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ISSN : 2287-5824(Print)
ISSN : 2287-5832(Online)
Journal of The Korean Society of Grassland and Forage Science Vol.43 No.4 pp.268-273
DOI : https://doi.org/10.5333/KGFS.2023.43.4.268

A Study on Rumen Fermentation Characteristics and Greenhouse Gas Emission of Forages in South Korea

Young Ho Joo1, Ji Yoon Kim2*, Myeong Ji Seo2, Chang Hyun Baeg2, Seung Min Jeong3, Sam Churl Kim1,2*
1Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju 52828, South Korea
2Division of Applied Life Science (BK21Four), Gyeongsang National University, Jinju 52828, South Korea
3Grassland and Forages Division, National Institute of Animal Science, RDA, Cheonan 31000, South Korea

†These authors contributed equally to this work.


* Corresponding author: Sam Churl Kim, Institute of Agriculture and Life Science, Gyeongsang National University, Jinju 52828, South Korea Tel: +82-55-772-1947, E-mail: kimsc@gnu.ac.kr
December 12, 2023 December 26, 2023 December 26, 2023

Abstract


The present study estimated rumen fermentation characteristics and greenhouse gas emissions of different forages. Alfalfa, timothy, tall fescue, Italian ryegrass, and rice straw as the main forage sources for Hanwoo were used in the present study. Crude protein was highest in alfalfa but lowest in rice straw (p<0.05). Ether extract was higher in alfalfa and Italian ryegrass than in the other forages (p<0.05). Crude ash was highest in rice straw but lowest in tall fescue (p<0.05). Neutral detergent fiber was highest in tall fescue but lowest in alfalfa (p<0.05). Acid detergent fiber was highest in Italian ryegrass and rice straw but lowest in alfalfa (p<0.05). In vitro digestibilities of dry matter (DMD) and neutral detergent fiber (NDFD) were highest in timothy but lowest in rice straw (p<0.05). Rumen pH was highest (p<0.05) in alfalfa, while ammonia-N was higher (p<0.05) in alfalfa and Italian ryegrass than in the other forages. Total volatile fatty acid was highest (p<0.05) in timothy, while acetate and propionate were highest (p<0.05) in alfalfa and rice straw, respectively. Acetate to propionate ratio was higher (p<0.05) in alfalfa, timothy, and Italian ryegrass than in rice straw. Rice straw had lowest total gas (mL) (p<0.05) but highest its per DMD and NDFD. Rice straw had higher (p<0.05) CO2 (per DMD and NDFD) compared to alfalfa (per DMD and NDFD), timothy (per DMD and NDFD), tall fescue (per NDFD), and Italian ryegrass (per DMD). Again, rice straw had higher (p<0.05) CH4 (per DMD and NDFD) compared to timothy (per DMD and NDFD) and tall fescue (per NDFD). Therefore, this study indicates that timothy has a higher nutrient digestibility and volatile fatty acid in the rumen leading to a reduction of greenhouse gas emission.


Forage , Greenhous gas , In vitro digestibility , Rumen fermentation characteristics

국내 조사료별 반추위 내 발효특성과 온실가스 발생량에 관한 연구

주영호1, 김지윤2*, 서명지2, 백창현2, 정승민3, 김삼철1,2*
1경상국립대학교 농업생명과학연구원
2경상국립대학교 응용생명과학부(BK21Four)
3국립축산과학원 초지사료과

초록

    Ⅰ. 서론

    전 세계적으로 온실가스 발생량은 점점 상승하고 있으며, 이는 지구온난화와 기후변화를 일으키고 있다(IPCC, 2013). 축산분야 의 온실가스 발생량은 전세계에서 약 5.8%를 차지하며(Ritchie, 2020), 환경부 온실가스종합정보센터(GIR, 2021)에서 발표한 2021 국가 온실가스 인벤토리 보고서에 따르면 2018년 기준 국 내 온실가스 발생량은 축산업이 차지하는 비중이 전체에서 1.3% 이다. 특히, 산업화시기를 기점으로 전세계 기온이 급격히 높아지 고 있으며, 전세계 온도변화는 1981년부터 1991년까지 약 0.1℃ 가 상승하였고, 2009년부터 2019년까지 약 0.2℃가 상승하여 증 가속도가 약 2배인 것으로 보고되었다(Ritchie, 2020). 또한, 현재 지구 평균 해수면은 계속해서 상승하고 있는데, 1993년부터 2002년까지는 2.1 mm 상승하였고, 2003년부터 2012년까지는 2.9 mm 상승하였으며, 2013년부터 2022년까지는 4.4 mm 상승 하였다(Ransom and Ravalitera, 2022). 이는 최근 10년간 해수면 의 상승 속도가 점차 가속화되고 있다는 것을 나타낸다. 이러한 지구온난화를 유발하는 온실가스로는 이산화탄소(CO2), 메탄 (CH4), 아산화질소(N2O), 육불화황(SF6), 수소분화탄소(HFCS), 과불화탄소(PFCS) 등이 있는데, 그 중 이산화탄소와 메탄은 대표 적인 장내 온실가스 인 것으로 간주되고 있다.

    일반적으로 조사료는 가축의 사료 중 부피에 비하여 가소화영 양소 함량이 적고 섬유질이 많은 사료의 총칭으로 구조성 탄수화 물 함량이 농후사료에 비해 높으며, 반추위 내에서 천천히 분해되 는 특징을 가지고 있다(MAFRA, 2011; NIAS, 2015). 일반적으 로 조사료는 건초나 사일리지 등으로 제조하여 이용하며, 이러한 조사료는 반추위 내 발효 시 acetate를 주로 생성하는데, 이 때 수 소이온이 유리되어 methanogen에 의해 이산화탄소와 결합 후 메 탄으로 합성된다. 반면 농후사료는 반추위 내 미생물 발효 시 propionate를 주로 생성하는데, 이 때 유리된 수소이온을 이용함 으로 인해 반추위 내 수소이온 농도가 낮아져 메탄합성이 감소한 다(Meale et al., 2012). 또한 과도한 농후사료 급여 시, 반추위 내 휘발성 지방산(VFA) 생산성이 그 이용율을 초과하여 발생하 고 이로 인해 고창증을 유발할 수 있으므로 조사료와 농후사료 비율을 적절하게 조절하여야 한다. 조사료와 농후사료의 공급 비 율, 소화율 등은 메탄가스 발생량에 영향을 미치는데(Meale et al., 2012, Olijhoek et al., 2018), 이러한 선행연구 결과들을 고려 하였을 때 메탄가스 저감을 위한 조사료 선발, 가공 및 이용기술 개발이 필요할 것이다. 조사료별 온실가스 발생량을 조사한 연구 는 국내·외에서 다수 수행되었지만, 국내산 조사료와의 비교 연구 가 제한적으로 수행되었다.

    따라서 본 연구에서는 국내산 조사료와 한우농가에서 이용되 고 있는 주요 조사료 5종의 영양소 함량, 반추위 내 소화율, 발효 특성 및 온실가스 발생량을 평가하고, 향후 국내산 조사료 가공기 술 정립을 위한 기초자료로 사용하고자 수행하였다.

    Ⅱ. 재료 및 방법

    1. 한우용 조사료

    본 연구에서는 한우농가에서 많이 이용하고 있는 국내산 조사 료 2종(Italian ryegrass(IRG), Lolium multiflorum; Rice straw, Oryza sativa L.)과 미국에서 수입된 조사료 3종(Alfalfa, Medicago sativa; Timothy, Phleum pretense L.; Tall fescue, Festuca arundinacea)을 합천축협에서 구입하여 이용하였다. 분석용 시 료(1 kg)를 채취하여 영양소 함량, 반추위 내 소화율, 반추위 내 발효특성 및 온실가스 발생량 분석에 이용하였다.

    2. 영양소 함량

    조사료의 영양소 함량을 분석하기 위해 시료를 55℃ 송풍 건조 기에서 48시간 건조시킨 후 cutting mill 분쇄기(Shinmyung Electric Co., Ltd., Gimpo, Korea)를 이용하여 분쇄하고, 1 mm screen을 통과한 시료를 분석에 이용하였다. 건물 함량은 105℃ 송풍 건조 기(OF-22GW, JEIO TECH, South Korea)에서 24시간 동안 건조 후 무게를 측정하였다. 조단백질과 조지방 함량분석은 AOAC법 (1990)에 준하여, 각각 Kjeldahl(B-324, 412, 435 and 719Titrino, BUCHI, Germany)과 Soxhlet법(OB-25E, JeioTech, Korea)을 이 용하였다. 조회분 함량분석은 회화로(Muffle furnace, Nabertherm, Liliental, Germany)를 이용하여 550℃에 회화 후 무게를 측정하 였다. 중성세제불용성섬유(Neutral detergent fiber, NDF)와 산성 세제불용성섬유(Acid detergent fiber, ADF) 함량은 Ankom 200 fiber analyzer (Ankom Technology, Macedon, NY, USA)를 이 용하여 Van Soest (1991)법에 준하여 분석하였다.

    3. In vitro 반추위 내 발효특성

    본 실험에 이용된 한우는 경상국립대학교 동물생명윤리 위원 회 승인을 받았다(GNU-191011-E0050). 반추위 내 발효실험은 Adesogan et al. (2005)의 법에 준하여 진행하였다. 반추위액은 캐뉼라가 설치된 한우암소(18개월령; 480 kg)에게 조사료와 농후 사료를 8:2 비율로 급여한 후 오전 사료급여 전(08:00)에 채취하 였다. 채취된 위액은 4겹의 cheese cloth로 걸러주고, Van soest medium과 1:2 비율로 혼합하여 혐기적인 상태를 유지하였다. 건 조 분쇄한 조사료 0.5 g과 혼합위액 40 mL 을 125 mL serum bottle에 주입하여 39℃ incubator에서 48시간동안 배양하였다. 배양이 끝나고 나면 Filter paper (No. 2)를 이용하여 상·하층을 분리시킨다. 하층은 55oC 송풍 건조기(OF-22GW, JEIO TECH, Korea)에서 48시간 건조하여 in vitro 건물소화율(IVDMD)을 측 정하였고, 그 이후 NDF 함량을 분석하여 in vitro NDF 소화율 (IVNDFD)을 측정하였다. 상층은 pH meter(SevenEasy, Mettler Toledo, Greifensee, Switzerland)를 이용하여 pH를 분석하 였다. Volatile fatty acid (VFA) 함량분석은 auto sampler (L-2200, Hitachi, Tokyo, Japan), UV detector (L-2400, Hitachi, Tokyo, Japan) 및 column (MetaCarb 87H, Varian, CA, USA)이 설치된 HPLC를 이용하여 진행하였으며(Adesogan et al., 2004), 암모니아태 질소(ammonia-N) 함량분석은 비색법에 준하여 분석 하였다(Chaney and Marbach, 1962).

    4. In vitro 반추위 내 가스 발생량

    총 가스(Total gas)는 Digital manometer (06-664-21 Fisher Scientific Pittsburgh, PA, USA)를 이용하여 측정하였으며, Jin et al. (2021)의 방법에 준하여 psi 단위를 환산하였다. 가스는 진 공된 유리병에 포집 하였으며, CO2와 CH4 분석을 위하여 유리병 에 포집된 가스는 gas chromatography(Agilent Technologies HP 5890, Santa Clara, CA, USA), TCD detector를 포함한 column (Supelco, Bellefonte, PA, USA)을 이용하여 분석을 진행하였다 (Patra and Yu, 2014).

    5. 통계처리

    본 시험에서 얻어진 결과는 SAS program (ver. 9.4 program; SAS, 2013)을 이용하여 통계분석을 실시하였으며, 각 처리구간 유의성 검정은 Tukey’s test (p<0.05)로 실시하였다.

    Ⅲ. 결과 및 고찰

    1. 영양소 함량

    국내 한우농가에서 이용하고 있는 주요 조사료의 영양소 함량 을 분석한 결과는 Table 1과 같았다. 시험에 이용된 조단백질 함량은 4.73~16.8%의 수준을 보였으며, 알팔파(16.8%)가 가장 높았고 볏짚(4.73%)이 가장 낮았다(p<0.05). 조회분 함량은 5.72~13.7%의 수준을 보였으며, 볏짚(13.7%)이 가장 높았고 톨 페스큐(5.72%)가 가장 낮았다(p<0.05). NDF 함량은 52.0~70.6% 수준을 보였으며, 톨페스큐(70.6%)가 가장 높았고 알팔파 (52.0%)가 가장 낮았다(p<0.05). 알팔파는 목초의 여왕으로 불리 우며 다른 사료작물에 비해 영양적 가치가 뛰어나는 것으로 보고 되었으나, 볏짚은 조사료 중 단백질 함량이 낮고 소화율이 떨어져 저질 조사료로 알려져 있다(Jankson, 1977;Zhang, et al., 2017). 이와 같이 본 시험에 이용된 조사료의 영양소 함량은 다른 선행 연구에서 조사된 결과와 유사하게 나타났다(Lee and Lee, 2000;Lee et al., 2001).

    2. In vitro 반추위 내 소화율 및 발효특성

    국내 한우농가에서 이용하고 있는 주요 조사료의 in vitro 반 추위 내 소화율과 발효특성을 분석한 결과는 Table 2와 같았다. 건물 소화율과 NDF 소화율은 각각 30.8~64.5%와 37.5~66.7% 의 수준을 보였으며, 건물 소화율과 NDF 소화율 모두 티모시 (64.5%와 66.8%)가 가장 높았으며 볏짚(30.8%와 37.5%)이 가장 낮았다(p<0.05). Yu et al.(2003)에 의하면 알팔파와 티모시는 다 른 사료작물에 비하여 영양소 함량이 우수하고 소화율이 높다고 보고하였으며, Deinumet et al. (1981) 또한 티모시는 냉해에 강 하며 소화율이 뛰어나다고 보고하였다. 반면에, 볏짚은 lignin과 탄수화물이 매우 단단한 형태로 결합하고 있을 뿐만 아니라 cellulose가 결정화되어 있어서 소화율이 떨어진다고 보고 되 었는데(Jankson, 1977), 본 실험과 유사한 결과를 나타냈다. 반추 위 내 pH는 6.21~6.47의 수준으로 조사되었으며, 암모니아태 질 소는 18.2~22.9 mg/dL의 수준을 보였으며, 알팔파(22.9 mg/dL) 와 이탈리안라이그라스(22.8 mg/dL)가 톨페스큐(18.2 mg/dL)와 볏짚(19.32 mg/dL)보다 낮았다(p<0.05). 반추위 내의 암모니아태 질소는 반추위 내의 미생물체단백질 합성을 위한 주요 질소원으 로, 이는 일반적인 사료 단백질 보다 더 효과적으로 아미노산을 이용한다(Hristov and Broderick, 1994;Hristov and Ropp, 2003). 사료 내 단백질 함량이 높으면 암모니아태 질소 생성량이 높아지는데, 본 연구 결과는 알팔파의 높은 단백질 함량으로 인하 여 암모니아태 질소 함량 또한 높게 나타난 것으로 사료된다. 반 추위 내 총 VFA 함량은 29.1~40.2 mM/L의 수준을 보였으며, 티 모시(40.2 mM/L)가 가장 높았고 볏짚(29.1 mM/L)이 가장 낮았 다(p<0.05). Acetate 함량은 61.5~65.7% mol의 수준을 보였으며, 알팔파(65.7% mol)가 가장 높았고 볏짚(61.5% mol)이 가장 낮 았다(p<0.05). Propionate 함량은 19.5~23.0% mol의 수준을 보 였으며, 볏짚(23.0% mol)에서 가장 높았고, 알팔파(19.5% mol) 에서 가장 낮았다(p<0.05). 일반적으로 조사료 중 구조성 탄수화 물 함량이 낮으면 가용성 탄수화물(전분, 당 등) 함량이 높아서 소화율이 증가하며 이로 인해 반추위 내 총 VFA 함량이 증가하 는데(Hobson and Stewart, 1997), 이는 본 연구 결과에서도 총 VFA 함량이 높은 조사료에서 건물과 NDF 소화율(IVDMD와 IVNDFD)이 증진하였다. 또한 비구조성 탄수화물 함량이 낮으면 반추위 내 미생물에게 더 많은 에너지원을 제공하여 더 많은 유 기산(acetate, propionate 등)을 생성한다(McDonald et al., 1991). 한편 볏짚에서 acetate 함량이 낮은 반면 propionate 함량이 높은 결과를 보였는데, 이는 볏짚 중 구조성 탄수화물들이 결정화된 구 조로 존재함으로 인해 이들의 소화율이 낮았기 때문인 것으로 사 료되며(McDonald et al., 1991), 또한 이로 인해 A:P 비율이 감 소한 것으로 보인다.

    3. In vitro 반추위 내 가스 발생량

    국내 한우농가에서 이용하고 있는 주요 조사료의 in vitro 반 추위 내 가스 발생량을 분석한 결과는 Table 3과 같았다. 반추위 내 총 가스(Total gas) 발생량은 127~139 mL 수준을 보였으며, 다른 조사료에 비하여 볏짚(127 mL)이 가장 낮았다(p<0.05). 반 면에 건물 소화율당 총 가스 발생량과 NDF 소화율당 총 가스 발 생량은 각각 753~1,102 mL/g DMD와 881~1,119 mL/g NDFD 수준을 보였으며, 볏짚(1,102 mL/g DMD와 1,119 mL/g NDFD) 이 가장 높았다(p<0.05). 반추위 내 가스 발생량이 증가하는 것은 사료의 소화율이 증가하는 것과 정비례한다고 보고하였는데 (Beuvink et al., 1992), 본 연구에서도 소화율이 높은 티모시에서 총 가스 발생량이 가장 높은 반면, 소화율이 가장 낮은 볏짚에서 총 가스 발생량이 낮았다. 한편, 반추위 내 CO2와 CH4 발생량은 시험구간 유의적인 차이가 없었다. 하지만, 건물 소화율당 CO2 발생량과 NDF 소화율당 CO2 발생량은 각각 78.5~116 mL/g DMD과 85.4~117 mL/g NDFD의 수준을 보였으며, 볏짚(116 mL/g DMD와 117 mL/g NDFD)이 가장 높았고 알팔파(78.5 mL/g DMD와 85.4 mL/g NDFD)가 가장 낮았다(p<0.05). 건물 소화율당 CH4 발생량과 NDF 소화율당 CH4 발생량은 각각 35.5~56.4 mL/g DMD와 38.5~56.6 mL/g NDFD의 수준을 보였 으며, 볏짚(56.4 mL/g DMD와 56.6 mL/g NDFD)이 가장 높았 고 티모시(35.5 mL/g DMD와 38.5 mL/g NDFD)가 가장 낮았다 (p<0.05). 반추위 내 가스 발생량은 소화율이 증가함에 따라 증가 하는데, 사료 분해율과 영양소 함량이 높으면 상대적으로 CO2와 CH4 발생량이 증가한다(Chaudhry and Khan, 2012). Johnson and Johnson (1995)는 사료 급여량은 동일하나 소화율이 증가할 경우, CH4 발생량이 감소한다고 보고하였으며, Ha et al. (2018) 은 단백질과 TDN 함량이 높은 조사료가 CH4 발생량이 적었다고 보고하였다. 또한 반추위 내 발효 시 acetate 함량이 증가하면 methanogen에 의한 CH4 합성량이 증가하는 반면, propionate 함 량이 증가하면 반추위 내 유리된 수소이온을 이용하게 됨으로 인 해 CH4 합성량이 감소한다(Meale et al., 2012). 하지만, 본 연구 에서 볏짚의 경우 A:P 비율이 낮음에도 건물과 NDF 소화율 당 CH4 발생량이 높은 것은 이들의 소화율이 낮았기 때문인 것으로 사료된다. 한편, 두과 사료작물은 구조성 탄수화물 함량이 적고, 항산화 효과를 가지는 탄닌을 많이 함유하고 있어서, CH4 발생량 이 감소한다고 보고하였다(Waghorn and Clark, 2004). 본 연구 에서 두과 사료작물인 알팔파의 CH4 발생량은 다른 조사료와 유 의적인 차이는 없었으나, 티모시의 CH4와 CO2 발생량이 낮은 것 은 건물과 NDF 소화율이 가장 우수하였기 때문인 것으로 사료된 다.

    Ⅳ. 요약

    본 연구에서는 국내 한우농가에서 주로 이용하고 있는 국내산 조사료 2종과 수입산 조사료 3종의 영양소 함량, 반추위 내 소화 율, 발효특성 및 온실가스 발생량을 평가하기 위해 수행되었다. 알팔파는 조단백질 함량이 가장 높은 반면, NDF와 ADF 함량은 가장 낮았으며, 온실가스 측면에서 건물과 NDF 소화율 당 CO2 발생량이 낮았다. 한편 티모시는 건물과 NDF 소화율, 반추위 내 총 VFA 함량이 가장 높았으며, 온실가스 측면에서 건물과 NDF 소화율 당 CH4 발생량이 가장 낮았다. 이상의 연구결과에서, 국 내 한우농가에서 주로 이용하고 있는 조사료 중 사료가치(영양소 함량, 반추위 내 발효특성 및 간접 소화율)와 온실가스 저감 측면 에서 티모시가 가장 우수한 것으로 사료된다. 따라서 국내에서 가 장 많이 생산되고 있는 조사료인 이탈리안라이그라스와 볏짚의 사료가치 증진과 온실가스 저감을 위한 조사료 가공기술 개발이 필요할 것으로 사료된다.

    Ⅴ. 사사

    본 연구는 농림식품축산기술기획평가원의 연구사업(과제번호: 321083-05-3-HD020)의 지원에 의해 이루어졌습니다.

    Figure

    Table

    Chemical compositions of different forages (%, DM)

    SEM, standard error of mean.

    In vitro nutrient digestibility and rumen fermentation characteristics of different forages incubated with rumen buffer for 48 hours

    IVDMD, <i>in vitro</i> dry mater digestibility; IVNDFD, <i>in vitro</i> neutral detergent fiber digestibility; Total VFA, total volatile fatty acid; A:P ratio: acetate to propionate ratio; SEM, standard error of mean; <sup>a~d</sup>Means in the same row with different superscripts differ significantly (<i>p</i><0.05).

    Total gas, CO2 and CH4 emissions of different forages incubated with rumen buffer for 48 hours

    SEM, standard error of mean; <sup>a~c</sup>Means in the same row with different superscripts differ significantly (<i>p</i><0.05).

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