Pasteurization-assisted solid-state bioconversion of Caragana korshinskii residues by Irpex lacteus n6

중국 북부의 건조 및 반건조 지역에서, 카라가나 코르스키니시(Caragana korshinskii)라고 알려진 강인한 관목은 토양을 결합하고 취약한 생태계를 복원하는 데 중요한 역할을 합니다. 콩과 식물의 일종인 이 식물은 가뭄과 추위를 견디며 다른 식물들이 살기 힘든 곳에서도 잘 자라며, 깊은 뿌리로 바람에 의한 토양 침식을 막아줍니다. 그러나 이러한 관목 지대가 성숙해짐에 따라, 식물은 목질화되어 단단해지고 매년 두꺼운 전정 폐기물 층을 축적하게 됩니다. 매년 수백만 톤의 이 재료가 생성되지만, 대부분은 단순히 태워지거나 썩혀지며 이는 기회의 상실을 의미합니다. 문제는 식물의 구조에 있습니다. 그 섬유질은 리그닌이 풍부하고 딱딱한 매트릭스 안에 갇혀 있어 동물이 소화하기 어렵게 만듭니다. 이 질긴 잔재를 유용한 동물 사료로 바꾸기 위해, 과학자들은 자연의 자체적인 재활용꾼인 균류에 주목합니다. 특히 백색 부후균 종류는 식물 섬유를 결합하는 풀 역할을 하는 리그닌을 분해하는 효소를 분비하여, 그 안에 갇힌 영양분을 효과적으로 해제하는 독특한 능력을 갖추고 있습니다. 이 생물학적 과정은 산업계에서 흔히 사용되는 가혹한 화학적 처리의 부드럽고 더 지속 가능한 대안을 제공하며, 잠재적으로 이 폐기물을 가축을 위한 가치 있는 자원으로 변화시킬 수 있습니다.

내몽골 농업대학교의 연구진은 이 특정 과업을 수행하기 위한 완벽한 균류 파트너를 찾기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 관목이 자라는 바로 그 서식지에서 이레펙스 락테우스(Irpex lacteus)라고 불리는 11가지의 서로 다른 야생 균주를 수집했습니다. 목표는 어떤 토착 균주가 이 질긴 관목 잔재를 가장 잘 군락화하고 효율적으로 분해할 수 있는지 식별하는 것이었습니다. 연구팀은 먼저 각 균주가 잘게 부순 관목 재료 위로 얼마나 빠르게 퍼져 나가는지를 테스트했습니다. 모든 균주가 성장했지만, n4와 n6라고 명명된 두 균주는 단 일주일 만에 테스트 표면을 덮을 정도로 가장 빠르게 확장되었습니다. 그 이유를 이해하기 위해 과학자들은 이 균류들이 생성하는 효소를 조사했습니다. 그들은 균류가 서로 다른 식물의 부위를 얼마나 잘 공격할 수 있는지 확인하기 위해 간단한 색 변화 테스트를 사용했습니다. 한 테스트는 리그닌과 유사한 물질을 산화시키는 능력을 측정했고, 다른 테스트는 식물의 주요 구조적 섬유인 셀룰로오스를 용해하는 능력을 확인했습니다. 결과는 일부 균주는 한 가지 일에 강하고 다른 균주는 또 다른 일에 강하다는 것을 보여주었으나, n6 균주는 가장 다재다능한 것으로 나타났습니다. n6는 리그닌이라는 풀과 셀룰로오스 섬유를 모두 해체하는 데 필요한 특정 효소 수준을 가장 높게 생성하여, 추가 연구를 위한 가장 강력한 후보가 되었습니다.

최적의 균주를 식별한 후, 연구진은 이를 가장 효과적으로 배양하는 방법에 집중했습니다. 그들은 온도, 산도, 먹이 등 다양한 조건을 실험하며 무엇이 균류의 번식에 도움이 되는지 테스트했습니다. 그들은 이 균류가 섭씨 30도의 따뜻한 온도와 약간 산성인 환경에서 가장 잘 자란다는 것을 발견했습니다. 먹이와 관련하여, 이 균류는 주된 식단으로 단백질에서 유래한 영양소인 펩톤과 당의 일종인 맥아당을 선호했습니다. 이 균류를 대량의 관목 폐기물을 처리할 수 있을 만큼 충분히 키우기 위해, 연구팀은 곡물 기반 배지에서 빠르게 성장시키는 방법 또한 필요했습니다. 그들은 메밀, 수수, 옥수수, 기장, 밀의 다섯 가지 곡물을 테스트하여 어떤 곡물이 가장 빠른 성장을 지원하는지 확인했습니다. 메밀은 명확한 승자로 드러났으며, 다른 어떤 곡물보다 균류가 더 빠르고 조밀하게 퍼지도록 해주었습니다. 이 발견은 주요 실험을 위한 필요한 양의 균류 스타터 배양체를 생산하는 실질적인 방법을 제공했습니다.

연구의 마지막 단계는 실제 관목 잔재에 이 균류를 투입하는 작업이었습니다. 연구진은 어떤 방법이 가장 효과적인지 보기 위해 잘게 부순 식물 재료를 두 가지 방식으로 준비했습니다. 한 그룹의 샘-플은 고압 증기를 사용하는 표준 방식으로 모든 미생물을 죽이지만 많은 에너지를 필요로 하는 멸균 처리를 거쳤습니다. 다른 그룹은 경쟁 미생물을 완전히 제거하지는 않으면서도 줄이는 더 완만한 열처리 방식인 살균 처리를 받았습니다. 그 후 두 그룹 모두에 곡물에서 키운 I. lacteus n6 균주를 접종하고 56일 동안 발효시켰습니다. 결과는 놀라웠습니다. 완만한 살균 처리를 거친 샘플에 균주를 접종했을 때 가장 극적인 개선을 보였습니다. 처리되지 않은 살균 대조군과 비교했을 때, 발효된 재료는 섬유질 함량이 현저히 감소했습니다. 전체 소화 불가능한 세포벽을 나타내는 중성 세제 불용성 섬유(NDF)는 거의 17% 감소했습니다. 더욱 소화하기 어려운 부분을 측정하는 산성 세제 불용성 섬유(ADF) 또한 약 16.5% 감소했습니다. 가장 인상적인 것은 식물을 매우 딱딱하게 만드는 고집스러운 성분인 산성 세제 불용성 리그닌(ADL)이 거의 50% 감소했다는 점입니다.

이 균류는 거친 섬유를 분해하는 것 이상으로 사료의 영양 가치를 향상시켰습니다. 처리된 재료의 조단백질 함량은 약 8%에서 12% 이상으로 증가했으며, 동물의 빠른 에너지원이 되는 수용성 탄수화물은 5배 이상 증가했습니다. 이러한 변화는 균류가 식물 구조를 부드럽게 할 뿐만 아니라 자신의 생물량(biomass)을 혼합하여 최종 제품을 풍부하게 만들었음을 시사합니다. 이 연구는 현지에서 조달한 균류와 간단한 살균 단계를 결함하는 것이 이 풍부한 관목 폐기물을 업그레이드하는 실행 가능한 방법임을 입증했습니다. 연구진은 이 재료가 더 소화하기 쉽고 영양가가 높아졌음을 확인하면서도, 동물이 실제로 이 새로운 사료를 얼마나 잘 먹고 활용하는지에 대해서는 추가적인 테스트가 필요하다고 언급했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 거대한 미사용 폐기물 흐름을 지역의 지속 가능한 축산 생산을 위한 잠재적 해결책으로 전환하는 데 대한 견고한 토대를 제공합니다.