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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.54 No.3 pp.47-53
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2020.54.3.47

Development of a Respiration Metabolic Chamber for Measuring Enteric Methane Emissions from Ruminants

Jae-yong Song1, Youl-chang Baek2, Seul Lee2, Sang-Yun Ji2, Yoo-kyung Lee2, Min-ji Kim2, Hye-ran Kim2, Min-seok Kim3, Sung-Dae Lee2*
1Livestock Research Institute, Nonghyup agribusiness group inc., Anseong, 17558, Republic of Korea
2Animal Nutritional & Physiology Team, National Institute of Animal Science, RDA, Wanju, 55365, Korea
3Department of Animal Science, College of Agriculture and Life Sciences, Chonnam National University, Gwangju, 61186, Republic of Korea
*Corresponding author: Sung-Dae Lee Tel: +82-63-238-7454 Fax: +82-63-238-7497 E-mail: leesd@korea.kr
February 25, 2020 ; June 9, 2020 ; June 9, 2020

Abstract


Methane, which is one of major greenhouse gases, is produced from enteric fermentation in ruminants. Methane emissions from ruminants are responsible for more than 40% of total greenhouse gas emissions in the livestock sector in the Republic of Korea. Therefore, many researchers have attempted to reduce methane emissions from ruminants. In the present study, we developed a respiration metabolic chamber to measure methane emissions from ruminants and evaluated its accuracy. The respiration metabolic chamber was made 25.4 m3 in size and was completely sealed with a stainless steel plate. An air inlet and discharge pipe with 100 mm diameter was installed in top of chamber, and the same amount of air discharged was entered into the chamber from the outside. For the recovery test, the methane standard gas (5L) was injected into each chamber with uniform diffusion, and air in the chamber was removed at a rate of 900 L/min. The recovery rate(%) was calculated by methane gas concentration of the removed air and comparing it with the injected standard methane gas. The standard gas in the chamber was removed in about 130 minutes, and the recovery rate of methane gas was measured as 109 ± 6.7% on the average. In order to evaluate applicability of the respiration metabolic chamber, methane emission was measured using 4 Hanwoo steers (581.9 ± 33.8 kg), which were fed 9 kg of concentrate and 1 kg of rice straw. The amount of methane emission from Hanwoo was measured to be 236.4 ± 105.44 L/day on average. The respiration metabolic chamber developed and verified in the present study will be applicable for the measurement of methane gas emissions from Hanwoo cattle.



반추동물 장내발효 메탄가스 측정을 위한 호흡대사챔버의 개발

송 재용1, 백 열창2, 이슬2, 지 상윤2, 이 유경2, 김 민지2, 김혜란2, 김 민석3, 이 성대2*
1농협경제지주 축산연구원
2국립축산과학원 영양생리팀
3전남대학교 농업생명과학대학 동물자원학부

초록


메탄가스는 주요 온실가스 중 하나로 반추동물의 장내발효를 통해 발생하며, 이러한 경로의 메탄가스는 대한민국 축산부문 총 온실가스 발생량의 40% 이상을 차지한다. 이런 이유로 많은 연구자들은 반추동물에서 발생하는 메탄생성량을 줄이기 위한 시도를 계속해 왔다. 본 연구는 반추동물의 메탄발생량을 측정하기 위해 호흡대사챔버를 개발하고 호흡대사챔버의 정확성을 검증하기 위해 실시하였다. 호흡대사챔버는 25.4 m3 크기로 스테인리 스 플레이트로 내부를 완전히 밀폐하였다. 직경 Ф100의 공기 유입관과 배출관을 설치하였고, 공기 배출관에 에어모터를 설치하여 내부공기를 제거함과 동시에 유입관을 통해 배출된 만큼의 공기가 외부에서 유입되도록 하였다. 챔버 내 메탄가스 회수기능을 검증하기 위해 메탄표준가스 5L를 각 챔버에 주입하여 균일하게 확산시킨 후, 챔버 내부의 공기를 900 L/min의 속도로 제거하였다. 제거된 공기의 메탄가스 농도를 연속적으로 측정하여 주입된 메탄가스와 비교함으로써 회수율을 평가하였다. 챔버 내 표준가스는 평균 100분에 완전히 제거되었으며, 메탄가스의 회수율은 평균 109 ± 6.7%로 측정되었다. 호흡대사챔버의 실제 이용성을 평가하기 위해, 평균체중 581.9 ± 33.8 kg 의 한우 거세우 4두에게 비육후기 배합사료 9 kg과 볏짚 1 kg을 급여하며 메탄발생량을 측정하였다. 한우의 장내발효에 의한 메탄발생량은 평균 236.4 ± 105.44 L/day로 측정되었다. 본 연구에서 개발·검증한 호흡대사챔버는 국내 한우의 장내발효 메탄가스발생량 측정 시험에 적용 가능할 것이다.



    서론

    소나 양, 염소같이 되새김질을 하는 반추동물은 돼지 및 사람과 같은 단위동물과 달리 섭취한 풀을 에너지로 변환시켜 이용할 수 있는 특별한 능력을 가지고 있다. 이것은 반추동물 고유의 능력이 아니라 동물이 섭취한 섬유질 사료를 분해하여 휘발성지방산이라 는 에너지원을 생성하는 미생물들의 능력이라 할 수 있다. 반추동 물의 위(rumen)에 살고 있는 다양한 종류의 미생물들이 혐기발효 를 통해 사료를 분해하고 동물에게 에너지를 공급하는 과정에서 발효가스를 생성하게 된다(Bonhomme, 1990). 생성된 발효가스 는 소의 트림을 통해 체외로 배출하게 되고, 이 중 고세균의 일종인 메탄생성박테리아에 의해 생성된 메탄가스가 대기 중으로 함께 배 출된다(Broucek, 2014). 메탄가스(CH4)는 이산화탄소(CO2), 아 산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFCs), 과불화탄소(PFCs), 육불화 황(SF6)과 함께 6대 온실가스로 규정되어 지구온난화와 기후변화 의 주된 원인물질로 평가된다(GGIRC, 2017). 축산분야에서는 장 내발효(메탄)와 가축분뇨처리과정(메탄, 아산화질소)에서 온실가 스가 발생되는데, 이 중 반추동물 장내발효에 의한 메탄가스는 축 산분야 총 온실가스 발생량의 42.2%를 차지하고 있다(GGIRC, 2017). 이러한 이유로 메탄가스 저감을 위한 사료첨가제 개발 및 사양방법 개선 등 축산분야 온실가스 감축을 위한 다양한 노력이 이루어지고 있으나, 이러한 감축노력에 앞서 각 사양단계별, 계절 별 등에 따른 반추동물(한우, 젖소, 흑염소 등)에 대한 메탄가스 발생량이 정확히 측정되어야 한다. 메탄발생량의 정확한 측정 없이 는 온실가스 저감을 위한 다양한 분야의 연구뿐 아니라 축산부문 국가 온실가스 인벤토리 구축도 어렵기 때문이다. 반추동물 장내발 효 메탄가스를 측정하기 위한 방법으로 호흡챔버(Open circuit), 마스크 후드, SF6 추적장치, 레이져분석기 등이 이용되고 있으나 이 중 호흡챔버를 이용한 방법이 가장 정확한 것으로 평가되고 있다(Hiii et al., 2016;Hammond, 2016). 본 연구에서는 육성기 에서 비육후기까지의 한우 거세우에서 사용이 가능한 장내발효 메 탄발생량 측정용 호흡대사챔버를 개발하고, 회수율 평가를 통한 표준메탄가스의 측정과 실제 한우의 메탄발생량을 측정함으로써 개발한 호흡대사챔버의 정확성을 검증하였다.

    재료 및 방법

    1. 호흡대사챔버의 재원 및 구성

    각 호흡대사챔버(챔버)는 국립축산과학원 대사시험 연구동에 콘크리트 외벽으로 둘러싼 25.4 m3 크기의 방으로 6기를 건축하였 다. 내부 좌·우측과 천장을 스테인리스 플레이트로 두른 후 실리콘 을 이용하여 밀봉 처리하였다. 내부 앞·뒷면은 출입구를 설치하여 시험자와 시험동물의 출입이 가능하게 하였으며, 출입문 틈으로 가스가 새어나가지 못하도록 고무패킹을 삽입하였다. 바닥은 방수 처리 후 좌,우 측면의 스테인리스 플레이트와 앞,뒤 출입문틈을 실리콘으로 밀폐 처리하여 내부공기 유출을 차단하였다. 챔버 천정 4면에 네 개의 24V 공기 순환용 팬을 설치하고 팬의 방향을 하향 45도 각도로 설정하여 챔버 내의 공기가 고르게 순환하도록 하였 다. 챔버 뒷부분 천장 중앙에 PVC(Φ100)관을 설치하고 PVC관 말단에 에어모터를 부착하여 챔버 내부의 공기를 일정하게 배기할 수 있도록 하였다. 또한 챔버 내부 PVC관 앞단 공기 배출구에 부직포 소재의 프리필터를 3중 설치하여 먼지와 동물의 털이 펌프 로 유입되지 않도록 하였다. 챔버의 앞부분 천장에 외부로 연결된 같은 크기의 PVC 관을 삽입하여 챔버 작동 시 맑은 공기가 동량 유입되도록 하였다. 챔버 앞 문에는 시험동물 관찰을 위해 300 mm × 150 mm 크기의 창을 두었고, 챔버의 내부에는 강철 파이프를 이용하여 제작한 가축 시험용 대사틀(1,400 mm × 2,950 mm × 2,120 mm)을 설치하였다(Fig. 1).

    2. 메탄가스 측정장치의 구성

    반추동물 장내발효 메탄발생량을 측정하기 위해 에어모터, 정류장 치, 유량계, 샘플펌프, 가스건조장치는 Oxymax system (Columbus instrument international, Ohio, USA)을 이용하였으며, 메탄분석 장치는 Horiba methane analyzer (Horiba Ltd, Kyoto, Japan)을 이용하였다(Fig. 2B). 가스시료 채취관은 주 가스 배출관에서 발생 하는 와류현상 방지를 위해 설치된 정류격자 후반 20 cm 위치에 설치하여 고르게 혼합된 가스시료를 채취할 수 있게 하였다. 가스 시료는 샘플모터를 이용하여 2 L/min의 속도로 균일하게 채취하 여 메탄분석장치로 유입되도록 구성하였다(Fig. 2A).

    3. 표준메탄가스 회수율 측정

    챔버별 표준메탄가스 회수율을 측정하기 위해 챔버의 모든 출입 문을 닫고, 공기 유입구를 차단하였다. 순도 99.95%의 메탄표준가 스 5 L를 각 챔버에 주입한 후 내부 팬을 이용하여 고르게 확산되 도록 하였다. 900 L/min의 속도로 공기배출 펌프를 작동하여 챔버 내부의 공기를 제거함과 동시에 공기 유입구를 열어 대기 공기가 유입되도록 하였다. 챔버에서 배출되는 공기의 메탄가스 농도가 0 ppm이 될 때까지 5초 간격으로 농도를 측정하여 배출된 공기의 총량과 측정된 메탄가스 농도를 L로 환산하여 회수율을 측정하였 다. 각 챔버의 회수율은 2회씩 측정하였다.

    4. 한우의 장내발효 메탄발생량 측정

    4.1. 공시동물 및 사양관리

    본 연구에서 개발한 챔버의 메탄가스 측정을 위한 실증시험은 평균 25개월령 비육후기 한우 거세우 4두(581.9 ± 33.8 kg)를 이용 하였으며 농촌진흥청 국립축산과학원 가축대사시험연구동에서 수 행하였다. 시험사료는 일일 비육후기 배합사료 9 kg과 볏짚 1 kg을 급여하였고 가소화영양소총량과 조단백질 함량은 각각 77.9%, 15.2%로 하였다. 시험에 이용한 한우 거세우는 챔버 외부에 위치 한 대사틀에서 2주간의 사료 적응기간 이후 챔버로 이동시켰다. 챔버 이동 후 3일간의 환경 적응기를 거쳐 4일간 일일 메탄발생량 을 측정하였다. 사료는 오전 9시와 오후 4시에 2회로 나누어 일일 급여량의 절반씩을 급여하였으며, 물과 미네랄 블록은 자유급여 하였다.

    4.2. 메탄가스 측정방법

    총 4개의 챔버를 이용하였으며, 각 챔버 별로 메탄가스 시료채 취 안정화 단계 210초, 측정단계 30초로 설정하여 1개 챔버에서 메탄가스 분석시간을 4분으로 할당하였다. 4개 챔버의 분석이 완 료된 후 챔버내로 유입되는 공기의 메탄가스농도(reference gas)를 측정하기 위해 추가로 4분을 할당하였다. 총 4개 챔버와 1개의 챔버 유입공기를 측정하는 20분을 1 사이클로 설정하고, 측정 개시 오전 9시부터 다음날 오전 9시까지 총 24시간 측정한 값을 이용하였 다. 측정값은 챔버의 온·습도와 주 배출관을 통해 배출되는 공기의 풍속, 분석가스의 농도를 고려하여 일일 메탄발생량을 계산하였으 며, 챔버 유입공기의 메탄가스 농도를 감하여 산출하였다(Table 1). 오전 9시부터 10시 사이에 챔버에서 메탄 측정이 완료된 시점에 문을 개방하여 사료 급여 및 청소, 장비 점검을 진행하였고, 이 시점 의 메탄발생량은 보간법을 이용하여 추정 값을 계산하였다.

    결과 및 고찰

    1. 메탄표준가스 회수율 평가를 통한 챔버의 정확성 검증

    밀폐된 호흡대사챔버에 주입한 5 L의 메탄 표준가스를 900 L/min으로 균일하게 제거할 경우 추세곡선은 Fig. 3에서 점선으로 나타낸 것과 같다. 모든 챔버에서 메탄표준가스의 농도는 측정 시 작시점에서 평균 200 ± 12 ppm, 측정 시작 후 100분 전후에 0 ppm을 나타내었다. 챔버 내 표준가스가 감소하는 경향은 Fig. 3에 서 보는 바와 같이 지수함수 그래프를 나타내며 모든 챔버에서 R2=0.98 이상의 값을 나타내었다. 챔버에서 분석장치까지 유입되 는 시간동안 분석되지 못한 측정 시작 시점의 메탄가스 농도는 회귀식을 이용하여 보완하여 계산하였다. 개발한 각 챔버의 메탄가 스 회수율은 최저 99%에서 최고 114%로 평균 109 ± 6.8%로 측정 됨으로써 밀폐가 잘 되었으며(Table 2), 또한 메탄표준가스 배출 추세선과 실제 메탄가스의 배출결과 그래프가 일치하는 것으로 챔 버의 밀폐와 배출공기의 혼합이 잘 되었음을 판단할 수 있다(Fig. 3). 호흡대사챔버에서 가스 농도 측정의 정확도에 영향을 미치는 가장 중요한 요인은 챔버의 밀폐도와 챔버 내 공기의 혼합정도이며, 측정하려는 가스의 일정한 량을 주입하여 배출량을 측정하는 방법 은 호흡챔버를 교정하기 위한 표준절차이다(Hammond, 2016).

    회수율이 100% 이상으로 측정되는 것은 챔버가 가축사육시설 에 위치함에 따라 시험축 외에 반추동물에서 발생하는 메탄가스에 의한 간섭현상으로 판단된다(Pinares & Waghorn, 2014). 본 연구 에서 측정된 메탄가스 회수율은 추후 각 챔버의 메탄가스 측정치에 대한 환산계수로 이용이 가능하며, 개발된 호흡대사챔버는 육성기 에서 비육후기까지의 한우 거세우에서 발생하는 장내발효 온실가 스 측정 시험에 적용 가능할 것으로 판단된다.

    2. 개발된 챔버의 한우 메탄배출가스 연구 적용 검증

    총 4개의 챔버에 비육후기 한우 거세우 4두를 입실시킨 후 4일 동안 일일 사료섭취량과 메탄발생량을 측정하였다(Table 3). 본 연구에서는 전체 시험축의 일일 건물섭취량 중 2두는 평균 8.05 ± 0.1 kg 나머지 2두는 평균 4.55 ± 1.4 kg로 측정되었다. 시험동물별 메탄발생량은 최소 111.3 ± 10.01 L/day에서 최대 366.8 ± 56.10 L/day로 평균 236.4 ± 105.44 L/day로 측정되었다. 이 같이 측정결과에서 시험동 물별 메탄발생량이 큰 폭의 차이를 보이는 원인은 크게 두 가지로 설명할 수 있다.

    첫째는 시험동물과 사료섭취패턴의 차이이다. 일반적으로 반추 동물의 장내발효 메탄발생량에 영향을 미치는 요인은 동물의 품종 (IPCC, 2006)과 반추위 발효성상(Mohammed, 2011;Fievez, 2012) 및 메탄생성균을 비롯한 미생물의 군집양상(Murray et al., 1976;Muñoz et al., 2012;Mogavi et al., 2010), 사료의 종류(Ramin et al., 2013)와 사료섭취량의 차이(Mills et al., 2003;Ellis et al., 2007) 등으로 설명할 수 있다. 이 같은 결과는 챔버환경에 충분히 적응하지 못한 시험동물이 일정하게 사료를 섭취하지 못함으로써 일일 사료 섭취량의 편차가 크게 되고 이에 따른 반추위내 발효의 차이가 발생 함에 따라 메탄발생량이 감소한 것으로 판단된다. 1964년부터 2005 년 사이에 발행된 연구논문 29개 중, 160여개의 비육우와 착유우 연구결과를 이용하여 분석을 진행한 연구에서 건물섭취량과 메탄 발생량은 상관계수 0.827(R2=0.655)로 매우 높은 상관관계를 나타 내었다(Ellis, 2007). 또한 일반적인 반추동물의 메탄발생량은 하루 종일 항상 동일한 수준으로 유지되는 것이 아니라 사료의 종류와 급여시간 및 횟수에 영향을 받게 되며(Hammond et al., 2016) 사 료급여 후 동물이 사료를 섭취하기 시작한 시간부터 약 1시간 후까 지 메탄발생량이 증가하다가 점진적으로 감소하게 된다(Crompton et al., 2011). 그러나 본 연구에서는 급여 후 1시간 안에 사료섭취가 이뤄지는 일반적인 경우와 달리 시험동물의 사료섭취 거부, 장시간 섭취, 선택적 섭취로 인해 메탄발생패턴이 일정치 않음으로써 각 시 험동물의 메탄발생량에 큰 편차가 발생한 것으로 판단된다(Fig. 4).

    둘째는 인위적 환경이 동물의 사양환경과 분석장비에 미치는 영 향이다. 주위의 온도와 반추동물의 메탄발생량은 음의 상관관계를 보이는데(Nwabie et al., 2011), 본 연구에서는 시험개시 후 약 3일 이후부터 시험동물의 호흡과 열 발산에 의해 챔버내 온도가 30℃이 상, 습도가 70%RH 이상까지 증가함에 따라 일부 시험동물에서 사 료섭취량 감소 및 소화율 감소, 챔버 내 온도상승에 따른 호흡량 증가 등에 따라 메탄발생량의 편차가 커진 것으로 판단된다(Fig. 5).

    호흡대사챔버는 반추동물의 장내발효 메탄발생량을 측정하기 위해 현재까지 개발된 방법 중 가장 정확한 방법으로 여겨진다(Hill et al., 2016;Hammond et al., 2016). 그러나 본 연구에서와 같이 챔버를 이용하여 메탄 발생량을 측정하기 위해서는 챔버의 기밀성, 주 가스 배출관 풍속과 메탄측정센서의 정확성, 동물의 환경 적응 성, 챔버 내의 온습도 조절 등의 다양한 기술적 조건들이 사전에 충족되어져야 할 것이다. 또한 이러한 조건을 유지하기 위한 지속 적인 장비의 유지 보수와 연구에 이용될 동물들의 훈련이 동반될 때 반추동물의 장내발효 메탄발생량의 유의미한 결과를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 논문은 농촌진흥청 연구사업(세부과제번호 : PJ01176203) 의 지원 및 2018년도 농촌진흥청 국립축산과학원 전문연구원(박 사후연구원) 연수과정 지원 사업에 의해 이루어진 것임.

    Figures

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    Respiration metabolic chamber for measuring methane emission from ruminant.

    JALS-54-3-47_F2.gif

    Ruminal fermentation gas analyzing system. A) Diagram for measurement of methane production using respiratory metabolic chamber, B) Respiration gas analyzer (methane, carbon dioxide, oxygen).

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    Methane gas concentration (ppm) released in chamber for recovery test (solid line; measured data, dotted line; expected data).

    JALS-54-3-47_F4.gif

    Continuous methane emission of Hanwoo steer in respiratory metabolic chamber.

    JALS-54-3-47_F5.gif

    Variance in temperature and relative humidity of respiratory metabolic chamber during this study.

    Tables

    Conversion equation of methane production

    Methane gas recovery ratio(%) of respiratory metabolic chamber developed in this study

    Comparison of methane production in the late fattening period of Hanwoo steers

    References

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