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 최근 환경문제가 대두되면서 식품의 안전성에 대한 소비자들의 인식전환에 따른 친환경농산물 생산에 대한 관심이 고조되면서 작물의 생산성 향상과 안전성을 동시에 추구하기 위하여 토양특성과 작물생육에 적합한 유기자원 사용 연구가 수행되었다.(Kwak et al., 2003; Lee et al., 2002; Yoon et al., 2002). 유기 또는 자연농업은 인위적인 물질의 투입을 최대한 줄이는 농업으로 이를 위해 농가에서는 토양 비옥도를 향상시키는 여러 가지 친환경적인 방법을 사용하고 있다. 그 중 한 방편으로 축산분뇨와 작물의 부산물을 퇴비화 시킨 퇴비의 사용이 증가하고 있다.

 부산물의 퇴비화를 측정하기 위해 식물 독성을 평가하는 것은 부산물이 토양에 사용되기 전에 환경적인 위험 요소를 제거하기 위해 사용되는 가장 중요한 기준 중에 하나로 사용될 수 있다. 식물 종자의 발아 시험은 부산물 중에 존재하는 여러가지 독성 화합물에 의해 야기되는 피해를 측정하여 판단하기 위하여 실시한다. 종자 발아 시험의 대상 식물은 배추, 상추, 당근, 오이, 토마토, 등을 포함하여 많은 식물 종들이 사용되며 종자 발아율과 뿌리 생장률은 부산물의 유해성과 식물에 미치는 영향에 대해서 평가하는데 주로 사용된다(Kawng et al., 2007).

 우리나라의 퇴비 제조에 사용되는 주원료나 제조 방법이 외국과는 상이하므로 우리나라 실정에 맞는 퇴비의 평가 기준이 필요하며 이를 정립하기 위한 많은 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 유기질비료의 원료로써 많이 이용되고 있는 피마자박, 미강, 채종박, 수피, 돈분슬럿지의 안정화과정중에 시료를 채취하여 종자 발아와 유기산 측정, 수분, pH, EC, 온도를 측정하여 부산물의 퇴비화에 따라 식물생장에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고 부산물의 적정 퇴비화에 관한 기초자료를 제공하고자 본 연구에 착수하였다.

재료 및 방법

시험재료

 본 연구의 시험재료는 미강, 피마자박, 채종박, 수피, 돈분슬럿지 총 5종을 이용하였으며 미강은 2011년 3월 충남 당진시에 위치한 미곡처리장에서 구입하였으며 피자마자박은 2010년 12월에 인도에서 수입된 재료를 이용하였으며 채종박은 2010년 11월에 중국으로 수입된 물량을 경기도에 위치한 T사에서 공급받아 사용하였다. 돈분슬럿지와 톱밥은 충남 당진시에 위치한 C의 영농조합 축분처리장에서 돈분슬럿지와 톱밥을 1:1로 혼합한후에 사용하였다. 수피는 인천에 위치한 D사의 원목가공업체에서 발생한 수피를 구입하여 사용하였다.

 각각의 시험재료는 1 m³ 용기에 각각 0.75루베씩 담아 1일 12시간 씩 에어 공급을 하였고, 5일에 한번 씩 뒤집기를 시행하였다.

조사항목 측정

 시험재료의 분석용 시료는 5일 1회 채취하였다. 분석시료 채취 후 −18℃의 냉동고에서 분석 전까지 보관하였다.

 온도변화는 일변화를 측정하였으며 측정기기로는 이동 형수분측정기인 HM-1110을 사용하여 매일 12시에 측정하였고 pH와 EC는 일변화를 측정하였으며 측정방법은 증류수 1 : 5 비율로 희석하여 측정하였으며 무기성분과 유기물의 함량은 부산물비료 비료분석법에 준하여 분석하였다.

 유기산 분석은 시험재료는 실험 시작일인 2012년 8월 15일부터 5일 간격으로 뒤집기를 시행한 후 채취하여 각각 50 g에 250 ml의 메탄올을 첨가한 후 진탕하여 20℃의 실온에서 24시간 추출한 후에 유기산 측정용 시료로 활용하였다. 추출한 용액을 농축기를 이용하여 농축한 다음 HPLC용 메탄올로 100ppm으로 만들어 4.6ID × 150 mm 5C18-AR-II 칼럼이 달린HPLC(Waters 2690 alliance system)를 이용하여 측정하였으며, 분석을 위한 용리액(eluent)은 HPLC용 Methanol을 사용 하였고, 유속은 1.0 mL/min으로 고정하여 분석하였다.

 발아지수 측정은 부숙비료의 공정규격에 정한 실험법으로 실시하였으며 시험재료를 70℃에서 2시간 환류 추출한 후 여과지를 이용하여 여과한 후에 petridish에 넣고 무종자 30개씩 파종하였다. 파종 후 5일이 경과 뒤에 발아율과 뿌리의 길이를 측정하였으며 모든 실험은 3반복을 하였다.

유식물 검정법

 충남 예산군 공주대학교 산업과학대학 부속농장에서 토양을 40리터 채취한 후 10 mm 선별체를 이용하여 선별 후 소독한 후 이용하였으며 1/5000a수준의 포트에 유기물과 토양의 혼합비율을 1 : 5 비율로 토양과 혼화처리한 후 배추와 상추를 10개씩 파종하였고 파종 후에 농촌진흥청 농사실험연구조사기준에 의거하여 발아율과 평균발아일수를 조사하였으며, 발아지수는 다음 식에 의하여 산출하였다.

 Germination rate = (발아율/control 발아율) × 100
 Relative = (뿌리길이/control 뿌리길이) × 100
 Germination index = germination rate× relative / 100

 발아가 완료된 시점에서 식물생장시스템에 넣어 1일 2회 관수를 하였으며 관수 시에는 일체의 비효성분을 투입하지 않았다.

 파종 후 20일후에 70℃에서 3일간 건조 후에 건물중을 측정하여 DMRT 5%유의수준으로 통계적 유의차를 확인하였다.

결과 및 고찰

시험재료의 화학적 특성

 본 실험에 사용된 시험재료(피마자박, 미강, 수피, 채종박, 돈분)의 화학적 특성은 아래 Table 1과 같다. 농업에 이용되기 위해서는 질소,인산,가리 3요소와 그리고 유기물함량이 중요한데 시험재료들중에서는 채종박과 미강의 그리고 피마자박의 3요소의 함량이 7%이상으로 높은 편이었고 그 다음으로는 돈분슬럿지가 3요소의 합이 3.9%로 확인되었다. 돈분슬럿지는 우리나라 축산농가등에서 많이 발생되며 수급이 원활한 장점이 있으나 본 연구에서 구리와 아연의 함량이 516 mg/kg, 1260 mg/kg으로써 높은 수준을 나타내고 있어 이러한 돈분슬럿지의 구리와 아연함량은 현재 설정된 비료의 공정규격에 부적합하므로 농업적 이용을 위해서는 부재료의 투입비율 및 유기산등을 이용하여 제거하여야 할 것으로 판단된다. 이러한 유기물원의 화학적특성을 고려하여 볼 때 피마자박과 채종박 그리고 미강이 높은 유기물함량과 질소,인산,가리의 합량이 7% 이상으로 작물에 유기물원 공급원으로써 효과적일것으로 판단된다.

Table 1. Chemical properties of raw materials.

안정화 진행에 따른 유기산의 발생과 변화

 유기물의 안정화 과정중 유기산은 acetic acid, butylic acid, propionic acid, valeic acid등이 많이 생성되며 이중 acetic acid의 발생량이 상당히 많았으며 퇴비화과정중 다른 유기산보다 높은 농도로 발생되며 지속적으로 생성되는 것으로 보고되고 있다(Lata et al, 2002). 이외에도 유기산이 식물생육에 부정적이라는 연구결과는 많은데 그중에서도 유기산은 식물뿌리에 심한 장애를 유발하는 원인이라고 하였다(Chang et al., 1995).

 총5종류의 유기물원의 안정화 과정 중에서 발생하는 유기산의 종류를 조사한 결과(Table 2) 본 실험에서는 모든 유기물에서는 공통적으로 구연산이 모두 검출되었으며 돈분슬럿지를 제외한 유기물에서는 옥살산이 검출되었다. 또한 푸마르산은 수피와 돈분슬럿지에서 확인되었으며 돈분슬럿지에서는 아세트산이 추가적으로 검출되었다. 그러나 이러한 유기산의 함량은 가장 많은 유기산이 검출된 피마자박의 경우 41.1 mg/kg으로써 식물체의 생육에 직접적인 영향을 미칠 수준은 아닌 것으로 판단되며 오 등(2011)연구에서도 구연산을 이용하여 중금속을 제거한 돈분슬럿지를 옥수수 재배에 이용하였을 경우에도 비해현상등이 관찰되지 않았다라는 결과로 볼 때 안정화 과정을 거친 이후에는 유기물원에서 발생되는 유기산은 식물체에 미치는 영향이 적을것으로 판단된다.

Table 2. Change of organic acid within the organic matter during composting.

시험재료의 안정화과정중의 특성변화

 시험재료가 25일간 안정화 진행과정 중에 조사된 온도, pH, EC의 변화는 Table 3과 같다.

Table 3. Changes in the characteristics of the stabilization process of public notice examples.

 온도변화는 유기물을 비료로 생산하기 위하여 안정화과정을 진행을 할 때 중요한 요소이며 기본적인 관찰요인이다. 안정화 과정 중에 온도하강 변화는 분해가 용이한 유기물이 상당부분 분해된 것으로 판단하며 안정화가 완료되는 시점을 나타낸다(Chang et al. 1995). 그러나 온도변화가 단시간 안에 끝나면 정상적인 과정이 아닌 기타 환경적인 요인으로 말미암아 부패내지는 건조 등의 현상으로 판단할 수 있다. 이러한 온도변화에 관여하는 요인으로는 수분상태 및 안정화 과정 중에 혼합되는 부자재의 차이로 인하여 나타나고 이러한 부자재의 이외에도 원활한 통풍과도 연관이 깊다(Giovanni & Pera, 1989).

 시험재료들의 온도변화를 보면 가장 높은 온도변화를 나타낸 것은 돈분슬럿지로 안정화 20일째에 51℃를 나타냈으나 안정화의 지표인 온도하강의 경우에는 안정화 20일째에 나타나고 있으며 피마자박과 채종박도 안정화 20일째부터 온도가 하강되면서 안정화가 되어가는 경향을 보이고 있으나 미강과 수피의 경우에는 25일이 경과하여도 온도가 지속적으로 상승하여 안정화에 필요한 소요일수가 다른 유기물원보다 많은 것이 확인되었다.

 pH의 변화는 온도변화 비슷한 경향을 나타내고 있는데 모든 시험재료들이 pH가 하강되었다가 상승하는 되는 경향을 보이고 있다. 시험재료들의 pH변화폭은 피마자박이 가장 높아 1.5의 변화폭을 나타내고 있으며 수피의 경우에는 0.9로 가장 적은 pH의 변화수준을 보이고 있다.

 시험재료의 전체적인 EC수준은 피마자박과 채종박이 안정화 과정 중 일시적으로 2.0 ds/m까지 증가한 것 이외에는 전체적으로 2.0 ds/m이하수준이었다. 피마자박과 채종박의 EC수준이 변동이 심한 것은 다른 시험재료보다 질소 및 양분함량이 높아 미생물의 활동력이 활발하게 진행되어 유기체 구성원소가 이온으로 분리된 것으로 판단되지만 EC의 경우에는 상토의 공정규격에 의하면 보증규격이 2.0 ds/m이하로 설정되어 있으므로 피마자박과 채종박의 경우에는 안정화 과정 20일이상만 진행하여 토양에 혼화 처리하여도 작물의 생육에 문제가 없을 것으로 판단되며 미강과 수피의 경우에는 다른 유기물원보다 안정화기간을 오랫동안 진행하여야 할것으로 판단된다.

발아지수

 유기물의 안정화 과정 중에는 식물생육에 부정적인 연구결과가 많은데 그중에서도 유기산은 식물뿌리에 심한 장애를 유발한다는 연구결과는 많이 알려져 있다(Chang et al. 1995). 본 실험에서도 5일 간격으로 각 시험재료를 열수 추출하여 식물에 미치는 영향에 대하여 실험을 진행하였고 그 결과는 아래 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. Changes of germination index of plants on water extracts of composted materials.

안정화 초기에는 수피가 가장 낮은 수준의 발아지수를 나타냈으며 다른 유기물들은 40이상의 발아지수를 나타냈고 안정화기간이 경과함에 따라 시험재료간의 차이가 나타나기 시작하여 안정화 25일째에는 피마자박과 미강 그리고 돈분슬럿지가 70정도의 수준으로 5%유의수준에서는 통계적으로 유의차가 없이 높은 수준이었으며 다음으로는 채종박이 63수준으로 확인되었다. 수피의 경우에는 안정화 25일이 경과하여도 51으로 가장 낮은 수준이었는데 이렇게 수피의 발아지수의 차이가 나타나는 것은 C/N율의 차이에 기인하는 것으로 사료되는데 발아지수가 가장 높은 피마자박은 18.3이고 다른 시험재료들도 40이하의 수준이었으나 수피의 경우에는 C/N율이 114로써 매우 높은 수준이었는데 C/N율은 비료의 공정규격 상으로는 50이하로 규제하고 있다. 이렇게 비효성분이나 중금속과 같은 비해 성분이 아님에도 공정규격 상으로 규제하고 있는 것은 C/N율이 높을 시에는 미생물이 유기물을 질소질로 전환하지 못하거나 암모니아 가스로 휘산되어 소실된다(Mathews & Border, 1990). 수피는 C/N율이 높아 미생물의 유기물 전환이 늦어지면서 지속적으로 이산화탄소나 메탄가스등을 발생시켜 발아지수의 상승이 지체된 것으로 판단된다.

 현재 유기질비료의 발아지수는 공정규격으로 70이상의 수준으로 설정되어 있음을 고려할 때 피마자박과 미강 및 돈분슬럿지의 경우에는 안정화기간을 25일 이후에 사용하여도 작물에 대하여 비해현상등을 발생되지 않아 안정적인 유기물 공급원으로써 활용가치가 높을 것 판단된다.

시험재료의 발아특성 및 초기생육특성

 각 시험재료들의 안정화 기간 25일이 경과된 이후에 유식물 검정법을 통하여 최종적인 농업용 비료로써의 활용가능성을 조사한 결과는 아래 Table 4와 같다.

Table 4. Characteristics of germination and early growth of Chinese cabbage and lettuce treated with composting materials.

 작물의 발아특성에서는 모든 시험재료들의 큰 차이를 나타내고 있지 않으며 발아율은 90%이상이었고 발아일수도 4일로써 통계적인 유의차가 없는 것으로 나타내고 있다.

 그러나 수피의 경우에는 발아세가 다른 유기물원에 비하여 낮게 나타나고 있으며 통계적으로도 그 차이가 확인되고 있다. 수피를 제외한 유기물원들은 배추와 상추의 초기생육에서도 큰 차이를 나타내고 있지 않으며 작물의 건전도를 나타내는 건물중의 경우에도 배추는 수피를 제외한 유기물원들은 180 mg이상으로써 통계적인 유의차가 없었으며 상추에서도 100 mg이상으로써 차이가 크지 않았다. 그러나 수피의 경우에는 모든 생육특성이 다른 유기물원에 비하여 낮았으며 특히 건물중의 경우에는 배추와 상추에서 각 161 mg과 81 mg으로 배추의 경우에는 다른 유기물원의 평균인 189 mg과 비교해서 15%가 낮은수준이었으며 상추에서는 가장 높은 건물중을 나타낸 채종박과 25%차이가 확인되었다.

 이처럼 수피가 배추와 상추에서 다른 유기물원에 비하여 초기생육이 낮은 것은 수피가 지니고 있는 화학적 특성에 기인한다고 추정되는데 수피는 C/N율이 높아 미생물등이 유기물을 분해하지 못하여 생육초기에 안정적으로 작물에 양분을 공급하지 못한 것으로 판단되며 작물생육에 유기물공급원으로써 수피는 높은 C/N을 고려하였을시에는 부적합한 것으로 확인되었다.