Introduction
친환경 농업의 다양한 기술 중 핵심 요소는 토양이다. 관행 재배 농가에서 친환경 농업으로 전환하기 위해서는 토양의 지력을 높이는 것이 가장 중요하다(Lee et al., 2006). 화학 비료 사용의 증가는 토양의 산성화, 유기물 함량 감소와 지력 저하를 초래한다(Kim, 1995; Kim, 2002). 또한, 과도한 경운으로 토양 유실과 물리 및 화학성의 악화 등 문제점이 야기되고 있다(Kim, 2002). 이러한 문제점을 해결하기 위해 농업 환경의 보전과 농산물 생산의 지속성 유지 및 안전 농산물 생산 체계를 구축하고자 친환경 농업에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다(Kim et al., 2006). 친환경 농업에 대한 관심의 증가와 함께 유기성 폐자원의 농업적 활용은 유기 농산물 생산량을 증가시키기 위해 중요한 화학 비료 대체재로 인식되고 있다(Jeong, 2005). 유기성 폐자원은 식품생산과정에서 원료를 일차적으로 가공할 때 배출되며, 쉽게 부패가 되어 심한 악취를 발생시키고, 매립 시 침출수를 야기시켜 지하수 오염 문제를 일으킨다(Lee et al., 1997; Eo, 2018). 하지만 일부 폐기물의 경우 식물에 필요한 양분과 유기물을 함유하고 있기 때문에, 일부 농가에서는 식물 재배에 이를 활용하고 있다(Jeong et al., 2006; Nelson and Janke 2007; Lee et al., 2008). 유기성 폐자원을 유기질 비료의 원료로서 활용하기 위해서는 유기물을 식물 재배 과정에 투입해 양분을 공급해야 하고, 투입된 유기물의 안정적 분해가 필요하다(Nelson and Janke, 2007; Castro et al., 2009). 유기질 비료의 시용은 토양 이화학성을 개량할 수 있다고 알려져 있으며, 이는 토양에 영양분을 균형 공급하고, 유용 미생물 증대 및 입단화 촉진과 같은 물리성에서도 효과가 인정되고 있다(Ham et al., 1994).
유기성 폐자원 중 하나인 음식물류 폐기물은 식품의 판매, 유통 및 조리 과정과 섭취 후 버려지는 쓰레기이다(Park, 2003). 우리나라는 환경 문제 해결과 유기성 폐자원의 재활용을 위해 음식물류 폐기물 퇴비화 시설을 지역별로 설치하여 토양개량제와 유기질 비료 자원으로 활용하고 있다(Jo, 2000; Hong et al., 2006; Lee et al., 2017a). 음식물류 폐기물 퇴비는 토양 유기물 함량 증대와 양분 공급 능력을 확대시켜 식물체의 생장 증가 효과를 보이는 것으로 알려져 있다(Jo, 2000; Lee et al., 2017b). 그러나 음식물류 폐기물이 쉽게 부패하면서 오수와 악취를 발생시키고(Park, 2003; Lee et al., 2019a), 퇴비화 과정에서 음식물류 폐기물 자체에 함유된 다량의 염분과 수분으로 인해 미생물 활성에 악영향을 미치는 문제점이 있다(Kim and Kim, 2000; Lee et al., 2017c; Lee et al., 2019b). 최근 음식물류 폐기물 건조 분말의 경우 비료 성분으로써 악취나 유해성 문제가 없고, 토양 환경에 미치는 영향도 기존 원료와 차이가 없기 때문에 염분 2% 이하, 수분 15% 이하 일 경우 전체 원료의 30% 이내의 범위에서 유기질 비료 원료로서의 활용이 가능하다고 밝혀졌다(RDA, 2019).
또한, 최근 커피 섭취량의 증가로 인해 발생량이 증가하고 있는 커피 슬러지는 원두에서 커피를 추출하고 발생하는 부산물이다. 커피 슬러지는 발생량 중 0.1%만 재활용되고 나머지는 생활폐수에 혼입되거나, 음식물 쓰레기와 함께 배출되어 환경을 오염시키고 있다(Ha, 2015). 이러한 이유로 환경 오염을 최소화하기 위해 새로운 처리 방법 및 환경 친화적 이용 가능성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며(Kim et al., 2012), 그 중 대표적으로 커피 슬러지를 연료, 사료, 비료 첨가물로 활용하는 것에 대한 연구가 이루어지고 있다(Kim, 2013).
약용작물은 과거에는 질병을 치료하기 위한 목적으로 이용되었지만, 최근 건강 기능 식품, 천연물 의약품으로 활용이 증대되고 있다(Kim, 2013). 그 중 식방풍(Peucedanum japonicum Thunberg)의 뿌리는 약재로 한방에서 중풍, 가래, 기침, 두통, 전신마비, 해열 등의 효과를 나타낸다고 알려져 있다. 최근에는 식방풍의 잎을 쌈 채소 및 장아찌 등 식용으로 사용하는 인구가 급증하고 있어, 재배면적과 재배량이 늘고 있다(Cho, 2005; Kim, 2013). 하지만 충남 태안, 전남 여수 금오도 지역에서만 집약적으로 재배가 이루어지고 있으며(Jung et al., 2014), 주로 화학 비료를 시비하는 관행 농업으로 재배되고 있다. 약용작물에 대한 농약 잔류 독성, 중금속 등 안전성 문제가 나타나면서 생산량 증가 목적보다는 품질과 안전성이 강화된 환경 친화적인 농업기술을 지향하고 있다. 현재 구기자, 당귀, 오미자, 황기, 황금을 대상으로 유기 재배 기술이 개발되었지만, 아직까지 약용작물의 유기 재배 기술 연구는 시작하는 단계이다(Kim et al., 2016).
따라서 본 연구는 유기성 폐자원의 유기질 비료로서의 활용 가능성 평가와 함께 약용작물의 유기 재배 기술 확립을 위하여 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말의 처리에 따른 식방풍의 생육 특성을 평가하였다.
Materials and Methods
공시 작물 및 공시 토양 선정
공시 작물로는 1년생까지 약용으로 활용 가능하고, 초기 생육 상태에 따라 약재로서의 가치 평가를 받고 있는 식방풍을 사용하였다. ㈜아람종묘(Aramseed, Seoul, Korea)에서 식방풍 종자 구매 후, 한아름 상토(SSTM, Horticulture nursery media, Goesan, Korea)를 사용하여 충남대학교 농업생명과학대학 유리온실에서 직접 파종하였다.
본 실험 사용된 토양은 ㈜참그로(Chamgrow, Hongseong, Korea)에서 상토 조제시 사용되는 토양을 구매하여 풍건 후 2 mm 채로 걸러 사용하였다.
유기성 폐자원 수집 및 처리구 설정
본 실험에서 사용된 커피 슬러지는 충남대학교 인근 커피숍 10곳에서 샘플링하여 105℃ dry oven (WiseVen, Fuzzy control system, Wisd SciLab, Wonju, Korea)에서 24시간 완전 건조 후 밀봉 보관하여 사용하였다. 음식물류 폐기물 건조 분말은 대전광역시에 소재한 ㈜화성그린(Hwaseong Green, Daejeon, Korea)에서 수거하여 완전 건조 후 2 mm 채로 걸러 사용하였다.
화학비료 처리구는 농촌진흥청의 작물별 시비 처방기준(RDA, 2010)에 의거하여 N-P2O5-K2O 를 10 a 당 10 : 12 : 7 kg 비율로 처리하였다. 식방풍(1000 kg/10 a)의 비료 표준 시용량은 각 실험에 사용된 column의 면적을 계산하여 처리하였다. 표준 시용량을 기준으로 기준의 반량, 배량으로 처리구를 설정하였다.
식방풍 재배 실험
식방풍은 뿌리를 약재로 사용하기 때문에 뿌리의 유기질 비료 흡수와 시비 효과를 보기 위하여 column을 제작하여 재배 실험을 실시하였다. Column의 크기는 Ø 90 × H 32 cm로 제작하였으며, column 바닥에서 20 cm높이까지 공시 토양을 채운 후, 그 위로 각 처리구를 10 cm 높이로 쌓아 5반복 실시하였다.
생육조사는 국립 종자원의 작물별 특성 조사 기준에 준하여 지상부는 초장(cm), 엽장(cm), 엽폭(cm), 엽수(ea plant-1), 생체중(g plant-1) 및 건체중(g plant-1), 지하부는 근장(cm), 근경(cm), 생근중(g plant-1) 및 건근중(g plant-1)을 조사하여 처리구별 생육을 비교하였다.
토양 이화학적 특성 및 중금속 분석
토양은 작물 재배 전·후 각각 이화학 분석을 하였으며, 작물 재배 전 토양의 이화학 분석 결과는 Table 1과 같다. 작물 재배 후, 토양 이화학적 분석은 column을 10 cm 단위로 분획하여(0 - 10, 10 - 20, 20 - 30 cm) 실시하였다.
Table 1. Physico-chemical properties of soil and raw materials used in the experiment. |
EC, electrical conductivity; OM, organic matter; Av. P2O5, available phosphorus. |
토양의 이화학적 특성 분석을 위한 시료는 처리구별 채취한 시료를 풍건 후 사용하였고 ‘토양 및 식물체 분석법 (2000)’에 준하여 실험을 실시하였다. 토양의 pH와 전기전도도(EC, electronic conductivity)는 1 : 5 H2O법을 이용하여 풍건 토양 10 g 에 증류수 50 mL을 가하여 30분간 진탕하고 Whatman No. 2 여과지(Whatman, Maidstone, UK)로 여과한 후 pH 와 EC meter (Orion VERSA STAR Advanced Electrochemistry Meter, Thermo Orion, Waltham, USA)를 이용하여 측정하였다. 유기물 함량은 Walkley-Black 방법에 준하여 1N K2Cr2O7을 가하여 반응시킨 후 UV/Vis Spectrophotometer (UV-1240, Shimadzu, Kyoto, Japan)로 파장 610 nm에서 비색 정량하였다. 유효인산 함량은 Bray No. 1 방법으로 추출하여 Ammonium paramolybdate로 발색시킨 후 파장 720 nm에서 UV/Vis Spectrophotometer (UV-1240, Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 비색 정량하였다.
중금속 분석은 토양오염 공정분석(ME, 2009)에 준하여 중금속 전 함량 분석법인 왕수분해(aqua regia)로 실시하였다. 분석 항목은 비소(As, arsenic), 카드뮴(Cd, cadmium), 구리(Cu, copper), 니켈(Ni, nickel), 납(Pb, lead ), 아연(Zn, zinc) 등 6개 중금속 원소를 대상으로 실시하였으며, 분석 기기는 ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer, ICAP 7000series, Thermo Fisher, Waltham, USA)를 이용하여 측정하였다.
통계분석
실험 결과(n = 5)는 Microsoft Office Excel 2016 (Microsoft, Washington D.C., USA)을 이용하여 평균값과 반복(n = 5)의 표준편차(standard deviation, SD)를 구하였다. 통계프로그램은 IBM SPSSⓇ version 24 프로그램(IBM, NY, USA)을 사용하여 일원배치 분산분석(one-way ANOVA)과 반복측정 다변량 분산분석(repeated measures ANOVA)을 실시하였고, 유의수준(p)은 0.05 이하로 설정하여 사후분석(post-hoc analysis)은 Duncan 검정법을 사용하였다.
Results and Discussion
커피 슬러지 및 음식물류 폐기물 건조분말 처리에 따른 토양 이화학적 특성 변화
식방풍 수확 후 처리구별 토양을 10 cm 단위로 분획하여 이화학적 분석을 실시한 결과는 Table 2와 같다. 토양의 유기물 분석 결과, 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말 원물의 유기물 함량은 각각 44.26와 51.18%로서 비료공정규격에서 정하고 있는 유기물 함량 30% 이상을 초과하여 유기질 비료로서 활용이 가능하다고 할 수 있다(Fig. 1; Table 1). 유기물 함량은 커피 슬러지 처리구가 음식물류 폐기물 건조분말 처리구보다 약 2배 높은 함량을 보였다. Kang et al. (2019)는 커피 슬러지를 토양에 직접 처리할 경우 다른 유기질 비료보다 부숙 과정이 오래 걸리며 유기물이 안정화된 상태가 아니므로 유기물 분해 속도가 느리다고 보고하였다. 이를 토대로 음식물류 폐기물 건조분말은 생육 약 일주일 후부터 부숙이 시작되어 유기물이 분해되고 식물체 생장에 영향을 주었지만, 커피 슬러지는 부숙 과정이 음식물류 폐기물 건조분말보다 오래 걸려 유기물 분해가 원활하게 이루어지지 못해 유기물 함량이 높게 나타난 것으로 판단된다.
토양의 유효인산 분석 결과, NPK 처리구에서 0 - 10 cm 깊이의 유효인산 함량은 33.71 mg kg-1으로 무처리구의 유효인산 함량인 19.32 mg kg-1보다 약 1.5배 높은 함량을 나타냈다(Fig. 2). Han et al. (2015)의 연구 결과에서 화학 비료와 유기질 비료에 의해 토양 내 인의 함량이 증가하였는데, 이는 Lee et al. (2019c) 이 보고한 것처럼 비료 시비에 의해 공급된 많은 양의 인을 식물체가 활용하지 못하고 토양 표층에 집적시킨 결과로 예상된다. 한편, 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말 원물의 유효인산 함량은 각각 887.12, 754.92 mg kg-1로(Table 1) 커피 슬러지 원물에서 약 132.2 mg kg-1 높은 값을 나타냈지만 토양에 처리 후에는 음식물류 폐기물 건조분말 처리구가 커피 슬러지 처리구보다 약 2배 높은 함량을 보였다. 음식물류 폐기물에서 유기물의 분해가 활발하게 이루어졌고, 유기물 분해에 관여하는 토양 미생물들의 영향으로 유효인산의 함량이 증가한 것으로 예상된다. 본 연구 결과 유기물 함량이 높을수록 유효인산의 함량이 낮아졌는데, Gu et al. (2017)의 논문에서 또한 유기논과 관행논에서 토양을 채취하여 분석한 결과 유기물의 함량이 높을수록 유효인산의 함량이 낮게 나타났다.
토양의 수분함량 분석 결과, 음식물류 폐기물 건조분말 처리구 중 0 - 10 cm 깊이의 토양이 커피 슬러지 처리구보다 높은 수분함량을 보유하는 경향을 보였다(Fig. 3). 이는 음식물류 폐기물 원자재의 수분함량이 80% 이상으로 높은 함량을 함유하고 있는 것의 영향으로 예상된다(Kwon et al., 2009). 모든 처리구의 20 - 30 cm 깊이에서 수분함량은 20.14 - 26.87% 범위를 나타내며, 다른 처리구에 비해 높은 수분 함량을 보였다. 이것은 column 바닥에 배수 구멍을 있었으나, 공기의 투과성 부족으로 배수에 문제가 생긴 것으로 사료된다.
토양의 pH 분석 결과, 0 - 10 cm 깊이에서 무처리구와 화학비료(NPK) 처리구의 pH는 각각 6.91, 7.21로 나타났다(Fig. 4). 커피 슬러지 처리구의 경우 0 - 10 cm 깊이에서 pH는 6.50 - 6.67 범위를 보이며 무처리구보다 pH가 낮아진 반면, 음식물류 폐기물 건조분말 처리구의 pH에서는 7.11 - 7.39 값으로 무처리구보다 높게 나타났다. 커피 슬러지 처리구는 고추 시설재배 시 혼합 유박 처리구에서 pH가 낮은 경향을 보인 결과와 유사하였다(Chungbuk Agricultural Technology Institute, 2009). 음식물류 폐기물 건조분말 처리구는 Ham et al. (1994)의 유기질 비료의 시용이 많을수록 pH가 중성 쪽으로 기울인다고 보고된 결과와 유사한 경향을 보였다. 이는 유기질 비료의 종류나 토양 조건에 따라 차이가 보이는 것으로 사료된다. 한편, NPK 처리구는 토양의 깊이가 깊어질수록 pH가 낮아지는 반면, 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말 처리구는 10 - 20 cm 깊이에서 0 - 10 cm 깊이 토양보다 pH가 높아지는 경향을 보이고, 20 - 30 cm 깊이에서는 6.53 - 6.68 범위로 낮아졌다. 이는 Marschner (1995)의 연구 결과 유기질 비료의 전층 시비는 시용된 비료가 작토층 전면으로 분산되어 분해가 빠르게 나타나며 쉽게 용탈된다는 보고에 기인한 것으로 판단된다. 식방풍을 밭에서 재배할 경우 경운을 하기 때문에 경운 효과를 보기 위해 column 실험에서 0 - 10 cm 깊이는 처리구를 토양과 섞어 쌓아 올렸다. 이로 인해 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말 처리구는 10 - 20 cm 깊이까지 용탈되어 pH 변화가 나타났지만, NPK 처리구는 용탈되지 않아 변화가 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
토양의 EC 분석 결과, 0 - 10 cm 깊이에서 무처리구와 커피 슬러지 처리구의 EC는 각각 0.28 dS m-1와 0.21 - 0.25 dS m-1 범위로 유사한 값을 나타냈다(Fig. 5). 하지만 음식물류 폐기물 건조분말 처리구에서 10 - 20 cm 깊이 토양의 EC 값이 0.39 - 1.02 dS m-1로 높은 경향을 보였으며, 그 중 음식물류 폐기물 건조분말 배량 처리구에서 1.02 dS m-1로 가장 높은 값을 나타냈다. Park (2003)은 음식물류 폐기물과 왕겨의 염분도와 전기전도도를 비교하였는데, 음식물류 폐기물이 왕겨에 비해 매우 높다고 보고하였다. 세계보건기구(WHO)의 소금에 대한 섭취 권장량 6 g/인·일이지만, 우리나라의 소금 섭취량은 20 g/인·일이다. 음식물류 폐기물의 EC 값이 높은 이유는 WHO의 소금 섭취 권장량보다 약 3.5배 높은 섭취량을 보이기 때문인 것으로 판단된다.
커피 슬러지 및 음식물류 폐기물 건조분말 처리에 따른 식방풍 생육 비교
Table 3에서 나타낸 것과 같이 지상부 중 엽폭은 무처리구와 NPK 처리구에서 각각 2.85, 4.23 cm로서 NPK처리구가 무처리구보다 약 1.5배 크게 생장하였으며, 유의적 차이가 나타났다. 커피 슬러지 처리구에서 엽폭은 3.84 - 4.52 cm로 나타났고, 음식물류 폐기물 처리구 중 기준량(FS, dried food waste powder standard treatment)에서는 6.30 cm, 반량(FH, dried food waste powder half treatment)에서는 4.52 cm로 무처리구보다 약 2 - 3배 길게 생장한 반면 배량(FD, dried food waste powder double treatment)에서는 2.42 cm로 무처리구보다 약 0.5 cm 짧게 생장하였다. 엽폭은 비료 시비량에 의해 생육이 달라지며 과도한 비료 시비는 엽폭을 감소시킨다고 할 수 있다. 음식물류 폐기물 건조 분말 처리구와 NPK 처리구에서 모든 지상부 생육은 유의적 차이를 보였으며, 음식물류 폐기물 처리구 중 FS를 제외한 FH, FD 처리구에서 잎의 황색 반점이 나타났다. Lee et al. (2009)은 잎에서 황색 반점의 발생은 토양 염류 농도가 가장 크게 영향을 미친다고 보고하였다. 음식물류 폐기물 건조 분말 원물의 EC 값은 7.44 dS m-1로 커피 슬러지 원물보다 약 2배 차이를 보였다. 이를 토양에 처리함으로써 FS를 제외한 음식물류 폐기물 건조분말 처리구에서 다른 처리구보다 EC 값이 약 2배 정도 차이가 나타났기 때문에 잎의 황색 반점 발생에 영향을 미쳤을 것으로 예상된다.
지하부는 근장, 근경, 근중 모두 무처리구와 FD는 유의적 차이를 보이지 않았지만, FS에서는 유의적 차이를 나타내었다. 근장은 무처리구는 8.30 cm, NPK 처리구는 12.60 cm였으며, 커피 슬러지 처리구 중 반량 처리구(CH)에서 35.28 cm로 가장 뿌리 생육이 좋았으며, 무처리구에 비해 약 3배, NPK 처리구에 비해 약 2배 길게 생장하였다. 음식물류 폐기물 건조분말 처리구 중 근장은 FS가 34.08 cm로 가장 뿌리의 생육이 좋았으며, 무처리구에 비해 약 3배, NPK 처리구에 비해 약 3배 길게 생장하였다. 근경은 커피 슬러지 모든 처리구에서 0.46 - 0.54 cm이였고, 음식물류 폐기물 처리구에서는 FS가 0.78 cm로 가장 높았으며, FD는 무처리구보다 0.10 cm 낮은 0.30 cm를 나타냈다. 생근중은 커피 기준량 처리구(CS, coffee sludge standard treatment)가 4.47 g plant-1, FS가 4.77 g plant-1 로 각 처리구에서 가장 높게 나타났으며 무처리구는 0.71 g plant-1, NPK 처리구는 2.15 g plant-1를 나타낸 것으로 고려하면 FS의 생근중이 모든 처리구와 비교하였을 때 가장 높은 값을 보였다. 한편, Kang et al. (2019)는 부숙되지 않은 커피 슬러지를 토양에 처리할 경우 질소 부동화가 일어나 작물 생육에 불리한 영향을 준다고 보고하며 커피 슬러지를 유기질 비료로 활용하기 위해서는 부숙 과정을 거치거나 화학비료와 혼용하여 사용할 것을 추천하였다. 따라서 뿌리를 약용작물로 사용하는 식방풍의 특성을 고려하였을 때 FS를 처리하는 것이 가장 생육에 유리할 것으로 판단된다.
Conclusions
본 연구는 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말 처리에 따른 식방풍 생육 특성 비교를 통하여 유기질 비료로서의 활용 가능성을 평가하였다. 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말 원물의 유기물 함량은 각각 44.26와 51.18%로서 비료공정규격에서 정하고 있는 유기물 함량 30% 이상을 초과하여 유기질 비료로서의 활용 가능성을 확인하였다. 식방풍 재배 후 토양 이화학적 분석 결과 커피 슬러지 처리구에서 유기물 함량이 음식물류 폐기물 건조분말 처리구보다 높았지만, 유효인산이 약 2배 낮은 결과가 나타났다. 음식물류 폐기물 건조분말이 부숙되면서 유기물의 분해가 활발하게 이루어졌고, 유기물 분해에 관여하는 토양 미생물들로 인산의 함량이 증가한 것으로 예상된다. 식방풍 생육을 비교하였을 때, 지상부에서는 음식물류 폐기물 건조분말 기준량을 제외한 모든 처리구에서 황색 반점이 발생하였고, 특히 음식물류 폐기물 건조분말 기준량 처리구에서 지하부는 근장 34.08 cm, 근경 0.78 cm, 생근중 4.77 g plant-1으로 뿌리 생육이 다른 처리구와 비교했을 때 가장 우수하였다. 따라서, 유기물 함량을 고려하였을 때 커피 슬러지와 음식물류 폐기물 건조분말은 유기질 비료로서 활용 가능하며, 식방풍 재배 시 음식물류 폐기물 건조분말을 기준량 처리할 경우 다른 처리구에 비해 생육이 우수할 것으로 예상된다.
Authors Information
Young-Ji Jeon, Department of Bio-Environmental Chemistry, Chungnam National University, Master student
Hyun-Chul Hwang, Department of Bio-Environmental Chemistry, Chungnam National University, Master student
Jin-A Eun, Department of Bio-Environmental Chemistry, Chungnam National University, Undergraduate student
Samuel Jung, Department of Animal Science and Biotechnology, Chungnam National University, Professor
Taek-Keun Oh, Department of Bio-Environmental Chemistry, Chungnam National University, Professor