플라스틱마다 다른 분해 속도…소재별 미생물 후보 발굴 토대 마련

'생분해성 플라스틱'도 종류와 주변 환경에 따라 분해 속도가 다르다는 사실이 규명됐다. 플라스틱 종류별 분해 특성을 분석해 맞춤형 미생물과 효소 후보도 발굴했다. 이는 폐기 환경에 적합한 소재 선택과 플라스틱 분해 기술 개발을 돕는 토대가 될 것으로 기대된다.

KAIST

KAIST는 건설 및 환경공학과 명재욱 교수 연구팀과 울산과학기술원(UNIST) 이창수 교수 연구팀이 매립지 침출수를 이용해 산소가 없는 환경에서 생분해성 플라스틱의 분해 속도와 분해에 관여하는 미생물의 활동을 과정을 분석했다고 10일 밝혔다.

생분해성 플라스틱은 미생물로 분해할 수 있어 플라스틱 폐기물을 줄일 방안으로 주목받는다. 다만 소재의 종류와 온도, 산소 유무, 주변 미생물 등에 따라 플라스틱 분해 속도와 정도가 달라진다.

예컨대 고온의 퇴비화 시설에서 분해가 빠른 소재도 실제 매립지 환경에서는 분해가 더딜 수 있다. 문제는 수거·처리가 제대로 이뤄지지 않으면 생분해성 플라스틱도 일반 쓰레기와 섞여 매립지로 유입될 수 있다는 점이다.

하지만 그간에는 산소가 부족한 매립 환경에서 플라스틱이 얼마나 분해되는지 그리고 어떤 미생물이 분해 과정에 관여하는지는 충분히 밝혀지지 않았다.

이를 규명하기 위해 공동연구팀은 ▲폴리하이드록시부티레이트(PHB) ▲폴리락트산(PLA) ▲폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT) 등 생분해성 플라스틱을 매립지 침출수에 넣어 산소가 없는 35도 환경에서 최대 320일간 배양했다.

침출수는 쓰레기 사이를 통과해 여러 물질과 미생물이 섞인 물이다. 공동연구팀은 같은 조건에서 일반 플라스틱인 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)도 배양해 분해 정도를 비교했다.

매립지 침출수 기반의 중온 혐기성 생분해 실험 과정. KAIST

분해 정도는 플라스틱 안에 탄소가 메탄과 이산화탄소 등의 기체로 바뀐 비율인 '무기화율'로 평가했다. 플라스틱의 겉모양이 변하거나 작은 조각으로 부서지는 것과 미생물에 의해 실제 분해되는 것을 구분하기 위해서다.

이 결과 PHB는 17일 만에 무기화율 99.9%에 도달했다. PLA는 초기 20일간 분해가 지연되다가 서서히 분해되기 시작해 배양 320일째 무기화율 83.6%를 기록했다.

이와 달리 320일이 지난 시점에도 PBAT의 무기화율은 2.7%, 일반 플라스틱인 LDPE의 무기화율은 0.4%에 그쳤다. 같은 환경에서도 소재별로 분해 정도가 달랐던 셈이다.

특히 고온 퇴비화 조건에서 분해가 잘 되는 것으로 알려진 PLA는 35도에서도 장기간 배양했을 때 분해 효과는 컸다. 전자현미경으로 관찰한 PLA 표면에선 균열과 손상 부위에 미생물이 모여 만든 얇은 막인 '바이오필름'도 확인됐다.

공동연구팀은 플라스틱에 붙은 미생물의 활동도 살펴봤다. 미생물의 DNA를 분석하는 '메타게놈'과 RNA를 분석하는 '메타전사체' 기법을 활용해 미생물이 가진 유전자 정보와 실제 발현된 유전자를 비교하는 방식이다.

분석 결과 복원한 미생물 유전체 238개 중 118개에서 PHB 또는 PLA를 분해할 효소 후보 유전자가 발견됐다. 이중 발현 흔적이 확인된 유전체는 49개다. 분해 관련 유전자를 갖고 있어도 모두 발현되는 것은 아니라는 의미다.

(왼쪽부터) KAIST 명재욱 교수, 스위스연방수생과학기술연구소 최신형 박사, UNIST 이창수 교수, 홋카이도대 최형민 박사. KAIST

유전자 활동은 주변 침출수보다 플라스틱 표면의 바이오필름에서 보다 활발했다. 주변에 어떤 미생물이 있는지 뿐 아니라, 플라스틱 표면에 붙은 미생물이 무엇을 하는지가 분해 과정을 이해하는 중요한 단서가 된 셈이다.

다만 유전자 활동이 확인됐다고 해서 해당 미생물이나 효소가 플라스틱을 분해한다고 단정할 수는 없다고 공동연구팀은 단서를 붙였다.

실제 분해 기능은 후속 실험으로 검증해야 하며, 이번 연구 결과는 35도의 실험실 조건에서 얻은 것으로 실제 매립지에서도 같은 속도와 비율로 분해되는 것을 의미하지는 않는다는 설명이 뒤따랐다.

명 교수는 "생분해성 플라스틱도 버려지는 환경과 주변 미생물의 활동 성격에 따라 분해 정도가 크게 달라진다"며 "이번 연구 결과가 향후 폐기 환경에 맞는 생분해성 평가 기준을 마련하고, 플라스틱을 분해할 미생물과 효소를 발굴하는 데 도움이 되길 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 스위스연방수생과학기술연구소(Eawag) 박사후연구원 최신형 박사(KAIST 졸업)와 홋카이도대 박사후연구원 최형민 박사(UNIST 졸업)가 공동 제1 저자, UNIST 이창수 교수와 KAIST 명재욱 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

연구 결과는 최근 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr