바이오인

플라스틱의 생물학적 분해 연구 동향

◈ 목차

1. 서론

2. 본론

 2.1. 생물학적 분해 단계

   2.1.1. 생물 열화(Biodeterioration)

   2.1.2. 생물 절단(Biofragmentation)

   2.1.3. 동화작용(Assimilation)

   2.1.4. 광물화(Mineralization)

 2.2. 매개체에 따른 생물학적 분해

   2.2.1. 박테리아(Bacteria)

   2.2.2. 방선균(Actinomyces)

   2.2.3. 곰팡이

   2.2.4. 조류

   2.2.5. 곤충

 2.3. 플라스틱 종류에 따른 생물학적 분해

   2.3.1. 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)

   2.3.2. 폴리우레탄(Polyurethane, PU)

   2.3.3. Polystyrene (PS)

   2.3.4. Nylon

   2.3.5. Polyvinyl chloride (PVC)

   2.3.6. 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)

 2.4. 생물학적 분해 결정 요인

   2.4.1. 고분자 특성

   2.4.2. 환경적 요인

   2.4.3. 화학 약품 및 첨가물

3. 결론

4. 참고문헌

요약문

플라스틱 재료는 상대적으로 높은 강도와 탄력성, 가벼운 무게, 저렴한 생산 단가와 용이함으로 인해 지난 50년간 다양한 산업에 널리 이용되어 왔다. 그러나 플라스틱의 가장 큰 장점 중 하나인 높은 내구성으로 인해, 가장 생물학적 분해가 어려운 소재가 되었고, 안전하고 지속 가능한 지구 환경을 위협하는 가장 큰 요인으로 뽑힌다. 이를 해결하기 위해 플라스틱 폐기물의 생물학적 분해를 촉진시키기 위한 다양한 연구가 진행되고 있는데, 새로운 미생물 종이나 분해 효소를 찾아내거나, 다양한 미생물 조합을 이용하기도 하고, 분해를 돕는 전처리 과정을 도입하기도 한다. 본 보고서에서는 플라스틱의 네 가지 생물학적 분해 단계를 정리하고, 다양한 생물학적 매개체/플라스틱의 종류에 따른 분해 연구 동향과, 분해 효율을 결정짓는 요인에 대해서 소개한다.

Key Words: 플라스틱, 생물학적 분해, 매개체, 플라스틱 종류, 분해 효율, 분해 요인

◈본문

1. 서론

현대 사회에서 플라스틱은 빼놓을 수 없는 산업용 재료가 되었다. 플라스틱 고분자 특성에 기인하는 높은 안정성이 매우 큰 장점이지만, 그로 인해 분해되지 않고 축적되는 플라스틱 폐기물의 양은 기하급수적으로 늘어나게 되었다. 플라스틱 폐기물을 처리하는 방법 중에는 토양 매립이 경제적이고 가장 보편적이지만, 광범위한 매립지가 필요하고, 고열에 의한 소각은 폐기물 축적을 줄일 수 있지만, 연소 과정 중에 다이옥신, 일산화탄소 같은 독성 화합물을 생성하여 또 다른 환경오염을 유발하게 된다. 물리, 화학적 재활용은 환경 친화적인 방법이지만, 분리/선별 과정의 낮은 효율성, 재활용 플라스틱의 경제적 효용성 등의 한계로 인해 매우 제한적으로 쓰이고 있다. UN 보고서에 따르면, 2035년까지 플라스틱의 생산량은 8억 톤, 2050년까지 16억 톤에 이를 것으로 예상되는데, 이 중 2/3가 넘는 76%가 폐기물로 처리되고, 이러한 폐기물의 처리는 9%만이 재활용, 12%가 소각, 79%가 토양 매립에 의존하게 된다. 경제적이면서도 환경 친화적인 플라스틱 폐기물

처리 방법으로써 최근에는 미생물이나 곤충을 이용한 생물학적 분해에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 보고서에서는 플라스틱이 어떤 생물학적 분해 단계를 거치게 되는지 먼저 소개하고, 박테리아에서 곤충에 이르기까지 플라스틱 분해를 일으키는 다양한 생물학적 매개체에 대한 최신 연구, 또한 가장 널리 쓰이는 6가지 플라스틱 종류에 따른 생물학적 분해 연구 동향을 알아보았다. 끝으로 플라스틱의 생물학적 분해 효율에 영향을 미치는 중요한 요인들에 대해서 살펴보고자 한다.

2. 본론

2.1. 생물학적 분해 단계

2.1.1. 생물 열화(Biodeterioration)

생물 열화란 미생물의 화학, 물리적 작용으로 인해 플라스틱이 표면적으로 분해 및 변질되는 것뿐만 아니라 플라스틱의 화학적, 물리적, 기계적 특성이 변화되는 것을 통칭한다. 생물 열화는 생물학적 분해의 첫 단계로써, 미생물이 플라스틱의 내구성을 떨어트릴 목적으로 대상 플라스틱의 표면에 부착되거나 군집을 형성하는 것으로 시작된다. 이를 위해서는 소수성 표면을 가진 플라스틱 에 친수성 작용기를 접목시켜야 하는데, 표면의 소수성이 강한 폴리에틸렌과 같은 플라스틱일수 록 미생물과의 표면 작용을 위해 바이오 필름(biofilm)의 형성이 필수적이 된다. 바이오 필름을 형성하는 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 같은 경우에는 플라스틱의 표면에 더욱 강하게 부착되고 폴리에틸렌 플라스틱을 더욱 효과적으로 분해하는 것으로 알려졌다. 바이오 필름의 형성을 돕는 미네랄 오일은 플라스틱의 생물학적 분해를 촉진시키는 반면, 비누 같은 바이오 필름의 형성을 방해 하는 계면 활성제의 경우 생물학적 분해를 저하시키는 것으로 밝혀졌다. 반면 곰팡이의 경우에는 그들의 균사를 이용해서 거의 대부분의 플라스틱의 표면에 효과적인 부착이 가능한데, 이렇게 곰팡 이가 자라기 시작한 플라스틱의 표면은 부풀어 오르면서 기계적 특성이 크게 저하된다. 표면에 성공 적으로 안착된 미생물은 플라스틱을 유일한 탄소 공급원으로 이용하면서 자라게 되는데, 초기에는 접근이 용이하거나 분해가 쉬운 플라스틱의 표면에 처리된 가소제(plasticizer)를 이용하기도 하는 것 으로 알려졌다. 그 예로써 녹농균은 폴리에틸렌 플라스틱의 표면에 바이로 필름을 형성하고 유지 하기 위해서 저분자 탄소원을 초기 60일 이상의 기간 동안 사용하는 것으로 연구되었다. 이외에 도, 세포 외 다당류의 일종인 exopolysaccharides는 바이오 필름의 접착성을 증가시켜 생물 열화 단 계에 중요한 역할을 한다. 또한 플라스틱 표면의 친수성 소수성 작용기 사이에서의 반응을 촉진 시켜 미생물의 침투를 돕는 것으로도 알려졌다.

2.1.2. 생물 절단(Biofragmentation)

생물 절단이란 생물 열화 단계를 거친 플라스틱이, 미생물에 의해 형성된 효소나 자유라디칼 (free radical)에 의해 중합체에서 단량체로 전환되는 depolymerization 단계를 의미한다. 좀 더 구체 적으로는, 플라스틱 중합체의 분자량이 줄어들거나 저분자 물질이 산화되는 과정을 포함하는데 이 과정들은 미생물의 효소들이 저분자 물질을 대상으로 효과적으로 작용하는데 필수적이다. 미생물 효 소들은 주로 플라스틱 중합체의 가수분해를 일으키는데, 플라스틱에 존재하는 글리코사이드 (glycosidic), 에스터(ester) 혹은 펩타이드 (peptide) 결합의 카르보닐 탄소(carbonyl carbon)가 가수 분해를 위한 친핵성 공격의 대상이 된다. 이러한 가수분해 작용은 두 가지 모드, exo- 혹은 endo-에 따라서 다른 결과물이 만들어지는데, exo-reaction의 경우에는 미생물이 좀 더 쉽게 흡수 가능한 에 틸렌 글라이콜(ethylene glycol)이나 테레프탈산(terephthalic acid)과 같은 올리고머(oligomer)나 단량체(monomer)를 형성한다. 반면 endo-reaction으로 형성된 결과물들은 미생물에 흡수되기 위해서 추 가적인 분해 과정이 필요하게 된다. 생물 절단 단계에서의 산화 과정은 이전 연구에서 Rhodococcus rhodochrous 균주가 미리 산화된 거의 대부분의 폴리에틸렌 플라스틱 분해가 가능함으로써 그 중요성이 입증된 적이 있다. 이 밖에도, 미생물이 만들어 내는 각종 유기, 무기 화합물들도 생물 절단 단계에서 플라스틱의 표면 부식을 일으키는 중합체를 형성하는데 양이온 scavenger로써 중요 한 역할을 하고, 주변 환경에 의한 플라스틱의 광산화(photooxidation) 작용 또한 생물 절단을 촉진 시킨다고 알려져 있다.

2.1.3. 동화작용(Assimilation)

다음 단계로써, 이전의 생물 절단 단계에서 형성된 저분자 물질들이 능동적(active), 수동적 (passive) 수송(transportation)을 통해 미생물의 세포 내로 흡수되는 과정을 동화작용이라고 한다. 미 생물 Pseudomonas를 이용한 이전 연구에서, 분해 가능한 플라스틱 중합체의 일종인 octadecane이 고농도로 존재 시에는 수동적 수송을 통해, 저농도로 존재 시에는 능동적 수송을 통해 흡수되는 것 이 밝혀졌다. 또한 알켄(alkene) 플라스틱을 흡수하는 것으로 알려진 박테리아들 에게서 알켄의 초기 산화를 위한 monooxygenase가 세포막에 공통적으로 분포하는 것이 밝혀졌다. 동화 작용을 위 한 세포막 수송 단백질(transporter)도 다양한 종류가 있는데, Comamonas 미생물에는 polyethylene terephthalate (PET)의 가수분해 생성물인 terephthalic acid를 위한 수송 단백질이 따로 존재하고, porin 단백질은 polyethylene glycol의 흡수가 가능하다. Rhodococcus rhodocrous에서는 폴리에 틸렌 중합체의 동화 작용이 일어날 때 다양한 수송 단백질들의 발현이 증가되기도 하였다.

2.1.4. 광물화(Mineralization)

동화작용을 통해 세포 내로 흡수된 플라스틱은 미생물 내에서 효소 반응을 통해 CO₂, N₂, CH₄ 혹은 H₂O 같은 산화 대사 물질로 최종적으로 분해되는데 이를 광물화라고 한다. 예를 들어, 폴 리에틸렌 분해를 통해 생성된 아세트 산(acetic acid)은 acetyl-CoA 형성을 통해 Krebs cycle로 들어가 거나 다른 지질 합성에 이용된다. Krebs cycle에서 사용되는 또 다른 대사물인 석신산(succinate) 의 경우, Pseudomonas에서 esterase의 작용으로 polyether sulfone 플라스틱이 분해되어 형성된다. 또한 styrene의 생분해 과정에서 styrene이 산화되어 만들어지는 페닐 아세테이트 (phenylacetate)는 페닐 아세틸(phenylacetyl) coenzyme A의 형태로 Krebs cycle에서 사용된다. 광 물화는 유산소 및 무산소 과정 모두 가능하지만, 두 경우 모두 esterase, lipase, cutinase, peroxidase 나 laccase 같은 다양한 효소의 작용이 필수적이다.

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.