1. 서 론
기후변화와 화석자원 고갈 등으로 인해 자원 재활용에 대한 관심이 전 세계적으로 고조되고 있는 가운데 정부에서도 2020년까지 폐자원 및 바이오매스 에너지화 관련 기술을 선진국의 90-95% 수준으로 향상시키고자 노력하고 있다.1) 이러한 바이오매스와 폐자원은 비교적 저렴한 비용을 들여 새로운 자원으로 이용이 가능하며 온실가스 감축 의무 이행에도 유력한 수단이 되기 때문에 활용가치가 매우 높다.2) 제지 슬러지 역시 제지 산업에서 발생하는 유기물과 무기물의 혼합 산업 폐기물로서 다량의 폐기물이 지속적으로 발생하고 있고 이를 처리하기 위한 비용 역시 매년 증가하고 있는 추세이다.3) 따라서 제지 슬러지를 자원으로 이용하기 위한 노력들이 꾸준히 시도되고 있으며 이중 가장 널리 쓰이는 방법은 하드보드, 파이버보드, 건축용 자재 생산이나4-9) 최근에는 사업장 내에서 친환경 소각 처리시설을 이용한 열에너지를 재활용하는 방법도 있다.10) 하지만 제지 슬러지 폐기물을 발생 형태 그대로 재활용할 수 있다면 재처리로 인해 발생되는 비용의 절감과 이산화탄소 발생 등을 억제하는 장점을 극대화 할 수 있다. 이와 같은 이용방법 중 제지 슬러지를 인공상토로 이용하는 방법을 고려할 수 있는데, 제지슬러지를 인공상토로 이용할 때 농작물 생육에 어떠한 영향을 미치는지 실험한 연구들을 살펴보면 제지 슬러지의 인공상토로서의 이용 가능성은 충분하다고 판단된다. 예를 들어 제지 슬러지 인공상토를 이용한 오이 생육 실험결과에서는 무비 상토에서의 생육과 비슷한 결과를 보였으며,11) 상추 재배 시에는 제지 슬러지와 원예용 상토의 혼합비율이 2:8이 가장 효과적이었다는 연구12) 결과도 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 채소 작물 재배 시 제지 슬러지의 적용 가능성 여부를 확인하고자 엽채류인 들깨(Perilla frutescens var. japonica)를 대상으로 원예용 상토와 제지 슬러지의 혼합비율에 따른 생육을 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 실험재료
2016년 5월 23일 충북대학교 부속농장에 위치한 무가온 비닐온실에 들깨(‘적쌈잎’, 아시아종묘㈜)를 105공 트레이(32 mL/cell)에 원예용 상토(토백이, ㈜성화)를 넣고 셀 당 2-3개씩 파종한 후 105공 트레이를 별도로 제작한 용기에 넣어 지하수를 2-3일 간격으로 2 L씩 저면관수하여 6월 17일까지 25일간 재배하여 사용하였다. 제지 슬러지는 충북 청주시에 위치한 D사에서 신문용지와 인쇄용지의 탈묵 후 발생하는 슬러지를 공급받아 온실에서 넓게 펼쳐 자연 건조시킨 후 사용하였다. 실험에 사용된 제지 슬러지는 중금속을 포함한 유해성분들이 토양환경보전법 시행규칙에서 정하고 있는 기준치 이하로 검출되어 토양에 적용했을 때 유해하지 않다고 검증된 것이며(Table 1)3) 제지 슬러지와 혼합한 원예용 상토는 육묘 시 사용했던 것과 동일한 것을 사용하였다.
2.2 실험방법
2.2.1 실험구 조성
원예용 상토와 제지 슬러지를 각각 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9 (v/v)로 배합하여 직경 18 cm × 높이 18 cm의 플라스틱 용기에 본엽이 3-4개인 들깨를 1개체씩 정식하여 배합비율별로 10반복, 총 50개의 실험구를 조성하였다. 실험기간 동안 식물의 수분 스트레스를 최소화하기 위하여 관수는 주 3회 두상관수 하였고 정식 후에는 추가 시비는 실시하지 않았다. 실험은 2016년 6월 17일부터 8월 11일까지 8주 동안 충북대학교 부속농장에 위치한 무가온 비닐온실 내에서 수행되었으며, 실험기간 동안 온실 내 기상환경은 휴대용 온·습도계(SK-L200TH, SATO, Japan)를 이용하여 측정한 결과, 평균온도는 27.6°C, 상대습도는 66.3%였다.
2.2.2 생육 측정
토양배합비율에 따른 들깨의 생육반응을 살펴보기 위하여 엽수, 초장, 엽장, 엽폭, 엽면적, 엽록소함량, 엽록소형광, 엽색, 생체중, 건물중을 4주와 8주에 걸쳐 2회 측정하였다. 엽수는 1 cm 이상의 모든 잎에 대해서 측정하였으며, 초장은 자를 이용하여 식물이 식재된 플라스틱 용기의 지면에서부터 정단부까지의 길이를 측정하였고, 엽장과 엽폭은 위에서부터 3-4번째의 가장 큰 잎을 이용하여 측정하였다. 엽면적은 모든 잎을 분리한 후 엽면적측정기(Li-3000A, Li-Cor, USA)를 이용하여 측정하였다. 엽록소함량은 엽록소측정기(SPAD 502Plus, Konica Minolta, Japan)를 이용하여 엽장과 엽폭을 측정했던 동일한 잎을 대상으로 엽맥을 피해 측정하였다. 엽록소형광은 엽록소함량을 측정한 동일 잎에 대해서 30분 동안 암적응 후 엽록소형광측정기(PAM-2000, Walz, Germany)로 Fv/Fm값을 측정하였다. 엽색은 색차계(CR-300, Minolta, Japan)를 이용하여 엽맥을 피해서 Hunter값(L, a, b)을 구하였다. 생체중은 흙을 제거한 후 흐르는 물에 깨끗하게 씻은 다음 지상부와 지하부로 구분하여 최대한 물기를 제거한 다음 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 건물중은 열풍순환식건조기(HB-502M, Hanbaek Science, Korea)를 이용하여 70°C의 온도에서 48시간동안 건조시킨 후 전자저울을 이용하여 측정하였다. 모든 측정항목은 5반복하여 측정하였으며, 엽록소함량은 플라스틱 용기 당 5반복씩 총 25반복으로 측정하였다. 통계분석은 SAS (Statistical Analysis System, V. 9.3, Cary, NC, USA)를 이용하여 P<0.05 수준에서 DMRT (Duncan's multiple range test)로 유의성을 검정하였다.
3. 결과 및 고찰
원예용 상토와 제지 슬러지의 혼합비율에 따른 4주차 생육측정 결과는 Table 2와 Fig. 1과 같다. 원예용 상토와 제지 슬러지 비율이 9:1에서 엽수, 초장, 엽장, 엽폭, 엽면적 등 모든 생육 항목들이 가장 높은 것으로 나타났으며, 그 다음으로 7:3 혼합비의 순이었다. 그러나 5:5, 3:7, 1:9 혼합비율에서는 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다. 가장 큰 폭의 차이를 보인 것은 엽면적으로 9:1 혼합비율에서 자란 들깨는 다른 혼합비율과 비교하여 5.2-17.1배의 차이를 보였으며, 그 다음으로 엽수는 2.6-3.8배, 나머지 항목들에서는 1.6-2.7배의 차이를 보였다. 생육초기에는 원예용 상토와 제지 슬러지 9:1 배합비를 제외하고는 제지 슬러지 비율이 증가할수록 생육이 저하되는 현상이 발생하였다. 이는 제지 슬러지의 높은 탄질율(C/N ratio)에 따른 질소기아현상(nitrogen starvation)과13) 높은 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 등이 영향을 미쳤기 때문으로 판단된다.14)
Table 2.
Growth responses of Perilla frutescens var. japonica based on five different mixing ratio at week 4
| Mixing ratio | Number of leaves | Plant height (cm) | Leaf size | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Length (cm) | Width (cm) | Area (cm2) | |||
| 9:1z | 23.00 ay | 15.85 a | 10.77 a | 10.32 a | 598.71 a |
| 7:3 | 9.00 ab | 9.80 b | 5.42 b | 5.22 b | 114.36 b |
| 5:5 | 7.50 ab | 8.40 c | 4.70 c | 4.17 c | 62.61 bc |
| 3:7 | 7.00 ab | 6.55 d | 4.27 c | 3.82 c | 47.60 bc |
| 1:9 | 6.00 ab | 6.12 d | 4.17 c | 3.80 c | 35.00 c |
| Significance | *** | *** | *** | *** | *** |
Fig. 1.
Growth responses of Perilla frutescens var. japonica at week 4 with five mixing ratio (Horticultural substrate: Paper mill sludge, 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9).
8주차는 4주차와 달리 시간이 경과함에 따라 원예용 상토와 제지슬러지 혼합비율에 따른 생육 격차는 감소하였으며, 통계적으로도 유의한 차이가 나타났다(Table 3). 8주차 생육측정 결과에서도 4주차에서 가장 우수한 생육을 보였던 9:1 혼합비에서 모든 항목이 가장 크게 나타났으며, 7:3 혼합비에서도 생육이 회복되어 외관상으로는 9:1 배합비와 큰 차이가 나타나지 않았다(Fig. 2). 이는 제지 슬러지 내에 포함되어 있던 다량의 무기성분인 칼슘(Ca), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 등이 주기적인 관수로 인하여 용탈되었기 때문으로 판단된다.14) 5:5 혼합비에서도 엽면적을 제외한 모든 항목에서 4주차 이후 생육이 회복된 것으로 나타났으나, 3:7, 1:9 혼합비에서는 여전히 생육이 억제되고 있는 것으로 나타나 이들 혼합비율에서는 들깨 재배가 적합하지 않는 것으로 판단된다.
Table 3.
Growth responses of Perilla frutescens var. japonica based on five different mixing ratio at week 8
| Mixing ratio | Number of leaves | Plant height (cm) | Leaf size | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Length (cm) | Width (cm) | Area (cm2) | |||
| 9:1z | 46.00 ay | 43.25 a | 10.80 a | 9.42 a | 1,483.90 a |
| 7:3 | 28.00 ab | 36.75 b | 10.80 a | 9.42 a | 977.30 b |
| 5:5 | 23.25 ab | 31.50 c | 9.90 a | 7.07 a | 524.50 c |
| 3:7 | 14.25 ab | 19.57 d | 7.80 b | 3.82 b | 217.50 d |
| 1:9 | 9.25 ab | 14.25 e | 3.50 c | 3.62 c | 60.20 d |
| Significance | *** | *** | *** | *** | *** |
Fig. 2.
Growth responses of Perilla frutescens var. japonica at week 8 with five mixing ratio (Horticultural substrate: Paper mill sludge, 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9).
지상부와 지하부의 바이오매스를 측정한 결과, 4주차에는 9:1 혼합비에서 지상부와 지하부의 생체중과 건물중 모두 가장 높은 것으로 나타났으며(Table 4), 그 다음으로 7:3 혼합비였다. 그러나 5:5, 3:7, 1:9 혼합비에서는 생육이 매우 저조하여 지상부와 지하부 생체중과 건물중이 매우 낮은 경향을 보였다. 8주차에는 지상부와 지하부의 생체중과 건물중은 원예용상토의 비율이 높아질수록 높아지는 경향이 뚜렷하게 나타났다(Table 5). 이는 유기물 시비량이 증가할수록 잎들깨의 생육과 수량이 증가하였다는 연구결과와 일치하였다.15) 8주차와 4주차의 결과를 비교해 보면, 제지 슬러지의 비율이 30% 이상인 혼합비에서는 지상부의 생체중이 증가하였으나, 1:9 혼합비에서는 4주차와 거의 변화가 없어 극심한 스트레스를 받고 있는 것으로 나타났다. 따라서 들깨 재배 시 제지 슬러지의 혼합비율은 50%를 넘기지 않는 것이 좋으며 30% 이하로 혼합하는 것이 가장 적절할 것으로 판단된다.
Table 4.
Biomass of Perilla frutescens var. japonica based on five different mixing ratio at week 4
| Mixing ratio | Shoot weight (g/plant) | Root weight (g/plant) | ||
|---|---|---|---|---|
| Fresh | Dry | Fresh | Dry | |
| 9:1z | 14.53 ay | 2.63 a | 9.52 a | 1.31 a |
| 7:3 | 3.04 b | 0.56 b | 2.63 b | 0.41 b |
| 5:5 | 1.69 bc | 0.37 c | 1.57 b | 0.26 c |
| 3:7 | 1.16 c | 0.32 c | 1.22 b | 0.21 c |
| 1:9 | 0.88 c | 0.19 c | 0.68 b | 0.16 c |
| Significance | *** | *** | *** | *** |
Table 5.
Biomass of Perilla frutescens var. japonica based on five different mixing ratio at week 8
| Mixing ratio | Shoot weight (g/plant) | Root weight (g/plant) | ||
|---|---|---|---|---|
| Fresh | Dry | Fresh | Dry | |
| 9:1z | 51.45 ay | 11.40 a | 68.15 a | 8.25 a |
| 7:3 | 30.80 b | 6.53 b | 32.80 b | 4.10 b |
| 5:5 | 16.05 c | 3.30 c | 12.48 c | 1.75 c |
| 3:7 | 6.75 d | 1.40 d | 4.35 cd | 0.83 c |
| 1:9 | 1.95 d | 0.45 d | 1.13 d | 0.38 c |
| Significance | *** | *** | *** | *** |
엽록소함량은 4주차에는 9:1과 7:3 혼합비에서 높게 나타났으며, 그 밖의 혼합비에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다(Table 6). 8주차에서는 5:5, 3:7, 1:9 혼합비에서 비교적 높게 나타났으며, 7:3 혼합비에서 가장 낮게 나타났다(Table 7). 일반적으로 식물체의 스트레스 정도를 판단하기 위해서 광화학반응 효율(Fv/Fm)을 사용하는데 많은 식물에서는 0.74에서 0.84사이의 값으로 측정되고 수치가 낮을수록 식물이 스트레스를 받고 있다는 것을 의미하며16) 대부분의 식물에서 건강한 잎의 경우 보통 0.83정도를 나타낸다.17,18) 4주차 엽록소형광 측정결과, 9:1과 7:3 혼합비에서는 각각 0.82와 0.83으로 식물체가 스트레스를 받지 않는 것으로 나타났으나, 그 밖의 혼합비에서는 제지 슬러지 비율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 8주차에는 모든 혼합비에서 0.75-0.82의 범위를 나타내 유의적인 차이가 나타나지 않았다.
Table 6.
SPAD, Fv/Fm and Hunter values of Perilla frutescens var. japonica based on five different mixing ratio at week 4
| Mixing ratio | SPAD | Chlorophyll fluorescence (Fv/Fm) | Hunter value | ||
|---|---|---|---|---|---|
| LX | aW | bV | |||
| 9:1z | 38.63 ay | 0.82 a | 100.02 b | -11.39 c | 6.81 b |
| 7:3 | 32.40 b | 0.83 a | 99.87 b | -4.97 bc | 0.31 bc |
| 5:5 | 22.95 c | 0.79 ab | 109.80 a | -1.18 b | 14.47 a |
| 3:7 | 22.95 c | 0.76 bc | 98.26 b | 8.29 a | -3.49 c |
| 1:9 | 19.30 c | 0.74 c | 96.97 b | 3.83 ab | 0.89 bc |
| Significance | *** | ** | * | ** | *** |
Table 7.
SPAD, Fv/Fm and Hunter values of Perilla frutescens var. japonica based on five different mixing ratio at week 8
| Mixing ratio | SPAD | Chlorophyll fluorescence (Fv/Fm) | Hunter value | ||
|---|---|---|---|---|---|
| LX | aW | bV | |||
| 9:1z | 31.87 by | 0.76 a | 95.30 ab | 3.33 c | -1.14 a |
| 7:3 | 26.35 c | 0.78 a | 97.85 a | -0.72 c | 1.91 a |
| 5:5 | 40.70 a | 0.75 a | 91.39 b | 1.40 c | -9.65 b |
| 3:7 | 40.62 a | 0.81 a | 81.51 c | 8.59 b | -25.37 c |
| 1:9 | 43.45 a | 0.82 a | 84.16 c | 15.93 a | -22.22 c |
| Significance | *** | * | *** | *** | *** |
엽색은 색차계를 이용하여 Hunter값을 측정하고 밝기를 나타내는 L값과 붉은색과 노란색의 정도를 나타내는 a, b로 표시하는데19) L값은 4주차에는 5:5 혼합비에서 가장 높게 나타났으며 그 밖의 혼합비에서는 유의적인 차이를 보이지 않았다. 8주차는 7:3, 9:1, 5:5 순으로 높게 나타났으며 L값이 4주차와 비교하여 조금 감소하는 경향을 보였다. a, b값은 4주차 측정에서는 원예용 상토와 제지 슬러지 혼합비율에 따른 뚜렷한 차이가 나타나지 않았으나, 8주차에서는 제지 슬러지 혼합비율이 증가할수록 붉은 정도를 나타내는 a값이 높아지는 경향이 나타났다.
4. 결 론
산업폐기물인 제지 슬러지를 자원으로 재활용하기 위해 다양한 시도가 있지만 그중에서도 제지 슬러지 발생 형태를 추가 공정 없이 이용하는 방법이 경제적, 환경적 측면에서 가장 지속가능한 방법일 것이다. 따라서 본 연구에서는 공정상 발생하는 제지 슬러지 형태를 최대한 이용 할 수 있는 방안을 모색하기 위하여 자연건조 방식으로 인공상토를 만들어 이를 원예용 상토와 혼합한 후 들깨 생육 실험을 수행하였다. 원예용 상토와 제지 슬러지가 9:1 혼합비일 때 생육이 가장 양호한 결과를 도출하였으며, 7:3 혼합비에서는 초기에는 생장이 억제되었으나, 시간이 경과함에 따라 생장이 회복되는 경향이 나타났다. 5:5 혼합비에서도 시간이 경과함에 따라 생장이 회복되기는 하였으나 상대적으로 저조하였으며, 3:7과 1:9 혼합비에서는 생장이 현저히 억제되는 경향이 나타났다. 이상의 결과를 종합하면 제지 슬러지를 들깨 재배 시 인공상토로 적용하기 위한 혼합비율은 30% 이하가 적정한 것으로 판단된다.
