KR101057475B1 - 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 이를 이용한 유기성 폐기물의 퇴비화 방법 - Google Patents

유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 이를 이용한 유기성 폐기물의 퇴비화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 이를 이용한 유기성 폐기물의 퇴비화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전분, 지방, 단백질, 셀룰로오스에 대한 분해효소의 활성이 고루 높고 고온에서도 생육이 가능하여 퇴비화 및 탈취능이 우수한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 이를 이용한 유기성 폐기물의 퇴비화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제는 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius) KCCM 41418 및 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca) KCCM 12398 미생물을 포함한다. 그리고 본 발명의 미생물 제제의 제조방법은 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius) KCCM 41418 및 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca) KCCM 12398 미생물을 배지에 접종하여 배양하는 배양단계와, 배양단계에서 수득한 배양액을 담체와 혼합한 후 건조하여 미생물 고정물을 얻는 고정단계와, 미생물 고정물에 미생물의 먹이 성분인 영양소를 혼합하는 혼합단계를 포함한다.

Description

유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 이를 이용한 유기성 폐기물의 퇴비화 방법{Microbial agent promoting composting of organic wastes treatment and manufacturing method thereof, composting method of organic wastes using the same}
본 발명은 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 이를 이용한 유기성 폐기물의 퇴비화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전분, 지방, 단백질, 셀룰로오스에 대한 분해효소의 활성이 고루 높고 고온에서도 생육이 가능하여 퇴비화 및 탈취능이 우수한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 이를 이용한 유기성 폐기물의 퇴비화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인구의 증가, 경제발전의 가속화 및 국민소득의 증가에 따라 인류의 생활수준은 향상된 반면에 환경오염은 가속화되고 있다. 특히, 인구의 증가, 생활방식의 변화 및 외식문화의 저변 확대 등으로 인하여 음식물 쓰레기, 하·폐수처리장의 슬러지, 수산물 가공공장의 폐기물, 농·축산물 가공공장의 폐기물, 식품·제지 공장의 찌꺼기, 도축장의 도축 폐기물, 축산분뇨 및 기타 유기성 생쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 증가는 환경 및 수질오염의 가장 큰 원인으로 대두되고 있는 실정이다
우리나라에서 유기성 폐기물의 일종인 음식물 쓰레기의 1일 배출량은 12,000 ∼ 20,000톤에 이르며 생활 폐기물의 23%에 달한다. 이러한 음식물 쓰레기의 처리 방법은 매립, 소각, 건조, 발효를 통한 소멸, 퇴비화, 사료화 등으로 나눌 수 있는데, 소각처리 할 경우에는 발열량이 낮고 수분 함량이 많아 불완전 연소가 이루어지며, 대기오염 발생 등의 심각한 문제점이 있다. 매립을 통한 처리 방법은 많은 양의 침출수를 발생시켜 지하수 및 토양을 오염시키며, 부패로 인한 악취를 발생시킬 뿐 아니라 쓰레기 매립지의 사용기간을 단축시키는 원인이 되고 있다.
그리고 발효 소멸화 방법은 장기간(1개월 내지 6개월) 음식물을 투입하여 완전 발효시키는 방식으로서, 음식물 내의 수분은 증발시키고 유기물은 이산화탄소와 물로 분해, 휘발시키는 방식으로 음식물 잔여량도 매우 적어 발효물의 배출을 줄일 수 있으므로 사용자의 만족도가 높은 방법이라 할 수 있다. 그러나, 이 방법은 발효소멸공정에 대한 정확한 제어기술개발이 선행되어야 하며, 호기적인 발효조건을 확보하기 위해서는 다량(음식물 양의 약 20배)의 수분조절제가 필요하므로 처리장치가 엄청나게 커져 결국 음식물처리비용이 과다한 수준으로 높아지게 된다. 또한, 음식물의 발효에 소요되는 기간이 매우 길어 경제성이 떨어지고, 여러 가지 잡균의 오염이 발생하여 소멸 성능이 점차 떨어지는 단점이 있으며, 악취가 심하게 발생한다는 문제점이 있다. 이런 문제점 중에서 소멸성능이 높지 않은 것은 발효 미생물들이 음식물분해효소(아밀라제, 프로테아제, 셀룰라제, 리파제)를 제대로 생산하지 못하였거나 또는 생산된 효소의 활성도가 매우 낮아 음식물 내의 고형물질 즉, 유기물중합체를 빠른 시간 내에 소멸시키지 못하기 때문이다. 그리고 악취가 심하게 나는 것은 음식물의 악취유발성분, 즉 질소화합물, 황화합물, 저급지방산 등을 효과적으로 분해하지 못하기 때문이다.
현재 상술한 문제점을 보완할 수 있는 음식물 쓰레기의 가장 적절한 처리방법은 퇴비화라고 할 수 있다. 퇴비화란 반건조 고형 유기물을 호기성 조건하에서 다양한 호기성 미생물의 생물학적 작용으로 안정한 형태로 만드는 것을 말한다. 퇴비화는 고온에서 반응이 진행되기 때문에 유기물 제거속도가 빠르고, 유기물 부하에 대한 안정적인 처리효율을 나타내며, 고온에서는 질산화가 일어나지 않아 공급된 산소의 효율적인 이용이 가능하고 안정된 처리물을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
퇴비화는 발효장치 및 공정효율을 높이기 위한 운용기술 개발과 그에 따른 미생물과 퇴비화에 필요한 주요인자 및 분해 담체를 포함하는 미생물제제, 효소활성이 높은 미생물의 분리 등에 체계적인 연구가 필요하다.
퇴비화에서도 악취 발생의 문제는 있고 이에 근본적인 접근방법으로 미생물에 의한 완전분해가 이루어진다면 악취는 최대한 줄일 수 있다. 악취의 주요 원인은 단백질 및 지방질의 분해과정에서 불완전한 분해로 인하여 발생하는 경우가 대부분이므로 프로테아제와 리파아제의 활발한 활성으로 인한 완전 분해를 유도하여 악취 발생을 최대한 억제시킬 수 있다.
한편, 한국의 음식물쓰레기의 조성은 서구의 음식물쓰레기와 비교하여 된장, 간장, 김치, 젓갈 등의 음식물에 의해 높은 염분과 각종 찌개, 전, 튀김 및 육류 소비 증대에 따른 지방성분 축적으로 인해 미생물의 활동이 어려워질 수 있다. 이와 같은 음식물쓰레기의 특성에 맞춘 미생물 균주의 분리 및 미생물제제의 제형 연구가 무엇보다도 중요하다.
이상에서와 같이 음식물 쓰레기의 퇴비화에서는 탈취 문제와, 한국 음식물 쓰레기의 특성을 고려할 경우 무엇보다도 음식물 쓰레기의 퇴비화를 위한 미생물 자체가 중요하며, 완전 분해를 위해 아밀라아제, 셀룰라아제, 프로테아제, 리파아제 등의 역가와, 특히 악취 발생 억제를 위해 프로테아제, 리파아제 등의 역가가 중요하다. 종래에 음식물 발효용 균주로서 다수의 미생물이 알려져 있으나 종래의 기술은 전분, 지방, 단백질, 셀룰로오스 전부에 대하여 고른 분해 활성을 갖지 못해 발효 소멸 효과 및 탈취 효과가 낮아 퇴비화 효율이 낮다는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 음식물 쓰레기에 대한 퇴비화를 연구하던 중에 지오바실러스 서모글루코시다시어스가 고온에서 생육이 가능하며 전분, 지방, 단백질, 셀룰로오스에 대한 분해효소의 활성이 고루 높다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 지오바실러스 서모글루코시다시어스 미생물을 이용하여 고온발효 및 퇴비화, 탈취능력이 우수한 미생물 제제 및 이의 제조방법 그리고 유기성 폐기물의 퇴비화 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제는 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius, KCCM 41418) 미생물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 미생물 제제는 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca, KCCM 12398) 미생물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제의 제조방법은 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius, KCCM 41418) 미생물을 배지에 접종하여 배양하는 배양단계와; 상기 배양단계에서 수득한 배양액을 담체와 혼합한 후 건조하여 미생물 고정물을 얻는 고정단계와; 상기 미생물 고정물에 미생물의 먹이 성분인 영양소를 혼합하는 혼합단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배양단계는 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca, KCCM 12398) 미생물을 배지에 접종하여 배양하는 것을 특징으로 한다.
상기 배양단계는 물에 트립톤, 효모 추출물, 글루코스, 염화나트륨, 인산수소칼륨을 가하여 조성한 상기 배지에 상기 미생물을 접종하고 40 내지 60℃에서 1 내지 3일 동안 배양한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유기성 폐기물의 퇴비화 방법은 상기의 미생물 제제를 유기성 폐기물에 투입하여 상기 유기성 폐기물을 퇴비화시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 고온에서 생육이 가능하며 전분, 지방, 단백질, 셀룰로오스에 대한 분해효소의 활성이 고루 높은 지오바실러스 서모글루코시다시어스를 퇴비화 균주로 이용함으로써 유기성 폐기물을 고온에서도 안정적으로 발효시켜 퇴비화, 탈취능력이 우수한 미생물 제제를 제공할 수 있다.
도 1은 퇴비의 성분 분석 결과를 나타내는 시험성적서이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제 및 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 명세서에서 유기성 폐기물은 음식물 쓰레기, 하·폐수처리장의 슬러지, 수산물 가공공장의 폐기물, 농·축산물 가공공장의 폐기물, 식품·제지 공장의 찌꺼기, 도축장의 도축 폐기물, 축산분뇨 및 기타 유기성 물질을 포함하는 폐기물을 포함한다. 이하에서는 유기성 폐기물의 가장 대표적인 음식물 쓰레기를 일 예로 들어 퇴비화(composting)를 설명한다.
본 발명의 미생물 제제는 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius, KCCM 41418) 및 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca, KCCM 12398) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 미생물을 포함한다. 따라서 본 발명의 미생물 제제는 지오바실러스 서모글루코시다시어스 또는 서모모노스포라 푸스카 단독으로, 지오바실러스 서모글루코시다시어스 및 서모모노스포라 푸스카를 함께 포함할 수 있다.
바람직하게 지오바실러스 서모글루코시다시어스 단독으로, 특히 바람직하게 는 지오바실러스 서모글루코시다시어스 및 서모모노스포라 푸스카를 함께 사용하는 것이다.
지오바실러스 서모글루코시다시어스는 섬유소 분해효소(cellulase), 전분 분해효소(amylase), 단백질 분해효소(protease), 지방 분해효소(lipase)와 같은 효소의 생산성이 높은 것이 특징이며, 내생포자 형성으로 내열성이 높고 고온에서의 생육이 우수하다. 그리고 방선균인 서모모노스포라 푸스카는 퇴비 발효시 후반기에 활동하는 미생물로서, 섬유소(cellulose), 리그닌(lignin)과 같은 난분해성 유기물의 분해에 있어 중요한 역할을 수행한다.
상술한 미생물 제제를 제조하기 위한 제조방법은 일 예로 지오바실러스 서모글루코시다시어스 미생물을 배지에 접종하여 배양하는 배양단계와, 상기 배양단계에서 수득한 배양액을 담체와 혼합한 후 건조하여 미생물 고정물을 얻는 고정단계와, 상기 미생물 고정물에 미생물의 먹이 성분인 영양소를 혼합하는 혼합단계를 포함한다.
배양단계에서 물에 트립톤(tryptone), 효모 추출물(yeast extract), 글루코스(glucose), 염화나트륨(NaCl), 인산수소칼륨(K2HPO4)을 가하여 조성한 배지를 이용한다. 가령, 증류수 1ℓ에 Tryptone 3g, yeast extract 3g, glucose 3g, NaCl 5g, K2HPO4 1g를 가하여 조성한다. 배지에 지오바실러스 서모글루코시다시어스를 접종한 후 40 내지 60℃에서 1 내지 3일 동안 배양하여 배양액을 얻는다.
그리고 고정단계에서 배양액을 담체와 혼합한 후 건조하여 미생물 고정물을 얻는다. 이러한 고정단계는 배양액을 담체에 흡착시켜 미생물을 고정시키는 과정이다. 담체로 톱밥, 왕겨, 밀기울 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다. 이외에도 미생물을 고정시킬 수 있는 다양한 공지의 담체를 이용할 수 있음은 물론이다. 담체의 일 예로 다공성 광물, 즉 펄라이트, 질석, 화산석 등을 이용할 수 있다. 고정단계에서 배양액 대 담체는 1~5:10의 부피비로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 고정단계 후 미생물 고정물에 영양소를 혼합하며, 영양소로 포도당, 당밀, 콩가루, 깻묵, 및 어분 중 어느 하나 이상을 이용할 수 있다. 이때 영양소 대 미생물 고정물은 0.2~1:10의 부피비로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 배양단계는 지오바실러스 서모글루코시다시어스 외에도 서모모노스포라 푸스카를 더 배양할 수 있다. 이 경우 각각 배지를 준비하여 지오바실러스 서모글루코시다시어스, 서모모노스포라 푸스카를 각각 접종하여 배양한다.
한편, 유기성 폐기물의 퇴비화 방법은 상술한 미생물 제제를 유기성 폐기물에 투입하여 유기성 폐기물을 퇴비화시킨다. 가령 유기성 폐기물을 미생물 제제의 1~10의 부피비로 혼합하여 10 내지 30일 동안 발효시켜 퇴비화한다. 이때 온도는 40 내지 60℃로 유지될 수 있으며, 발효기간 중에 충분히 유기성 폐기물을 교반시켜 준다.
이하, 실험 예들을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
<제 1실험예: 적정 균주의 탐색>
음식물 쓰레기의 퇴비화에 사용하기 위한 균주로 생육 온도범위가 40℃ 내지 60℃로 고온이면서 퇴비화에 적합한 바실러스 세균과 방선균을 선별하여 퇴비화 균주를 개발하였다.
바실러스 세균으로 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius, KCCM 41418, ATCC 43742, DSM 2542), 바실러스 리케니포미스(Bacillus licheniformis, KCCM 11560, ATCC 27811), 아네우리니바실러스 서모아에로필러스(Aneurinibacillus thermoaerophilus, KCCM 41604, ATCC 700303)를 선별하였다. 그리고 방선균으로 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca, KCCM 12398, ATCC 27730, IFO 14071, DSM 43792), 서모악티노마이세스 불가리스(Thermoactinomyces vulgaris, KCCM 41014, ATCC 27868, IFO 15851, DSM 43796)를 선별하였다. 상기의 미생물들은 한국미생물보존센터(KCCM)로부터 입수할 수 있다.
상기 바실러스 세균과 방선균 각각에 대해 효소생산력 테스트, 효소활성도 테스트, 온도별 배양성 테스트, 내염성 테스트를 통하여 우수 균주를 최종 선별하고, 이들 균주에 대하여 음식물쓰레기의 소멸성능 및 취기 발생강도 등을 실험하였다.
1. 미생물의 효소활성도 조사
음식물쓰레기의 주성분은 탄수화물, 단백질, 지방, 섬유소성분으로 구성되어 있으므로, 이들에 대한 가장 높은 분해능을 보이는 미생물을 선별하기 위하여 지오바실러스 서모글루코시다시어스(이하 KCCM 41418), 바실러스 리케니포미스(이하 KCCM 11560,), 아네우리니바실러스 서모아에로필러스(이하 KCCM 41604), 서모모노스포라 푸스카(이하 KCCM 12398), 서모악티노마이세스 불가리스(이하 KCCM 41014) 미생물들의 효소활성도를 조사하였다. 미생물의 탄수화물분해효소(아밀라아제), 단백질분해효소(프로테아제), 지방분해효소(리파아제), 섬유소분해효소(셀룰라아제)에 대한 활성도의 조사 방법은 다음과 같고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(1) 아밀라제 활성 측정
균주의 전분 분해능을 확인하기 위하여 사용된 배지는 LB 아가(agar) 배지(Tryptone; 10g, Yeast extract; 5g, NaCl; 5g, Agar; 15g, 증류수; 1ℓ) 에 가용성 전분 1%를 첨가한 것을 이용하였고, 균주를 접종하고 50℃에서 24시간 배양한 후 요오드 용액(iodine 1g, potassium iodide 2g, 증류수 300ml)으로 염색해서 생성된 클리어존(clear zone) 크기를 관찰하여 활성을 측정하였다.
(2) 프로테아제 활성 측정
균주의 단백질 분해능을 확인하기 위하여 사용된 배지는 LB 아가 배지에 탈지유 1%를 첨가한 것을 이용하였고, 균주를 접종하고 50℃에서 24시간 배양한 후 생성된 클리어존 크기를 관찰하여 활성을 측정하였다.
(3) 리파제 활성 측정
균주의 지방 분해능을 확인하기 위해 사용된 배지는 LB 아가 배지에 트리부티린(tributyrin) 0.5%를 첨가한 것을 이용하였고, 균주를 접종하고 50℃에서 24시간 배양한 후 생성된 클리어존 크기를 관찰하여 활성을 측정하였다.
(4) 셀룰라제 활성 측정
균주의 셀룰로스 분해능을 확인하기 위하여 사용된 배지는 LB 아가 배지에 카복시 메틸 셀룰로스 (CMC) 0.5%를 첨가한 것을 이용하였고, 균주를 접종하고 50℃에서 24시간 배양한 후 콩고레드(congo red) 0.2%로 30분간 염색시키고 1M NaCl로 15분간 세척하였을 때 생성된 클리어존 크기를 관찰하여 활성을 측정하였다.
균종
 균주명
 효소활성도(클리어존의 지름,mm)
아밀라아제 프로테아제 리파제 셀룰라제

세균
 KCCM 41418 29 18 14 22
KCCM 11560 16 13 11 19
KCCM 41604 15 21 0 14
방선균
 KCCM 12398 18 12 5 27
KCCM 41014 13 7 0 13
상기 표 1을 참조하면, 효소활성도는 균종에 따라 많은 차이를 보이고 있는데, 세균 중에서는 아밀라아제, 리파제, 셀룰라제 활성에 대해서 KCCM 41418이 가장 높은 활성을 나타내었고 프로테아제에 대해서는 KCCM 41604가 높은 활성을 나타내었다. 방선균에 대해서는 모든 활성에 있어서 KCCM 12398이 가장 높은 활성을 나타내었고, 특히 셀룰라제에 대해서는 세균보다 높은 활성을 나타내었다.
상기 결과에서 미생물종류에 따라 효소 각각에 대한 클리어존의 크기가 다양하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 미생물종류에 따라 효소생산력 및 활성도에 큰 차이가 있으며, 결국 균종에 따라 음식물 소멸능에 많은 차이가 있음을 나타내는 것이다.
2. 미생물의 온도별 생장성 조사
미생물들의 생장가능한 온도 범위를 알아보기 위하여 LB 아가 배지에 균주를 접종하고 20, 30, 40, 50, 60, 70℃에서 48시간 배양한 후 균의 생장여부를 관찰하였다. 배양성은 균주 집락의 크기를 관능 조사하는 방법으로 평가하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
균종
 균주명
 온도별 생장성
20℃ 30℃ 40℃ 50℃ 60℃ 70℃

세균
 KCCM 41418 - + +++ +++ ++ -
KCCM 11560 ++ ++ +++ + - -
KCCM 41604 - + ++ +++ ++ -
방선균
 KCCM 12398 + ++ +++ +++ + -
KCCM 41014 + ++ +++ ++ - -
(+++ : 우수, ++ : 보통, + : 미약, - : 생육불가)
상기 표 2를 참조하면, KCCM 41418와 KCCM 41604는 40 ~ 60℃에서 우수한 생장성을 나타내었고, KCCM 12398와 KCCM 41014는 40 ~ 50℃에서 잘 생장하였다. 한편, KCCM 11560는 50℃에서 생장은 미약하였고, 30 ~ 40℃에서 잘 생장하였다. 따라서 KCCM 11560를 제외한 다른 미생물들은 40 ~ 60℃의 고온에서 생장성이 높기 때문에 퇴비화 미생물 제제로서 적용 가능한 것으로 확인되었다.
3. 미생물의 내염성 조사
염도에 따른 미생물의 생장 여부를 판정하기 위해 LB 아가 배지에 1%, 2%, 4%, 6%, 8% NaCl (w/v)을 각각 첨가한 다음 균을 접종시키고 50℃에서 24시간 배양한 후 균의 생장여부를 관찰하였다. 배양성은 균주 집락의 크기를 관능 조사하는 방법으로 평가하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
균종
 균주명
 염분농도별 생장성
염분1% 염분2% 염분4% 염분6% 염분8%

세균
 KCCM 41418 +++ +++ ++ + -
KCCM 11560 +++ +++ ++ + -
KCCM 41604 +++ +++ + - -
방선균
 KCCM 12398 +++ +++ + - -
KCCM 41014 +++ ++ + - -
(+++ : 우수, ++ : 보통, + : 미약, - : 생육불가)
상기 표 3의 결과로부터, KCCM 41418과 KCCM 11560은 염 농도 1% ~ 6%까지 생육이 가능하여 염분에 강한 내성을 가지는 것으로 나타나 염 농도의 변화가 심한 음식물 쓰레기의 퇴비화 미생물 제제로서 적용 가능함을 알 수 있었다. 한편, KCCM 41604, KCCM 12398 및 KCCM 41014는 염 농도 1% ~ 4%까지 생육이 가능하였다.
4. 미생물의 배양수율 조사
미생물의 배양수율을 조사하기 위해 미생물을 LB 배지에서 50℃, 24시간 배양한 후 LB 아가 평판배지로 옮겨 2일간 배양하고 형성된 균주 집락수를 측정하는 방법으로 배양수율을 조사하였다. 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
균종 균주명 배양수율(×106CFU/ml)

세균
 KCCM 41418 831
KCCM 11560 593
KCCM 41604 452
방선균
 KCCM 12398 94
KCCM 41014 63
상기 표 4를 참조하면, 상기 세균에서는 KCCM 41418가 가장 높은 배양수율을 나타내었고, 방선균에서는 KCCM 12398가 가장 높은 배양수율을 나타내었다.
5. 음식물 용출물과 고형물에서의 배양성 조사
음식물쓰레기는 그 물리적 성상으로 볼 때, 대부분의 수분을 포함한 용출성부분과 그 외의 고형물(고형물에 흡착된 성분 포함) 부분으로 나눌 수 있다. 음식물쓰레기 퇴비화의 초기단계는 용출성부분의 분해단계이며, 후기 단계는 고형물부분의 분해단계라 할 수 있다.
미생물에 대해 용출성 성분과 고형물 성분의 분해력을 평가하기 위하여 다음과 같은 방법으로 시험을 실시하였다. 즉, 광주 시내의 아파트 단지에서 수집해온 음식물 쓰레기에 적당량 물(음식물 쓰레기 중량의 절반)을 첨가하고 부드럽게 교반하여 확보한 용출성 부분에 아가를 첨가하여 미생물배양용 고체 배지를 제조하고 멸균한 후, 각각의 미생물을 접종하고 50℃에서 2일간 배양하여 생긴 균주의 집락수를 측정하였다.
한편, 음식물의 고형물부분에 대한 분해력을 평가하기 위하여, 탈수 및 세척을 거친 음식물 고형물을 고속분쇄하여 죽 상태(슬러리상태)로 만든 후, 고형물 중량비로 5배수의 증류수를 가하고 한천을 첨가하여 멸균한 후, 각각의 미생물을 접종하고 50℃에서 2일간 배양하여 생긴 균주의 집락수를 측정하였다. 이 결과는 하기 표 5에 나타내었다.
균종
 균주명
 음식물쓰레기에서의 배양성배양수율(×100,000CFU/ml)
용출성 부분 고형물 부분

세균
 KCCM 41418 578 216
KCCM 11560 225 78
KCCM 41604 362 107
방선균
 KCCM 12398 82 29
KCCM 41014 47 22
상기 표 5에서 나타난 바와 같이, 세균 중에서는 KCCM 41418이 용출성과 고형물 부분 모두에서 배양성이 우수하였고, 방선균에서는 KCCM 12398이 두 부분 모두에서 배양성이 우수하여 음식물을 효과적으로 분해할 수 있는 우수한 특성을 가지는 것으로 나타났다.
상술한 실험들을 통해 미생물을 대상으로 효소 활성도, 온도별 생장성, 내염성, 배양수율, 음식물 용출물과 고형물에서의 배양성을 각각 조사하였다. 그 결과 지오바실러스 서모글루코시다시어스는 효소 활성도에서 아밀라아제, 프로테아제, 리파제, 셀룰라제 모두에서 높은 활성을 나타내었고, 40 ~ 60℃의 고온에서 잘 생육하며 높은 내염성과 배양 수율 및 음식물 쓰레기 분획물에서도 높은 배양성을 나타내어 음식물 쓰레기의 퇴비화 미생물 제제로서 가장 적합한 것으로 나타났다.
그리고 방선균에서는 서모모노스포라 푸스카가 40 ~ 60℃의 고온에서 잘 생육하고 높은 배양 수율과 음식물 쓰레기 분획물에서 높은 배양성을 나타내었다. 특히, 이 방선균은 셀룰라제에 높은 활성을 나타내어 우리나라 음식물에 높은 비율을 차지하는 섬유질의 분해에 높은 효과가 예상되었다.
따라서, 실험에 이용된 5가지 미생물 중에서 지오바실러스 서모글루코시다시어스와 서모모노스포라 푸스카를 음식물 쓰레기 퇴비화 균주로 최종 선정하였다. 이러한 지오바실러스 서모글루코시다시어스와 서모모노스포라 푸스카는 각각 단독으로 음식물 쓰레기 퇴비화 균주로 이용될 수 있다. 이와 함께 지오바실러스 서모글루코시다시어스와 서모모노스포라 푸스카가 함께 이용될 수 있는지는 살펴보기 위해 미생물 상호 간의 생육억제 여부를 실험하였다. 미생물의 특성상 같은 장소에 인접한 미생물 간에 서로 경쟁 또는 억제작용이 있는 경우 미생물의 음식물 소멸효과가 저하되기 때문이다.
6. 미생물 상호 간의 생육억제 여부 조사
뉴트리언트 아가(nutrient agar) 배지에 지오바실러스 서모글루코시다시어스와 서모모노스포라 푸스카 2종의 미생물을 서로 인접한 부위에 접종하여 배양한 후, 상호 간에 억제 반응이 있는지 조사하였다.
그 결과 두 가지 미생물은 상호 간에 생육 억제 반응이 없는 것으로 나타났다. 따라서 지오바실러스 서모글루코시다시어스와 서모모노스포라 푸스카는 함께 음식물 퇴비화에 이용될 수 있음을 확인하였다. 상기 2가지의 미생물이 함께 이용되는 경우 방선균인 서모모노스포라 푸스카는 발효 후반기에 셀룰로스(cellulose), 리그닌(lignin) 등의 난분해성 유기물을 효과적으로 분해하여 미생물의 협동작용에 의해 퇴비화 효율을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
<제 2실험예: 음식물 쓰레기의 소멸율 평가>
최종적으로 음식물 쓰레기 퇴비화용 균주로 선정된 지오바실러스 서모글루코시다시어스와 서모모노스포라 푸스카를 이용한 미생물 제제를 제조하였다.
미생물 제제를 제조하기 위하여 뉴트리언트 브로스(nutrient broth) 배지(Tryptone 3g, yeast extract 3g, glucose 3g, NaCl 5g, K2HPO4 1g, H2O 1ℓ)가 든 10ℓ의 배양기 각각에 지오바실러스 서모글루코시다시어스와 서모모노스포라 푸스카를 각각 접종하고 각기 50℃에서 48 시간 동안 액체 배양하여 지오바실러스 서모글루코시다시어스가 배양된 배양액과 서모모노스포라 푸스카가 배양된 배양액을 각각 얻었다. 두가지의 배양액은 1:1의 부피비로 혼합하였다. 혼합된 배양액은 담체인 톱밥과 2:10(배양액 대 톱밥)의 부피비로 혼합한 후 건조시켜 미생물 건조체를 만들었다. 그리고 미생물 건조체에 포도당, 당밀, 콩가루, 깻묵 및 어분이 동일 비율로 배합된 영양소를 0.5:10(영양소 대 미생물건조체)의 부피비로 혼합하여 음식물 쓰레기 퇴비화용 미생물제제를 제조하였다.
제조된 미생물제제는 교반기, 온도조절장치, 탈취장치 및 팬이 부착된 총 용량 100리터 규모의 음식물 쓰레기 퇴비화 장치에 투입하였다. 30 일간의 발효기간 동안 장치의 내부 온도는 50℃로 유지하였고, 교반 주기는 시간당 5분, 교반속도는 분당 5회전으로 하였다. 매일 10kg의 음식물쓰레기(광주 시내 아파트 단지에서 배출된 음식물쓰레기, 평균 함수율 80%)를 투입하면서 소멸율, 생균수, 함수율 등을 조사하였고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
항목 5일 10일 15일 20일 25일 30일
음식물누적중량(kg) 50 100 150 200 250 300
소멸된 중량(kg) 43 86 132 182 223 261
소멸율(%) 85 86 88 91 89 87
생균수(×1,000,000CFU/g) 45 53 61 68 51 55
함수율(%) 7.5 7.8 7.2 6.8 7.0 6.5
상기 표 6을 참조하면, 음식물쓰레기의 소멸율은 최저 85%에서 최고 91%를 나타내어 30일 동안의 평균 분해능은 88%가 나왔다. 생균수의 경우 평균 5.55×107CFU/g로 30일 동안 감소되지 않고 매우 안정된 상태를 유지하였고, 함수율은 평균 7.1%를 유지하였다.
<제 3실험예: 음식물 쓰레기의 악취정도 측정>
본 발명의 미생물 제제를 이용하여 음식물 쓰레기(미생물 처리구)를 퇴비화시키는 동안 발생되는 악취 정도를 알아보기 위하여, 상기 제 2실험 예의 실험 동안 건강한 코를 가진 5인의 관능검사자가 직접 후각법으로 조사한 것을 상대지표 1부터 5까지로 정량화시킨 후 그 평균치를 조사하였다. 비교를 위해 미생물 무처리구로 미생물 제제를 투입하지 않은 상태의 음식물 쓰레기를 이용하였다. 그 결과는 하기 표 7과 같다.
처리구분
 악취 정도
5일 10일 15일 20일 25일 30일
미생물 처리구 1.2 1.4 2.0 2.0 2.0 2.2
미생물 무처리구 3.0 4.0 4.6 5.0 5.0 5.0
(악취강도 1 : 냄새를 전혀 느낄 수 없음, 악취강도 2 : 냄새가 약간 남, 악취강도 3 : 냄새가 남을 확연히 느낄 수 있음, 악취강도 4 : 불쾌한 냄새가 남, 악취강도 5 : 불쾌한 냄새가 매우 심함)
상기 표 7에 나타난 바와 같이, 미생물 처리구는 음식물 쓰레기의 배양성 즉, 음식물 소멸성능이 우수하며 미생물 무처리구에 비해 취기가 매우 양호함을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 미생물 제제는 음식물소멸성능이 매우 우수하고 취기유발강도가 매우 작아 악취를 유발하지 않으면서 음식물을 효율적으로 퇴비화시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
<제 4실험예: 퇴비의 성분 분석 결과>
상기 제 2실험예를 통해 음식물쓰레기를 30일 동안 퇴비화한 후 축적된 퇴비를 한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 유기물과 중금속 함량 등의 퇴비성분을 분석하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에서와 같이 퇴비 속의 유기물 비율은 83.4%로 기준치(25% 초과)보다 훨씬 높은 것으로 나타났고, 유기물/질소 비는 24.5로 기준치(50 미만)를 만족했으며, 비소, 카드뮴, 수은, 납, 크롬, 구리, 니켈, 아연 등의 중금속도 검출되지 않는 것으로 확인되었다. 또한, 염분 함량은 음식물 쓰레기의 종류에 따라 달라질 수 있지만 상기 실험의 경우 염분 함량(기준치 1% 미만)이 0.0134%로 나타나 퇴비로 사용하는데 전혀 문제가 없는 것으로 확인되었다. 다만, 퇴비가 오랜 기간 축적되면 염분 함량이 허용 기준치인 1.0%를 초과할 수 있으므로 그 전에 퇴비를 회수하여 염분의 축적이 일어나지 않도록 조정할 필요가 있다.
이상에서 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 아밀라제, 프로테아제, 리파아제, 셀룰라아제 효소활성을 갖는 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius) KCCM 41418 및 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca) KCCM 12398 미생물을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제.
  3. 삭제
  4. 아밀라제, 프로테아제, 리파아제, 셀룰라아제 효소활성을 갖는 지오바실러스 서모글루코시다시어스(Geobacillus thermoglucosidasius) KCCM 41418 및 서모모노스포라 푸스카(Thermomonospora fusca) KCCM 12398 미생물을 배지에 접종하여 각각 배양하는 배양단계와;
    상기 배양단계에서 수득한 두 가지 배양액을 혼합한 상태에서 담체와 혼합한 후 건조하여 미생물 고정물을 얻는 고정단계와;
    상기 미생물 고정물에 미생물의 먹이 성분인 영양소를 혼합하는 혼합단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 배양단계는 물에 트립톤, 효모 추출물, 글루코스, 염화나트륨, 인산수소칼륨을 가하여 조성한 상기 배지에 상기 미생물을 접종하고 40 내지 60℃에서 1 내지 3일 동안 배양한 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 퇴비화를 위한 미생물 제제의 제조방법.
  6. 제 2항의 미생물 제제를 유기성 폐기물에 투입하여 상기 유기성 폐기물을 퇴비화시키는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 퇴비화 방법.
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