Ⅰ.서 론
메탄(CH4)은 온실가스의 하나로 반추가축의 장내발효 (enteric fermentation) 과정에서도 생성되어 트림을 통해 대 기로 방출된다. 호흡챔버(indirect respiration chamber)를 이 용한 에너지 균형 실험에 의하면, 반추가축이 섭취한 에너 지의 2~12%가 메탄에너지로 손실되기 때문에(Johnson and Johnson, 1995), 메탄저감 연구는 온실가스 감축은 물론 가 축의 에너지 이용효율을 높이는 관점에서도 매우 중요한 과제이다. 지금까지 fatty acid, essential oil, direct-fed microbials, exogenous enzymes, plant secondary compounds 등을 이용한 메탄저감 효과에 관한 많은 연구들이 이루어 졌지만 최근에는 미생물의 신속한 적응으로 효과의 지속성 에 대해서 의문점이 제기되고 있다(Moss et al., 2000; O’Mara, 2004; Hristove et al., 2013; Knapp et al., 2014). 국외에서는 저감제 개발 연구 외에 저 메탄발생 사료(Low emission feed) 급여기술 개발을 위한 in vivo 연구가 활발 히 이루어지고 있고, 농후사료 비율(Aguerre et al., 2011) 과 전분 등 가용성 탄수화물 비율(Moe and Tyrrell, 1979) 이 높은 사료 그리고 양질의 조사료(Kurihara et al., 1999) 를 급여하면 일반적으로 메탄 발생량이 감소한다고 보고되 고 있다. 또한 steam-flaked corn이 dry-rolled corn 보다 메 탄 발생량이 적다는(Hales et al., 2012) 사료가공기술 분야 의 연구들도 보고되고 있지만, 농후사료와 조사료를 혼합 급여하는 섬유질배합사료(TMR)와 분리급여 방식이 메탄 발생량에 미치는 효과에 관한 연구는 Holter et al. (1977)의 보고 외에는 찾아보기 어렵다.
TMR 급여가 분리급여 방식보다 반추위 pH 안정화와 육 질 등급출현율 향상에 긍정적인 영향을 준다는 국내(Kim et al., 2003; Cho et al., 2008) 및 국외 논문(Maltz, 1991; Maekawa et al., 2002)이 많지만, 반대로 TMR 효과에 의문 을 제기하는 논문(Caplis et al., 2005; Renna et al., 2014) 도 찾아볼 수 있다. 우리나라 비육우 농가의 사료급여 방 식은 TMR과 분리 급여로 양분되며, 90년대 후반 부터 TMR 급여 농가의 수가 조금씩 증가하여 현재 약 20% 정 도 보급된 것으로 추정된다. 그러나 생산성 향상과 지속가 능한 축산을 함께 달성하기 위해서는 TMR과 분리급여 방 식 차이가 장내발효 메탄 발생량에는 어떤 영향을 미치는 지 연구되어야 한다. 따라서 본 연구는 국내에서 처음으 로 동일 사료원료 조건에서 TMR과 분리급여 방식의 차이 가 육우의 메탄발생량에 미치는 효과를 호흡챔버(indirect respiratory chamber)를 이용하여 조사하였다.
Ⅱ.재료 및 방법
본 실험에서는 홀스타인 거세 숫소 6두(평균체중 203±22.5 kg)를 공시하였으며, TMR구는 육성기용 배합사료 (건물 87.3%, 조단백질 18.2%/kg DM, GE 4.0 Mcal/kg DM), 티모시 건초(건물 92.0%, 조단백질 9.4%/kg DM, GE 3.8Mcal/kg DM) 그리고 비지(건물 19.0%, 조단백질 23.0 %/kg DM, GE 4.3Mcal/kg DM)를 생중량 기준 각각 40, 48, 12% 비율로 매일 수작업으로 혼합 급여하였다. 분리급 여구는 배합사료와 비지만을 급여 전 혼합하여 대사틀에 설치된 사료통에 먼저 넣고 그 위에 티모시를 올려주었다. 실험은 처리구별 공시축을 개체별 사료급여가 가능한 시설 이 설비된 우방(pen)에서 각 period 별로 7일간 사료 적응 후, 3두씩 교대로 호흡챔버에 수용하여 각 4일간 메탄가스 를 측정하는 changeover design으로 수행하였다. 사료는 1 일 생중량으로 대사체중의 10% 수준을 2회 균등 분할급여 (09:00와 18:00)하면서 매일 잔량을 측정하였고, 물과 미네 랄블록은 자유 섭취하게 하였다. 급여사료의 일반성분 분 석은 AOAC (1990) 법에 의해, 그리고 gross energy (GE)의 함량은 bomb calorimeter (CA-3; Shimadzu, Kyoto, Japan)로 분석하였다. 실험 중 사료를 섭취하지 않는 1두가 발생하 여 실험에서 제외하였고, 본 연구에서 처리구별 데이터들 은 SPSS v23 프로그램(IBM Corporation, NY, USA)에서 처리구는 고정효과(fixed effect), 실험동물과 급여기간은 임의효과(random effect)로 하여 일반선형모형(GLM) 방식 으로 분석하였다. 처리구 평균간 비교를 위해 95% 신뢰수 준에서 검증하였다(p<0.05).
Ⅲ.결과 및 고찰
본 실험은 공시축들이 사료를 전량 섭취할 수 있도록 약 0.2 kg의 일당증체 수준(RDA, 2012)으로 제한 급여하였다. 그러나 TMR 급여구의 2두에서 사료 잔량이 기록되어 분 리급여구보다 평균 건물섭취량이 300g 적었으나(Tabel 1), 통계적 유의성은 없었고 1일 두당 메탄 발생량에서도 유의 적인 차이가 없었다(p>0.1, Table 2). 본 실험의 TMR구와 분리급여구는 동일한 원료로 구성되어 있고, 혼합 작업도 사료급여 전에 매회 수작업으로 이루어졌기 때문에 조사료 의 물리성도 동일한 조건에서 실험이 이루어졌지만, 분리 급여에서는 시험축이 상부의 조사료를 밀치며 사료통 바닥 에 놓인 배합사료를 선택 채식하는 행동이 관찰되었다. 이 러한 현상은 분리급여에서 보이는 대표적인 섭취행동이며, 반추위 pH가 낮을 가능성이 높아진다(Maekawa et al., 2002). 따라서 분리급여는 TMR 급여와 비교하여 메탄발생 량도 적을 것이라는 추정을 해볼 수 있다. 농후사료 섭취 량이 증가하면 반추위 pH가 낮아지고, acetate / propionate 비율과 메탄생성량이 감소하기 때문이다(Lana et al., 1998; Moss et al., 2000; O’Mara, 2004). 그러나 본 연구의 메탄 발생량 차이가 없었던 결과로 보아서는 처리구간 반추위 pH에 큰 차이가 없었을 것으로 생각된다. Holter et al. (1977)의 결과에서도 메탄발생량의 처리구간 차이가 없었 고, 본 실험에서도 TMR구 2두, 분리급여구 2두가 각각 메 탄발생량이 높았으며, 1두는 큰 차이가 없었던 결과를 볼 때, 향후 많은 연구 결과의 축적이 요구된다.
TMR의 장점은 분리급여에서 나타나는 농후사료 선택채 식 최소화에 의한 반추위 pH의 항상성 유지(Maekawa et al., 2002)와 대사성 질병 발생율 감소(Østergaard and Gröhn, 2000), 유생산 증대(Gordon et al., 1995; Yan et al., 1998) 그리고 충분한 조사료 섭취에 의한 유지방 감소 방 지(Maekawa et al., 2002) 등이 있다. 이러한 이유로 우리 나라의 낙농에서는 보편화된 사료급여 방식이지만, 한우 비육에서는 90년대 후반 IMF라는 국가 경제위기 이후에 일부 영농조합에서 도입되기 시작하여 현재 약 20% 정도 이용하는 것으로 추정하고 있다. 한우 비육에서는 앞서 기 술한 TMR 장점 이외에도 그룹 내의 발육 및 도체등급 균 일성 확보 그리고 식품 및 농산부산물을 활용한 사료비 절 감이 강조되고 있다. 그러나 한우 연구에서 TMR과 분리급 여 방식의 효과를 직접 비교한 연구는 매우 적고(Kim et al., 2003; Cho et al., 2008), 이들 연구는 시판 배합사료와 조사료 그리고 시판 TMR을 이용하였기 때문에 원료구성 의 차이가 있지만, TMR 급여가 반추위 pH 안정화와 도체 등급 향상에 효과가 있었다고 보고하고 있다. 외국의 연구 에서도 TMR 급여효과에 대한 비육우 연구는 적은 편이고, 도체등급, 사료효율, 도체 조성 차이가 명확하지 않다는 결 과가 보고되고 있다(Caplis et al., 2005). 따라서 TMR과 분리급여 방식간의 장․단점은 가축생산성 및 사료효율에 대한 연구 뿐 아니라 장내발효 메탄발생 저감 측면도 포함 하여 구명되어야 한다. 본 연구와 Holter et al. (1997)의 연 구는 1일 단위의 장내발효 메탄 측정치를 비교하고 있지 만, 체중 변화와 같은 가축생산성 단위 당 메탄저감량 평 가가 중요하며, 더 나아가 “Pollution swapping” 개념 (Hristove et al., 2013)과 같이 배출된 가축분뇨로 부터의 온실가스 발생량도 함께 평가되어야 할 것이다.
본 연구에서 메탄 배출계수(kg CH4/head/year)는 처리구 간 차이가 없었으나(평균 21.4), 메탄 전변율(Ym, 메탄 에 너지/GE intake)은 TMR구가 유의성 있게(p=0.05) 높았다 (Table 2). 유일하게 찾아볼 수 있는 Holter et al. (1977)의 논문에서는 TMR과 분리급여 처리구간의 메탄 전변율 11% 로 차이가 없었다. 본 연구의 평균 메탄 배출계수를 1일 3.9kg의 건물을 섭취한 한우 거세 육성우(평균 체중 180kg)의 메탄 배출계수(Seol et al., 2011)와 비교하면 약 30% 적었고, 평균체중 199kg의 한우 암소 육성우(Oh et al., 2014) 38.5 보다는 약 45% 적었다. 또한 본 실험의 평 균 메탄 전변율(Ym, 메탄 에너지/GE intake) 0.05도 한우 암소와 수소 거세 육성우의 메탄 전변율(Oh et al., 2014) 보다 0.01~0.02 낮았다. 그러나 비육우 품종간의 메탄발생 량 차이에 대한 연구 보고는 없고, 국내에서 수행된 장내 발효 메탄 배출계수와 메탄 전변율 연구는 총 3편의 논문 과 1편의 연구보고서가 전부이기 때문이며(Oh et al., 2014) 국가 인벤토리 구축을 위해서는 더 많은 연구 축적 이 필요하다. 그러나 일본은 유우, 비육우, 양과 염소를 공 시한 190회의 에너지균형 실험 결과를 이용하여 DMI와 메 탄발생량간에 고도의 정(+)의 상관관계가 있음을 이미 20 년 전에 보고하였고(Shibata et al., 1993), 도출된 관계식을 활용하여 배출계수를 구하고 있다. 또한 최근에는 일본 사 양표준에서 제시하고 있는 산출식을 이용하여 축종별 건물 섭취량 구하고, 이 값을 상기 메탄발생량 산출식에 적용하 는 국가 메탄발생량 산출방법을 활용하고 있다. 본 실험에 서는 건물섭취량과 메탄발생량과의 상관관계가 없었지만, 대사체중(metabolic BW, kg0.75)과 메탄발생량(g/d)과는 높 은 상관관계(R2=0.809)를 보였다(Fig. 1). 체중과 DMI의 관계(NRC, 2000) 그리고 DMI와 메탄발생량과의 관계 (Shibata et al., 1993; Hristov et al., 2013)로 볼 때, 대사체 중과 메탄발생량과의 관계성도 추정 가능하지만(Kirchgeßner et al., 1995), 관련 연구 보고는 매우 적다.
장내발효 메탄저감 기술개발 연구 현황은 Hristove et al. (2013) 그리고 Knapp et al. (2014)의 총설논문에서 상세히 소개하고 있다. Fatty acid, essential oil, direct-fed microbials, exogenous enzymes, plant secondary compounds 등의 in vivo 반추위 발효 조정제 연구는 대부분 결론을 얻 지 못하고 있다. 주요 원인은 생산성에 미치는 부정적 효 과와 반추위 미생물 적응에 의한 첨가제의 메탄저감 효과 소실 때문이다. 반면에 조사료 품질 향상, 균형 잡힌 영양 소 공급과 같은 영양, 사료 및 사료급여 관리 면에서의 접 근 방안은 미생물단백질 합성량 증가, 최적의 반추위 발효 기능 유지, 사료 영양소 이용효율 향상의 효과를 통해 가 축 생산물 단위당 메탄발생량의 감소 효과로 이어질 것으 로 기대하고 있다(Hristove et al., 2013). 따라서 원료 사료 구성과 조성이 동일한 조건에서 TMR을 섭취한 시험축의 메탄 전변율이 분리급여구 보다 유의성 있게 높았다는 본 연구 결과에 대한 추가 확인 실험은 온실가스 저감과 에너 지 효율 개선 측면에서 매우 중요한 과제이다.
Ⅳ.요 약
본 실험은 동일 사료원료 조건에서 농후사료와 조사료를 혼합 급여하는 섬유질배합사료(TMR)와 분리급여 방식이 메탄발생량에 미치는 효과를 조사하기 위하여 홀스타인 거 세 숫소 6두(평균체중 203±24.8 kg)를 공시하여 changeover design으로 실험을 수행하였다. TMR구는 육성기용 배합사 료, 티모시 건초 그리고 비지를 생중량 기준 각각 40, 48, 12% 비율로 매일 혼합 급여하였고, 분리급여구는 배합사료 와 비지만을 급여 전 혼합하여 대사틀에 설치된 사료통에 먼저 넣고 그 위에 티모시를 올려주었다. 사료급여량은 공 시축이 전량 섭취할 수 있도록 약 0.2 kg의 일당증체 수준 으로 제한 급여하였기 때문에 처리구간 차이가 없었고, 메 탄발생량(g/d)에서도 유의적인 차이가 없었다(P>0.1). 그러 나 메탄 전변율(Ym, 메탄 에너지/GE intake)은 TMR구가 분리급여구 보다 유의적으로 높았다(p=0.05). 두 처리 평균 메탄 배출계수(kg CH4/head/year)는 21.4였고, 평균 메탄 전변율은 0.05이었으며, 공시축의 대사체중(metabolic BW, kg0.75)과 메탄발생량(g/d)과는 높은 상관관계(R2=0.8057, p<0.001)를 보였다. 반추가축의 대표적인 사료급여방식 차 이가 메탄발생량에 미치는 효과에 대한 결론을 얻기 위해 서는 보다 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.
