돈방 내 암모니아 농도(그림 2)는 순환수 1차 주입(Initial pouring)에서 대조구(Control)는 0.8±0.2~2.8±0.6 ppm (평균 2.1±0.4 ppm), 부숙액비를 주입한 처리구(Treatment)는 0.6±0.2~1.6±0.3 ppm (평균 1.4±0.2 ppm)으로 측정되었으며, 순환수 주입 7일 후부터 대조구에 비해 처리구에서 유의적으로 낮은 농도를 보였다(P<0.05). 측정 기간 21일 동안 암모니아 농도는 처리구에서 13.7~44.7% (평균 33.3%) 감소하였다. 그리고 돈사 피트에서 슬러리를 배출한 후 순환수 2차 주입(Second pouring)에서는 대조구 1.0±0.3~2.3±0.4 ppm (평균 2.0±0.4 ppm), 처리구 0.6±0.2~1.8±0.2 ppm (평균 1.4±0.2 ppm)으로 측정되었으며, 일부 측정일을 제외하면 1차 주입과 같이 순환수 주입 7일 후부터 처리구에서 유의적으로 낮았다(P<0.05). 순환수 2차 주입에서 측정 기간 21일 동안 돈방 내 암모니아 농도는 대조구에 비해 처리구에서 16.2~40.7% (평균 30.0%) 감소하였다.

Fig. 2. 
Ammonia concentration inside the pig barn according to type of circulating liquid into the pit. A box plot was displayed in the upper left corner to explain the distribution characteristics of ammonia concentration.

배기구에서 측정된 암모니아 농도로 산정한 암모니아 배출계수(그림 3)는 순환수 1차 주입에서 대조구는 1.5±0.3~5.7±0.7 g/h (평균 4.2±0.5 g/h), 처리구는 1.4±0.4~3.5±0.5 g/h (평균 3.1±0.5 g/h)로 측정 기간 21일 동안 처리구에서 3.1~41.7% (평균 26.2%) 감소하였고, 순환수 2차 주입에서는 대조구가 2.3±0.5~4.6±0.5 g/h (평균 4.0±0.4 g/h), 처리구가 1.5±0.4~3.9±0.4 g/h (평균 3.1±0.4 g/h)로 처리구에서 8.5~36.0% (평균 22.5%) 감소하였다. 측정기간 동안 처리구 간의 암모니아 배출계수는 돈방 내부 암모니아 농도와 같은 패턴의 유의적인 차이를 나타내었다(P<0.05). 결과를 종합하면, 피트에 부숙액비를 주입한 돈방에서 암모니아 농도는 최대 33.3%, 암모니아 배출계수는 최대 26.2% 감소하였다. 그리고 시험기간 21일 동안 각 처리구의 평균 암모니아 배출계수와 돈방 사육두수를 이용하여 연간 배출계수를 산정하였다. 그 결과, 대조구는 1.1 kg/head·yr, 처리구는 0.8 kg/head·yr로 국내 육성·비육돈 돈사 내 암모니아 배출계수 국가 통계인 1.1 kg/head·yr과 유사하였다(MOE, 2023b). 연간 암모니아 배출계수는 부숙액비 주입 돈방에서 약 27.3% 감소하였다.

Fig. 3. 
Ammonia emission rate at the exhaust outlet according to type of circulating liquid into the pit. A box plot was displayed in the upper left corner to explain the distribution characteristics of ammonia emission rate.

부숙액비 주입 돈방에서 암모니아 배출이 감소한 요인을 규명하기 위해 슬러리 이화학 성분 중 암모니아 발생과 관련된 질소 성분(총질소, 총 킬달질소, 암모니아성 질소)의 농도 변화를 처리구별로 정리하였다. 대조구에서 질소 성분의 농도는 순환수 1차 주입(Initial pouring)에 비해 2차 주입(Second pouring) 시 증가하였지만, 처리구에서는 순환수 1차 주입과 2차 주입 간에 유사하였다(그림 4a). 순환수 1차 주입에서는 순환수 주입 후 21일째, 암모니아성 질소 농도만이 대조구 대비 처리구에서 감소하였지만(P<0.05), 순환수 2차 주입에서는 순환수 주입 후 7일부터 모든 질소 성분의 농도가 처리구에서 유의적으로 감소하였다(P<0.05; 그림 4a). 여기서 암모니아성 질소는 공기 중 암모니아 생성에 직접적 영향을 가진 물질로, 슬러리 pH와 돈방 내부 온도를 이용하여 슬러리에 존재하는 자유 암모니아 농도(휘산될 가능성이 있는 암모니아)를 추정하여 처리구 돈방의 암모니아 감소 요인을 분석하였다(Renard et al., 2004). 자유 암모니아 농도(그림 4b의 첫 번째 그래프)는 슬러리 내 암모니아성 질소 농도의 변화 패턴과 동일하였으며, 이는 슬러리 pH와 돈방 내부 온도가 처리구 간에 유의적 차이가 없었기 때문이다(2.1 시험돈사 및 환기량에 결과 제시). 본 연구 결과에서 슬러리 pH가 7일 경우, 슬러리 내 자유 암모니아는 전체 암모니아성 질소의 1% 미만으로 존재하고, 공기 유동이 제한적인 돈사 피트에서는 돈방 내부로 암모니아가 휘산되는 농도가 낮다(Serra-Toro et al., 2024; Nordgard et al., 2017). 이러한 조건에서 돈방 내부로 휘산될 암모니아 농도를 추정한 결과가 그림 4b의 두 번째 그래프와 같으며, 대조구에 비해 처리구에서 순환수 1차 주입 시 13.0~27.5% (평균 19.2%), 2차 주입 시 23.8~44.5% (평균 36.1%) 감소하였다. 이 결과는 3.1.1 돈방 내부의 암모니아 농도에서 제시한 처리구 돈방의 암모니아 저감율과 정확히 일치하지 않으나 평균 30% 이상의 저감 효과를 나타내는 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 따라서 처리구의 암모니아 감소 요인은 슬러리 내 암모니아성 질소 농도가 대조구에 비해 감소한 것에 영향을 받은 것을 알 수 있었다. 그렇다면 처리구 간 암모니아성 질소 농도의 차이를 규명해보기 위해, 암모니아성 질소와 유기질소의 농도비를 산출하였다.

Fig. 4. 
Physicochemical properties in the slurry according to type of circulating liquid into the pit. (a) Concentration of each substance, (b) Estimated concentrations of free ammonia in slurry and ammonia volatilized into the air, calculated based on the ammoniacal nitrogen concentration and pH in the slurry, and the inside pig barn temperature for each treatment.

암모니아성 질소는 미생물의 단백질 분해 과정에서 생성되는 대사산물로, 미생물의 성장 에너지원과 세포 구성 요소로 사용된다. 유기질소는 총 킬달질소에서 암모니아성 질소를 제외한 값으로, 미생물의 에너지원으로 이용된 후 대사 과정을 거쳐 암모니아성 질소로 전환된다(Paredes et al., 2007). 대조구에서 암모니아성 질소(3477.5 mg/L) 대 유기질소(865.9 mg/L)의 농도비는 최대 4.0 : 1로 암모니아성 질소 농도가 상대적으로 높았다. 반면, 대조구와 동일한 측정 시기일 때 처리구에서 두 성분의 농도비는 최대 1.7 (2009.3 mg/L) : 1 (1199.6 mg/L)로, 큰 차이를 보이지 않았다(그림 4a). 대조구에 비해 처리구에서 두 성분의 농도비가 유사한 것은 암모니아성 질소와 유기질소가 슬러리 내 미생물 활동을 위해 균형 있게 이용되었기 때문으로 판단된다. 반면, 대조구는 유기질소 대비 암모니아성 질소 비율이 높은 것으로 보아, 미생물이 이용하지 못한 암모니아성 질소가 지속적으로 슬러리에 축적되었음을 알 수 있었다. 슬러리 내 암모니아성 질소의 축적은 공기 중 암모니아 휘산 증가로 이어지며(Wang et al., 2014), 대조구에서 더 높은 수준의 암모니아 배출이 관찰된 것이다(그림 2, 3). 미생물 활동에 대해서는 3.3 단락에서 자세히 설명하였다.

부숙액비 자체(표 1)와 부숙액비를 주입한 처리구(그림 4)에서 특이적으로 검출된 성분으로 질산성 질소가 있었다. 질산성 질소는 부숙액비 제조과정 중 슬러리 폭기에 의한 암모니아성 질소 산화로 생성되었다(Han et al., 2021; Paredes et al., 2007). 질산성 질소는 돈방 피트와 같이 산소가 부족한 환경에서는 슬러리 내 유기물 분해 과정의 전자수용체로 작용하여 화학적 산소요구량의 증가를 억제한다(Yao et al., 2020; Jena et al., 2016). 그림 3에서, 처리구의 질산성 질소는 순환수 주입 후 7일 동안 90% 이상 제거되었다(순환수 1차 주입 시 94.6%, 2차 주입 시 93.6%가 감소). 이 기간 동안 처리구의 화학적 산소요구량은 순환수 1차 주입 후 9.82% (5133 mg/L → 5693), 2차 주입 후 5.8% (7505 mg/L → 7970) 증가하였다. 반면, 대조구에서는 순환수 1차 주입 후 58.14% (2014 mg/L → 4813), 2차 주입 후 60.2% (4515 mg/L → 11350)로 처리구 대비 급격히 증가하였다. 이는 대조구에서는 질산성 질소가 거의 존재하지 않아 지속적인 분뇨 유입으로 인해 화학적 산소요구량이 가파르게 증가한 반면, 처리구에서는 슬러리 내 질산성 질소가 유기물 분해 과정에서 산소요구량의 일부를 대체하여 화학적 산소요구량의 증가를 저해하였다.

미생물 다양성 지표인 Shannon 지수와 PD_whole_tree 값은 대조구보다 처리구에서 유의적으로 높았다 (P<0.05; 그림 5). Shannon 지수는 미생물 군집의 종 풍부도(species richness)와 균등도(evenness)를 반영하며, 값이 클수록 미생물 종이 균형 있게 분포함을 의미한다. PD_whole_tree 값은 미생물의 계통학적 다양성(phylogenetic diversity)을 나타내며, 값이 클수록 생태학적 다양성이 높다(Yang et al., 2018; Kumari et al., 2015). 처리구에서 미생물 다양성이 높은 것은 부숙액비에 포함된 미생물이 슬러리 내 다양한 미생물의 공존을 촉진했기 때문으로 판단된다(Becker et al., 2012). 부숙액비에서 검출된 주요 미생물은 Clostrodium jeddahitimonense (상대적 비율 8.1%), Litorilinea aerophila (9.7%), Thauera humireducens (6.7%), Pseudazoarcus pumilus (6.5%), Nitrospira lenta (3.9%) 등이 있었다. 이 중 Litorilinea aerophila (Kim and Oh, 2021), Thauera humireducens (Patal et al., 2024; Dong et al., 2017) 및 Pseudazoarcus pumilus (Reyes-Umana et al., 2023)는 탈질(Denitirification) 미생물로 슬러리 내 질산성 질소를 전자수용체로 이용하여 유기물 분해에 관여한다. 그리고 유기물 분해로 생성된 암모니아성 질소, 유기산 등의 대사산물을 에너지원으로 활용함으로써 유기물 분해와 대사산물 활용이 균형을 이룰 수 있다(Meng et al., 2018; Wang et al., 2017). 이에 부숙액비를 주입한 처리구에서는 암모니아성 질소 (대사산물) 대 유기질소(유기물) 비율(최대 1.7 : 1)이 유사한 수준으로 유지되었고, 다양한 미생물이 공존하는 환경이 되었을 것이다. 반면, 대조구는 미생물 다양성이 낮은 것으로 보아 특정 미생물이 우점하는 환경이 형성되었으며(그림 5), 이는 특정 대사산물이 과량 생성될 가능성을 높인다(Meng et al., 2018; Wang et al., 2017). 실제로 대조구 슬러리의 암모니아성 질소 대 유기질소 비율이 4.0 : 1로 나타나 암모니아성 질소가 과도하게 축적되었음을 알 수 있었다(그림 4a).

Fig. 5. 
Microbial diversity index.

슬러리 내 주요 미생물 군집은 전체 미생물 군집 중 상대적 비율(Relative abundances)이 높은 미생물을 선별하였다(그림 6). 순환수 1차 주입(그림 6a)에서는 Streptococcus pasteurianus (S. pasteurianus)의 상대적 비율이 순환수 주입 후 7일에 대조구(17.0%)보다 처리구(14.8%)에서 2.2% 낮았다. S. pasteurianus는 단백질을 분해하여 암모니아성 질소를 생성하는 미생물로(Papadimitriou et al., 2014; Liu et al., 2012), 비록 처리구 간에 유의적 차이는 없었으나(P>0.05) 부숙액비를 주입한 처리구에서 소폭 감소하여 장기적으로 암모니아성 질소 축적을 저해하는데 기여하였을 것으로 판단된다. 그 이유는 돈방 내 피트와 같이 분뇨(미생물 영양소)가 지속적으로 공급되고 슬러리 pH가 7인 조건에서는, 슬러리에 우점한 미생물이 특별한 스트레스가 가해지지 않는 한 지속적으로 증식할 수 있다(Shade et al., 2012). 현재 대조구에서 상대적 비율이 높은 S. pasteurianus는 시간 경과에 따라 다른 미생물에 비해 경쟁적 우위를 유지할 가능성이 높다. 이에 장기적으로 대조구에서 단백질 분해로 인한 암모니아성 질소의 축적이 증가하게 되고, 이는 대조구에 비해 처리구에서 암모니아성 질소 농도가 더 낮아지는 결과로 이어짐을 시사하였다.

Fig. 6. 
Relative abundances of major microbial communities.

순환수 2차 주입(그림 6b)에서는 Streptococcus alactolyticus(S. alactolyticus)가 높은 비율을 차지하였으며, 대조구에서는 순환수 주입 후 1일(13.4%)보다 7일(24.5%)에 11.1% 증가하였다(P<0.05). 반면 처리구에서는 1일(16.5%)과 7일(15.5%) 간에 큰 차이가 없었다(P>0.05). S. alactolyticus는 슬러리 내 단백질을 분해하는 urease 양성 미생물로 요소(urea)를 분해하여 암모니아와 이산화탄소를 생성한다. 슬러리에 이 미생물 비율이 증가하면 산식 4 (Eq. 4.)의 반응식 통해 암모니아를 생성하고, 슬러리 pH 7 조건에서 암모니아와 암모니아성 질소는 평형을 이루어 슬러리 내 암모니아성 질소 농도가 증가하게 된다(Sheng et al., 2015; Chen et al., 2008; (Hojherg et al., 2005). 순환수 주입 후 7일에 이 미생물의 비율이 대조구에서 증가한 것은 슬러리 내 암모니아성 질소 농도의 증가와 관련되며, 이는 본 연구 결과에서 확인되었다(그림 4a, Second pouring of ammoniacal nitrogen). 순환수 주입 후 7일째 S. alactolyticus 비율은 대조구에 비해 처리구에서 9% 낮았으며, 이때 슬러리 내 암모니아성 질소 농도가 처리구에서 33.9% 감소한 것을 알 수 있었다. 그리고 대조구 슬러리에서 우점한 미생물은 시간이 경과함에 따라 지속적으로 증식하며 암모니아성 질소를 축적할 것이다(Shade et al., 2012). 그 결과, 순환수 주입 21일 후 대조구에서는 암모니아성 질소 농도가 증가한 반면 처리구에서는 상대적으로 농도가 감소하는 경향이 관찰된 것이다(그림 4a).

한편, 순환수 주입 7일 후에 상대적 비율이 감소한 미생물로 Acinetobacter oryzae (A. oryzae; 그림 6a)와 Comamonas denitrificans (C. denitrificans; 그림 6b)가 있었다. A. oryzae는 질소 고정 능력을 가진 호기성 미생물(Chaudhary et al., 2012)로 부숙액비 제조 과정에서 증식하였지만, 산소가 부족한 돈사 피트에서는 생존하지 못하였다. C. denitrificans는 탈질 미생물로 질산성 질소를 전자수용체로 활용한다(Gumaelius et al., 2001). 탈질 미생물에 대해서는 다음의 3.3 탈질 미생물 단락에서 상세히 다루었다.

탈질 미생물은 질화(Nitrification) 미생물이 생성한 질산성 질소를 전자수용체로 활용하고, 유기물을 전자공여체로 이용하여 혐기성 호흡을 통해 질소 가스를 생성한다(Gao et al., 2024). 본 연구에서는 Comamonas denitrificans (Gumaelius et al., 2001), Denitricimonas caeni (Strand, 2024) 및 Thiopseudomonas denitrificans (Tan et al., 2015)가 검출되었으며, 이들의 상대적 비율의 합을 그림 7에 정리하였다. 탈질 미생물의 비율은 처리구에서 높았으며, 이들은 분뇨 내 휴면상태로 있다가 부숙액비에 포함된 질산성 질소를 전자수용체로 활용하여 활성화되었다. 그러나 부숙액비 주입 후 7일 동안 대부분 제거되었으며, 이는 같은 기간 동안 슬러리 내 질산성 질소가 90% 이상이 제거된 결과와 밀접한 관련이 있었다.

Fig. 7. 
Relative abundances of denitrifying microbial communities.