Influence of microbial consortia on the mitigation of greenhouse gas emissions during the automated composting of organic waste

매일 도시와 시장에서는 산더미 같은 과일 껍질, 채소 찌꺼기, 그리고 기타 유기성 폐기물이 발생합니다. 매립지에 버려져 부패하게 된 이 물질들은 대기 중에 열을 가두는 강력한 가스 혼합물을 만들어내며 기후 변화에 기여합니다. 이 폐기물을 처리하는 가장 오래되고 효과적인 방법 중 하나는 퇴비화인데, 이는 자연의 작은 일꾼들인 박테리아, 균류, 효모가 썩어가는 물질을 영양가 높은 검은 흙으로 분해하는 과정입니다. 하지만 이 유익한 과정조차도 퇴비 더미가 얼마나 잘 관리되느냐에 따라 이산화탄소와 메탄과 같은 온실가스를 배출할 수 있습니다. 성공적인 퇴비화의 핵심은 세 가지 요소의 균형을 맞추는 데 있습니다. 즉, 축축하지 않을 정도로 촉촉하게 유지하고, 충분한 공기가 공급되도록 하며, 적절한 온도를 유지하는 것입니다. 이 조건들이 완벽할 때 미생물들은 효율적으로 작동하여 유해한 배출을 최소 최소화하면서 폐기물을 비료로 바꿉니다. 그러나 이 균형이 깨지면 과정이 느려지거나 원치 않는 가스를 생성할 수 있습니다. 과학자들은 시작 단계에서 도움이 되는 특정 미생물을 보충하는 것이, 특히 환경이 자동으로 제어되는 기계 내부에서 수행될 때, 이 과정을 더 깨끗하고 빠르며 예측 가능하게 만들 수 있는지 오랫동안 연구해 왔습니다.

에콰도르의 연구진은 이 아이디어를 테스트하기 위해 특수 제작된 자동화 퇴비화 기계를 사용하여 실험을 진행했습니다. 그들은 두 개의 동일한 챔버를 가진 시스템을 구축했는데, 각 챔버에는 영양소의 균형을 맞추기 위해 잘게 부순 시장 폐기물을 다른 유기물과 혼합하여 23kg씩 담았습니다. 한쪽 챔버에는 알타미사(Altamisa)라는 식물에서 추출하여 활성을 유지하기 위해 밀기울에 고정시킨 특수한 유익 미생물 혼합물을 투입했습니다. 이 혼합물에는 질긴 식물 섬유와 당분을 분해하는 것으로 알려진 다양한 박테리아와 효모가 포함되었습니다. 다른 쪽 챔버에는 아무것도 첨가하지 않았으며, 이는 폐기물이 스스로 어떻게 반응하는지 확인하기 위한 대조군 역할을 했습니다. 기계는 자연스러운 퇴비화 주기를 모방하도록 설계되었으나 정밀한 제어가 가능했습니다. 기계는 산소를 공급하기 위해 하루에 네 번 폐기물을 회전시켰고, 센서를 사용하여 더미 내부의 온도, 습도, 그리고 이산화탄소, 메탄, 산소 수치를 지속적으로 모니터링했습니다. 이러한 설정 덕분에 연구팀은 30일 동안 세 차례의 개별 실행 과정에서 매일 수천 개의 데이터 포인트를 포착하며 실시간으로 진행 상황을 관찰할 수 있었습니다.

결과는 두 챔버 사이에 명확한 차이를 보여주었습니다. 미생물이 추가된 챔버는 더 안정적인 환경을 생성했습니다. 두 더미 모두 비슷한 고온에 도달했지만, 미생물 보충이 이루어진 쪽은 평균적으로 이산로탄소 배출량이 더 적었습니다. 더 중요한 것은, 접종된 챔버의 가스 수치가 훨씬 더 예측 가능하고 변동이 적었다는 점입니다. 대조 챔버에서는 이산화탄소 수치가 심하게 요동쳤는데, 이는 분해 과정이 덜 조직적임을 시사했습니다. 반면, 미생물이 추가된 챔버는 가스 생성 및 소비 패턴이 더 매끄럽고 일관되었습니다. 데이터에 따르면, 처리된 챔버에서는 산소와 메탄 사이의 관계가 훨씬 더 긴밀했습니다. 즉, 산소가 소비됨에 따라 메탄이 효과적으로 관리되어 메탄이 쌓이는 것을 방지했습니다. 이는 도입된 미생물들이 서로 다른 종류의 박테리아가 더 효율적으로 협력하여, 메탄 수치를 낮게 유지하고 전체 과정을 안정적으로 유지하는 방식으로 산소를 소비하는 공동체를 형성하는 데 도움을 주었음을 시사합니다.

또한 이 연구는 미생물이 퇴비의 물리적 성질을 어떻게 변화시켰는지 강조했습니다. 미생물 컨소시엄의 추가는 폐기물의 구조를 변화시켜, 아마도 공기가 더미를 통해 더 잘 이동하고 수분이 균일하게 분산되도록 만든 것으로 보입니다. 이러한 물리적 변화는 호기성 박테리아가 번성하기에 적절한 조건을 유지하는 데 도움을 주었으며, 결과적으로 메탄이 주로 생성되는 혐기성 구역의 형성을 줄였습니다. 연구진은 처리된 퇴비가 초기 가열 단계에서 최종 성숙 단계로 이동할 때, 기복 없이 더 단순하고 직접적인 경로를 따르는 것을 발견했습니다. 대조군 더미가 불규칙한 가스 배출로 어려움을 겪는 동안, 접종된 더미는 습도나 온도의 미세한 변화와 관계없이 과정을 궤도에 유지시키는 탄력성을 보여주었습니다.

방대한 양의 데이터를 수집했음에도 불구하고, 연구진은 특정 순간에 존재하는 구체적인 박테리아의 종류나 정확히 생성되는 효소를 직접 측정하지는 않았다고 언급했습니다. 그러나 세 차례의 실행 과정 전반에 걸친 결과의 일관성과 데이터의 엄청난 양은 연구 결과에 대한 높은 신뢰도를 제공합니다. 이 연구는 맞춤형 유익 미생물 혼합물을 추가하는 것이 자동화된 퇴비화 시스템의 안정제 역할을 할 수 있음을 시사합니다. 더 효율적인 미생물 공동체를 육성함으로써, 이러한 시스템은 이산화탄소 배출을 줄이고 메탄을 더 잘 제어하여, 잠재적으로 오염을 일으킬 수 있는 과정을 더 깨끗하고 신뢰할 수 있는 폐기물 관리 방법으로 바꿀 수 있습니다. 이 접근 방식은 실시간 데이터와 생물학적 보강을 통해 안내되는 자동 퇴비화 장치가 유기성 폐기물의 기후 영향을 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있는 미래를 향한 방향을 제시합니다.