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플라스틱의 생분해 연구동향

                                                          Jaelee122@hanmail.net

                                                          한국산업기술진흥협회

 

Key words.

Plastic wastes, Biofilm, Microorganisms, Cold marine environment, Biodegradation

플라스틱 폐기물, 바이오 필름, 미생물, 저온 해양환경, 생분해

 

1. 서론우리 환경에서 플라스틱 폐기물들과 이들의 조각인 마이크로 플라스틱 (<5 mm 입자), 그리고 나노 플라스틱 ( μm 입자) 들은 아래 그림⁽¹⁾과 같은 환경내의 순환고리에 있어, 그의 지속적인 존재 때문에, 그리고 이들이 유해한 물질 및 발병 미생물 매개체로 작용 가능성 때문에 세계적인 관심사가 되고 있다⁽²⁾. 아직은 경제적 화학적 분해방법이 없어, 최선의 해결책은 미생물에 의한 플라스틱의 생분해이다.

   

그림 1. 해양환경에서 해양 미생물과 플라스틱 및 마이크로 플라스틱의 상호관계⁽¹⁾.

 

플라스틱의 분해는 이들의 결합을 물리적, 화학적, 혹은 생물학적으로 파괴하여 작은 조각으로 만드는 것으로, 비 생물학적 (기계적 응력, 광선 혹은 열) 및 생물학적 (천연 박테리아, 균류, 및 조류)의 두 방법이 있다. 고분자들은 호기성 미생물에 의하여는 이산화탄소, 물, 미네랄 그리고 바이오매스로 분해되고 혐기성 분해로 이산화탄소, 메탄, 그리고 부식물질로 파괴되어 인체에 무해한 물질이 된다.

2, 주 오염 플라스틱들과 이의 분포도

플라스틱 중에 생분해가 되는 것들과 생분해가 안되는 것들은 다음 그림 2 와 같다.

   



그림 2. 생분해가 되는 그리고 안되는 고분자 구조

              

이들 중 우리 환경에 조각 폐기물로 남는 가장 흔한 고분자들은 폴리에틸렌, PEs, (선형저밀도, 저밀도, 중간밀도, 고밀도 폴리에틸렌), 폴리염화비닐 (PVC), 폴리프로필렌 (PP), 폴리스틸렌 (PS), 나이론, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트 (PBT), 및 폴리우레탄 (PUR)이다⁽³⁾. 이들 대부분은 열경화성 플라스틱으로 분해가 어렵고 화학결합 구조는 가수분해가 쉽지 않다.

플라스틱 해양오염의 세계적 분포도를 보면 아래 표 1과 같다⁽⁴⁾. 기술적으로 어려움이 있지만 여러 플라스틱 분포의 가변적인 농도를 표에서 표면 혹은 부피단위로 정상화하였다.  

표 1.  해양 지역별 부유 플라스틱의 평균농도 및 무계⁽⁴⁾.

 

1. 박테리아의 플라스틱 생분해

생분해는 미생물 (주로 박테리아 및 균류)이 환경에 도입된 화합물의 구조를 대사작용 혹은 효소작용으로 다른 형태로 전환하거나 변형하는 과정을 말한다⁽⁵⁾. 플라스틱 폐기물이 해양환경에 들어오면, 큰 플라스틱 입자들이 마이크로 플라스틱이나 나노 플라스틱 입자들로 분쇄된다⁽⁶⁾. 이 다단계 공정은 다양한 생물 및 비 생물학적 요소에 영향을 받는다. 미생물의 표면 흡착 및 바이오 필름 생성은 미생물의 능력뿐만 아니라 소재의 특성과 표면구조, 예를 들면 표면의 거칠기, 지형, 표면 자유에너지, 표면 정전기 상호작용 및 표면의 소수성에 영향을 받는다⁽⁷⁾. 그 외에 염도, 온도, 산소 레벨, 광의 조사 등이 바이오 필름 발전에 영향을 준다. 특히 분해속도의 증가는 온도 및 습도가 결정적이다.      

아래 (표 2)에서는 폐수처리장, 기름유출 장소, 매립장, 오염된 토양, 맹그로브, 냇물, 해양, 동물 위장 등등의 여러 오염환경 하에서 미생물 군의 분해효율을 조사하였다⁽²⁾. 확인된 박테리아의 대부분은 Proteobacteria (48%), Firmicutes (37.4%) and Actinobacteria (9.8%) 문에 속하였다. 다른 문의 박테리아는 이미 인간 폐수의 생분해, 기름유출 장소의 오염에 사용되고 있으며, 여러 생명공학 기술이 식품생산 및 제약업계에서 응용되고 있다. Proteobacteria가 박테리아 중 가장 많고, 대사활동에 다양한 박테리아가 있었다. 모두가 그램-음성 박테리아로 예외적으로 폭 넓은 에너지-생산 기전 (즉 화학무기영양 생물, 화학유기영양 생물, 광 영양 생물), 산소와 관련 (혐기성 및 조건적 호기성) 및 세포모양을 가지고 있었다⁽⁸⁾.

 

고분자	박테리아 문 (phylum)	생분해 박테리아
LDPE	Actinobacteria	Cellulosimicrobium funkei, Micrococcus luteus
	Bacteriodetes	Spingobacterium multivorum
	Cyanobacteria	Oscillatoria subbrevis, Phormidium lucidum
	Firmicutes	Bacillus cereus, B. niacini, B. pseudomycoides, B. safensis, Bacillus sp., Bacillus sp. ISJ55, B. subtilis, B. thuringiensis, B. toyonensis, Brevibacillus borstelensis, B. parabrevis, Lysinibacillus macroides, Paenibacillus sp. (GenBank MK053775), Staphylococcussp.,Streptococcus, Streptococcus/ Staphylococcus
LMWPE	Proteobacteria	Stenotrophomonas panacihumi PA3-2
PE	Actinobacteria	Arthrobacter spp., consortium of: Arthrobacter, Curtobacterium, Gordonia and Rhodococcus
	Firmicutes	Bacillus aquimaris, B. boroniphilus, B. drentensis, B. firmus, B. idriensis, B. luciferensis, B. marisflavi, B. megaterium, B. muralis, B. mycoides, B. pumilus, B. simplex, B. subtilis, B. sp., Paenibacillus woosongensis
HDPE	Actinobacteria	Actinobacter sp. GMB5, Leucobacter sp., Micrococcus sp.
	Firmicutes	Bacillus spp., B. amyloliquefaciens, B. aryabhattai, B. cereus, B. licheniformis, B. pumilus, B. subtilis, Staphylococcus sp.
	Proteobacteria	Achromobacter xylosoxidans PE-1, Acinetobacter sp., Klebsiella pneumoniae CH001, Pseudomonas sp. GMB7, P. aeruginosa
PS	Actinobacteria	Mycobacterium sp
	Deinococcus-Thermus .	Thermus sp
	Firmicutes	Aneurinibacillus sp., Bacillus spp., Brevibacillus sp., Desulfotomaculum sp., Geobacillus sp., Proteiniclasticum sp.
	Proteobacteria	Alcaligenes sp., Azospirilum sp., Cupriavidus sp.
PUR	Actinobacteria	Corynebacterium sp. AF14
	Firmicutes	Bacillus sp. AF8
PP	Firmicutes	Bacillus flexus AB021185, B. flexus FJ948078, B. subtilis GQ241354
	Proteobacteria	Pseudomonas azotoformans MTCC 7616, Pseudomonas stutzeri
LMWPP .	Proteobacteria	Stenotrophomonas panacihumi PA3-2
PC	Proteobacteria	Enterobacter sp. DQ205431
PES	Proteobacteria	Pseudomonas sp. AKS2 added to microbial natural consortia
PVAL	Actinobacteria & Firmicutes	Recombinant strain N-2 (Microccocus sp. PVC-4 and Bacillus sp. PVA-7)
	Proteobacteria	Proteobacteria Similar to Pseudomonas putida, P. aeruginosa, Pseudomonas sp. PVA-2
PVC	Actinobacteria	Microccocus sp. PVC-4
	Actinobacteria & Firmicutes	Recombinant strain N-2 (Microccocus sp. PVC-4 and Bacillus sp. PVA-7)
	Proteobacteria	Achromobacter sp., Pseudomonas aeruginosa

표 2. 여러 오염된 장소에서 발견되는 고분자 생분해 박테리아⁽²⁾.

 

특별히 언급할 박테리아들은 심해에 존재하는 박테리아이며 이중 2/3의 평균 서식지 온도는 2⁽⁹⁾ 이런 곳에서 생존하는 박테리아들이 플라스틱을 생분해하는 능력이 있다. 해양에서 플라스틱은 용해된 유기탄소 방출하여 종속영양 미생물의 활성을 자극한다⁽¹⁰⁾. 새로운 탄소원에 적응은 미생물에 새로운 양상을 생성하여 저온-활성 효소생산을 돕는다. 극지 미생물의 독특한 저온-적응 효소들은 생명공학에서 개척해 볼만한 분야이며, 현재 호냉 미생물들은 많은 공업적 관심을 보이는데 이는 에너지 공급 감소를 가져오기 때문이다⁽¹¹⁾. 또한 저온 서식 미생물은 공터 매립에 사용할 수 있다. 생분해에 사용할 수 있는 미생물로 Pseudomonas, Streptomyces, Corynebacterium, Arthrobacter, Micrococcus, and Rhodococcus가 논의되고 있다⁽¹²⁾.

 

1. 결론

부유 플라스틱 폐기물들은 해양 생물과 환경에 피해를 준다. 그러나 아직 량, 근원, 운반 및 퇴적에 관한 그리고 해양에서 플라스틱의 역할에 대한 정확한 지식이 없다. 다행히 플라스틱이 세계적인 위험이라는 과학계와 대중의 인식이 높아가고 있다. 소비자, 생산자, 업계 및 회사들의 활발한 협조로 플라스틱 축적문제를 다루는데 협조하고 있다. 플라스틱에 대한 3R 정책, reduce, reuse and recycle 외에 두개의 R이 더 필요하다. 즉 energy Recovery 및 molecular Redesign이다. 다행히 후자의 운동이 일고 있다. 다른 방법은 새로운 바이오 플라스틱 소재를 개발하여 사용함으로 서 환경에 플라스틱의 영향을 줄이는 것이다. 그렇게 함으로서 화석원료 대신 재생원료를 사용하여 퇴비화 혹은 호기성 소화로 환경에 영향을 줄일 수 있을 것이다.   

또한 플라스틱의 생분해 과정의 조건과 관련된 기전을 이해하는 것이 필요하다. 첫 단계로 이 불활성 재료들의 생화학적 변화에 촉매역활을 할 수 있는 미생물을 확인하고, 이들의 플라스틱과의 상호관계를 완전히 이해하여야 한다. 둘째 단계로 관련 미생물의 개체생태학, 대사경로를 충분이 이해하고 플라스틱 소재에 노출 시, 미생물의 생화학적 활동에의 한 변화를 이해하여야 한다.

 

 

References

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2. Tjaša Matjaši？ et al., Critical evaluation of biodegradation studies on synthetic plastics through a systematic literature review, Science of the Total Environment 752 (2021) 141959


3. Alauddin, M., Choudhury, I.A., El Baradie,M.A., Hashmi,M.S.J., 1995. Plastics and theirmachining:a review. J. Mater. Process. Technol. 54 (1), 40–46. https://doi.org/10.1016/0924-0136(95)019170.


4. Carlo Giacomo Avio, Stefania Gorbi, Francesco Regoli, Plastics and microplastics in the oceans: From emerging pollutants to emerged threat, Marine Environmental Research 128 (2017) 2-11


5. Muthu SS (2014) Roadmap to sustainable textiles and clothing: environmental and social aspects of textiles and clothing supply chain. Springer Singapore


6. Debroas D, Mone A, Ter Halle A (2017) Plastics in the North Atlantic garbage patch: a boat-microbe for hitchhikers and plastic degraders. Sci Total Environ 599-600:1222–1232


7. Rummel CD, Jahnke A, Gorokhova E, K ühnel D, Schmitt-Jansen M (2017) Impacts of biofilm formation on the fate and potential effects of microplastic in the aquatic environment. Environ Sci Technol Lett 4(17):258–267


8. Madigan, M.T., Martinko, J.M., Stahl, D.A., Clark, D.P., 2012. Brock Biology of Microorganisms. 13 ed. Pearson Education, Inc, San Francisco, CA.


9. Russell NJ (1990) Cold adaptation of microorganisms. Philos Trans R Soc Lond Ser B Biol Sci 326:595–611


10. Romera-Castillo C, Pinto M, Langer TM, Alvarez-Salgado XA, Herndl GJ (2018) Dissolved organic carbon leaching from plastics stimulates microbial activity in the ocean. Nat Commun 9(1):1430


11. Yadav AN, Verma P, Kumar V, Sachan SG, Saxena AK (2017) Extreme cold environments: a suitable niche for selection of novel psychrotrophic microbes for biotechnological applications. AIBM. https://doi.org/10.19080/AIBM.2017.02.555584


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