.1 L로 나타났으며 유의적인 차이는 보이지 않았다 (p>0.05). AW는 농장관행에 따라 1:1000의 비율로 음수대에 급수되었는데 이를 계산할 때, 일일 마리당 소모량은 72.4 mL 이었다.
Table 1.
Water consumption of Hanwoo during the experimental period.
| Elapsed time (day) | Cumulative water consumption (m3) | Drinking rate (m3/d) |
Daily drinking rate per animal (L/animal/d) | |||
| AW | Control | AW | Control | AW | Control | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 15 | 16.502 | 15.355 | 1.100 | 1.024 | 34.4 | 32.0 |
| 25 | 29.429 | 27.732 | 1.293 | 1.238 | 40.4 | 38.7 |
| 30 | 35.424 | 33.501 | 1.199 | 1.154 | 37.5 | 36.1 |
| 61 | 66.830 | 64.606 | 1.013 | 1.003 | 31.7 | 31.3 |
| 77 | 84.012 | 80.989 | 1.074 | 1.024 | 33.6 | 32.0 |
| 87 | 94.109 | 90.162 | 1.010 | 0.917 | 31.6 | 28.7 |
| Average | 1.115 | 1.060 | 34.839 | 33.125 | ||
Table 2에 나타난 바와 같이 일당 증체량에 있어 육성후기인 M처리구에서는 차이가 거의 없었으나, 육성초기에서 AW처리구가 0.082 kg/d로 소폭 높게 나타났다. 하지만, 처리구와 대조구 간에 통계적인 유의적 차이를 보이지는 않았다. 이를 통해 음수첨가제 AW의 첨수가 증체량 변화에 유의적인 변화를 나타내지 않았으며 (p>0.05), 기호성을 표현할 수 있는 음수량에 있어서도 저해효과는 없었던 것으로 판단된다.
Table 2.
Weight changes of Hanwoo according to the treatment.
2. 우상의 가스환경 분석
시험 개시 후 30일이 경과한 후 8개의 우방을 대상으로 제작된 쳄버를 이용하여 가스를 측정하였다. Figure 1에 나타난 AW처리구와 대조구의 우방배치가 상이하고 특히, AW처리구가 축사전체의 중앙쪽에 치우쳐 습도가 높을 것으로 예상되었으며, 그로 인하여 가스발생량도 높을 것으로 예측하였으나, 평균적으로 보았을 때 AW처리 우방에서 NH3, H2S, VOCs의 농도가 대조구 우방에 비하여 각각 5.1, 15.5, 12.8% 낮게 측정되었으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다 (p>0.05) (Table 3). 예측한대로 상대습도는 축사 중앙부에 위치한 AW처리 우방에서 3% 더 높은 수준으로 측정되었고, 온도는 2.2℃ 가량 낮게 나타났다.
Table 3.
Gas emission status on day 30.
시험관찰 후 65일 차에 2차로 우방의 가스를 측정하였다 (Table 4). 1차 측정시기에 비하여 기온이 10℃ 이상 내려가 가스발생량에 영향을 크게 미칠 것으로 예상되었으나, NH3의 경우 누적되는 분 성분의 분해로 인하여 더 높게 측정되었다. 하지만 H2S의 경우는 10배 이상 낮은 값이 나타났고, VOCs는 거의 검출되지 않아 상당량의 유기물들이 이미 우상에서 분해되었을 것으로 판단되었다. 1차 측정과 마찬가지로 AW처리가 유의적인 차이는 아니지만 NH3에서 약 14% 감소한 것으로 측정되었다.
Table 4.
Gas emission status on day 65.
3. 우상바닥성분과 생분 분석
시험개시 30일 후 우상의 깔짚을 포함한 분뇨 시료를 측정하였다. 시험대상 우방 8곳을 대상으로 바닥을 3등분한 뒤 섞어 우방 당 3개의 시료를 채취하였다 (Table 5). AW처리에 따라 유기물 및 질소성분에 따라 분뇨와 깔짚 혼합물에 의해 발생하는 가스의 농도가 달라질 수 있기 때문에 우상 혼합물의 성분은 중요하다고 할 수 있다. Table 5에 나타난 바와 같이 AW처리구에서 수분함량은 약 2.7% 정도 높게 나타났으나 고형물 내 유기물 비율은 대조구와 유사한 수준이었다. 유기물 분해과정에서 발생할 수 있는 휘발성유기복합체 발생원이 되는 TVS/TS의 경우에도 처리구 사이에 차이가 없는 것으로 나타났다 (p>0.05) (Dong et al., 2009). 암모니아 냄새를 유발할 수 있는 질소의 경우 T-N에서는 AW처리구에서 대조구 대비 74.2% 수준으로 낮게 나타났으며, NH4-N의 경우에서도 83.7% 수준으로 낮게 나타나 우방 내 냄새환경에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다 (p<0.05). 질소성분을 비교했을 때 AW처리구에서는 육성시기에 따른 차이는 거의 나타나지 않았으나 대조구에서는 T-N의 경우 육성초기에서 7523 mg/kg수준으로 육성후기 10538 mg/kg에 비해 낮게 나타나는 경향을 보였으나 이 값도 AW처리구에 비하여 높은 것으로 조사되었다. 결과적으로 AW의 음수첨가로 인해 분뇨 내 질소성분에 변화에 기인한 것으로 추측된다.
Table 5.
Characteristics of manure mixture with bedding material.
시험 진행 후 65일 차에 AW의 음수첨가가 우상 바닥에 산소와 노출되기 전 분 성분의 분석을 통해 앞서 진행한 분뇨 혼합물 분석과의 차이를 파악하기 위하여 직장으로부터 분을 직접 채취하여 성분을 분석하였다 (Table 6).
Table 6.
Characteristics of feces directly from rectum.
평균값을 비교하였을 때 AW처리구와 대조가 사이에 T-N과 NH4-N 모두 AW처리구에서 높게 나타났는데 이는 앞서 우상바닥의 시료분석 결과와 상반된 결과로 나타났다. 하지만, T-P와 O-P에서는 AW처리구에서 대조구보다 크게 낮은 값이 측정되었는데, 이를 통해 추론할 경우, 뇨가 포함되지 않은 분 내의 질소성분은 AW에서 약간 더 높았으나, 대조구의 뇨 성분에 AW처리구보다 더 많은 질소가 포함되었을 것으로 예측할 수 있으며, 우상 바닥에 뇨와 혼합되었을 때, AW처리구의 분뇨가 좀 더 빠른 산화과정이 일어난 결과로 추측된다.
상기결과의 합리적 추론을 위해 우상의 시료를 이용하여 퇴비화를 진행하고 온도변화를 모니터링하여 우상바닥의 혼합물의 산화정도를 파악하고자 하였다. 그 결과 Figure 3에 나타난 바와 같이 대조구에서는 온도가 32℃로 외기 온도대비 15℃ 이상 상승하였으나 AW에서는 24℃ 수준으로 높지 않았다. 이는 열을 발생시킬 수 있는 이분해성 물질이 이미 우방 내에서 소모되었기 때문일 것으로 판단되어, AW의 처리가 우방 내 미생물의 활성에 도움이 되었을 것으로 추측할 수 있다. 2.5주 후 종자발아법을 이용하여 부숙도를 측정한 결과 모든 처리구에서 70점 이상을 나타내어 우방 내에서 이미 상당수준의 분해가 진행되었다는 판단을 지지하고 있었다.
4. 미생물 균총 변화
한우분뇨와 깔짚이 혼재한 우방 내에서의 유기물 분해는 생물화학적 반응에 의해 이루어지기 때문에 AW의 처리가 한우분뇨 내에 미생물의 변화에 영향을 미칠 것으로 판단되어 직장으로부터 채취한 분 시료를 대상으로 미생물 균총을 조사하였다. 효율적인 분석을 위해 처리구 우방별 증체성적이 양호한 개체를 선발하여 총 8마리 (육성초기의 control 2 & AW 2; 육성후기의 control 2 & AW 2)로부터 채취된 분 시료를 대상으로 균총을 조사한 바, Phylum 분류시, Firmicutes문이 가장 많은 비율을 차지했으며 AW처리구인 6, 7, 10, 11에서 Control 대비 그 비율이 더 높았던 것으로 관찰되었고 그에 반하여 Bacteriodetes문이 Control에서 더 높은 비율을 차지하였다 (Figure 4). 또한, 낮은 비율이지만, Verrucomicrobia문이 AW처리구에 비하여 Control에서 높게 나타나는 비율을 보였다. 이들 3가지 Phyla는 반추동물의 위 내 미생물 군락에서 주로 발견되며, 그 비율의 차이는 음수내 첨가제가 시험축의 위 내 미생물환경에 영향을 미쳤기 때문인 것으로 판단되며, 이것이 축사 내 가스 환경에도 영향을 미쳤을 것으로 추측된다. 이의 검증을 위해서는 반추 위 내 미생물 군락의 변화도 측정하는 것이 확실한 결과 도출을 위해 필요할 것으로 판단된다.
결 론
지속가능한 축산을 저해하는 요인이 되고 있는 축산냄새의 저감을 위해 정부를 포함한 협회 및 연구소에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 현장에서 사용하기 용이한 음용수 첨가제를 시험함으로써 축사환경개선에 미치는 영향을 알아보고자 수행한 결과, 대조구와 AW처리구 간의 음수량 차이는 보이지 않았으며, 우방 바닥으로부터 배출되는 NH3, H2S, VOCs는 AW처리구에서 대조구와 비교하여 낮게 측정되었으나 유의적인 차이를 보이지는 않았다. 하지만 배출가스의 원인물질인 우방바닥 혼합물의 성분을 비교했을 때, AW처리구의 T-N은 대조구의 우방바닥 혼합물에 비하여 74% 수준으로 낮게 측정되었고 NH4-N는 84% 수준으로 낮아져 냄새가스발생의 저감에 효과가 있는 것으로 나타났다. 우상에서 이루어지는 부숙효과를 파악하기 위해서 실험실 규모의 퇴비화를 진행한 결과, AW처리구에서 이미 더 많은 분해가 이루어졌을 것으로 판단되었으며, 이에 분 내 미생물의 균총변화를 파악한 결과 우점종의 변화를 유발했던 것으로 조사되어 적용하기 쉬운 음수첨가제가 축사의 환경개선에 긍정적인 영향을 미친 것으로 판단된다. 하지만, 한우가 반추동물인만큼 향후 음수첨가제가 반추위 내 미생물의 환경에 미치는 영향에 대한 연구가 추가적으로 이루어진다면 좀 더 의미있는 환경개선효과를 구체화할 수 있을 것으로 기대된다.
