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1. 플라스틱 분해 미생물
1.1. 플라스틱의 개념과 문제점
플라스틱(plastic)은 가소성(plasticity) 물질 또는 플라스틱스라고도 하며, 가열 또는 가압 이 두가지에 의해서 성형이 가능한 재료를 뜻한다. 플라스틱은 가볍고 새로운 물건으로 만들기 용이하며 저렴하다는 특성이 있다. 또한 내구성이 다른 물질에 비해 뛰어난 점을 활용해서 다양한 응용 분야에 금속이나 목재 및 유리를 대체해서 사용하는 용도로 자리잡고 있다.
그러나 일상 생활에서 플라스틱은 빼놓을 수 없는 물질이자, 현대 생활에 스며들어서 포장에서 의류나 미용제품 등 모든 곳에 사용된다. 그러다 보니 많은 양의 플라스틱은 버려지고 폐기되고 있다. 이렇게 유용하고 실용적으로 사용하고 있는 플라스틱이지만, 인간의 건강과 기후, 동물에게도 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 사람들은 인지하지 못한다. 전 세계적으로 사용되는 플라스틱의 양은 약 3억 7천만 톤에 이른다. 하지만 여기서 재활용이 되는 플라스틱은 약 9%이고 남은 플라스틱의 폐기물은 그대로 버려진다. 플라스틱은 공기, 물, 건강에 치명적인 것으로 사실이 나타나며 생태계의 종이 오염되고 있으며 더 나아가 환경을 복구하기 위한 경제적인 비용의 피해가 클 것이라는 가능성을 제기하며 전 세계인들이 다음 세대를 위해 플라스틱을 줄이는 일에 참여하도록 요청했다. 이를 통해 일상생활 속 플라스틱 사용을 줄이고 이에따라 폐기물의 양을 감축할 것이라 예상된다.
또한 경제적이면서 환경 친화적인 플라스틱 폐기물을 처리하는 방법으로 미생물을 이용한 생물학적 분해에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 미생물을 사용함으로써 문제로 대두되고 있는 사태를 해결하고자 한다.
1.2. 플라스틱 종류와 특성
1.2.1. 폴리에틸렌(Polyethylene, PE)
폴리에틸렌(Polyethylene, PE)은 에틸렌이라고 하는 단량체를 이용하여 제조되며, 에틸렌 분자가 반복해서 연결된 고분자 구조를 가지고 있다. 분리된 미생물 균주들이 토양, 폐수, 해양, 매립지 등 다양한 환경에서 폴리에틸렌 플라스틱을 분해할 수 있는 것으로 알려져 있다.
폴리에틸렌은 고밀도 폴리에틸렌과 저밀도 폴리에틸렌으로 나눌 수 있다. 고밀도 폴리에틸렌은 에틸렌을 주원료로 하는 합성수로 에틸렌을 원료로 사용하여 제조된 합성수지는 고강도, 우수한 변형성, 그리고 낮은 투명성을 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해 쇼핑 비닐백, 전선, 호스, 맥주 상자, 우유용기, 수도 및 가스관 등 다양한 제품의 생산에 사용된다. 저밀도 폴리에틸렌은 결정성이 낮아 다양한 용도에 사용되며, 고압법으로 산소와 과산화물을 사용하여 에틸렌을 중합하여 얻어지는 특징을 가진다. Streptomyces spp.나 Penicillium simplicissimum과 같은 박테리아는 중합체를 분해하여 폴리에틸렌 분자량을 감소시킬 수 있으며, 토양에서 분리된 곰팡이류인 Aspergillus terreus, Aspergillus fumigatus, 그리고 Fusarium solani는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 탄소 영양원으로 활용하는 능력이 보고되었다.
1.2.2. 폴리우레탄(Polyurethane, PU)
폴리우레탄(Polyurethane, PU)은 알코올(alcohol)과 아이소사이아네이트(isocyanate) 간의 첨가 반응을 통해 유레테인(urethane)이 반복적으로 형성되는 고분자를 말한다. 폴리우레탄이 형성되는 과정에서 사용된 단량체가 완전히 소모되면 폴리우레탄 자체는 화학적으로 안정하다. 하지만 폴리우레탄은 다른 고분자에 비해 고온에서의 안정성이 떨어지며, 특히 연소될 때 일산화 탄소와 사이안화 수소 등의 유독성 가스를 배출하는 경향이 있어 위험성이 있다. 그래서 실내에서 사용하는 제품에는 방염기능을 요구하는 경우가 대부분이다.
폴리우레탄은 두 가지 타입으로 나뉘는데, polyester polyurethane (PSPU)와 polyether polyurethane (PEPU)가 있다. PSPU의 경우, PEPU에 비해 생분해가 훨씬 더 용이하며, 여러 종류의 곰팡이 균 및 Curvularia senegalensis와 Pseudomonas chlororaphis에서 분리된 esterase 효소, Pseudomonas fluorescens에서 분리된 protease, B. subtilis에서 분리된 lipase 효소 등이 PSPU를 분해할 수 있다고 알려져 있다. PEPU의 경우에도, Cladosporium herbarum, A. niger, Staphylococcus epidermidis KH11 등의 균주가 분해 능력을 지니고 있으며, 해양 쓰레기에서 분리된 부생 영양(litter-saprotrophic) 곰팡이 균 중 Cladosporium cladosporioides, Penicillium griseofulvum, Xepiculopsis graminea, Agaricus bisporus, Marasmius oreades와 식물 병원균인 Leptosphaeria sp. 역시 폴리우레탄을 분해할 수 있는 능력이 있다.
1.2.3. 폴리스티렌(Polystyrene, PS)
폴리스티렌(Polystyrene, PS)은 스티렌의 라디칼 중합으로 얻어지는 비결정성 고분자이다. 무색이며 투명한 열가소성 수지이다. 에틸렌과 벤젠을 반응시켜서 생긴 액체 스티렌 단위체의 중합체로 이루어져 있으며, 약품에 잘 침식되지 않는다. 수지는 플라스틱 중에서 가장 가공하기 쉬우며 높은 굴절률을 가진다. 또한 우수한 전기절연 재료로 사용된다.
미생물인 Bacillus sp., Sphingobacterium sp., 그리고 Xanthomonas sp.은 PS(폴스티렌) 플라스틱을 생분해하는 효율이 절반으로 나타났다. 또한 Rhodococcus ruber C208은 56일 이내에 PS 플라스틱을 0.8%까지 분해할 수 있다고 보고되었다. 뿐만 아니라 Gloeophyllum trabeum DSM1398은 polystyrene sulfonate (PSS) 플라스틱의 중량을 20일 이내에 최대 절반까지 감소시킬 수 있으며, Enterobacter 균을 이용하여 30일 이내에 PS 분해율이 기록되었다. 효소 실험에서는 Azotobacter beijerinckii HM121에서 분리된 hydroquinone peroxidase가 PS 플라스틱을 분해하는 것으로 연구되었다.
1.2.4. 나일론(Nylon)
나일론(Nylon)은 지방족이나 준방향족 폴리아마이드(semi-aromatic polyamide)를 기반으로 하는 합성 고분자이며, 열가소성 소재로서 용융 상태에서 가공하여 섬유, 필름, 그리고 ...
