KR101086649B1

KR101086649B1 - 바이오매스 처리 방법, 퇴비, 축산용 멀칭 재료, 및 바이오매스용 처리제

Info

Publication number: KR101086649B1
Application number: KR1020087026702A
Authority: KR
Inventors: 유타카 마타노; 이쿠코 스기야마; 시오리 에모토; 지카코 나카무라; 이쿠오 후쿠무라; 마사시 다카하시
Original assignee: 도요타 지도샤（주）; 가부시끼가이샤 메니콘
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2011-11-24
Also published as: WO2007114324A1; EP2011579A4; JP5384100B2; JPWO2007114324A1; EP2011579A1; KR20090018784A; MY158935A; CN101415504A; CN101415504B; US20090241623A1; US8268608B2; EP2011579B1

Abstract

함질소 바이오매스의 처리 방법에 있어서, 수질 오염 물질을 저감시킴과 함께, 악취 가스 및 지구 온난화 가스의 발생을 저감시키고, 또한 완성된 퇴비 또는 축산용 멀칭 재료 중의 질소분을 감소시키고, 나아가 고온에 의해 단기간에 용이하게 처리할 수 있는 바이오매스 처리 방법, 그 방법에 의해 제조된 퇴비 및 축산용 멀칭 재료, 그리고 바이오매스용 처리제를 제공한다. 바이오매스 처리 방법은, 함질소 바이오매스에, 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물 및 그 지오바실루스속의 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 발효를 촉진하는 발효 촉진재를 배합하는 공정을 구비한다.

Description

바이오매스 처리 방법, 퇴비, 축산용 멀칭 재료, 및 바이오매스용 처리제{METHOD OF TREATING BIOMASS, COMPOST, MULCHING MATERIAL FOR LIVESTOCK AND AGENT FOR TREATING BIOMASS}

본 발명은, 바이오매스 처리 방법, 그 방법에 의해 제조된 퇴비 및 가축용 멀칭 재료, 그리고 바이오매스용 처리제에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은, 함질소 바이오매스의 온도를 상승시킴과 함께 질산태 질소를 감소시키고, 또한 지구 온난화 가스의 발생을 억제하는 것이 가능한 바이오매스 처리 방법, 그 방법에 의해 제조된 퇴비 및 축산용 멀칭 재료, 그리고 바이오매스용 처리제에 관한 것이다.

일반적으로, 생물 유래의 유기물 자원으로 이루어지는 자재로서 바이오매스, 예를 들어 가축의 배설물 및 하수 잉여 오니가 알려져 있다. 하수 잉여 오니란, 하수로서 예를 들어 가정으로부터 배출되는 질소를 함유하는 유기성 폐기물을 생물 처리함으로써 얻어지는 오니를 말한다. 바이오매스는 석유 등의 화석 자원과는 달리, 대기 중의 이산화탄소를 증가시키지 않고 자원, 예를 들어 퇴비 또는 에너지로서 재이용될 수 있는 점에서 주목받고 있다. 그러나, 많은 경우, 생물 유래의 폐기물을 그대로 바이오매스로서 이용할 수는 없으며, 그 폐기물에 특정한 처리를 실시할 필요가 있다. 예를 들어, 가축의 배설물, 하수 잉여 오니 등의 함질소 폐기물을 그대로 폐기하거나, 예를 들어 퇴비로서 재이용할 수는 없고, 함질소 폐기물로부터의 암모니아 등의 악취 성분의 제거, 함질소 폐기물에 있어서의 수분 함유량의 저감 등의 처리가 필요하게 된다. 또, 예를 들어 유기성 폐기물을 단순히 방치함으로써, 미생물에 의한 분해 및 발효 처리를 유기성 폐기물에 실시하는 방법에서는, 지방산, 아민 등의 악취 성분이 추가로 발생되므로, 유기성 폐기물의 악취를 저감시키기 위한 처리가 필수이다. 복수의 미생물이 공존하는 방치 등의 자연에 맡긴 분해 및 발효 방법에서는, 분해 처리가 불안정하고, 분해 처리를 재현할 수 없다는 등의 문제가 있었다.

종래, 가축 배설물 중의 뇨 등의 수분 함유량의 저감을 위해, 예를 들어 톱밥 등의 유기질 자재가 가축의 배설물에 배합되어, 그 배설물 중의 수분을 유기질 자재에 흡수 및 확산시키는 방법이 이용되고 있다. 그 경우, 가축의 배설물 중에는, 탄소분이 가축의 소화 잔류물로서의 식물 섬유, 및 상기 유기질 자재로서만 존재하고 있어, 가축 배설물 중에 있어서 미생물이 이용 가능한 형태로 존재하는 탄소분은 적다. 그 때문에, 가축의 배설물 중에는 단백질 등의 질소 성분이 과잉으로 존재하고, 암모니아가 생성 및 축적되어 가축 배설물의 pH 가 알칼리성을 나타낸다. 또한, 가축 배설물 중의 암모늄 이온으로부터 프로톤이 벗어나 암모니아 가스가 되고, 그 암모니아 가스가 악취 물질로서 대기 중에 휘산된다. 이들이 초기 퇴비화의 큰 문제가 되고 있었다.

이것을 해결하기 위한 수단으로서, 특허 문헌 1∼3 에 기재되는 미생물 자재 와, 탄소 성분, 예를 들어 당 또는 유기산을 처리 대상물에 첨가하는 방법이 알려져 있다. 시판되고 있는 상기 탄소 성분으로서, 예를 들어 닛신 제분 주식회사 제조의 필드 콘포, 캐틀 콘포, 칼로리 콘포, 악셀 콘포 및 어시스트 콘포가 알려져 있다. 실제의 퇴비화 처리의 현장에서는, 목초액 등의 첨가 처리가 실시되거나, 탄소 성분의 첨가에 의한 발효 촉진 처리가 실시되거나, 시판되는 소취제 등을 사용한 처리가 실시되고 있다.

그러나, 상기 미생물 자재에 의한 처리 대상물의 분해 반응은 산화적 분해 반응이며, 미생물이 용이하게 자화 가능한 물질, 예를 들어 유기산 및 당이 처리 대상물 중에 존재하는 경우, 미생물의 호흡에 의해 처리 대상물 중의 산소가 급격하게 소비된다. 그 때문에, 처리 대상물 안에는 산소 결핍 상태 (혐기 상태) 가 되고, 당 대사 과정 중에서 유기산이 축적되어 처리 대상물의 pH 가 저하된다. 따라서, 처리 대상물로부터의 암모니아 냄새의 발생을 방지할 수는 있지만, 지구 온난화 가스로서 알려진 메탄 가스가 발생하거나, 저분자 유기산의 휘산에서 기인되어 암모니아 이외의 악취가 발생하거나, 혐기 발효에 의해 처리 대상물의 완숙까지 장시간을 필요로 한다. 또한, 유기질 자재 등의 배합에 의해서만 처리 대상물의 수분 함유량을 저하시키는 것은, 처리 대상물 자체의 부피의 증가를 초래하여 처리 대상물의 퇴비화에 장시간을 필요로 한다.

탄수화물의 첨가가 아니고, 예를 들어 식품 폐기물로서의 기름의 처리 대상물에 대한 첨가에 의해 상기 문제의 해결을 도모하는 방법도 시도되고 있다. 그러나, 예를 들어 퇴비의 액화에 의한 통기 (通氣) 불량에서 기인되는 산소 결핍, 및 완성 퇴비 중에 함유되는 미분해 유지에서 기인되는 작물의 발아 장해가 우려되고 있다.

그래서, 종래, 유기성 폐기물을 발효 처리하는 과정에서 발생하는 암모니아, 아민 등의 악취 가스의 생물학적 처리법으로서, 특허 문헌 4∼6 에 기재되는 특정한 미생물을 사용한 처리 방법이 알려져 있다. 특허 문헌 4 는, 바실루스.바디우스를 축분 (畜糞) 에 배합시킴으로써, 암모니아 등의 악취 물질을 동화시켜 저감시키는 방법을 개시한다. 특허 문헌 5 는, 바실루스속, 마이크로코커스속 등의 초고온균을 축분, 하수 오니 등의 유기물 원료에 배합함과 함께 통기를 실시하면서 유기물 원료를 발효시킴으로써, 유기물 원료로부터의 악취, 및 유기물 원료 중의 수분 함유량을 저감시키는 방법을 개시한다. 특허 문헌 6 은, 바실루스·스미티 등의 미생물을 이용하여 암모니아 등의 악취 화합물을 동화시킴으로써 악취의 발생을 방지하는 방법을 개시한다. 상기와 같은 암모니아 등의 동화에 의한 악취의 발생을 방지하는 방법 외에, 미생물을 사용한 질화 및 탈질법에 의해 악취의 발생을 방지하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은, 질화균 (암모니아 산화 세균, 아질산 산화 세균) 과 탈질균의 작용에 의해, 암모늄 이온, 질산 이온, 및 아질산 이온을 질소로서 제거하여 악취의 발생을 방지하고 있다.

특허 문헌 1 : 미국 특허 제5364788호 명세서

특허 문헌 2 : 일본 특허 제2553727호

특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 2000-197478호

특허 문헌 4 : 일본 공개특허공보 평7-163336호

특허 문헌 5 : 일본 공개특허공보 평11-292674호

특허 문헌 6 : 일본 공개특허공보 2005-130820호

발명의 개시

그런데, 특허 문헌 4 에 개시되는 처리 방법은 암모니아 등의 악취 물질을 자화하는 바실루스.바디우스의 생육 온도가 25∼38℃ 부근이므로, 소취 처리 후, 축분을 폐기하거나 바이오매스로서 재이용하기 위해서는, 추가적인 살균 및 분해 처리 등의 공정을 필요로 하였다. 또한, 암모니아 등의 동화에 의한 소취 과정에 있어서, 지구 온난화 가스, 예를 들어 메탄 가스 및 일산화 2질소가 발생한다는 문제가 있었다.

특허 문헌 5 에 개시되는 방법에서는, 100℃ 부근에서의 발효에 의해 수분 제거와 분해 처리가 동시에 실시되므로, 미생물에 의한 바이오매스의 분해의 진행과, 미생물의 최적 수분 함유율의 밸런스를 도모하는 것이 용이하지는 않았다. 또한, 예를 들어 상기 미생물에 의한 처리물이 퇴비로서 사용되는 경우, 상기 방법 모두가 처리에 이용되어도, 처리물 중의 질산태 질소를 충분히 감소시킬 수 없다는 문제도 있었다. 질산태 질소는 수질 오염 물질이며, 고농도로 처리물에 함유되면 폐쇄성 수역의 부영양화라는 문제를 일으킴과 함께, 지하수 오염의 원인 물질로 생각되고 있다.

인용 문헌 6 에 개시되는 처리 방법에서는, 암모니아 등의 동화에 의한 처리 과정에 있어서 메탄 가스 및 일산화 2질소가 발생한다는 문제가 있었다. 공지된 질화 및 탈질법에 의해 악취의 발생을 방지하는 방법에서는, 적어도 2 종류의 질화균 및 1 종류의 탈질균의 합계 3 종류의 미생물과, 2 개의 처리조 (혐기적 처리용 처리조, 및 호기적 처리용 처리조) 가 필요하다는 문제가 있었다. 또한, 질화균의 생육 속도는 매우 느리므로, 처리에 장시간을 필요로 한다는 문제도 있었다.

본 발명은, 본 발명자들의 예의 연구의 결과, 함질소 바이오매스의 처리가 가능한 미생물로서 지오바실루스속의 미생물을 사용함으로써 상기 과제가 해결되는 것을 알아냄으로써 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 수질 오염 물질을 저감시킴과 함께 악취 가스 및 지구 온난화 가스의 발생을 억제하고, 또한 완성된 퇴비 또는 축산용 멀칭 재료 중의 질소분을 감소시키고, 나아가 고온에 의해 단기간에 또한 용이하게 함질소 바이오매스를 처리할 수 있는 바이오매스 처리 방법을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 추가적인 목적은, 상기 처리 방법에 의해 제조된 퇴비 및 축산용 멀칭 재료, 그리고 바이오매스용 처리제를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태에서는, 함질소 바이오매스에, 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물 및 그 지오바실루스속의 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 발효를 촉진하는 발효 촉진재를 배합하는 공정을 구비하는 바이오매스 처리 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 양태에서는, 상기 바이오매스 처리 방법에 의해 제조된 퇴비가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 상기 바이오매스 처리 방법에 의해 제조된 축산용 멀칭 재료가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서는, 함질소 바이오매스의 처리에 이용되고, 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물, 및 그 지오바실루스속의 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 발효를 촉진하는 발효 촉진재를 함유하는 바이오매스용 처리제가 제공된다.

도 1(a) 는, 퇴비의 표면으로부터 50㎝ 내측에 있어서의 온도의 경시 변화를 나타내는 그래프, (b) 는, 퇴비의 표면으로부터 20㎝ 내측에 있어서의 온도의 경시 변화를 나타내는 그래프.

도 2 는, 퇴비화 처리 중의 미생물에 대해 DGGE 법에 의한 전기 영동의 결과를 나타내는 사진.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명을, 바이오매스 처리 방법에 의해 제조된 퇴비 및 축산용 멀칭 재료로 구체화한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다.

본 실시형태에 관련된 바이오매스 처리 방법은, 함질소 바이오매스에, 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물과, 그 미생물의 증식 및 그 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 발효를 촉진하는 발효 촉진재를 배합하는 공정을 구비하고 있다. 이 배합 공정에 의해, 함질소 바이오매스는 최종적으로 퇴비화된다. 본 실시형태에 있어서 사용되는 함질소 바이오매스의 구체예는, 질소를 함유하는 바이오매스이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 소, 돼지, 양, 말, 닭 등의 가축 의 배설물 (분뇨), 하수 처리 오니 및 음식물 쓰레기 등의 식품 폐기물을 들 수 있다.

지오바실루스속의 미생물은 통상 그램 염색 양성, 및 아포 형성능을 갖는 통성혐기성 세균인데, 본 실시형태에 관련된 지오바실루스속의 미생물은, 탈질 기능, 암모니아 동화능, 및 질산태 질소 동화능을 추가로 갖고 있다. 지오바실루스속의 미생물로서, 최적 생육 온도 범위가 50∼70℃ 의 고온역이고, 또한 최적 생육 pH 범위가 6∼8 의 중성 부근인 세균이 바람직하다. 탈질 기능을 갖는 세균은, 아질산염 또는 질산염을 예를 들어 일산화질소를 거쳐 최종적으로 질소 (N₂) 로 환원한다.

본 실시형태에 관련된 지오바실루스속의 미생물로서, 예를 들어 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (Geobacillus thermodenitrificans), 지오바실루스.스테아로서모필루스 (Geobacillus stearothermophilus), 지오바실루스.카우스토필루스 (Geobacillus kaustophilus), 지오바실루스.서브테르라넨스 (Geobacillus subterranens), 지오바실루스.서모레오보란스 (Geobacillus thermoleovorans), 및 지오바실루스.카르독실오실리티커스 (Geobacillus caldoxylosilyticas) 를 들 수 있다. 이들 중에서도, 일본의 독립 행정 법인 제품 평가 기술 기반 기구 특허 미생물 기탁 센터에 2005 년 12 월 26 일에 기탁된 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (수탁 번호 NITE BP-157) 가 바람직하다. 예시된 상기 지오바실루스속의 미생물은 모두 공지된 미생물이므로, 각 미생물 보존 기관에 있어서 기탁 및 보관된 미생물이 사용되어도 되고, 공지된 스크리닝법에 의해 자연계로부터 단리된 미생물이 사용되어도 된다.

지오바실루스속의 미생물은 고온균이며, 함질소 바이오매스 중에 있어서 약 50℃ 이상에서 증식을 개시함과 함께 발효열에 의해 함질소 바이오매스를 약 70℃ 이상으로 승온시킨다. 이 고온의 발효열에 의해, 함질소 바이오매스 중의 여분의 수분이 증발함과 함께, 고분자 유기물의 저분자화가 촉진된다. 또한, 고온의 발효열에 의해 질화를 실시하는 아질산균 및 질산균과, 메탄 생성균의 증식이 억제된다.

본 실시형태에 관련된 지오바실루스속의 미생물은, 함질소 바이오매스 중에 있어서, 탈질 기능에 의한 질산태 질소의 감소뿐만 아니라, 암모니아 동화 작용에 의한 암모니아태 질소의 감소, 및 질화균의 증식 억제 작용에 의한 질산태 질소의 발생의 억제도 실시한다. 식물에 있어서, 질소, 인산 및 칼륨은 3대 영양소이다. 질소는 질산태 질소의 형태로 식물체 내에 도입되고, 예를 들어 단백질의 합성에 이용된다. 한편, 동물은 질산태 질소를 과잉으로 섭취하면 산소 결핍 증상을 일으키는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 함질소 바이오매스가 퇴비로서 토양에 공급되는 경우, 과잉의 질산태 질소가 토양에 축적됨으로써 일어나는 질산태 질소 오염을 방지하는 것이 중요하다.

통상, 미생물의 질화 및 탈질 작용에서는, 질화균으로서의 암모니아 산화균, 아질산 산화균, 및 탈질균의 작용에 의해 함질소 바이오매스 중의 암모니아태 질소 (NH⁴⁺), 아질산태 질소 (NO^2-), 및 질산태 질소 (NO^3-) 가 질소 가스로서 대기 중에 방출된다. 일반적으로는, 호기적 조건하에 있어서 생육하는 화학 합성 독립 영양균 (질화균) 에 의해 질화가 실시되고, 혐기적 조건하에 있어서 생육하는 탈질균에 의해 탈질이 실시된다. 따라서, 질화 및 탈질을 이용한 퇴비화를 실시하기 위해서는, 적어도 3 종류의 미생물과 2 개의 처리조 (혐기적 처리용 처리조, 및 호기적 처리용 처리조) 가 필요하게 된다. 또한, 질화균의 생육 속도가 매우 느리므로, 질화균만을 사용하는 처리 방법에서는 처리에 장시간을 필요로 한다는 결점이 있었다.

본 실시형태에 있어서는, 발효 촉진재, 및 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물의 작용에 의해, 함질소 바이오매스의 온도는 50℃ 이상으로 급격하게 상승한다. 그 때문에, 함질소 바이오매스 중의 암모니아태 질소의 산화를 실시하는 질화균의 증식에 적합한 온도 및 시간이 유지되지 않는다. 즉, 암모니아태 질소로부터 질산태 질소를 만드는 반응 (질화) 에 관련되는 암모니아 산화 세균인 니트로소모나스 (Nitrosomonas, 최적 생육 온도 20∼30℃) 및 아질산 산화 세균인 니트로박터 (Nitrobacter, 최적 생육 온도 35∼42℃) 의 활동은 억제된다. 그에 의해, 암모니아태 질소로부터 질산태 질소가 생성되지 않고, 질화 산물인 아질산태 질소 및 질산태 질소의 축적이 일어나지 않는다.

이 때, 지오바실루스속의 미생물은 암모니아 동화능 (암모니아의 자화능) 을 가지므로, 함질소 바이오매스 중의 암모니아태 질소는 미생물의 증식을 위한 영양 원으로서 이용된다. 그 때문에, 통상적인 퇴비화 과정에 있어서 문제가 되고 있는 악취 화합물로서의 암모니아 가스의 발생을 회피할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 원료로서의 함질소 바이오매스 중에 함유되는 질산태 질소는, 퇴비화의 진행과 지오바실루스속의 미생물의 증식에서 기인되는 혐기 상태에 있어서, 지오바실루스속의 미생물이 갖는 탈질 기능에 의해 질소 가스 (N₂) 로 환원되어 대기 중에 방출된다.

이 때, 함질소 바이오매스 내는 혐기 상태가 되는데, 함질소 바이오매스의 온도가 메탄 생성균의 증식 가능 온도를 훨씬 초과하므로, 축분의 통상적인 퇴비화에 의해 발생하는 메탄 가스가 발생하지 않는다. 메탄 생성균의 증식 가능 온도로서, 예를 들어 메타노크루아스.서모필루스의 증식 가능 온도는 55℃ 이하이다. 그에 의해, 본 실시형태에 있어서는, 통상적인 퇴비화 과정에 있어서 대량으로 방출되는 메탄 가스 등의 지구 온난화 가스가 발생하지 않는다. 이와 같은 기구에 의해, 본 실시형태에 있어서는 함질소 바이오매스 중의 암모니아태 질소와 질산태 질소를 동시에 제거할 수 있다.

보다 구체적으로는, 분 (糞) 중에 함유되는 식물 섬유 (셀룰로오스, 헤미셀룰로오스) 가 미생물 또는 후술하는 발효 촉진재 유래의 셀룰라아제 및 자일라나아제에 의해, 미생물에 이용 가능한 이당류부터 5당류, 예를 들어 셀로올리고당 또는 자일로올리고당으로 변환된다. 그에 의해, 과잉의 질소원과 미생물이 이용 가능한 탄소원의 비율 (C/N 비) 이, 미생물에 있어서 이용하기 쉬운 비율로 조정된 다. 그리고, 발생하는 암모니아가 신속하게 균체에 함유되어, 함질소 바이오매스 중의 암모니아 농도가 저감됨과 함께, 악취 성분의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 함질소 바이오매스 중에 첨가되는 지오바실루스속의 미생물은 아포 형성균이므로, 균체에 함유된 질소분은 아포 내에 도입된다. 이 도입된 질소분은, 다른 세균의 경우와는 달리, 세균의 사멸 후, 균체로부터 암모니아에 대한 변화가 저감된다. 이로써, 퇴비화 중의 암모니아 농도가 낮게 억제되어 아질산균 및 질산균에 의한 질화 반응이 진행되지 않으므로, 완성 퇴비 중의 질산태 질소가 저감된다. 또한, 아질산균에 의한 암모니아 (하이드록시아민) 로부터 아질산으로의 변환시에, 산소 결핍 상태에서 기인되어 발생하는 지구 온난화 가스로서 알려진 일산화 2질소의 발생도 억제된다.

발효 촉진재가 함질소 바이오매스에 첨가되면, 함질소 바이오매스의 저분자화에 수반하여, 함질소 바이오매스에 본래 혼입되어 있는 중온균 등의 미생물이 증식하여 발효열이 발생한다. 발효 촉진재로서 바람직하게는 다당류 분해 효소 및 유기질 자재이다.

다당류 분해 효소로서, 예를 들어 셀룰라아제, 자일라나아제 및 펙티나아제를 들 수 있다. 다당류 분해 효소로는 통상 다당류 폴리머를 그 말단으로부터 분해하는 엑소형 다당류 분해 효소와, 다당류 폴리머를 그 도중부터 분해하는 엔드형 다당류 분해 효소를 들 수 있다. 어느 쪽의 다당류 분해 효소도 본 실시형태에 적용 가능하다. 다당류 분해 효소의 활성화 온도는 10℃∼60℃ 이고, 바람직하게는 15℃∼55℃ 이다.

유기질 자재로서, 예를 들어 깻묵 가루, 쌀겨, 밀기울, 콘스팁 리커, 흑설탕, 대두유박(粕), 육박 (肉粕), 건혈분 (乾血粉), 치킨밀, 어박 (魚粕), 가다랑어포를 끓인 후의 찌꺼기, 번데기박, 효모 엑기스박, 및 맥주박을 들 수 있다. 이들 유기질 자재를 먹이로 하여 중온균이 증식을 개시한다. 상기 발효 촉진재의 구체예는 각각 단독으로 사용되어도 되고, 그들 중의 2 종 이상이 조합되어 사용되어도 된다.

중온균은 본래 토양 중에 많이 존재하므로, 중온균을 함질소 바이오매스에 혼입시키기 위해, 적당량의 토양이 함질소 바이오매스에 배합되어도 된다. 본 실시형태에 관련된 중온균으로서, 함질소 바이오매스를 상온에서 중온역 (약 50℃ 이하의 온역) 으로 승온시키기 위해, 20℃∼50℃ 의 범위에서 적어도 증식 가능한 균이 바람직하다. 중온균으로서, 예를 들어 바실루스.알베이 (B. alvei), 바실루스.아밀로리티커스 (B. amylolyticus), 바실루스.아조토픽산스 (B. azotofixans), 바실루스.서큘란스 (B. circulans), 바실루스.글루카놀리티커스 (B. glucanolyticus), 바실루스.라베 (B. larvae), 바실루스.로투스 (B. lautus), 바실루스.렌티모버스 (B. lentimorbus), 바실루스.마세란스 (B. macerans), 바실루스.맥크오리엔시스 (B. macquariensis), 바실루스.파바리 (B. pabuli), 바실루스.폴리믹사 (B. polymyxa), 바실루스.포필리아 (B. popilliae), 바실루스.시크로사카롤리티커스 (B. psychrosaccharolyticus), 바실루스.풀비파시엔스 (B. pu1vifaciens), 바실루스.티아미노리티커스 (B. thiaminolyticus), 바실루스.바리다스 (B. validus), 바실루스.알칼로필루스 (B. alcalophilus), 바실루스.아밀로리쿠에파시 엔스 (B. amyloliquefaciens), 바실루스.아트로페어스 (B. atrophaeus), 바실루스.카로테람 (B. carotarum), 바실루스.퍼무스 (B. firmus), 바실루스.플렉서스 (B. flexus), 바실루스.라테로스포러스 (B. laterosporus), 바실루스.렌투스 (B. lentus), 바실루스.리케니포미스 (B. licheniformis), 바실루스.메가테리움 (B. megaterium), 바실루스.미코이데스 (B. mycoides), 바실루스.니아시니 (B. niacini), 바실루스.판토테니티커스 (B. pantothenticus), 바실루스.푸밀루스 (B. pumilus), 바실루스.심플렉스 (B. simplex), 바실루스.서브틸리스 (B. subtilis), 바실루스.튜린겐시스 (B. thuringiensis), 및 바실루스.스파에리쿠스 (B. sphaericus) 를 들 수 있다.

본 실시형태에 있어서는, 상기 배합 공정에 있어서 함질소 바이오매스에 이탄(泥炭)이 추가로 배합되는 것이 바람직하다. 이탄이란, 부식화 작용에 의해 얻어지는 것, 즉 수생 식물, 벼과 식물, 또는 이끼류가 고사하여 퇴적되고, 혐기 조건하에 있어서 분해됨으로써 생성되는 것이다. 이탄은 토괴상 (土塊狀) 을 갖고 있고, 수분을 다량으로 함유함과 함께 방선균이 좋아하는 부식산을 많이 함유하므로, 함질소 바이오매스에 첨가됨으로써 방선균의 증식에 바람직한 영향을 준다.

방선균으로는, 예를 들어 고온균으로서의 서모악티노마이세스, 및 중온균으로서의 스트렙토마이세스를 들 수 있다. 방선균은, 자재 1g 당의 방선균수가 1×10⁸CFU 이상인 고밀도 방선균 함유 자재로서 사용됨으로써, 토마토, 가지, 오이 등의 모종 입고병, 오이의 덩굴쪼김병, 시금치의 입고병 등의 원인인 사균상 (絲菌狀), 및 토마토, 가지, 딸기 등의 청고병 등의 원인인 병원 세균에 대해 길항성을 갖는 것이 알려져 있다. 방선균은, 오이, 토마토, 멜론, 국화, 무, 시금치 등의 뿌리에 기생하여 그것들을 괴사시키는 선충해의 원인인 식물 기생 선충에 대해 길항성을 갖는 것도 알려져 있다. 방선균은, 시금치 위조병의 저감 효과를 갖는 것도 알려져 있다. 그 때문에, 지오바실루스속의 미생물에 의해 처리되고, 또한 방선균을 함유하는 함질소 바이오매스에는 병원 억제 효과도 기대할 수 있다.

방선균은 본래 토양 중에 많이 존재하므로, 지오바실루스속의 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 고온 처리 전에 적당량의 토양이 함질소 바이오매스에 배합되어 방선균이 증식되어도 된다. 방선균으로서 고온역을 좋아하는 호열성균도 많이 존재하므로, 지오바실루스속의 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 고온화는 서모악티노마이세스 등의 방선균의 증식에 기여한다. 이러한 방선균을 다량으로 함유하는 퇴비가 외양간 등의 멀칭 재료로서 사용된 경우, 젖소의 유방염의 발생을 저하시키는 것이 알려져 있다 (「현대 농업」 일본의 사단 법인 농산어촌 문화협회, 1993 년 3 월호, 제298페이지 등 참조).

발효 개시시에 있어서의 함질소 바이오매스 중의 수분 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 40∼75 질량% 이고, 보다 바람직하게는 50∼65 질량% 이다. 함질소 바이오매스 중의 수분 함유량이 40 질량% 이하인 경우, 중온균 및 바실루스속의 미생물이 충분히 증식되지 않을 우려가 있다. 함질소 바이오매스 중의 수분 함유량은, 가수 처리, 또는 톱밥, 수피 등의 배합에 의해 조정 가 능하다.

함질소 바이오매스에는, 그 통기성을 확보하기 위해, 예를 들어 다공질 물질이 배합되어도 된다. 다공질 물질로서, 예를 들어 왕겨, 메밀껍질 및 펄라이트를 들 수 있다.

다음으로, 본 실시형태에 관련된 함질소 바이오매스의 처리 방법에 의해 제조된 퇴비 및 축산용 멀칭 재료의 작용을 설명한다.

예를 들어, 함질소 바이오매스로서의 가축의 배설물에, 지오바실루스속의 미생물, 발효 촉진재로서의 셀룰라아제가 배합된 경우, 가축의 배설물은 이하와 같은 반응 (작용) 에 의해 분해된다. 먼저, 1 차 분해로서, 가축의 배설물 중의 다당류, 예를 들어 셀룰로오스가 셀룰라아제에 의해 분해 및 저분자화된다. 그에 따라, 저분자화된 셀룰로오스 (당) 를 먹이로 하는 미생물이 증식한다. 미생물의 증식에 수반하여, 함질소 바이오매스 중의 온도는 상기 중온역으로 상승한다. 그리고, 중온균의 대사/발효열의 이용에 의해, 고온균으로서의 지오바실루스속의 미생물이 선택적으로 증식한다. 그 결과, 가축의 배설물 온도가 45∼50℃ 부근까지 상승한다.

이 때, 교반, 블로어 등의 공기 혼입 작업에 의해, 적극적으로 가축의 배설물에 공기가 혼합되어 지오바실루스속의 미생물의 호기적 발효가 유도된다. 지오바실루스속의 미생물이 활발히 증식함으로써, 가축의 배설물 온도가 고온역 (약 60℃∼95℃) 으로 상승한다. 바람직하게는, 공기 혼입 작업은 가축의 배설물의 처리가 완료될 때까지 1 회 또는 2 회 이상 반복되고, 보다 바람직하게는 공기 혼 입 작업이 연속적으로 반복된다. 가축의 배설물이 최고 온도에 도달한 후, 미생물의 활발한 증식과 대사에 수반되는 산화에 의해, 가축의 배설물이 호기 상태로부터 혐기 상태로 이행한다. 그 결과, 가축의 배설물 온도가 서서히 하강한다. 그 때문에, 바람직하게는 가축의 배설물 온도가 최고 온도로부터 10∼20℃ 감소한 시점에서, 전환 작업에 의해 공기 혼입 작업이 실시된다.

고온역에서의 처리에 의해, 가축의 배설물 중에 있어서, 예를 들어 수분 함유량의 감소, 유기물의 저분자화, 아민 등의 악취 화합물의 분해, 호기성 발효에서 기인되는 메탄 가스 등의 발생의 억제, 및 고분자 섬유, 단백질 등의 저분자화가 실시된다. 또한, 클로스트리듐 등의 부패성을 갖는 혐기성 세균의 증식이 억제됨과 함께, 대장균군, 및 소의 유방염 기인균으로서 알려진 황색 포도상구균 등의 병원성 세균이 살균된다. 또한, 가축의 배설물에 함유되어 있는 식물 종자가 사멸한다. 한편, 병원 길항 작용을 갖는 서모악티노마이세스 등의 호열성 방선균의 증식은 고온역에 있어서 촉진된다. 가축 배설물의 퇴비화 반응이 종료되어 가축의 배설물 온도가 상기 중온∼상온역에 가까워지면, 중온균으로서의 스트렙토마이세스 등의 방선균의 증식이 촉진된다. 방선균이 증가한 가축 배설물의 퇴비 및 축산용 멀칭 재료로서의 가치는 현저하게 높다.

가축 배설물의 퇴비화는 공기의 공급량, 외기온, 수분량 등에 좌우되지만, 통상 30∼45 일 동안에 완료된다. 퇴비화가 완료되었을 때, 가축 배설물 중의 고분자 유기물의 저분자화, 및 수분 함유량의 감소에 의해 가축의 배설물 온도가 저하된다. 퇴비화의 완료에 의해 제조된 퇴비에서는, 우분 (牛糞) 퇴비에서 문 제가 되고 있는 오탁수가 저감되어 있고, 퇴비 중의 악취 성분, 및 수분 함유량도 현저하게 감소되어 있다.

본 실시형태는 이하의 이점을 갖고 있다.

(1) 본 실시형태에 있어서, 함질소 바이오매스의 처리에 지오바실루스속의 미생물이 사용되고 있다. 따라서, 종래의 바실루스속의 미생물을 사용한 처리 방법에 비해 단기간 (본 실시형태에 있어서는 30∼45 일) 에 처리가 완료된다.

(2) 암모니아, 아민 등의 악취 화합물을 동화에 의해, 또는 분해에 의해 그것들을 제거함으로써, 함질소 바이오매스의 악취를 저감시킬 수 있다.

(3) 미생물을 사용한 분해 및 발효 처리가 실시되므로, 연소법, 정화법, 흡착법 등의 물리적인 처리 방법 또는 화학적인 처리 방법에 비해, 본 실시형태에 관련된 처리 방법은 복잡한 장치 및 대량의 물을 필요로 하지 않는다. 또한, 본 실시형태에 관련된 처리 방법은, 추가적인 처리를 필요로 하는 2 차 처리물, 즉 부산물이 적고, 화석 연료 등의 에너지의 소비량을 억제할 수도 있다.

(4) 고온 처리시에 있어서는 함질소 바이오매스의 온도가 70℃ 이상으로 상승되므로, 퇴비로서 불필요한 물질, 예를 들어 식물의 종자 잔류물 및 대장균을 처리할 수 있다.

(5) 지오바실루스속의 미생물에 의한 고온 처리에서는, 함질소 바이오매스의 온도가 60∼95℃ 로 상승한다. 따라서, 처리 온도가 100℃ 부근인 초고온균에 비해 낮은 온도에서 함질소 바이오매스를 처리할 수 있으므로, 함질소 바이오매스의 분해의 진행과 수분 함유율의 밸런스를 용이하게 도모할 수 있다.

(6) 본 실시형태에 있어서, 악취 화합물의 분해, 병원체 등의 불요 미생물의 사멸, 불요 수분의 증발 등의 처리를, 지오바실루스속의 미생물을 사용한 일 공정으로 동시에 실시할 수 있다. 따라서, 다단계의 처리 공정을 필요로 하지 않고 단기간에, 또한 용이하게 함질소 바이오매스를 처리할 수 있다.

(7) 본 실시형태에 있어서, 고농도로 함유되면 폐쇄성 수역의 부영양화라는 문제를 일으킴과 함께 지하수 오염의 원인 물질이라고 생각되고 있는 질산태 질소를, 그 환원 처리 및 생성의 억제에 의해 퇴비 중에 있어서 감소시킬 수 있다.

(8) 처리 과정에 있어서, 함질소 바이오매스 중의 성분의 분해 및 저분자화에 의해 발생하는 온난화 가스로서의 메탄 가스 및 일산화 2질소를 감소시킬 수 있다. 지오바실루스속의 미생물은, 고온 처리시에 함질소 바이오매스로부터 메탄 가스 및 일산화 2질소를 발생시키지는 않는다.

(9) 지오바실루스속의 미생물에 의해 처리된 함질소 바이오매스가 퇴비로서 논밭에 사용되었을 때, 빗물에 의해 함질소 바이오매스가 퇴비 오탁수 (다수 (茶水)) 로서 논밭으로부터 유출되는 것을 억제할 수 있다.

(10) 본 실시형태에 있어서, 지오바실루스속의 미생물에 의해 함질소 바이오매스의 고온 처리가 실시되고 있다. 그 결과, 서모악티노마이세스 등의 호열성 방선균의 증식이 고온역에서 촉진된다.

상기 실시형태는 이하와 같이 변경되어도 된다.

상기 실시형태에 있어서, 지오바실루스속의 미생물을 사용한 함질소 바이오매스의 처리 방법이, 퇴비 및 축산용 멀칭 재료의 제조 방법으로서 사용되고 있다. 그러나, 본 실시형태의 처리 방법이, 단순히 그대로 폐기되는 것이 예를 들어 환경의 악화를 초래하는 가축의 배설물, 하수 처리 오니 등의 폐기물을, 환경을 악화시킬 우려가 없는 처리물로 처리하는 방법으로서 사용되어도 된다. 이 경우, 처리물을 적절히 폐기하는 것이 용이하다. 또, 지오바실루스속의 미생물은, 상기 실시형태에 관련된 용도 외에, 예를 들어 고온 처리를 활용한 토양의 소독 및 살균 처리 등의 분야에 적용되어도 된다.

지오바실루스속의 미생물, 및 발효 촉진재를 함유하는 바이오매스용 처리제를 이용하여 함질소 바이오매스를 처리해도 된다. 이 경우에 있어서도, 함질소 바이오매스를 고온에서 처리할 수 있고, 본 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 실시예 및 비교예를 들어 상기 실시형태를 더욱 구체적으로 설명한다.

<미생물의 분리 및 동정>

먼저, 다양한 장소에서 채취한 완숙된 우분 유래의 퇴비를, 물 또는 생리 식염수를 넣은 시험관에 넣은 후, 믹서에 의해 격렬하게 교반하고, 퇴비 중에 함유되는 미생물을 퇴비로부터 용출시켰다. 이 용출액의 일부를 채취하고, Schaeffer's sporulation medium (0.8% nutrient broth (Difco), 27mM KCl, 2mM MgSO₄7H₂O, 1mM Ca(NO₃)₂4H₂O, 0.1mM MnCl₂4H₂O, and 1μM FeSO₄7H₂O) 에 첨가하여 65℃ 에서 6 시간 배양하였다. 이 배양물을 100℃ 에서 5 분간 가열하고, 아포 형성에 이르지 않은 영양체 세포를 사멸시켰다. 이어서, 아포 형성균만을 전술한 미생물 생육 배지 성분을 함유하는 한천 평판 배지에 펼쳐 놓고, 65℃ 에서 추가로 배양하여 콜로니를 형성시켰다. 이상에 의해 호열성 아포 형성 세균을 분리하였다.

다음으로, 트립톤 (Difco) 10g, 질산염으로서의 질산 칼륨 2g, 및 정제수 1ℓ (pH7.5) 로 이루어지는 배지에 각종 균의 콜로니를 접종하고, 65℃ 에서 12 시간 혐기 배양을 실시하였다. 질산 농도를 비색법 (로슈 : Cat No.1 746 081) 에 의해 정량하고, 전체 질소량을 켈달법에 의해 분석하였다. 배양 전과 배양 후의 질산 농도 및 전체 질소량을 각각 측정함으로써, 질산태 질소 동화능 및 탈질 기능을 갖는 호열성 미생물을 선택하였다.

본 실시예에 있어서, 자연계로부터 단리된 균주를 동정한 결과, 그 균주는 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (Geobacillus thermodenitrificans) 인 것이 판명되었다. 본 단리 및 동정한 지오바실루스.서모데니트리피컨스를, 독립 행정 법인 제품 평가 기술 기반 기구 특허 미생물 기탁 센터에 기탁하였다 (수탁 번호 NITE BP-157, 수탁일 2005 년 12 월 26 일). 이하, 본 실시예에 있어서는, 기탁된 지오바실루스.서모데니트리피컨스를 사용하였다. 기탁된 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (수탁 번호 NITE BP-157) 에 대해 하기에 생육 형태 소견 및 생화학적 소견을 나타낸다.

세포의 폭 0.5∼1.0(㎛)

세포의 길이 1.5∼2.5(㎛)

DNA GC 함량 (몰%) 51.8

운동성 -

생육 온도 45℃ +

생육 온도 70℃ +

생육 pH9.0 +

탈질능 +

혐기성에서의 생육 +

카세인의 가수분해 +

전분의 가수분해 +

이용성

람노오스 -

세르비오스 +

갈락토오스 +

자일로오스 +

리보스 +

아라비노오스 +

시트르산 +

페놀 내성 20(mM)

<퇴비화 처리>

가축의 배설물 (비육우분 (肥育牛糞)) 을 함질소 바이오매스로서 사용하고, 실시예 1 및 비교예 1 에 관련된 퇴비화 처리를 실시한 경우의 함질소 바이오매스 중의 온도, 균체의 증식 정도, 악취 가스의 농도, 온난화 가스의 농도, 및 퇴비의 완숙도를 1 주일마다 경시적으로 측정하였다. 또한, 퇴비 성분을 1 주일마다 경시적으로 분석하였다. 비육우의 가축의 배설물 및 수분 조정재로서의 톱밥의 합계 50㎥ 중에 각종 균을 10㎥ 첨가하고, 실시예 1 에 있어서는 셀룰로모나스속 미생물 K32A 주 유래 (Cellulomonas sp. K32A) 의 셀룰라아제를 함유하는 발효 촉진재를 추가로 첨가하여 처리 반응을 개시하였다. 실시예 1 의 종균으로서, 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (Geobacillus thermodenitrificans, 수탁 번호 NITEB BP-157) 를 사용하였다. 비교예 1 의 종균으로서, 주로 Canocytophaga sp. 를 포함하는 「리사이클 퇴비」 제조용 종균 (토요하시 사료 주식회사, 도 2 의 (5) 참조) 을 사용하였다.

<온도 변화>

가축의 배설물 (퇴비) 에 있어서, 그 배설물의 표층으로부터 50㎝ 내측에 있어서의 온도의 경시 변화를 도 1(a) 에 나타내고, 표층으로부터 20㎝ 내측에 있어서의 온도의 경시 변화를 도 1(b) 에 나타낸다. 도 1(a) 및 도 1(b) 중의 각 그래프에 있어서, 수직 방향에 있어서의 온도의 급격한 저하는 공기 혼입을 위해 퇴비의 교반 작업을 실시하기 위해, 퇴비로부터 온도계를 분리했을 때 발생한 것이다.

도 1(a) 및 도 1(b) 에 나타내는 결과로부터, 실시예 1 에 있어서는 처리 개 시부터 약 5 주째에 퇴비의 발효 온도가 서서히 저하되기 시작하였다. 즉, 처리 개시부터 약 1 개월∼1 개월 반에 발효에 필요한 저분자 유기물이 고갈되고, 발효 처리가 종료되기 시작하는 것이 확인되었다. 실시예 1 의 처리 개시 후 6 주째에 있어서는 발효 온도의 추가적인 저하가 관찰되었다. 이로써, 미생물의 분해 대상물인 저분자 유기물이 고갈되고, 퇴비가 완숙화된 것으로 생각된다. 한편, 비교예 1 에 있어서는, 처리 개시 후 6 주일 가깝게 반응 온도가 저하되지 않았다.

<균체의 증식 (DGGE 분석)>

상기 실시예 1 및 비교예 1 의 함질소 바이오매스 처리 과정 중에 있어서의 세균총의 경시 변화를 DGGE (변성제 농도 구배 겔 전기 영동) 측정에 의해 평가하였다. DGGE 는, 농도 구배를 갖는 DNA 변성제, 예를 들어 우레아 등을 함유하는 겔을 전기 영동에 사용함으로써, 종 고유의 GC 비와 AT 비에 기초하여 DNA 를 분리한다. 전기 영동에 의해 얻어진 DNA 밴드에 대해 염기 해석을 실시함으로써, 각 밴드가 유래되는 균주의 귀속 분류군을 추정하였다.

본 시험에서는, 공지된 DGGE 및 염기 해석을 실시하였다. 즉, 본 시험에서는, 전기 영동에 있어서 10% 폴리아크릴아미드 겔 및 변성제로서의 우레아 (30 에서 60% 로의 농도 구배를 갖는) 를 사용하고, 200V, 3.5 시간 영동을 실시하였다. 영동 후, 겔을 SYBER Green (다카라 바이오 주식회사 제조) 으로 염색하고, UV (310㎚) 조사하에서 발광하는 밴드를 CCD 카메라로 촬영하였다. 전기 영동 결과를 도 2 에 나타낸다. 도 2 는, 밴드의 위치를 용이하게 시인하기 위 해, 영동 결과 사진을, 그 흑백을 반전하여 표시하고 있다. 얻어진 밴드를 템플릿으로서 사용한 PCR 을 실시한 후, ABI PRISM 3100 DNA Sequencer (Applied Biosystems, Ca USA) 를 이용하여 PCR 산물의 염기 배열 해독을 실시하였다. 얻어진 염기 배열과 유사한 염기 배열을 국제 염기 배열 데이터베이스 (GenBank/EMBL/DDBJ) 로부터 검색하기 위해, BLAST 에 의한 상동성 검색을 실시하였다.

도 2 에 있어서, (1) 은 가축 배설물의 영동 결과를 나타내고, (2) 는 비교예 1 의 처리 개시 후 2 주째에 있어서의 영동 결과를 나타내고, (3) 은 비교예 1 의 처리 개시 후 3 주째에 있어서의 영동 결과를 나타낸다. (4) 는 비교예 1 의 처리 개시 후 6 주째에 있어서의 영동 결과를 나타내고, (5) 는 비교예 1 에 있어서 사용된 「리사이클 퇴비」 제조용 종균 (토요하시 사료 주식회사 제조) 의 영동 결과를 나타낸다. (6) 은 실시예 1 의 처리 개시 후 2 주째에 있어서의 영동 결과를 나타내고, (7) 실시예 1 의 처리 개시 후 4 주째에 있어서의 영동 결과를 나타내고, (8) 실시예 1 의 처리 개시 후 6 주째에 있어서의 영동 결과를 나타내고, (9) 는 실시예 1 의 종균 (지오바실루스.서모데니트리피컨스) 의 영동 결과를 나타낸다. BLAST 에 의한 상동성 검색의 결과, 도 2 의 각 밴드에서 유래되는 균주는, 이하의 미생물종에 귀속되는 것으로 추정된다.

도 2 의 (1) 에 있어서 검출된 세균 (1-a∼c) 의 대부분은, 비육우의 먹이에 첨가된 미생물 자재 (P-Bio2 : 히가시 후지 농산 주식회사 제조) 유래의 세균인 것으로 사료된다. 이들 세균은, 마구간의 소취에 효과가 있는 암모니아 산화 세균이다. 그러나, 이들 세균은, 실시예 1 및 비교예 1 의 퇴비화가 실시되는 고 온기에는 가축의 배설물 내로부터 모습을 감추었다. 비교예 1 에 있어서는, 종균에서 유래되는 (2-d) : Nitrobactor sp. (2-g) : Canocytophaga sp. (2-h) : Glycomyces sp. 등이 퇴비화와 함께 우세가 되어 퇴비의 온도를 상승시켜 갔다.

실시예 1 에서는, 처리 개시 후 2 주째부터 퇴비가 70℃ 이상의 고온이므로, 퇴비 중의 미생물총은 빈약하고, 고온에 대응한 미생물 (Bacillus) 만이 선택적으로 증식된 점에서 비교예 1 의 미생물총과는 분명하게 상이했다. 실시예 1 의 종균에는 지오바실루스.서모데니트리피컨스가 이용되었는데, 이 증식은 퇴비화의 초기에는 보이지 않고, 4 주째 이후의 후기부터 검출되었다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 에 있어서는 처리 개시 후 6 주째에 있어서 종균인 지오바실루스.서모데니트리피컨스가 큰폭으로 증가하고 있어, 처리 과정에 있어서 종균이 유효하게 증식되어 있는 것이 확인되었다.

<악취 가스의 농도>

실시예 1 및 비교예 1 의 각 퇴비로부터 발생하는 암모니아, 아민, 메르캅탄 및 황화수소를 채취하고, 그들의 농도를 측정하였다. 구체적으로는, 퇴비에 가스 방출 측정용 챔버를 설치하고, 발생한 가스를 테드라백에 채취하였다. 암모니아, 아민, 메르캅탄 및 황화수소의 농도를 검지관 (가스텍사 제조 GV-100S) 을 이용하여 측정하였다. 그들의 측정 결과를 표 1 에 나타낸다.

표 1 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 에 관련된 처리 개시 후 6 주째의 암모니아 및 아민의 농도는, 비교예 1 에 관련된 처리 개시 후 6 주째의 암모니아 및 아민의 농도에 비해 큰폭으로 (약 1/8) 감소되어 있었다. 반응 초기 (처리 개시 후 제 1 주째 이후) 보다, 실시예 1 에 관련된 각 가스의 농도가 비교예 1 에 관련된 각 가스의 농도에 비해 큰폭으로 감소되어 있었다. 메르캅탄은 비교예 1 에 있어서 8ppm 이상으로 고농도로 검출되었지만, 실시예 1 에 있어서는 검출되지 않았다. 이상의 결과로부터, 실시예 1 에 있어서는 악취 성분을 발효 처리 초기보다 큰폭으로 감소시킬 수 있는 것을 알았다.

<온난화 가스의 농도>

실시예 1 및 비교예 1 에 있어서, 처리 개시 후 2, 4 및 6 주째의 각 퇴비로부터 발생하는 온난화 가스로서의 메탄 가스 및 일산화 2질소의 농도를 측정하였다. 구체적으로는, 퇴비에 가스 방출 측정용 챔버를 설치하고, 발생한 가스를 테드라백에 채취하였다. 메탄 가스의 농도의 측정을, 가스 크로마토그래프 (주식회사 시마즈 제작소 GC-14A), 및 칼럼 (PorapackQ-S 60/80 mesh 2.1m×2.6㎜) 을 이용하여 실시하였다. 일산화 2질소의 농도의 측정을, 가스 크로마토그래프 질량 분석계 (주식회사 시마즈 제작소 QP-5000), 및 칼럼 (Pora Plot 27.5m×0.32㎜) 을 이용하여 실시하였다. 그들의 측정 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 의 퇴비에서는 일산화 2질소의 농도가 처리 과정에 있어서 서서히 감소하고, 처리 개시 후 6 주째에는 대기 중의 농도와 동일 레벨인 0.3ppm 이 되었다. 실시예 1 의 퇴비에서는, 처리 개시 후 2 주째 이후, 메탄 가스의 농도가 검출 한계 (5ppm) 이하였다. 한편, 비교예 1 에 있어서는, 처리 개시 후 6 주째에 있어서도 메탄 가스가 10ppm 검출되고, 일산화 2질소는 실시예 1 과 비교하여 약 10 배 가깝게 발생하고 있었다. 이상의 결과로부터, 실시예 1 에서 사용되는 지오바실루스.서모데니트리피컨스를 함질소 바이오매스의 퇴비화에 사용함으로써, 지구 온난화 가스인 메탄 가스 및 일산화 2질소의 발생을 큰폭으로 억제할 수 있는 것을 알았다.

<퇴비의 완숙도>

종자의 발아수와 줄기의 신장을 측정하는 발아 인덱스법을 사용한 퇴비의 부숙도 (腐熟度) 에 기초하여 퇴비의 완숙도를 나타냈다. 가축 배설물의 처리에 의해 얻어진 퇴비가 작물의 퇴비로서 사용되는 경우, 안전성이 중요하다. 가축의 배설물에는 유해한 유기물, 잡초의 종자 등이 포함되므로, 퇴비가 안전하게 사용되기 위해서는 퇴비의 부숙도를 향상시킬 필요가 있다. 부숙도란, 토양 및 작물의 환경 악화를 초래하지 않는 정도, 또한 작물의 생육에 적합한 상태까지, 유기물을 미생물 등의 작용에 의해 분해한 정도를 나타낸다. 즉, 유기물이 상기 정도 및 상태까지 분해되었을 때가 부숙의 종료시 (완숙) 이고, 유기물이 상기 정도 및 상태를 향해 분해될 때까지의 부숙 과정을 부숙도라고 한다. 작물의 생육에 적합한 상태란, 예를 들어 (1) 수분이 감소하고, 오물감 및 악취가 없어서 취급성이 향상되어 있는 것, (2) 유해한 미생물 및 병원균, 잡초의 종자가 사멸되어 있는 것, 및 (3) 유해한 유기 제(諸)성분이 분해되어 있어, 그들의 유해 작용 및 가스해가 경감되어 있음으로써 달성된다.

부숙도는, 발아 인덱스 키트 (SK 식 유식물 재배 키트) (후쿠오카현 리사이클 종합 연구 센터 설립 품질 지표 연구회) 를 이용하여 하기 식에 의해 나타낸다.

GI=G/Gc×L/Lc×100 (%)

상기 식에 있어서, GI 는 발아 인덱스를 나타내고, G 는 퇴비 추출액에서의 발아수를 나타내고, Gc 는 증류수에서의 발아수를 나타내고, L 은 퇴비 추출액에서의 줄기 길이를 나타내고, Lc 는 증류수에서의 줄기 길이를 나타낸다.

퇴비 추출액으로서, 각 동결 건조 퇴비 0.6g 에 비등수 20㎖ 를 첨가하고, 30 분간 진탕한 후의 여과액을 사용하였다. 발아 인덱스 키트를 이용하고, 각 퇴비 추출액 중에서 소송채의 종자 (15 알갱이) 를 4 일간 생육한 후, 발아수 및 줄기 길이를 측정하였다.

퇴비의 완숙도의 판정을 이하의 기준에 따라 실시하였다. 즉, 발아 인덱스 (GI) 가 69% 이하인 경우를 미숙 퇴비로 판정하고, 70∼99% 인 경우를 중숙 퇴비로 판정하고, 100% 이상인 경우를 완숙 퇴비로 판정하였다. 평가 결과를 표 3 에 나타낸다.

표 3 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 에서는 처리 개시 후 2 주째에 있어서 이미 완숙 퇴비가 되고, 처리 개시 후 4 주째 이후에 있어서 발아 인덱스의 값이 170 이상이 되었다. 한편, 비교예 1 에서는 처리 개시 후 6 주째에 있어서도 중숙 퇴비였다. 이상의 결과로부터, 비교예 1 에 관련된 처리에서는, 함질소 바이오매스가 퇴비로서 사용되는 경우, 실시예 1 에 비해 장기간의 처리가 필요한 것을 알았다.

<퇴비 성분의 분석>

퇴비 중의 성분 중, 질소 (N), 탄소 (C), 인산 (P₂O₅), 산화칼륨 (K₂O) 및 염소 (Cl) 의 퇴비에 있어서의 비율과, 퇴비를 정제수에 1:10 으로 용해하여 조제한 용액의 pH 및 EC (전기 전도도) 를 측정하였다. 이들 측정을, 비료 분석법 (일본의 농림 수산성 농업 환경 기술 연구소법) 에 따라 실시하였다. 전체 질소 (N) 의 비율을 디바다 합금-황산법을 이용하여 측정하였다. 탄소 (C) 의 비율을 2크롬산 산화에 의한 유기 탄소의 정량법을 이용하여 측정하였다. 인산 (P₂O₅) 의 비율을 퀴놀린 중량법을 이용하여 측정하였다. 산화칼륨 (K₂O) 의 비율을 테트라페닐붕산나트륨 중량법을 이용하여 측정하였다. 염소 (Cl) 의 비율을 질산은법을 이용하여 측정하였다. 상기 용액의 pH 를 유리 전극을 이용하여 측정하였다. 상기 용액의 EC 를 전기 전도율계를 이용하여 측정하였다. 그들의 측정 결과를 표 4 에 나타낸다.

표 4 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 에 있어서, 퇴비의 pH, EC 및 질소의 비율은 경시적으로 감소 경향에 있었다. 한편, 비교예 1 에 있어서, pH, EC 및 질소의 비율은 경시적으로 증가 경향에 있었다.

<퇴비 오탁수의 저감 효과>

실시예 2 에서는 함질소 바이오매스로서 비육우분을 사용하고, 실시예 3 에서는 함질소 바이오매스로서 젖소분 (乳牛糞) 을 사용한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 퇴비화 처리 (6 주일) 를 실시하였다. 비교예 2 에서는, 함질소 바이오매스로서, 일본의 나스 목장산 우분을 사용하여 제조된 시판품 퇴비를 사용하였다. 비교예 3 에서는, 함질소 바이오매스로서 일본의 와다 목장산 우분을 사용하여 제조된 시판품 퇴비를 사용하였다. 비교예 4 에서는, 함질소 바이오매스로서 우분을 사용하여 제조된 주식회사 미키사 제조의 퇴비를 사용하였다. 각 퇴비를 1g 칭량하여 정제수 100㎖ 에 현탁시켰다. 이어서, 현탁액을 격렬하게 교반한 후 30 분간 정치하고, 상청을 회수하여 그 흡광도를 각 파장에서 측정하였다. 측정 결과를 표 5 에 나타낸다.

표 5 에 나타내는 바와 같이, 실시예 2, 3 에 있어서는, 600㎚ (오렌지) 에서 700㎚ (적색) 에 걸쳐 흡광이 거의 관찰되지 않았다. 이 결과로부터, 지오바실루스속의 미생물에 의해 처리된 각 실시예에 있어서는, 퇴비로서 논밭에 시비 (施肥) 되었다고 해도, 빗물에 의해 유출되는 퇴비 오탁수 (다수) 를 저감시킬 수 있는 것을 알았다. 한편, 우분을 사용하여 제조된 각 비교예의 퇴비는, 각 실시예와 비교하여 각 파장에 의한 흡광도가 높았다.

<방선균의 증식 효과>

실시예 4 에서는 함질소 바이오매스로서 비육우분을 사용하고, 실시예 5 에서는 함질소 바이오매스로서 젖소분을 사용하고, 각 실시예에 있어서 함질소 바이오매스에 이탄을 소량 첨가한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 퇴비화 처리 (6 주일) 를 실시하였다. 비교예 5 에서는, 함질소 바이오매스로서 일본의 코가 목장산 우분을 이용하여 제조된 시판품 퇴비를 사용하였다. 실시예 4, 5 및 비교예 2∼5 의 퇴비 1g 을 15㎖ 용량의 멸균이 끝난 스피츠에게 칭량하여 취하고, 0.1% Tween20 첨가 펩톤 식염 완충액 (일본 약국방) 10㎖ 를 첨가하여 현탁시켰다. 이어서, 현탁액을 격렬하게 교반함으로써 각 퇴비 샘플에 함유되는 미생물을 용출시키고, 평판 도말법에 의해 건물 (乾物) 1g 중의 미생물수 (cfu) 를 구하였다. 호기성 세균 검출용으로서 보통 한천 배지를 이용하고, 혐기성균 검출용으로서 GAM 한천 배지를 이용하고, 방선균 검출용 배지로서 HV 한천 배지를 사용하였다. 중온균으로서, 30℃ 의 배양 온도에서 증식하는 세균을 검출하였다. 고온균으로서, 65℃ 의 배양 온도에서 증식하는 세균을 검출하였다. 그들 결과를 표 6 에 나타낸다.

표 6 에 나타내는 바와 같이, 실시예 4, 5 에서는, 고온 방선균 (예를 들어, 서모악티노마이세스 등) 이 비교예 2∼5 와 비교하여 많이 존재하고 있었다. 호기성 고온균에 대해 각 실시예가 각 비교예에 비해 많이 존재하고 있는데, 이것은 종균에서 유래되는 것이다. 따라서, 지오바실루스속의 미생물을 이용하여 퇴비화 처리를 실시함으로써, 서모악티노마이세스 등의 방선균을 증식시킬 수 있는 것을 알았다.

<질산염의 이용>

지오바실루스속의 미생물의 질산 제거율 및 전체 질소 제거율을 측정하였다. 실시예 6 으로서 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (수탁 번호 NITEB BP-157, 질산염 환원능 +, 탈질능 +) 를 사용하고, 비교예 6 으로서 지오바실루스.스테아로서모필루스 (수탁 번호 ATCC7953, 질산염 환원능 +, 탈질능 -) 를 사용하였다. 비교예 6 에 있어서 사용된 지오바실루스.스테아로서모필루스 (수탁 번호 ATCC7953) 는 탈질능을 갖고 있지 않지만, 지오바실루스.스테아로서모필루스에는 탈질능을 갖고 있는 것도 있다. 먼저, 트립톤 (Difco) 10g, 질산칼륨 2g, 및 정제수 1ℓ (pH7.5) 로 이루어지는 배지에 각종 균을 접종하고, 65℃ 에서 12 시간 혐기 배양을 실시하였다. 질산 농도를 비색법 (로슈 : Cat No.1 746 081) 에 의해 정량하고, 전체 질소량을 켈달법에 의해 분석하였다. 배양 전과 배양 후의 질산 농도 및 전체 질소량을 각각 측정함으로써, 질산 제거율 및 전체 질소 제거율을 구하였다. 측정 결과를 표 7 에 나타낸다.

표 7 에 나타내는 바와 같이, 실시예 6 에서는 질산 제거율이 100% 이고, 전체 질소 제거율이 15.3% 이었다. 한편, 비교예 6 에서는 질산 제거율이 100% 이었는데, 전체 질소 제거율이 1.2% 이었다. 지오바실루스.서모데니트리피컨스는 혐기 상태 및 질산 이온의 존재하에서 증식할 수 있고, 이 때 에너지를 획득한다. 그 때문에, 질산이 아질산 (질산염 환원능) 으로 환원되고, 또한 아질산이 암모니아, 일산화질소, 일산화 2질소, 및 질소 가스까지 분해되어 대기 중에 방출되는 것으로 추찰되었다. 즉, 상기 평가 방법에 의해, 지오바실루스.서모데니트리피컨스는 탈질 기능을 갖는 것이 확인되었다. 한편, 지오바실루스.스테아로서모필루스는 질산염 환원능을 갖고 있는데, 탈질 기능을 갖고 있지 않으므로, 총 질소량은 감소되지 않는다. 체내에 도입된 질산염은 암모니아로 변환되고, 글루타민산, 글루타민, 아스파라긴 등의 아미노산의 합성에 이용되는 것으로 사료된다.

<계분 (鷄糞) 처리 (암모니아태 질소)>

가축의 배설물 (계분) 을 함질소 바이오매스로서 사용하고, 실시예 7 및 비교예 7 의 퇴비화 처리를 실시한 경우에 있어서의 함질소 바이오매스 중의 고온균수, 유기질의 분해율, 암모니아태 질소의 함유량 (건물 100g 중), 악취 가스의 농도, 및 온난화 가스의 농도를 경시적으로 측정하였다. 채란용 닭의 배설물 및 톱밥의 합계 50㎥ 중에 각종 균을 10㎥ 첨가하여 처리 반응을 개시하였다. 실시예 7 의 종균으로서, 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (Geobacillus thermodenitrificans, 수탁 번호 NITEB BP-157) 를 사용하였다. 비교예 7 의 종균으로서, 주로 Canocytophaga sp. 를 포함하는 「리사이클 퇴비」 제조용 종균 (토요하시 사료 주식회사, 도 2 의 (5) 참조) 을 사용하였다. 1 차 발효조에서 3 일간 분해 처리를 실시하고, 그것 이후에는 블로어가 부착된 레인식 발효조에서 24 일째까지 분해 처리를 실시하였다.

고온균수로서, 보통 한천 배지를 이용하여 65℃ 의 배양 온도에서 증식하는 세균수를 실시예 1 과 동일한 방법에 의해 구하였다. 악취 가스의 농도 및 온난화 가스의 농도를, 실시예 1 과 동일하게 검지관 및 가스 크로마토그래프를 각각 이용하여 측정하였다. 「퇴비 등 유기물 분석법」 (일본의 재단 법인 일본 토양 협회편) 에 기재된 방법에 따라 유기질의 건조율을 측정하고, 그 절건율 (絶乾率) 로부터 유기물량을 구하여 퇴비화 처리 전과 비교하고, 어느 정도의 유기물이 퇴비화 공정에서 감소되었는지를 구하였다. 「퇴비 등 유기물 분석법 Ⅱ 성분 분석법」 (일본의 재단 법인 일본 토양 협회편) 에 기재된 방법에 따라, 인도페놀청법을 이용하여 암모니아태 질소의 농도를 측정하였다. 그들의 결과를 표 8 에 나타낸다.

표 8 에 나타내는 바와 같이, 실시예 7 에 관련된 처리 개시 후 3 일째의 계분 중의 암모니아 농도는, 비교예 7 에 관련된 처리 개시 후 3 일째의 계분 중의 암모니아 농도와 비교하여 약 1/4 로 억제되어 있었다. 처리 개시 후 4 일째 이후에도, 실시예 7 에 관련된 암모니아 농도는 비교예 7 의 암모니아 농도의 절반 이하로 억제되어 있었다. 이상의 결과에 의해, 지오바실루스속의 미생물을 이용하여 퇴비화 처리를 실시함으로써, 퇴비 중의 암모니아 농도도 감소시킬 수 있는 것을 알았다.

실시예 7 의 결과와 비교예 7 의 결과의 비교에 의해, 유기질의 분해 촉진 효과와, 악취 가스 및 온난화 가스 성분의 발생 억제 효과에 관해서 실시예 7 이 비교예 7 보다 우수한 것이 확인되었다. 또, 실시예 7 의 고온균수가 비교예 7 의 고온균수보다 많았다.

0-1 0-1-1	양식 PCT/RO/134(SAFE) 이 기탁된 미생물 또는 그 밖의 생물 재료에 관한 표시 (PCT 규칙 13 의 2) 는, 우측 기재에 따라 작성되었다.	JP0-PAS 0340
0-2	국제출원번호
0-3	출원인 또는 대리인의 서류 기호	P3P2007036
1 1-1	하기 표시는 발명의 상세한 설명 중에 기재된 미생물 또는 생물 재료와 관련되어 있다. 단락 번호	0018
1-3 1-3-1 1-3-2 1-3-3 1-3-4	기탁의 표시 기탁 기관의 명칭 기탁 기관의 주소 기탁일 수탁 번호	NPMD (독)제품 평가 기술 기반 기구 특허 미생물 기탁 센터 (NPMD) 일본국 292-0818 치바현 키사라즈시 카즈사카마타리 2-5-8 2005 년 12 월 26 일 (26.12.2005) NPMD NITE BP-157
1-5	이 표시를 행하기 위한 지정국	모든 지정국
수리관청 기입란
0-4	이 용지는 국제출원과 함께 수리하였다 (예/아니오)
0-4-1	권한이 있는 직원
국제 사무국 기입란
0-5	이 용지가 국제 사무국에 수리된 날
0-5-1	권한이 있는 직원

Claims

함질소 바이오매스에, 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물 및 그 지오바실루스속의 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 발효를 촉진하는 발효 촉진재를 배합하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 지오바실루스속의 미생물의 최적 생육 온도 범위는 50∼70℃ 인 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 지오바실루스속의 미생물의 최적 생육 pH 범위는 pH6∼8 인 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물은, 일본의 독립 행정 법인 제품 평가 기술 기반 기구 특허 미생물 기탁 센터에 2005 년 12 월 26 일에 기탁된 지오바실루스.서모데니트리피컨스 (수탁 번호 NITE BP-157) 인 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 발효 촉진재는, 다당류 분해 효소 및 유기질 자재에서 선택되는 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 다당류 분해 효소는, 셀룰라아제, 자일라나아제 및 펙티나아제에서 선택되는 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 유기질 자재는, 깻묵 가루, 쌀겨, 밀기울, 콘스팁 리커, 흑설탕, 대두유박(粕), 육박 (肉粕), 건혈분 (乾血粉), 치킨밀, 어박 (魚粕), 가다랑어포를 끓인 후의 찌꺼기, 번데기박, 효모 엑기스박, 및 맥주박에서 선택되는 적어도 1 종인 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 함질소 바이오매스는, 가축의 배설물 및 하수 잉여 오니에서 선택되는 적어도 1 종을 함유하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 배합 공정은, 그 배합 공정이 완료되기까지 1 회 또는 2 회 이상의 공기 혼입 작업에 의해 상기 함질소 바이오매스에 산소를 공급하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 배합 공정에 있어서, 함질소 바이오매스에 이탄(泥炭)이 추가로 배합되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 처리 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 바이오매스 처리 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 퇴비.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 바이오매스 처리 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 축산용 멀칭(mulching) 재료.
함질소 바이오매스의 처리에 이용되고, 탈질 기능을 갖는 지오바실루스속의 미생물, 및 그 지오바실루스속의 미생물에 의한 함질소 바이오매스의 발효를 촉진하는 발효 촉진재를 함유하는 것을 특징으로 하는 바이오매스용 처리제.