가축의 전염성 질병 발발의 제어를위한 Biocontained 카캐스 퇴비

본 영상은 연방 정부의 CRTI 프로그램과 Alberta Agriculture의 후원을 받아 Lethbridge 연구 센터에서 수행된 연구 사례를 보여줍니다. 이 프로젝트의 목적은 비육우 집단 내 전염병 발생 시 사체 처리 방법으로서의 코튼 포스팅(cotton posting)을 살펴보는 것입니다. 이 기술은 몇 년 전 Fraser Valley에서 발생한 조류 인플루엔자 확산을 통제하기 위해 CFIA의 Dr.Lloyd Spencer에 의해 이전에 사용된 바 있습니다.

이 프로젝트의 목적은 기본적으로 감염원을 효과적으로 제어하고 주변의 다른 소 집단으로 확산되는 것을 방지하는 것입니다. 이를 달성하기 위해서는 폐기 방법을 개발하고, 가급적 24시간 이내에 이를 준비하여 가동할 수 있도록 매우 신속하게 대응해야 합니다. 그렇기 때문에 이번 실험 설계에서는 전체 퇴비화 과정에 지역에서 구할 수 있는 재료를 사용하였으며, 이러한 재료들은 지역 농장 공급업체에서 즉시 재구매가 가능하므로 24시간 이내에 구조물을 구축할 수 있습니다.

구조물의 외부 프레임은 단순히 보리짚을 구조재로 사용하여 구축되었습니다. 전체 퇴비화 과정에서 발생할 수 있는 침출수에 대비하여 구조물 바닥에 작은 짚 묶음들을 배치하였으며, 이 작은 베일들이 액체를 흡수하는 역할을 하도록 하였습니다. 그 다음, 대형 사각 베일을 사용하여 구조물의 외벽을 만들었습니다.

따라서 저희의 목표는 유사한 모델을 사용하되, 규모를 훨씬 크게 확장하여 성체 비육우의 큰 체구를 처리할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 본 연구에서 적용한 격리 수준은 일반적인 퇴비화 과정보다 훨씬 높았습니다. 저희는 구조적 틀 내에 퇴비 더미 전체를 가두기 위해 대형 짚더미 bale을 사용했습니다.

저희는 Lepar 연구 센터의 비육장(feedlot)에서 분뇨를 수집하였으며, 공기를 통하게 하여 새로운 분뇨가 가열될 수 있도록 분뇨 살포기를 통해 사전 처리하였습니다. 기본적으로 이번 시도는 이 정도의 대규모 수준에서, 그리고 이 정도로 낮은 밀폐 수준으로 진행된 첫 번째 사례입니다. 처음 이 작업을 시도했을 때 저희가 가졌던 우려 중 하나는 퇴비화 과정에서 상당한 양의 침출수가 발생할지 여부였습니다.

따라서 저희는 퇴비화 과정에서 생성될 수 있는 모든 액체를 수집하기 위한 수단으로 배수 시스템인 퇴비 더미를 의도적으로 배치했습니다. 저희는 표준 사일리지용 플라스틱을 사용합니다. 이는 사료 공급장에서 사일리지 피트를 덮는 데 사용하는 것과 동일한 플라스틱입니다.

플라스틱을 사용하는 이유는 매우 높은 수준의 보안을 확보하기 위함입니다. 기본적으로 퇴비화 더미의 모든 물질이 플라스틱 차단막 내에 유지됩니다. 우리는 흡수제 역할을 하고 퇴비화 과정을 촉진하기 위해 퇴비화 구조물 바닥에 보리 짚 층을 깝니다.

또한, 퇴비 자체 내에 온도 송신기를 배치했습니다. 이 송신기들은 전체 퇴비화 과정 동안 온도를 지속적으로 기록하며, 퇴비화 공정이 끝난 후 송신기를 회수하여 전 기간의 온도 데이터를 다운로드합니다. 플라스틱을 사용하는 것의 단점 중 하나는 퇴비 더미 내부로 들어오는 산소의 흐름을 제한할 가능성이 높다는 점입니다.

여기서는 일반적인 주택 건설에 사용되는 단순한 배수 타일 또는 배수관을 사용하였으며, 이 튜브들을 전체 퇴비화 구조물 전체에 걸쳐 약 16 feet 간격으로 배치했습니다. 이렇게 한 이유는 공기가 퇴비 더미 아래로 이동하도록 하여, 퇴비화가 산소가 배제되어 기본적으로 사일리지 제조와 동일한 과정이 되는 혐기성 과정이 아니라 호기성 과정으로 진행되도록 하기 위함이었습니다. 저희는 그런 결과가 나타나는 것을 원하지 않았습니다.

사체 분해를 극대화하기 위해 구조물 내부로 산소가 유입되도록 하였습니다. 본 실험에 사용된 소들은 주로 자연사인 폐렴으로 폐사한 지역 사육장의 소들을 확보하여 사용하였습니다. 본 연구를 위해 동물들을 도살하거나 살처분하지 않았습니다.

방금 설치한 이 튜브들은 주변 대기로부터 파이프를 통해 정상적으로 이동하는 공기인 수동 통기에만 의존했습니다. 팬과 같은 장치를 사용하지 않았는데, 이는 감염병 발생 시 감염원을 퇴비화 구조물 밖으로 불어내어 주변 지역으로 퍼뜨리는 것을 방지하기 위해서입니다. 일반적인 질병 발생 시에는 여기에서 보여드리는 수준의 세부적인 조치를 시행하지 않겠지만, 본 과정은 실험이므로 베이커 회수 피라미드(baker retrieval pyramids)라고 불리는 장치를 사용하여 샘플을 퇴비에 심고 추후 특정 날짜에 이를 추출하는 방법을 사용했습니다.

추가 연구를 위해, 우리는 박테리아와 바이러스 모두를 포함하는 모델 미생물들을 작은 흰색 주머니에 넣고, 이를 삼각형 구조물에 배치한 뒤 퇴비화 장치 안에 넣었습니다. 이는 퇴비화 과정에서 미생물이 사멸하여 감염원이 완전히 제거되는지 확인하기 위함입니다. 또한 우리는 조직, 뇌 조직, 그리고 발굽과 뿔을 구성하는 단백질인 케라틴과 같은 추가 기질들을 함께 넣었습니다.

케라틴은 소화에 매우 강한 저항성을 가지고 있으며, 우리는 퇴비화 과정 동안 이 매우 저항성이 강한 단백질의 분해가 일어나는지 확인하고자 했습니다. 만약 유의미한 분해가 관찰된다면, 사체 또한 완전히 분해될 것이라는 좋은 지표가 될 것입니다. 피라미드 내의 환경이 주변의 나머지 분뇨 환경과 매우 유사하도록 만들기 위해 피라미드를 분뇨로 채웁니다. 퇴비화 과정 동안, 회수하는 가방은 세 개뿐입니다.

모든 재료는 피라미드에 넣기 전에 봉투에 담아 무게를 측정하였거나, 미생물의 수를 먼저 계산한 후 피라미드에 넣었습니다. 이제 각 피라미드에 온도 측정 장치를 함께 배치하여, 개별 피라미드가 위치한 지점의 온도를 실제로 측정하도록 하겠습니다. 퇴비더미 내의 두 가지 깊이, 즉 퇴비더미 자체의 약 0.5 m 깊이 지점과 사체가 배치된 구역의 1 m 깊이 지점에 각각 20개 이상의 피라미드를 배치하였습니다.

정상적인 조건에서 이러한 모델 박테리아 대부분은 사람에게 심각한 질병을 일으키지 않지만, 감염병 발생 상황을 다룰 때는 직원들이 장갑과 보호복을 착용하고 있는 것을 볼 수 있으며, 실제 감염병 유행 시에는 마스크와 특수 장화까지 착용하게 됩니다. 실제 질병 발생 상황을 다룬다면 보호구의 수준이 훨씬 더 높아질 것입니다. 사체를 투입한 후, 이러한 각 퇴비화 구조물에 약 16마리의 동물을 넣었습니다.

그런 다음 가열된 분뇨를 사용하여 그 위를 덮어주며, 이때 발생하는 증기의 양을 통해 분뇨가 이미 가열되고 있음을 알 수 있습니다. 퇴비화 더미에 넣기 전, 분뇨를 채워 구조물을 완전히 메웠으므로, 이제 사체들은 분뇨 표면으로부터 약 1.5m 아래에 위치하게 됩니다. 여기 보시는 바와 같습니다.

그 다음, 호기성 퇴비화 과정이 확실히 이루어지도록 더미 상단에 추가 통기구를 설치했습니다. 이제 프레드(Fred)의 다음 공간으로 이동할까요? 또한, 저희는 이 통기구들을 통해 배출되는 온실가스의 종류를 측정했습니다.

퇴비화 과정 동안, 만약 퇴비 더미 속에 실제로 감염원이 존재할 경우 그 유출 가능성을 매우 낮게 유지하기 위해 모든 부분을 단단히 밀봉했습니다. 상단에 타이어를 배치한 것을 볼 수 있는데, 이는 기본적으로 조류나 먹이 공급자와 같은 매개체가 퇴비 더미 전체에 접근하는 것을 제한하여 감염원이 다른 잠재적 매개체로 전이되지 않도록 하기 위함입니다. 보이는 전선들은 피라미드 내부 지점의 온도를 퇴비화 구조물 외부에 있는 컴퓨터로 전송하는 데 사용됩니다. 퇴비화 과정 효율의 공간적 변동성을 파악하기 위해 각 퇴비 더미 내 48곳 이상의 서로 다른 지점에서 온도를 모니터링하며, 튜브를 사용하여 퇴비 더미 내 다양한 깊이의 산소 농도를 측정했습니다.

앞서 언급했듯이, 산소가 퇴적물 더미 내부로 침투하는 것이 매우 중요합니다. 현재 우리는 피라미드 배치와 관련하여 매우 세밀한 수준의 상세 작업을 수행하고 있기 때문에, 이러한 구조물을 구축하는 데 소요된 시간이 일반적인 조건보다 훨씬 더 길었습니다. 실제 상황에서는 피라미드를 배치하거나, 퇴적물 더미 내의 여러 위치에 설치한 실험 기구들이 손상되지 않도록 하기 위해 지금처럼 극도의 주의를 기울이지는 않을 것입니다.

그 후 퇴비화 과정 중에 구조물 내부로 들어가 분뇨 표면 아래 1~0.5m 깊이에서 삼각형 장치들을 꺼냈습니다. 그런 다음 퇴비화 과정 동안 미생물이 생존했는지 여부와 퇴비화 도중 분해된 조직의 양을 측정하였으며, 삼각형 장치의 체인과 강도 덕분에 퇴비층을 통해 장치를 그대로 끌어올려 샘플을 회수할 수 있었습니다. 이제 일반적인 상황에서, 만약 실제 감염성 발생 사례를 다루고 있다면, 퇴비 더미 내부의 온도를 외부에서 모니터링할 수 있기 때문에 이미 70 °C에 도달했음을 알 수 있습니다. 약 55 °C 이상의 온도에서는 대부분의 감염원이 사멸하며, 우리가 더미 속에 넣은 모델 생물인 미생물과 바이러스를 측정했을 때 바이러스는 1주일 이내에, 미생물은 2주일 이내에 사멸했습니다.

이제 퇴비화 공정이 완료된 후 퇴비 더미를 개방하는 모습입니다. 이 과정은 약 150일 동안 진행되었습니다. 퇴비 더미의 일부 구역에서는 70일 이상의 기간 동안 온도가 70 °C 이상으로 유지되었습니다.

더미의 상단 온도가 하단보다 더 높은 경향을 보였으나, 더미의 모든 영역이 55 °C를 초과했습니다. 이제 퇴비화 더미를 비우고 있는데, 만약 이것이 실제로 전염성 질병의 발생이었다면 퇴비화 과정의 결과로 전염성 병원체는 기본적으로 사멸했을 것입니다. 이 절차를 통해 물질을 제거함과 동시에, 전 기간 동안 더미 내부에 있던 온도 송신기를 회수하고 있으며, 이를 꺼내 컴퓨터에 연결하여 동물이 있던 위치에서의 전체 퇴비화 과정 동안 온도가 어떠했는지 측정할 예정입니다.

뼈와 조직이 일부 남아 있다는 증거가 발견되었으나, 동물의 형태는 확실히 더 이상 인식할 수 없는 상태였습니다. 퇴비화 과정 후 조직의 크기는 상대적으로 작았으며, 모두 1kg 또는 500g보다 훨씬 적었습니다. 퇴비화 구조물을 해체한 후, 재료를 뒤섞어 외부 윈드로우(windrow)에 쌓았으며, 이 시점에서 남아 있는 모든 조직은 2차 퇴비화 과정 동안 분해됩니다.

결정적인 요인은, 최종 개봉 시점에 이미 장기간의 퇴비화 과정 동안 도달한 고온으로 인해 감염원이 사멸했다는 점과, 뇌 조직의 약 98%가 퇴비화 과정의 첫 두 달 이내에 분해되었다는 점입니다.