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미생물을 활용한 플라스틱 생물학적 분해 동향
미생물을 활용한 플라스틱 생물학적 분해 동향 저자 임현규 (University of California San Diego)
등록일 2021.10.21
자료번호 BRIC VIEW 2021-T34
조회 1921  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
인류가 플라스틱을 사용하기 시작한 이래로 사용량이 폭발적으로 증가하여, 한 해 전 세계에서 생산되는 플라스틱의 양은 3억 7천만 톤에 이르고 있다. 하지만 이 중 약 9% 만이 재활용 될 뿐, 나머지 방대한 양의 폐기물은 대부분 그대로 버려져 우리 주변 어디선가 수십-수백 년 동안 안정한 상태로 존재할 것으로 예상된다. 본 연구 동향 보고서에서는 우리가 사용하는 석유계 플라스틱에 대한 개괄적인 설명과 플라스틱의 비생물학적 및 생물학적 분해 방법을 소개하고자 한다. 특히 플라스틱의 근본적인 분해 방법이라 여겨지는 생물학적 분해 방법에 대하여 플라스틱 종류별로 최신 연구 동향을 정리하여 소개한다. 끝으로 현 연구 동향에 기초하여 앞으로의 연구 방향에 대한 제언을 하고자 한다.
키워드: 플라스틱 분해, 미생물, 바이오플라스틱, 생분해, PET, PP, PE, PVC, PU
분야: Biotechnology, Chemical Biology, Environmental_Biology

목 차

1. 개요
2. 플라스틱의 종류
3. 비생물학적 플라스틱 분해 기술
  3.1. 광분해 Photodegradation : 빛을 이용한 분해
  3.2. 열산화 분해(thermo-oxidative degradation)
  3.3. 가수분해(hydrolytic degradation)
4. 플라스틱 생분해 기술 및 동향
  4.1. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)
  4.2. 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)
  4.3. 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC)
  4.4. 폴리스티렌(Polystyrene, PS)
  4.5. 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)
  4.6. 폴리우레탄(Polyurethane, PU)
  4.7 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC)
5. 결론
6. 참고문헌


1. 개요

플라스틱은 가벼운 물성, 높은 물리화학적 내구성, 높은 가공성, 매우 낮은 가격을 기반으로 사용량이 급증해왔으며, 1950년 200만 톤에 달하던 전 세계 플라스틱 연간 생산량은 2019년 기준 3억 7천만 톤에 육박하고 있다 (그림 1A) [1]. 더불어 최근 COVID-19의 확산 및 지속은 플라스틱이 주 재료가 되는 일회용 마스크, 장갑 등의 개인 보호 용품들(Personal protective equipment)의 소비 폭증, 음식 테이크아웃 및 배달량 증가에 따른 일회용 식기 사용량 증가, 온라인 쇼핑 선호에 따른 플라스틱 포장 용기 사용량 증가를 이끌어, 앞으로도 플라스틱 사용량은 지속적으로 늘어날 전망이다 [2, 3].


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그림 1. (A) 1950년-2015년 사이의 전세계 플라스틱 생산량. (B) 2015년 기준 플라스틱 종류 별 폐기물 발생량
데이터 출처: https://ourworldindata.org/


이처럼 사용량이 꾸준히 늘어남에 따라, 많은 국가에서는 폐플라스틱 재활용 및 분해에 대하여 오래전부터 큰 노력을 들여왔다. 하지만 이와는 대조적으로 상업적인 플라스틱 재활용 기술은 여전히 파쇄, 세척, 재생 과정을 포함하는 기계적인 재활용 기술(mechanical recycling technology)에 전적으로 의존하고 있으며 [4], 기술적으로 재활용이 용이한 Polyethylene terephthalate (PETE/PET), High-density polyethylene (HDPE), Low-density polyethylene (LDPE)을 제외한 대부분의 플라스틱은 여전히 재활용되지 못하고 있다 [5]. 현재 전 세계 폐플라스틱의 9%만이 재활용되고 있는 실정이며 [6], 그보다 많은 양을 일부 소각(12%)하고, 나머지 79%에 해당되는 폐기물들은 매립되는 등 자연환경에 그대로 유출되고 있다 [6]. 실제 2015년 기준 약 3억 톤에 달하는 플라스틱 폐기물이 발생되었다 (그림 1B).

이렇게 매년 수억 톤이나 발생하는 플라스틱 분해를 자연에 맡기는 건 실로 무책임한 일이 되고 있다. 플라스틱이 자연적으로 분해되는 반감기(half-lives)를 조사한 최근 연구에 따르면, 흔히 사용되는 PET 물병의 경우 최대 250년, HDPE의 경우 최대 5,000년에 이르는 것으로 추정되었다 [7]. 플라스틱 사용의 편리성을 위하여 첨가하는 각종 안정제(stabilizer)는 이러한 플라스틱의 분해를 더욱 어렵게 만드는 것으로 파악되고 있다 [8, 9]. 또한 미세 플라스틱 등 분해 과정 중 발생하는 여러 가지 토양, 해양 오염은 더더욱 환경에 악영향을 끼치는 실정이다 [4, 10].

이러한 상황을 타개하기 위하여 플라스틱 분해와 관련된 각종 연구들이 활발히 진행되고 있다. 본 동향 보고서에서는 주로 석유로부터 만들어지는 플라스틱의 효율적인 분해를 위한 전반적인 기술 개요와 미생물을 활용한 생물학적 분해 방법에 초점을 맞춘 최신 기술 소개, 앞으로의 연구 방향에 대하여 정리해보고자 한다.

2. 플라스틱의 종류

현재 실생활에서 사용 중인 플라스틱은 1988년 플라스틱 산업협회에서 제안한 분류 방법에 따라 7가지로 구분하며 각기 다른 단량체와 중합 방법으로 생산된다 (그림 2).

- 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET, 카테고리 1): 1940년대 Dupont에 의해 개발된 것으로 알려져 있으며, terephthalic acid와 ethylene glycol을 먼저 esterification시켜 BHET(bis(2-hydroxyethyl) terephthalic acid)를 합성하고, 합성된 BHET를 추가 반응 시킴으로써 PET를 얻는다. 내열성, 내약품성, 내유성 등이 우수하다.

- 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene, HDPE, 카테고리 2): 1930년대 Imperial Chemical Industries가 산업적 규모의 저밀도 폴리에틸렌 생산을 시작한 이후, 20여년 후에 개발되어 사용되기 시작하였다. Ethylene을 중합하여 얻으며, 충격에 강하고 내한성이 양호하다. 주로 쇼핑백이나 파이프를 만드는 데 이용된다.

- 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC, 카테고리 3): 1872년 처음 합성된 이후, 1926년 BF Goodrich Company에서 제품을 생산하기 시작했다. Vinyl chloride monomer를 첨가 중합하여 얻는다. 탄소 사슬의 움직임이 상대적으로 제한되어 있어, 가소성을 높이기 위하여 가소제(plasticizer)를 첨가한다.

- 저밀도 폴리에틸렌(low-density polyethylene, LDPE, 카테고리 4): HDPE와 마찬가지로 ethylene을 중합하여 얻는다. 중합체에 가지(branch)가 있어 선형(linear)인 HDPE보다 밀도가 낮으며 신축성이 좋아 가공이 쉽다.

- 폴리프로필렌(polypropylene, PP, 카테고리 5): 1954년 이탈리아 밀라노공대 Giulio Natta 교수가 합성에 성공한 이래로 Montecatini가 생산을 시작하였다. Propylene의 중합체로 가공성이 뛰어나고, 내화학성이 우수한 것으로 알려져 있다.

- 폴리스티렌(polystyrene, PS, 카테고리 6): 1838년 독일의 Edward Simon에 의해 발견되었으나 1931년에 와서야 실제 생산되기 시작하였다. Styrene의 라디칼 중합반응으로 생산하고, 열에 안정하고 무색투명하여 활용도가 높다. 산 혹은 염기에는 강한 편이나 지용성 용매에는 약하다.

- 기타(others, 카테고리 7): 앞선 6가지 이외에 모든 플라스틱을 포함하며, polyurethane (PU), polycarbonate (PC), polyacrylamide (PAM), nylon 등이 있다.


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그림 2. 현재 실생활에서 사용중인 다양한 플라스틱 및 구조
기타(Others) 플라스틱으로 구조식이 그려진 polyurethane, polycarbonate 외에도 다양한 플라스틱이 있다.


3. 비생물학적 플라스틱 분해 기술

3.1. 광분해 (Photodegradation)

광분해는 자유 라디칼(free radicals)의 생성과 전달을 통해 매개되는 일련의 연쇄 화학 반응을 통해 플라스틱을 분해하는 방법이다. 기본적으로 280 - 420nm 파장의 자외선(UV)의 높은 에너지는 플라스틱을 구성하는 C-C 결합(375 kJ/mol)이나 C-H 결합(420 kJ/mol)을 해리시킬 수 있다 [11]. 결합의 해리 반응을 통해 생성되는 알킬 라디칼(alkyl-radical, R*)이 산소(O2)와 반응하여 ROO*를 형성하며, 이후 ROO*는 다시금 플라스틱 고분자(RH)와 반응하여 ROOH와 알킬 라디칼(R*)을 반복하여 만드는 원리를 통해 플라스틱을 저분자 화합물로 분해시키는 것이다 [12]. 이러한 광분해는 이론적으로 무한한 에너지원에 기반한다는 점에 플라스틱 분해를 위한 이상적인 기술로 보이지만, 실제로 지표면에 도달하는 UV의 에너지는 크게 높지 않으며, UV가 조사되는 플라스틱 표면적이 상대적으로 적어 분해 속도 측면에서 큰 한계를 가진다 [13, 14].

이를 극복하고자 광촉매(photocatalyst) 활용을 통한 라디칼 형성 촉진과 관련된 연구들이 많이 진행되어 왔다. 기본적으로 광촉매의 밴드갭(bandgap) 에너지보다 높은 에너지를 갖는 UV가 조사될 때 전자(electrons)가 발생한다는 점을 이용한다 [3]. 발생된 전자는 산소의 단계적 환원 반응을 통해 과산화수소(H2O2)를 생성케 하며, 이러한 과산화수소가 추가로 환원되며 OH* 라디칼을 발생시켜 각종 플라스틱 결합과의 반응 및 분해를 유도하게 된다. 대표적으로, TiO2는 높은 뛰어난 산화환원능력, 화학적 안정성을 바탕으로 가장 많이 활용되어 온 광촉매이며, PS [15], PP [16], PVC [17, 18]에 대해서 최대 2.5배가량 빠르게 촉진시킬 수 있다는 것을 보인 바 있다. 이외에도 ZnO [19], FeO2 [20], CdS [21]를 포함한 다양한 광촉매가 플라스틱 분해에 사용된 바 있다. 하지만, 광촉매를 이용한 광분해 역시 광촉매 자체의 경제성이나 전 처리 과정이 필수적이라는 점에서 실제 플라스틱 분해에 활용되는 데 한계가 존재한다 [3].

3.2. 열산화 분해 (thermo-oxidative degradation)

광분해와 기본적인 분해 메커니즘은 동일하나, 자유 라디칼의 발생이 자외선이 아닌 고온 혹은 자연적으로 발생한다는 점에서 근본적인 차이를 갖는다 [22]. 고온 환경에서 그리고 극히 드물게는 자연적으로도 R*이 생성될 수 있으며 이후 산소 분자와의 반응을 통해 생성되는 ROO*이 연쇄 분해 반응을 일으킨다. 이러한 분해는 광분해만큼 분해 속도가 빠르지는 않지만, 플라스틱을 사용하는 다양한 환경에서 진행될 수 있으며, 기계적 물성 변화나 색상 변화와 같은 플라스틱의 특성 변화를 가져온다는 점에 플라스틱 사용 수명을 줄이는 주요 원인이 되어왔다 [23]. 하지만, 최근에는 이러한 열산화 분해를 막고자 다양한 플라스틱에 자유 라디칼 스캐빈저, 과산화질소 스캐빈저와 같은 각종 산화 방지제를 처리하고 있으며 [8], 때문에 열산화 분해를 통한 플라스틱의 자연적 분해를 어렵게 만들고 있다. 더불어 산소가 필수적으로 관여하기 때문에 매립이나 해양 환경에서는 이러한 분해를 크게 기대하기 힘들다 [24].

3.3. 가수분해 (hydrolytic degradation)

가수분해는 플라스틱 표면의 수분이 플라스틱 내부로 일부 확산되며 분해가 진행되는 반응이다. 물이 플라스틱 내부로 확산되면, 카르복실(carboxyl), 아민(amine), 에스테르(ester)와 같은 산성 말단 작용기 그룹(acidic end-group)에서는 자가 촉매(autocatalysis) 가수분해가 진행될 수 있으며 [25], 이러한 과정을 통해 플라스틱이 저분자 화합물로 분해된다.

에스테르화(esterification) 반응을 통해 제작되는 PET의 경우, 역반응인 가수분해를 통해 분리될 수 있는 플라스틱의 대표적인 사례다 [8]. PET의 에스테르 결합의 가수분해 과정에서는 카르복실(carboxyl), 하이드록실(hydroyxl) 말단이 형성되기 때문에 자가촉매 과정을 통해 지속적인 분해가 가능하다. 비슷하게 폴리우레탄(polyurethane)에서도 내부의 에스테르, 우레아(urea), 우레탄(urethane) 결합으로부터 가수분해가 자가촉매 과정을 통해 진행될 수 있다 [26] . 하지만 이러한 플라스틱들의 가수분해는 일부 pH 조건에서 촉진될 수 있다고는 알려져 있으나, 일반적인 환경에서는 기본적으로 아주 느리다는 한계가 존재한다 [8, 26, 27].

한편, 가수분해는 몇몇 생분해성 플라스틱들의 주된 분해 방법으로 활용되고 있다 [28]. 알려진 PLA (polylactic acid)의 경우, 에스테르 결합을 주된 결합으로 구성됨과 동시에 비교적 간단한 단량체 구조를 가지기 때문에 50도 이상의 온도에서 빠르게 가수분해될 수 있는 것으로 알려져 있다 [29,30]. 비슷하게 PBAT (poly-butylene adipate-co-terephthalate), poly-caprolactone (PCL) 역시 높은 가수분해성을 갖는 것으로 알려져 있다 [31].

4. 플라스틱 생분해 기술 및 동향

플라스틱은 자체 안정성으로 비생물학적인 물리적 분해와 더불어 미생물이 보유하고 있는 효소에 의한 생화학적 분해의 복합적인 과정으로 분해되는 것으로 알려져 있다 (그림 3). 앞서 기술한 세 가지의 분해 방법에서 더 나아가 플라스틱의 근본적인 분해라 할 수 있는 미생물을 활용한 생물학적 분해 및 재활용에 관한 연구가 진행 중이며, 본 챕터에서는 플라스틱의 종류별 미생물 생분해 기술 연구 동향을 정리하여 기술하고자 한다.

일반적으로 물리적으로 분해된 플라스틱은 에스터가수분해효소(esterase), 라이페이스(lipase), 큐틴분해효소(cutinase) 등의 작용으로 저분자량의 중간 물질로 분해되어 미생물의 대사회로를 통해 바이오매스 형성에 사용되거나 저분자량 유기물, 더 나아가 이산화탄소로 분해된다. 이때 하나의 단일 균주만이 분해과정에 작용하기보다는 여러 미생물의 복합 군집이 동시에 작용하는 것으로 이해되고 있으며, 따라서 생물학적 분해 연구는 미생물의 군집 및 군집 내 개별 균주를 대상으로 복합적으로 진행되고 있다.


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그림 3. 플라스틱의 비생물학적 분해 및 생물학적 분해 모식도


4.1. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)

PET를 생물학적으로 분해하기 위한 초기 연구로써, 다양한 효소들을 대상으로 PET film 분해 성능을 테스트해보았고, 실제로 actinomycete Thermobifida fusca 유래의 큐틴분해효소가 상온보다는 비교적 높은 온도(55℃)이긴 하지만 PET을 분해할 수 있음을 보이면서 [32], PET가 생물학적으로 분해될 수 있음이 처음 보고되었다. 이후 T. fusca의 cutanse 외에도 다양한 미생물 혹은 메타지놈 라이브러리로부터 얻어진 큐틴분해효소가 PET을 분해할 수 있음이 알려졌다 [33, 34].

이후 효소단계를 넘어 미생물 단계로서의 연구가 수행되었는데, 초기 단계에서는 각종 환경 샘플로부터 PET를 분해할 수 있는 미생물 군집을 얻는 연구가 수행되었다. 가장 최근 보고된 내용에 따르면, 환경 샘플로부터 얻은 PseudomonasBacillus 균주 군집이 UV-treated PET나 분해된 BHET (Bis(2-hydroxyethyl) terephthalate)에서 성장하는 것이 보고되었다 [33].

기존에는 PET의 분해 과정에 UV 등으로 인한 분해 과정이 선행되어 활성화된 작용기와 반응하여야만 효과적으로 분해가 일어나는 것으로 알려져 왔지만, 별다른 물리적 분해 없이 PET를 직접적으로 분해하여 에너지원으로 사용하고 성장할 수 있는 미생물이 보고되었다. 2016년 Science지에 게재된 바에 따르면, Ideonella sakaiensis 미생물은 PET를 직접적으로 분해할 수 있는 두 가지 효소(PETase와 MHETase, 그림 4)를 가지고 있어 최종 단량체인 terephthalic acid와 ethylene glycol 단계까지 비교적 빠른 속도(0.13 mg cm–2 day–1)로 분해하여 성장할 수 있는 것으로 보고되었다 [35]. 해당 연구는 PETase 관련 연구를 촉발하여, 많은 후속 연구가 진행되고 있다. 예를 들면 I. sakaiensis의 PETase의 구조 [36, 37]를 밝히거나, 구조 기반 예측된 활성 부위에 돌연변이를 도입하여 반응 효율을 높이는 연구 등 [38, 39] 각종 단백질 공학을 접목한 연구들이 수행되고 있다.


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그림 4. 플라스틱 분해의 예시로서 PETase와 MHETase에 의한 PET 분해 기작


4.2. 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)

에틸렌의 중합 반응으로 만들어지는 PE는 탄소-수소 사슬로만 구성되어 매우 안정하여, 다른 플라스틱과 마찬가지로 매립 후에도 수십 년 동안 분해되지 않는 것으로 알려져 있다. PE의 분해과정에 대한 구체적인 작용기작은 밝혀지지 않았지만, 탄소-탄소 결합이 끊어져 상대적으로 분자량이 적은 중간물질이 만들어지고 이후 산화과정을 거쳐 지방산의 형태로 전환될 것으로 예상되고 있다. 이때, 탄소-탄소 결합을 끊어낼 수 있는 효소들의 작용이 중요하며 이런 효소의 예로써는 lignin peroxidase, manganese peroxidase, laccase 등이 있다 [40]. 현재까지 이러한 효소들을 가지고 있을 것으로 예상되는 Pseudomonas 균주 등 약 20여 종에 이르는 박테리아가 PE를 분해하는 것으로 보고되었으며 [40], 박테리아 이외에도 Aspergillus, Cladosporium 등 각종 곰팡이에도 PE 분해능을 갖고 있음이 보고되고 있다.

플라스틱은 주로 미생물에 의해 분해될 것이라는 선입견에 반해 곤충인 꿀벌부채명나방 (Galleria mellonella, 벌집나방)의 애벌레가 PE를 먹으며 이를 분해할 수 있는 것으로 보고되었다 [41]. 이 나방의 애벌레는 꿀벌집의 밀랍을 먹고 자라는데, 100% PE를 탄소원으로 공급하였을 때 1년 이상 생존하는 것이 관찰되었고, 이는 곧 고등생물 또한 플라스틱을 분해 및 대사할 수 있음을 의미한다. 추후 연구에서 이 능력이 애벌레의 장내에 존재하는 미생물들과 연관 있을 것으로 예상하고, 이를 확인하기 위하여 항생제로 미생물을 제거해보았는데, 장내 미생물이 제거된 후에도 PE의 분해가 관찰되어 [42], 곤충 자체가 PE를 분해할 수 있는 능력을 가지고 있음을 확인하였다.

4.3. 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC)

PVC는 PP와 비슷하지만 수소 하나가 염소 하나로 치환된 형태를 띄고 있다. PVC의 경우 PVC의 주요 탄소사슬 보다 생산 시 포함되는 가소제(plasticizer, 예: bis-2-ethylhexyl phthalate, dioctyl adipate 등)가 다양한 환경에서 수집된 박테리아 및 곰팡이에 의해 일부 분해되어, 저분자량 물질로 전환됨이 주로 연구되었다 [43, 44]. 최근까지만 해도 PVC를 완전하게 분해할 수 있는 미생물의 존재 유무는 명확하게 알려지지 않았지만, PVC film을 분해하는 Pseudomonas, Bacillus 균주 등이 보고되었다 [45]. 또한 PE와 유사하게 갈색거저리(Tenebrio molitor)의 유충이 장내 미생물과 무관하게 PVC를 직접 분해하여 탄소원으로 사용할 수 있다고 보고되었으며[46], 이에 관련 연구가 진행되고 있다.

4.4. 폴리스티렌(Polystyrene, PS)

PS는 구조적으로 PET, HDPE/LDPE와 유사하지만, 단량체의 구조적 특징으로 보다 높은 소수성(hydrophobicity)을 가져 가수분해가 거의 이루어지지 않으며 [47], 일반적으로 분류되는 플라스틱 중 자연환경에서의 분해 속도가 가장 느린 것으로 알려져 있다 [7].

단량체인 스티렌(styrene)의 경우, 일찍이 많은 미생물에서 분해능이 확인되고 관련 대사 경로도 잘 알려져 있음에도 불구하고 [48, 49], 위와 같은 이유로 PS의 직접적인 분해와 관련된 연구가 활발히 진행되지 못한 것으로 보인다. PS의 분해와 관련하여 Rhodococcus, Pseudomonas, Microbacterium 등의 균주가 보고된 바 있으나, PS 표면의 바이오필름을 형성하거나 표면의 일부만이 분해되는 정도에 그쳤다 [50, 51]. 이 밖에 토양에서 분리된 미생물 군집이 120일간 최대 30%까지 PS를 분해하였다는 보고가 있었으나, 자세한 군집 구성과 균주 종류에 대해 추가적인 확인이 필요하다 [52].

PS를 분해하는 갈색거저리가 보고되며, PS 분해의 새로운 장을 열고 있다 [53]. 갈색거저리는 다양한 환경에서 PS를 분해할 수 있는 것으로 알려졌으며, 12-15시간에 걸친 소화시간 동안 약 65%의 PS가 안정적으로 분해될 수 있었다. 더불어 소화된 PS의 물성 분석을 통해 갈색거저리가 PS를 실제로 해중합(depolymerization)하는 것이 확인되었다 [53]. 보다 최근 연구에서는 갈색거저리 소화기관에 PS의 소화를 돕는 효소가 자체적으로 존재하며, Citrobacter, Serratia, Klebsiella를 포함하는 장내 미생물 군집이 소화를 돕는 것이 밝혀졌다 [54]. 갈색거저리의 PS 섭취 환경에서의 유전적 진화, 자체적인 소화효소에 대한 추가적인 규명을 포함한 향후 연구를 통해 분해 속도를 보다 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

4.5. 폴리프로필렌(Polypropylene, PP)

PP는 탄소 결합으로 연결되는 비교적 간단한 분자 구조를 갖지만, PS와 비슷하게 각 결합이 포함하는 메틸기로 인해 가수분해가 어렵다 [55]. Pseudomonas, Bacillus를 포함한 몇 가지 균주들의 분해 능력이 보고된 바 있지만, 6개월 동안 최대 1% 미만의 질량 감소를 보이는 데 그쳤다 [56, 57]. 느린 분해 속도를 극복하기 위하여 열, UV 처리와 같은 비생물적 분해를 동시에 진행하여 분해 속도를 촉진시키고자 하는 연구들이 주로 진행되어왔는데 [58, 59], 최근에는 하수 처리장에서 분리된 Brevibacillus, Aneurinibacillus 군집이 50℃의 고온 환경에서 140일간 약 50%가량의 PP를 효율적으로 분해할 수 있음이 알려짐에 따라 큰 주목을 받기도 했다 [60].

한편, 최근 PE, PS의 성공적인 분해 사례 [41, 53]는 고등생물을 활용한 PP의 분해 연구를 부추겨 왔다. 올해 공개된 한 연구에서는 다른 플라스틱의 분해능이 알려진 갈색거저리와 슈퍼밀웜(Zophobas atratus)를 활용하여 PP의 분해를 시도하였다 [61]. 두 생물 모두에서 분해가 확인되기는 하였으나, 다른 플라스틱들과는 다르게 아주 제한적인 해중합만이 확인되었다. 비록, 분해가 제한적이기는 하나 소화기관 내에서 동정된 Citrobacter, Enterobacter의 미생물 군집이 PP 분해에 중요한 역할을 하는 것이 알려졌으며, 추가적인 연구를 통해 분해 속도가 개선될 여지가 있다.

4.6. 폴리우레탄 (Polyurethane, PU)

기타 플라스틱으로 분류되는 플라스틱 중 하나인 PU는 이소시아네이트(isocyanate)와 폴리올(polyol)의 중합 반응으로 우레탄 결합(-NHCOO-)을 기반 구조로 하며, 다양한 디올(diol)들이 사슬 증량제(chain extender)로 첨가되기도 한다. 기본적으로 우레탄 결합 자체는 미생물의 공격에 취약한 것으로 알려져 있으나, PCL이나 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)과 같이 폴리올 내부에 존재하는 폴리에스테르 혹은 폴리에테르(ether) 결합이 고분자 구조 내 절대다수를 차지하기 때문에 우레탄의 생분해는 일차적으로 이러한 결합 종류 및 정도에 따라 미생물에 의한 분해 여부가 결정된다 [62].

폴리에스테르 우레탄은 기본적으로 에스터가수분해효소와 같은 가수분해효소에 의해 폴리에테르 우레탄보다 비교적 쉽게 분해될 수 있으며, 수많은 곰팡이와 박테리아들이 이를 분해하는 것으로 알려져 있다. 대표적인 곰팡이에는 Aspergillus, Cladosporium, Penicillium가 있으며, 이들의 대다수가 사상균(filamentous fungi)에 속하는 것을 감안하면 단순히 미생물의 효소 작용뿐 아니라, 필라멘트(filaments)의 합성과 같은 생물리적 영향 역시 우레탄의 분해에 큰 역할을 차지할 것으로 추측되고 있다 [63, 64]. 박테리아로는 Pseudomonas, Arthrobacter, Bacillus로 대표되는 일부 종들에서 분해가 알려진 바 있다 [65, 66]. 한편, 폴리에테르 우레탄의 경우, 가수분해에 비교적 높은 저항성을 갖기 때문에 이를 분해하는 미생물은 상대적으로 많이 알려져 있지 않으며 [67], Cladosporium, Aspergillus 중 몇 가지 종들에서 분해가 확인된 바 있다 [68, 69].

많은 연구들에서 토양 혹은 폐기물 환경에서 분리된 이들 미생물을 분리 동정하고, 에스터가수분해효소, 라이페이스와 같은 효소들에 의해 분해가 촉진될 수 있다는 것을 확인할 수 있었지만 [70, 71], 상대적으로 복잡한 구조를 갖는 PU의 특성상 구체적인 분해 메커니즘에 대해서는 많은 연구가 진행되지 못했다. 일부 연구에서는 FT-IR, GC를 포함한 분석 방법을 통해 분해 메커니즘을 밝히고자 하는 시도가 있었으나, 단계별 중간체가 명확히 확인되지 못했다는 점이나 몇 몇 PU 종류에 국한된다는 점에 한계가 존재한다 [72]. 더불어, 각 단량체의 미생물에 의한 분해 메커니즘 역시 지금까지도 이해가 충분치 않은 실정이다. 체인 익스텐더로 가장 많이 활용되는 1,4-부탄디올에 대해서는 P. putida 균주 내 생분해 경로가 최근 밝혀진 바 있으나 [73], 기본 골격 구조를 이루는 isocyanate나 polyol에 대해서는 Pseudomonas sp. TDA1 균주에서 완전한 분해가 가능하다는 점만이 최근 알려진 바 있을 뿐, 아직까지도 구체적인 경로에 대해 알려진 바 없다 [74]. 이에, 분리 동정된 미생물에 대한 구체적인 대사 경로 규명과 관련 미생물의 중점적인 개량에 대한 후속 연구들이 필요하다.

5. 결론

본 동향 보고서는 비생물학적인 분해 및 생물학적 분해를 아울러 전반적인 플라스틱 분해 동향에 대해 서술하였다. 광분해, 열산화분해, 가수분해를 아우르는 비생물적 분해 방법들이 폐플라스틱이 노출되는 대부분 환경에서 초기 분해에 중요한 역할을 하는 것은 분명한 사실이지만 [7], 해중합을 통해 얻어지는 저분자 화합물 및 단량체의 완전한 분해는 전적으로 생물학적 분해의 역할이라는 점은 생물학적 분해와 관련된 꾸준한 연구 개발의 필요성을 시사한다 [75].

지금까지의 생물학적 분해 연구는 플라스틱의 분해 환경에서 분리 동정되는 미생물 혹은 군집에 대한 특성 파악이 주를 이루어왔으며, 각 플라스틱 분해와 관련된 상세 메커니즘 및 대사 경로에 대해서는 크게 밝혀지지 못했다 [71, 76]. 최근 오믹스 분석 기술의 발달이 난소화성 기질 대사와 관련된 효소 및 유전자 규명에 효과적으로 활용될 수 있었다는 점을 고려하면 [73], 해당 기술이 플라스틱 생분해 관련 연구에도 크게 기여할 수 있을 것으로 판단되며 향후 미생물 개량 등을 통한 분해능 향상 역시 가능할 것이다. 또한, 지금까지의 연구는 개별 플라스틱 종류를 한정하여 분해하는 데 초점이 맞춰져 왔지만, 각종 플라스틱이 섞인 채로 자연에 노출되는 현 상황을 고려하면 다양한 플라스틱을 복학접으로 분해할 수 있는 미생물 혹은 미생물 군집의 개발이 필수적이라 사료된다.

한편, 플라스틱의 단순 재활용이나 이산화탄소로의 생분해가 아닌 각종 산업에서 필요한 화합물로 재생산(upcycling)하려는 시도들이 진행되고 있다 [77, 78]. 최근 한 연구에서는 PET로부터 화학적으로 전환된 bis(2-hydroxyethyl)TPA (BHET)를 Pseudomonas, Comamonas, Rhodococcus, Ideonella 균주 자체 효소 및 대사 경로를 활용하여 β-ketoadipic acid로의 전환을 성공시킨 바 있으며, 이러한 연구는 미생물을 통한 플라스틱 재생산 기술의 잠재적 가능성을 보여준다 [77]. 플라스틱의 생분해에 미생물을 포함한 다양한 생명체가 직접 이용된다는 점에 이론적으로 플라스틱은 수많은 화합물로 재생산될 수 있으며, 그렇기에 앞서 언급한 다양한 향후 연구들을 통해 플라스틱이 더 이상 폐기물이 아닌 새로운 원료(feedstock)로 여겨질 날이 올 수 있기를 바란다.

6. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

 

 
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저자 임현규
약력
University of California San Diego 박사후연구원(2018-)
포항공과대학교 화학공학과 박사후연구원 및 연구교수 (2017-2018)
포항공과대학교 화학공학과 박사과정 (2011-2017)
주 연구 분야
미생물 대사공학, 합성생물학, 시스템생물학

 

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임현규(2021). 미생물을 활용한 플라스틱 생물학적 분해 동향. BRIC View 2021-T34. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3899 (Oct 21, 2021)
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