KR20080095219A - 연작토양 방제비료 - Google Patents

Abstract

토양 중에서 발효되면서 토양 중의 병원성 미생물을 방제한 후, 퇴비로 전환되는 연작토양 방제비료로서, 밀기울과 압출시킨 발효 팽연화 왕겨를 주된 재료로 하고, 효모와 클로스트로디움 속 배양물을 2% 이상 포함하는 비료.

Description

연작토양 방제비료 {organic fertilizer with function curing continuously cultivated soil}

토양 중에서 발효되면서 토양 중의 병원성 미생물을 방제한 후, 퇴비로 전환되는 연작토양 방제비료의 제조가 가능하며, 높은 토양소독의 효과와 이후 퇴비로서의 성능을 모두 가지게 하는 것도 가능하다. 본 발명에 의한 비료를 사하면 토양 중에서 호기-혐기-호기로 이어지는 3회의 순환발효가 일어나며, 이중 처음 두 번의 발효가 일관되게 산성 반응환경에서 진행될 때 완전한 토양소독의 효과가 나타난다. 그리고 각 발효단계에서 초기에 효모와 클로스트로디움을 소량 접종함으로써 보다 확실하게 토양소독의 효과를 얻을 수 있다. 또한 본 발명은 셀룰로오스와 리그닌의 복합체와 같이 비효기간이 길지만 비효가 낮은 물질과 인, 질소원 등이 풍부하지만 비효기간이 짧은 재료를 혼합한 뒤 압출을 시키는 방법으로 화학적인 변화를 일으켜 비효가 높고 비효기간이 연장된 새로운 재료를 만들어 비료로 한다.

시설원예재배는 노지 재배와는 달리 환경을 어느 정도 인위적으로 조절할 수 있는 비닐하우스 등의 내에서 연중 재배를 하는 특성을 가진다. 이러한 연작은 토양 중의 병원성 미생물을 누적적으로 증가시키므로, 통상 년 1회의 정기적인 토양소독을 한다.

널리 쓰이는 화학적 토양소독법은 토양 중에 일정한 간격으로 구멍을 뚫고 농약을 넣은 다음, 지표를 일정 기간 비닐로 덮어 토양소독을 하고, 비닐을 걷어 농약을 대기 중으로 휘산시키는 방법이다.

친환경적인 토양소독법으로는 유일하게 2006년 우리나라 농업진흥청에서 소개되어 공지의 사실로 된 밀기울에 의한 토양소독법이 있으며, 토양소독의 효과가 농약을 능가할 정도이며 처리 후 퇴비로 전환되는 이점이 있어서, 이 방법을 사용하는 지역이 빠르게 확산되고 있다. 처리 방법은 농약과 유사하여 밀기울을 지표에 뿌린 후 경운하여 토양 속으로 혼합하고, 지표를 일정 기간 비닐로 덮어 밀기울을 혐기 발효시키면 이 과정에서 자연적으로 토양소독이 된다. 이후 비닐을 걷으면 호기 발효가 진행되어 퇴비가 만들어지는 점이 농약과 다르다.

본 발명은 현행의 밀기울에 의한 토양소독법을 출발점으로 하여, 토양소독의 효과와 비료로서의 기능을 향상시켜 친환경적인 연작토양 방제비료를 고안한 것이다. 현행의 밀기울에 의한 토양소독법은 기능상의 중대한 약점을 가지는데, 첫째로 토양소독이 실패하는 경우가 농약을 사용할 때보다 빈번하게 발생하며, 둘째로 만들어지는 퇴비의 비효기간이 짧다.

본 발명에 의한 연작토양 방제비료에는 보다 확실한 토양소독 효과의 발현을 위하여 적절한 촉진제가 첨가되며, 비효기간의 연장 및 비효의 유지를 위하여 밀기울 외의 재료가 보강되며, 특별한 가공 방법이 사용된다.

본 발명에 의한 연작토양 방제비료는 토양 중에서 발효를 하도록 불완전하게 부숙된 성분이 재료에 포함되므로 제품의 조성과 성상이 일반 부숙 퇴비와 크게 구분이 되며, 함유된 미생물의 조성이 일반 미생물제제와는 다르며 작용 기능 또한 촉매 기능으로 일반 미생물제제와는 다르다.

1. 유기산

현행의 밀기울에 의한 토양소독법은 그 효과의 발현 과정이 명확하게 규명되어 있지 않으나, 밀기울이 토양 중에서 발효되는 과정에서 자연히 형성되는 혐기 상태 및 자연히 생성되는 유기산 그리고 자연적으로 천이를 거듭하는 미생물의 복합적인 작용의 결과로 토양소독이 이루어지는 것으로 추측한다.

본 발명에 선행하여 출원한 본인의 발명 (출원번호 10-2008-0025706 , 대한민국)은 용출 시한이 조절된 유기산 과립을 직접 비료에 포함시키는 것을 주 내용으로 하며, 본 발명에 선행하여 출원한 본인의 발명 (출원번호 10-2006-0088286, 대한민국)은 유기산의 생성을 촉진하기 위하여 당화효소 등을 포함시키는 것을 주 내용으로 한다.

좀 더 깊은 관찰에 의하여 현행의 밀기울에 의한 토양소독법에서는 토양 중에서 호기-혐기-호기로 이어지는 3회의 순환발효가 일어나며, 이중 처음 두 번의 발효가 일관되게 산성 반응환경에서 진행될 때 완전한 토양소독의 효과가 나타나는 것을 알게 되었다. 각 발효 단계에서 알칼리성 반응환경이 조성되거나 산성 반응환경이 늦게 조성되는 이상 발효의 경우들이 간혹 발견이 되는데, 이때에는 토양 소독의 효과가 일정하지 않았다. 현행의 밀기울에 의한 토양소독의 효과 수준은 후사리움이나 파이토프쏘라의 경우 99.9% 이상이 박멸되는 것으로 소개되고 있는데, 간혹 이상 발효에 의하여 90% 대로 효과가 떨어진다는 것은 병원성 미생물의 기준에서 볼 경우 토양소독 직후의 생존율이 100배 이상 차이가 날 수 있음을 의미한다.

반복되는 실험을 통하여 반응환경은 재료 및 토양 고유의 특성과 종류에도 영향을 받지만, 각 발효단계에서 초기에 적절한 미생물을 소량 접종함으로써 반응환경을 상당한 정도까지 통제할 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명에서는 중량비 2% 정도의 소량의 효모와 클로스트로디움 속 배양물을 산성발효 촉진제로 첨가하여 산성 반응 환경이 보다 확실하게 조성되게 한다.

효모는 첫 단계의 호기 발효가 산성 반응 환경에서 진행되도록 촉진하는 개시 촉매의 역할을 하여, 곧이어 출현하는 다른 미생물들이 본격적으로 산성 반응 환경을 조성하게 한다. 이에 반하여 젖산균은 스스로 산성 반응 환경을 조성하지만 촉매의 역할이 약하여 다른 미생물의 활성이 크게 증가하지 않는다. 클로스트로디움 속은 두 번째 혐기발효 단계에서 활발히 유기산을 생성하지만 증식 속도가 느려 생장준비 기간이 필요한데, 효모를 접종할 경우 조기에 활성화되어 별도의 생장준비 기간이 필요없게 된다. 그리고 효모와 클로스트로디움 속은 동시 배양이 가능하며, 배양물은 분말 상태로 보관이 가능한 이점이 있다.

그리고 본 발명은 본인에 의해 선행 출원된 발명들 (출원번호 10-2008 -0025706, 10-2006-0088286, 대한민국)을 한층 개선한 것으로서, 효모와 클로스트로디움 속의 배양물을 비료에 첨가하여 토양소독에 이용함으로써 공정이 간단하여 제조 비용이 절감되며, 토양소독 효과는 더욱 확실하게 해 준다.

2. 비효와 비효기간

시설원예재배의 경우 토양의 소독을 년 1회 하는 점을 고려할 때, 이상적인 퇴비는 비효기간이 1년 정도 유지되어야 바람직하다. 그리고 적어도 비효기간 동안에는 비효가 지속적으로 높고, 토양의 입단화 및 물리.화학성이 좋은 상태로 유지되어야 바람직하다.

좋은 비료는 토양을 구운 빵과 같이 푹신하고 물빠짐과 통기성이 좋게 유지시키며, 작물이 필요로 하는 무기 영양분을 풍부하게 가지고 있으면서 작물이 생장하는 기간동안 일정한 속도로 분해되어야 바람직하다. 토양의 입단이 통기성이 좋으면서 수축되어 붕괴되지 않고 장기간 물리적인 구조를 유지하려면, 퇴비 또한 장기간 물리적인 구조를 유지하면서 서서히 분해되는 난분해성 복합체를 가지는 것이 바람직하다. 그리고 난분해성 복합체는 내부에 많은 공극을 가지면서 질소나 인 등 무기원소의 함량이 높아야한다.

밀기울은 셀룰로오스와 리그닌 복합체가 적은 재료로서 토양 중에서 수 개월 이내 에 완전히 분해되어 비효는 좋으나 비효 기간이 짧고, 비효 기간 이후 토양의 물리.화학성이 급격히 감퇴되는 약점을 가진다. 톱밥 등 목질을 구조체로 하는 퇴비는 질소 및 인 등의 영양원소가 부족할 뿐 아니라, 표면만 부숙되어 있어서 재료 전체로는 유기물이 불규칙적으로 집중 분해되어 작물에 해를 끼치는 약점을 가진다. 왕겨 및 보릿겨 또한 목질처럼 셀룰로오스와 리그닌 복합체가 치밀한 구조를 하고 있어서 미생물이 분해하기 어려우나, 다행히 팽연화시키는 방법으로 어느 정도 구조를 약화시킬 수 있다. 왕겨 및 보릿겨를 팽연화시키는 팽연화장치는 상업적인 구득이 용이하다.

팽연화시킨 왕겨 및 보릿겨를 부숙시킨 후 토양 중에 투입하면 10개월 정도에 걸쳐 지속적으로 서서히 분해되며, 이 기간 동안 토양의 물리.화학성을 양호한 상태로 유지하는 좋은 특성을 보인다. 그러나 팽연화시킨 왕겨 및 보릿겨의 난분해성 복합체는 주로 셀룰로오스와 리그닌으로 구성되어 질소, 인 등의 영양염이 부족하다.

인, 질소원 등이 풍부하지만 비효기간이 짧은 재료를 팽연화 왕겨 또는 보릿겨와 단순히 혼합하는 방법으로는 비효기간이 연장되지 않는다. 인, 질소원 등이 풍부하면서 비효기간이 긴 재료를 찾기란 쉬운 일이 아니다.

본 발명은 셀룰로오스와 리그닌의 복합체와 같이 비효기간이 길지만 비효가 낮은 물질과 인, 질소원 등이 풍부하지만 비효기간이 짧은 재료를 혼합한 뒤 화학적인 반응을 일으켜 비효가 높고 비효기간이 연장된 새로운 재료를 만들어낸다.

좀 더 구체적으로 본 발명은 셀룰로오스와 리그닌의 복합체와 단백질의 혼합물을 압출시키는 방법으로 화학적인 개질을 하며, 단백질 재료로서 셀룰로오스와 리그닌의 복합체의 표면에서 발효시켜 증식시킨 미생물을 사용한다.

팽연화시킨 왕겨, 보릿겨, 볏짚, 보릿짚, 밀짚 등의 섬유질이 풍부한 물질을 밀기울, 맥주박, 두부박, 미강, 옥분, 깻묵, 유박 또는 계분, 축분뇨 등 영양분이 풍부한 물질과 혼합하여 호기 또는 혐기 발효시키면 셀룰로오스와 리그닌 복합체는 일부 구조가 파괴되고 구성 물질이 분해되어 내부에 많은 수의 공극들을 가지게 되며, 셀룰로오스와 리그닌 복합체와 공극들의 표면에 기질 그람 당 107 내지 1010 개 정도로 많은 수의 미생물이 부착하여 분해활동을 계속하게 되며, 많은 량의 저분자 유기물이 존재한다. 이러한 반부숙 상태에 있는 팽연화 왕겨 및 보릿겨에 밀기울을 적절한 비율로 혼합하여 점성을 조절 하고, 110℃ 내지 130℃ 정도로 낮은 온도를 유지하면서 최대 10분의 범위 내에서 일축 또는 이축 압출기로 압출을 하여 재료를 화학적으로 개질시킨다.

압출을 하는 초기에 산소와 수분 그리고 가스화된 유기물의 급격한 방출이 이루어지며 재료 입자들 간의 공간 또한 급격히 감소한다. 온도가 110℃ 정도가 되면 압 출기 내부에는 수분과 산소가 억제된 고온 반응계가 형성되어 복잡한 변화가 진행된다. 미생물은 셀룰로오스와 리그닌 복합체의 표면에 부착된 상태에서 활성을 잃고 수분의 감소로 여러 층으로 포개어져 막을 형성한다. 121℃에서 130℃ 정도에서는 미생물 생체 구성 단백질의 부분 분해가 활발해지며, 밀기울 그리고 반부숙 퇴비에 포함된 탄소수가 30 개 미만의 분자량이 작은 탄소 유기물과 전분이 잔존 수분과 함께 유체의 특성을 띠며, 헤미셀룰로오스의 일부와 함께 부분 분해가 시작된다. 그러나 셀룰로오스 등 섬유소는 각종 작용기의 활성이 높아지지만 구조 자체는 여전히 안정하다.

따라서 압출기 내부에서는 짧은 시간 동안에 저분자 물질의 분해와 가수분해 반응이 한편으로 진행되면서, 다른 한편으로 중합반응이 진행된다. 중합반응은 극히 인접한 거리에 있는 반응기들 간에 짧은 시간에 불완전하게 일어난다. 퇴비에 부착된 미생물은 각각 분리된 단세포 단백질로 거동하여 열에 의한 탈수 및 압력에 의한 변형으로 세포의 일부가 무질서하게 분해되면서 인접한 다른 미생물, 왕겨 및 보릿겨와 축중합 또는 그라프트 접합되어 불용성 거대 고분자로 변환한다. 이때 미생물의 세포질 내부에 있던 수용성 성분의 대부분은 미생물 체내에 그대로 남는다. 결과적으로 왕겨 및 보릿겨의 셀룰로오스와 리그닌 복합체는 수용성 광물염을 풍부하게 저장한 단백질과 접합되어 질소 함유량이 높은 퇴비의 구조체로 개질된다.

본 발명의 압출개질 방법을 적절히 또는 반복적으로 사용하여 난분해성 셀룰로오스와 리그닌 복합체의 질소나 인 등의 무기영양원소 함유량을 원하는 수준까지 얼마든지 높일 수 있다.

완전 부숙된 퇴비를 농축된 활성 슬러지와 기타 점도 조절물을 혼합하여 압출 개질하는 것이 가능하다. 또한 분쇄한 팽연화 왕겨 및 보릿겨 자체를 대두단백이나 난단백, 깻묵이나 유박, 전분 또는 계분, 축분뇨 등을 혼합하여 발효를 시키지 않고도 압출개질하는 것이 가능하다. 다만 연작토양 방제비료로서의 효과는 불충분하다.

많은 경우에 0.1% 정도로 소량의 인산염을 혼합하거나, 소량의 글리옥살산, 아디프산 등의 가교제를 첨가하거나, 요소, 멜라민 수지 등의 복수의 반응성기를 가지는 물질을 첨가하여 개질 중합 반응의 촉진 효과를 얻을 수 있다. 또한 탄닌 또는 리그닌 등 반응 저해물질을 혼합하여 압출함으로써 역으로 재료의 분해를 지연시키도록 개질할 수도 있다. 인공 피트모스의 설계 또한 압출개질하는 방법으로 가능하다.

Claims (2)

1. 호기 또는 혐기 발효를 통하여 서식하는 미생물의 밀도가 기질 그람 당 105 개 이상이 된 팽연화 왕겨, 보릿겨, 볏짚, 보릿짚, 밀짚, 밀기울, 맥주박 등을 90℃ 내지 150℃ 이하의 온도 범위에서 30분 이내의 시간동안 압출시킨 재료를 중량비로 5% 이상 포함하는 유기질비료 또는 퇴비. 인산에스테르, 글리옥살산, 아디프산 등의 촉진제 또는 가교제 등을 첨가할 수도 있으며, 압출 시 부재료로서 혼합 후의 중량비가 50% 미만이 되도록 밀기울, 맥주박, 두부박, 미강, 옥분, 계분, 축분뇨 등이 포함된 재료를 혼합할 수도 있다.
2. 효모 배양물과 클로스트로디움 속 미생물을 각각 기질 그람 당 104 개 이상의 농도로 배양시킨 배양물을 합산 중량비로 2 % 이상, 그리고 밀기울을 중량비로 5% 이상 포함하는 유기질비료 또는 퇴비.