토양악화 방지 및 지력보호용 바이오 비료 개발{Development of Bio-manure}

화학비료가 생산되지 않았던 시절에는 자급비료인 퇴비, 녹비(자운영·청예대두·벳지 등), 인분뇨, 회류, 산야초 등이 생산·시용되었다. 그 후 화학비료가 생산·보급되면서 비료의 사용량은 급격히 증가하였으나, 이와 반대로 자급비료의 생산량은 점차 감소되기 시작하였다. 산업이 급격히 발달하면서 산업폐기물이 대량 생산되었고, 농촌의 인구가 도시로 유입되면서 농촌인구의 감소와 더불어 고령화 및 부녀화되어 농가에서 농산부산물, 산야초 등을 이용하여 제조했던 자급비료는 비료회사에서 제조된 유기질비료 및 부산물비료로 대체하게 되었다.

유기질비료 및 부산물비료는 다량의 유기물과 소량의 각종 미량원소를 함유하고 있어 작물에 유용할 뿐만 아니라 토양의 물리성, 화학성 및 미생물성을 개량하므로 매우 유익한 비료로 알려져 있다. 그러나, 현재 유통되고 있는 부산물비료의 원료는 가축분뇨가 주종을 이루고 있으며 이외 음식물과 유기성 산업폐기물 등이 이용되고 있어, 과거 농림수산물이 주축이 되었던 자급비료인 퇴비와 달리 비료의 성분함량이 높고, 유기물 함량은 낮으며, 유해성분 등이 함유될 가능성이 있으므로 양질의 부산물비료를 생산·판매해야만 하겠다. 부산물비료의 제조업체 중 일부는 산업폐기물을 원료로 이용하여 제품을 생산하여 공급하므로 부산물비료의 공정규격에 미달되는 경우가 있으며, 허가를 받지 않고 유통되고 있는 불법 제품들의 시용에 의해서는 농민의 피해가 많이 나타나고 있다. 이밖에 중금속함량 등이 높은 불량한 원료의 사용과 부산물비료 제조기술의 미흡 등에 의해 농경지의 오염과 작물에 여러 가지 피해가 발생되고 있는 실정이다. 농민들이 이런 비료를 사용하게 되는 가장 큰 이유는 품질이 우수한 비료가 불량한 비료보다 상대적으로 비료가격이 비싸기 때문이며, 이들 비료는 과거 농가의 자급비료와 달리 비료성분이 매우 높아 과량 시용에 의한 토양의 염류집적과 작물의 피해가 나타날 수 있으므로 적량의 시용이 무엇보다 중요하다고 하겠다.

국민의 소득증대와 식생활 향상으로 많은 유기성 자원들이 폐기물로 발생되어 매립되거나 소각되고 있는 실정이다. 그러나, 향후 유기성 폐기물의 직매립 금지 조치와 소각로 건설에 따른 막대한 비용 등의 문제점으로 유기성 폐기물의 재활용 방안에 관한 연구가 진행되고 있으며 대표적으로 지렁이를 이용한 유기성 슬러지의 처리 방식이 그 효과등에서 월등한 것으로 나타났다. 지렁이를 이용한 유기성 폐기물의 처리 공법으로 발생한 분변토는 자체적으로 비효 성분이 높고 미생물상이 다양하여 토양을 보호하거나 개량하는데 매우 효과적이라 할 수 있으며 유기질비료자원으로 활용할 경우 자원의 재활용과 환경오염을 경감시킬 수 있다는 두 가지 측면에서 바람직하다고 할 수 있다. 특히, 국내 토양은 비옥도가 낮고 소규모 영세 농가에서의 작물 연작 재배등에 따른 유기물 고갈등의 문제점들을 해결할 수 있을 것이다.

한편, 화학 공업의 발달과 함께 고속 성장한 것은 유기합성농약이다. 이러한 유기합성농약은 금세기 초부터 엄청난 인구 증가로 감당하기 어려웠던 식량자원의 생산량을 늘리는데 큰 공헌을 해왔다. 그러나, 유기합성 농약의 과다한 사용의 폐해는 이미 알려진 바와 같이 자연계에서의 난분해성 성분의 잔류와 잔류성분에 포함된 중금속에 의한 농산물 및 지하수의 오염으로 인하여 인간 생존권에 대한 위협뿐만 아니라 생물들의 삶의 터전인 생태계를 파괴하고 있다. 이러한 이유로 1992년 6월 Rio 환경회의를 시발로 2004년까지 유기합성농약의 사용량을 반으로 줄이기로 국가간 협약을 체결하였다. 따라서 일부 선진국가에서는 환경친화적인 생물농약 개발에 많은 연구를 수행 중에 있으며, 일부 병해충에 대한 생물농약 개발을 완성하여 시판 중인 국가도 있다. 그러므로, 앞으로 유기합성농약에만 의존하는 국가들은 향 후 생물농약을 이미 개발한 국가들의 횡포성 규제에 큰 타격을 입을 것으로 예상된다. 이러한 국제적 동향에 대처하기 위해서는 국내자연환경에 잘 적응된 토착 미생물의 자원확보가 시급하며, 또한 살충력의 증가와 지속성 증대를 위한 연구가 필요하다 할 수 있으며, 또한 유기 합성농약과 더불어 합성비료의 과다한 이용으로 인해 토양이 기능을 상실하고 이로 인해 각종 병해충에 의한 피해가 증가하고 있는 추세에서 토양의 지력 복원 및 토양해충을 방제할 수 있는 고기능성 생물비료의 개발이 반드시 필요로 하다고 할 수 있다.

1) 지렁이 분변토의 비료 및 미생물 담체로서의 특성

지렁이의 생리적 특성을 이용하여 유기성 슬러지를 안정화시키는 시스템은 폐자원의 재활용과 환경보호적 측면에서 이미 전세계적으로 활발히 진행되고있는 실정에서 국내에서도 90년에 국립환경연구원에서 지렁이를 이용한 유기성처리기술법을 개발하여 보급하면서 현재는 연간 약 80여 개소에서 약 11만톤의 유기성 폐기물을 처리하고 있는 것으로 추정되고 있다. 그러나, 유기성 슬러지를 지렁이를 이용하여 처리하는 기술이 어느 정도 국내에 정착되어 있으나 처리되는 물질의 한정성과 소규모 적용, 처리 부산물인 지렁이 분변토의 고부가가치를 창출할 수 있는 효율적 이용 등의 부족으로 적용 기술의 한계성이 노출되고 있는 실정이다.

지렁이 분변토는 일반 토양과는 달리 중요한 이화학적 및 생물학적 특성을 갖고 있어 중요한 부산물로 취급되고 있는데 지렁이 분변토의 주요 특성을 살펴보면 물리적 특성으로 분변토는 단립구조를 이루고 있어 틈이 많아 일반 토양보다 4-10배 정도 배수가 잘되며 통기성이 좋아 식물의 뿌리가 자라는데 매우 좋으며, 화학적 특성으로는 치환성칼슘, 마그네슘, 칼륨, 인산함유율이 높고 유기물질 함유량이 58%로 대단히 높다. 뿐만 아니라 표 1.에서 보는 바와 같이 물리적 특성면에서 활성탄에 비유할 만큼 비표면적(400 - 800 m2/g)이 크고 화학적 특성면에서 양이온 교환용량(230 -460 mg/100g)이 높은 것으로 나타나 비료로서 뿐만 아니라 미생물 담체로서의 역할도 매우 뛰어나다고 할 수 있다. 또한, 생물학적 특성으로 항생물질 분비균인 Bacillus sp.이 함유되어 있어 토양병원성 곰팡이 포자를 파괴시켜 토양내병원성균의 성장을 저해시키는 것으로 보고되었으며 표 2.에서 보는 바와 같이 분변토 자체에 많은 미생물군을 보유하는 것으로 생물담체로 활용하기에 적합한 것으로 여러 문헌에서 평가되었다. 또한, 분변토를 토양에 시용하면 토양 중의 미생물이 급속히 증가하여 유기물을 분해시키는데 분해과정에서 생성되는 각종 분해생성물인 무기성분 중 다량요소 및 미량요소는 작물에 양분을 공급하며, 유기물질인 아미노산·핵산·유기산·비타민·부식 등은 작물의 생육을 촉진하는 역할을 한다. 토양미생물에 의해 생성된 분해산물과 균사 등에 의해서는 토양입자가 입단구조를 형성하여 토양공극이 많아지므로 토양공기의 유통과 투수성이 증대되어 토양의 통기성과 보수력이 증대된다. 일반적으로 시비된 인산성분은 토양이 산성일 경우 토양 중에 고정되어 작물의 뿌리가 흡수할 수 없는 형태로 토양 중에 존재하게 되는데 토양 중에 고정된 인산성분은 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서 생성되는 각종 유기산 등에 의해 가용화 되어 작물에 흡수 이용할 수 있게 된다. 또한 유기물의 분해에 의해 생성되는 부식은 염기치환용량(CEC)을 높혀 보비력을 증가시키고, 토양의 완충력 증대, 중금속 등 유해물질의 해독 경감, 유용한 화학반응 촉진, 지온의 상승, 각종 화학반응 촉진, 유익한 길항균의 증식으로 병해충 발생을 억제시키는 등 여러 가지 작용을 한다고 알려져 있다. 이밖에, 분변토를 시용하면 위에서 말한 여러 가지 기능이 복합적으로 상승작용을 하여 최종적으로 작물의 품질이 향상된다고 한다.

표 1. 분변토의 물리화학적 특성

표 2. 분변토 내의 미생물 상 비교

표 3. 지렁이분변토의 이화학적 특성

또한, 지렁이 분변토의 이화학적 특성을 보면 표 3.에서 보는 바와 같이 우리나라 비료관리법에서 규정하고 있는 부산물 비료의 공정규격을 만족시키는 것을 알 수 있다.

2) 살충미생물의 병원성 및 방제 효과

해충 종 중 토양속에서 작물의 뿌리부분을 가해하거나 생활환 중 대부분을 토양에서 서식하는 경우 화학적 방제가 어려우며 피해 또한 매우 심각한 실정이다. 대표적인 해충으로는 풍뎅이류(참검정풍뎅이, 큰검정풍뎅이, 오리나무풍뎅이 등), 거세미나방류(거세미나방, 검거세미나방, 숯검은밤나방 등), 임업해충으로 솔잎혹파리, 잣나무넓적잎벌 등이 있으며 또한 많은 수의 해충들이 월동과 휴면을 토양에서 하기 때문에 재배 포장의 토양관리가 매우 중요하다고 할 수 있다. 그러나, 무분별한 유기합성 살충제의 남용으로 인한 피해가 증가하고 있는 실정에서 유용미생물을 이용한 생물학적 방제가 해결책으로 제시되고 있는 실정이다. 이미 선진국에서는 미생물살충제를 직접 이용하거나 미생물이 분비하는 물질을 이용하여 농작물에 발생하는 해충을 방제하는데 큰 효과가 있는 것으로 보고하고 있으며 대표적인 상품으로 개발된 곰팡이 균주는 Metarhizium , Aschersonia , Verticillium , Beauveria 에 속하는 종들을 사용하고 있으나 실제로 미생물 살충제로 사용되고 있는 곰팡이 균주는 10여종에 불과하다.

살충미생물을 이용한 미생물 농약의 개발에는 먼저 대량생산을 위한 최적 배양조건과 값싼 배지의 제작이 필요로 하며 살충력의 증대와 지속성을 위한 제형 개발이 반드시 필요하다 할 수 있다. 특히 토양 해충 방제의 경우 토양 내에서의 포자의 생존력과 활성을 높이는 것이 방제의 성과를 좌우한다고 할 수 있겠다. 이미 산림청 등에서 솔잎혹파리 방제를 위한 백강균의 연구가 수행되어 실제 적용하였으나 환경적 요인에 의해 방제의 실효를 거두지는 못하였다. 이에 본 발명에서는 살충미생물 대량생산을 위한 최적 배양조건 확립과 값싼 배지성분을 연구하며 지렁이분변토 미생물담체를 이용한 제형화를 이루어 방제의 효율성을 증대시켜 토양악화를 방지하고 토양을 개량하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 토양악화 방지 및 지력보호용 바이오 비료 생산 모식도

도 2는 바이오 비료의 세부 모식도

도 1은 토양악화 방지 및 지력보호용 바이오 비료 생산 모식도로써 각종 유기성 폐기물을 지렁이를 이용하여 처리하는 과정(실용신안 출원 20-2002-0018519)을 거쳐 생산되는 분변토를 특수한 선별기(실용신안 출원 20-2002-0018424)를 이용하여 일정 크기로 선별한 후 살충 미생물을 접종하여 천연수지(폐한약재등 식물 섬유질)를 binder로 이용하여 직경 1-10mm 내외의 pellet 형태의 바이오 비료를 제작한다.

도 2는 바이오 비료의 세부 모식도로써 제작된 바이오 비료는 담체내에 접종된 살충미생물이 유기물을 이용 분해 증식하여 담체 표면에 미생물막을 형성하게되고 토양내에 존재하는 유기물을 분해 이용하여 증식하게 된다. 이렇게 증식된 살충미생물은 토양내에 서식하는 해충을 치사시키는 작용을 하게된다. 담체(분변토)내의 유기물과 각종 영양물질등은 살충미생물의 생존력과 살충력을 장기간 유지 시키며 토양의 입단 형성을 통한 토양개량효과와 식물에 영양물질 공급등의 효과를 갖는다.

최근 대부분 농가에서는 퇴비의 성분량을 감안하지 않고 다량 시용하거나, 화학비료의 대체원으로 고려하거나 또는 질소 성분량을 기준으로 시용하므로서 시용된 질소성분은 작물에 쉽게 이용되거나 유실·용탈·휘산되지만, 인산과 칼리는 토양 중에 과량으로 집적하게 된다. 또한, 전국 단위농협에서 운영하고 있는 퇴비제조공장에서 생산된 제품의 부숙기간에서 주 발효는 23.2∼31.8일이고, 후 발효는45.2∼43.3일로 미숙인 경우가 많아서 충분히 부숙 되었다고 보기는 곤란하였다. 이것은 생산된 퇴비제품이 비료공정규격에 유기물이 15%, 유기물/질소비가 21% 미달되는 비율을 보아도 알 수 있다. 이와 같은 불량제품이 생산되는 것은 저질의 산업폐기물 및 수분함량이 과다한 슬러지 형태의 축분뇨를 원료로 이용하거나, 부숙기간을 제대로 지키지 않거나, 탄소함량이 높은 톱밥 등을 과다하게 사용하거나 또는 부숙도에 대한 기술적 개념 없이 퇴비의 제조기술이 미비한 생산자에 의해 퇴비가 생산되는데 그 원인이 있다고 본다. 지렁이를 이용한 유기성 슬러지의 처리는 폐자원의 효율적 이용의 측면과 환경 보호를 위해 매우 중요한 기술이라고 할 수 있다. 특히, 처리 후 발생되는 지렁이 분변토는 농업적 측면에서 볼 때 매우 유용한 자원이라고 할 수 있다. 그러나, 분변토는 현재 토양 개량제 및 복토제로서의 이용에 국한 되어있을 뿐 보다 고부가가치를 창출하기 위한 연구가 필요로 한 실정이다. 이에 본 발명에서 분변토를 토양 해충방제를 위한 미생물 제제의 담체로 이용하여 토양 개량을 위한 비료 및 토양 해충 방제제로서 새로운 기능을 부여함으로써 보다 고부가가치를 갖는 상품을 생산할 수 있어 지렁이를 이용한 유기성 슬러지 처리 방법의 보급 확산을 통해 환경 보호와 자원의 재활용을 통한 경제적 효과를 거둘 수 있을 뿐만 아니라 살충미생물 등 생물적 방제를 위한 기술 개발에 큰 역할을 할 것이다.