Complete reutilization of fishery processing wastewater by biodegradation

Abstract

수산물은 단백질, 탄수화물 등 영양가가 풍부한 식품으로, 전 세계적으로 점차 그 소비량이 증가하여 2017년에는 1억 7238만 톤을 넘어서게 됨으로써, 수산물의 소비는 엄청난 양의 폐기물과 폐액을 생성하게 되었다. 수산물 가공 공장의 공정에 따라 폐기물 및 폐액의 생산량은 차이가 있지만, 어류 및 해조류의 가공 공정 과정에서 각각 약 60%와 10%의 폐기물이 생성된다. 따라서 수산물 가공 폐액의 재활용은 환경 문제를 해결하고 경제적인 이익을 가져올 수 있는 유익한 방법이 될 수 있다. 이 연구의 목적은 수산 가공 폐액을 생물학적으로 분해하여 고부가가치의 분해산물들을 생산함으로써, 재활용을 통한 실용화를 보여주고자 하였다. 먼저 수산폐기물의 발생 및 환경에 미치는 영향, 환경부하를 줄일 수 있는 효과적 처리 방법, 궁극적으로는 처리과정에서 추가적인 폐기물이나 폐액이 발생하지 않는 ‘무배출 시스템’의 실현 방법에 대해 알아보았고, 유용미생물을 이용한 수산가공폐액이 함유하는 유기물질들의 친환경적 생분해 방법으로 천연 생물활성물질들을 생산할 수 있음을 밝힘으로써, 수산가공폐액의 재활용가치를 높일 수 있었다. 최종적으로는 친환경적 생분해 방법으로 양질의 생물액체비료를 생산한 다음, 이것을 직접 상추 수경재배에 적용시켜 상추 성장이 향상되는 결과를 얻게 됨으로써, 수산가동폐액의 완전한 재활용이 실현 가능함을 보여주었다. 그 후, 우리나라에서 많이 소비되는 생선인 고등어의 폐액을 재활용하기 위해, 혼합 미생물을 사용하여 고등어 폐액의 호기성 생분해를 3l 반응기에서 수행하였다. 처음 24시간 동안 생분해가 활발히 일어나고 최대 균체량이 4.3 × 108 CFU ml-1로 증가하였고 이에 따라, 용존 산소량과 pH 및 산화 환원 전위가 감소했으며 생선 비린내가 점차 사라졌다. 42시간 배양 상등액은 높은 항산화 활성, 항균 활성 및 DNA 보호 활성, 그리고 유효한 항진균 활성을 나타내었다. 고등어 폐액의 높은 재활용 가치를 증명하였다. 또한, 고등어 폐액의 생분해 후 남은 배양액은 식물 독성 실험 결과 식물 독성이 없었으며, 팥과 보리의 수경 재배를 통해 바이오비료로 사용될 수 있음을 확인하였다. 결과적으로, 친환경 처리를 통한 고부가가치의 분해산물의 생산으로 고등어 폐액의 재활용 가치가 높아짐을 확인할 수 있었다. 고등어 폐액의 바이오비료로서의 재활용 가치를 확인한 후, 혼합 수산 폐액을 생분해하여 친환경적인 방법으로 바이오비료를 얻는 연구를 실시하였다. 고등어와 미역 수산 폐액의 다양한 혼합 비율을 테스트한 결과, 생분해에 가장 적합한 비율은 10 : 1이었다. 최적 혼합 비율에서 72시간의 생분해동안 혼합 미생물은 안정적인 protease, alginate lyase 및 laminarinase 활성을 나타내었고 그 결과 많은 가수분해로 화학적 산소 요구량 및 총질소가 감소했다. 또한, 24시간 배양 상등액은 높은 항산화 활성을 나타내었고, 72시간 배양 상등액의 총 아미노산 함량은 7715.7 μg ml-1이었다. 그리고 72시간 분해산물은 질소, 인, 칼륨 및 중금속의 표준 함량 및 균체량에서 바이오비료로서의 조건을 잘 충족시켰다. 생산된 바이오비료를 사용한 수경재배에서 1개월 동안 성장한 상추는 엽록소와 카로티노이드 함량(각각 8.29 mg g-1, 1.89 mg g-1)이 높았으며 높은 항산화 활성(DPPH 및 ABTS 라디칼 소거 활성)을 나타냄으로써 대조군과 비교하여 상당히 뛰어난 성장률을 보여주었다. 또한, 바이오비료 용액의 순환식 수경재배 기간 동안 병원성균은 바이오비료 용액 내에 존재하지 않았다. 이러한 결과는 혼합 수산 폐액의 완전한 재활용과 더불어 고품질 상추 생산을 위한 바이오비료로서의 가능성을 보여주었다. 본 연구를 통해 분리되어 폐기되기 어려운 혼합 수산 폐액의 혼합미생물에 의한 친환경적인 처리가 가능함을 확인하였으며, 분해된 혼합 수산 폐액은 높은 항산화 및 항균 활성, 그리고 유효한 항진균 활성을 나타내었다. 또한 식물 독성이 없고 높은 아미노산 함량을 가지며 질소, 인, 칼륨의 함량 및 균체량에서 바이오비료로서의 조건을 충족하였고, 바이오비료액이 순환되는 개방형 수경재배에서 병원성균의 침입이 없는 상태로 높은 성장률, 엽록소 함량 및 카르티노이드 함량을 가지는 상추를 재배할 수 있었다. 따라서 생물학적으로 분해된 혼합 수산 가공 폐액으로부터 다양한 고부가가치의 유용 자원을 생산함으로써, 혼합 수산 가공 폐액의 재활용 및 실용화 가능성을 보여주었다.