동애등에 유충을 질소 공급원으로 기반으로 한 지속 가능한 비료 구성의 통계적 최적화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20505(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 코어-쉘 NPK(질소-인-칼륨) 비료를 위한 지속 가능한 코팅의 통계적 최적화가 조사되었습니다. 환경 녹색 코팅은 바이오매스와 재생 가능한 자원, 즉 식물성 폐기물에서 사육된 검은 동애등에 유충(BSFL)(Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae)의 질소가 풍부한 부분을 사용하여 질소가 풍부했습니다. 코어에 대한 접착력과 같은 제조 동작과 균질성 또는 가소성과 같은 물리적 특성을 모두 고려하여 코팅의 최상의 제형을 계산하기 위한 합리적인 접근 방식이 제안되었습니다. 순환 경제 관점에서 BSFL의 질소가 풍부한 부분(51~90wt.%)과 함께 물과 글리세롤은 다양한 비율(10~32wt.% 및 0~17wt.%)로 코팅 제제에 고려되었습니다. 각각 중량%. 코팅 제제에 대한 총 테스트 수(18개 테스트)를 제한하기 위해 실험 설계 기술이 구현되었습니다. 더 정확하고 객관적인 공식을 도출하기 위해 수학적 모델을 얻기 위해 ANOVA가 사용되었습니다. 결과는 글리세롤의 사용을 피할 수 있을 뿐만 아니라 최적화된 코팅 제제를 얻기 위해 제한된 양의 물(11 중량%)만이 필요하다는 것을 보여 주며, 이후 코팅 제조에 보다 관련 있는 기술적, 물리적 특성을 충족시킵니다. .

세계 인구는 2050년에 97억 명, 21001년에는 109억 명에 이를 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 기후 변화와 그것이 세계 식량 생산에 미치는 영향을 다루어야 할 것입니다. 전 세계 토지의 1.8%~4.6%를 건조지로 전환하여 2억 7천만 명 이상의 사람들에게 영향을 미칩니다2. 현재 경작지는 도시화3와 그에 따른 더욱 극심한 착취4로 인해 점점 더 큰 압력을 받게 될 것입니다. 또한 농업 및 토지 이용과 관련된 활동은 2015년 식량 생산 시스템의 온실가스(GHG) 배출량의 71%를 차지하므로 농업 시스템의 지속 가능성과 효율성을 강화하는 것이 중요합니다5,6.

이러한 맥락에서 비료, 특히 "환경 친화적인 비료"(EFF)는 현대 농업의 주요 기둥 중 하나입니다. 이는 토지 단위당 작물 생산량을 엄청나게 증가시켜 식물에 필요한 주요 영양분을 제공하기 때문입니다. 그들의 성장7,8,9,10. EFF를 생산하려면 일반적으로 천연, 자연 유래 또는 유기 물질이 선호됩니다. 이는 환경에 미치는 영향이 적고 쉽게 이용 가능하며 석유 유래 폴리머에 비해 토양 오염 물질을 피하거나 제한하는 데 도움이 될 수 있기 때문입니다11,12, 13. 또한 토양 유기물 함량을 높이거나 특정 영양소로 토양을 풍부하게 하는 등 다른 긍정적인 특성을 가질 수도 있습니다11,14. 그러나 EFF를 생산하는 데 사용되는 재료는 확산을 방해하는 몇 가지 단점을 보여줍니다. 예를 들어 생산 공정은 종종 복잡하거나 비용이 많이 들고 환경 조건은 실제 영양분 방출 패턴에 알려지지 않은 영향을 미칩니다12,15,16.

식물의 다량 영양소 중에서 질소는 가장 까다로운 요소 중 하나입니다. 요소 기반 비료는 40~70%의 손실이 특징입니다17. 이러한 손실은 지하수가 침출된 질산염으로 오염되고 대기가 N2O와 같은 NH3 휘발 및 GHG 배출에 모두 노출되기 때문에 여러 오염 과정의 원인이 됩니다18,19,20,21. 반면, 암모니아 기반 비료는 NH3 1000kg당 2000kg의 CO2가 발생하고 전체 생산 공정이 천연가스 사용에 의존하기 때문에 환경에 매우 유해합니다22. 이러한 맥락에서, 대체 질소 공급원이 필요하며, 유기 폐기물의 전환에서 가능한 공급원을 식별하는 동시에 유기 폐기물 처리로 인해 발생하는 생태학적 문제를 부분적으로 해결할 수 있습니다23,24,25,26 ,27,28. 유기 폐기물을 전환하는 생물학적 또는 화학적 방법 중에서 검은 동애등에 유충(BSFL)(Hermetia Illucens, Diptera: Stratiomyidae)을 사용하는 것은 처리를 위한 효율적이고 안전한 생물전환 도구로 간주됩니다29,30,31. 실제로 부산물이나 폐기물의 가치 평가를 고려할 때 물리적(모양 및 크기) 및 생물학적 화학적(다량 영양소의 가용성) 제한으로 인해 전환을 통해 다량 영양소 측면에서 그 가치를 활용하는 것이 필요한 경우가 많습니다. BSFL은 초기 폐기물 중량의 현저한 감소(초기 건조 질량의 최대 68%32), 살모넬라33,34와 같은 병원균 억제, 온실가스 배출35 및 악취 배출36 감소로 이어지기 때문에 효율적인 바이오폐기물 재활용을 위해 제안되었습니다. 표준 퇴비화 절차와 비교. 또한 BSFL은 매우 효율적인 사료 전환율을 가지고 있어 질소(30~50wt.%)와 지질(21~40wt.%)37이 풍부한 귀중한 바이오매스를 생성하며, 이 바이오매스의 구성은 사용된 유기 폐기물에 따라 달라집니다. 또는 산업용 응집제와 같은 특정 첨가제 및 인공 조명과 같은 장치를 통한 발효 전략. 이로부터 주로 단백질과 키틴을 포함하는 질소가 풍부한 BSFL 분획은 다음과 같이 나타낼 수 있다는 것이 나타납니다. 작물 성장에 유용한 유기 질소의 귀중한 공급원이며, 이후에는 저렴하고 지속 가능한 유기 비료 생산에 사용됩니다43. 그러나 현재 유럽 법률에서는 BSFL의 생물전환에 사용되는 유기 기질의 유형에 일부 제한을 두어 분뇨 및 동물 사료로 공식적으로 "폐기물"로 인식되는 기질의 사용을 금지하고 있습니다44. 특히, 과일 및 야채 잔류물은 2006년 이탈리아 입법 법령 152의 184-bis조에 따라 부산물로 자격이 있는 것으로 보입니다45. 실제로 이러한 잔류물은 법에서 요구하는 4가지 조건을 준수하는 데 필요한 특성을 보유한 것으로 보입니다. 부산물로 잔류물. 네 가지 조건은 다음과 같습니다. (a) 잔류물이 필수적인 부분인 생산 공정에서 유래하고 일차 목적이 그러한 잔류물의 생산이 아닌 경우; (b) 해당 물질이나 물체의 추가 사용이 확실합니다. (c) 물질이나 물체는 일반적인 산업 관행 이외의 추가 가공 없이 직접 사용될 수 있습니다. (d) 추가 사용이 합법적입니다. 즉, 물질 또는 물체가 특정 용도에 대한 모든 관련 제품, 환경 및 건강 보호 요구 사항을 충족하며 전반적인 환경 또는 인간 건강에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 잔류물이 네 가지 조건을 충족하면 부산물로 분류될 수 있으며 허가나 폐기물 관리 및 추적 체제의 적용을 받지 않고 자유롭게 재사용할 수 있습니다. 더욱이, 이 작업에 사용된 과일 및 야채 잔류물은 규정(EC) No. 178/2002(3(4)조)에서 '사료'(또는 '사료')의 정의에 속할 수 있는 것으로 보입니다. «가공, 부분 가공 또는 가공되지 않은 첨가물을 포함하여 동물에게 경구 먹이로 사용되는 모든 물질 또는 제품». 이러한 이유로 이러한 잔류물은 규정 (EC) No. 767/2009, Art. 6, Annex III (no. 6), 그러나 이는 산업 활동에서만 파생될 수 있습니다(유럽 의회, 2009; 유럽 의회 2002).