Ⅲ. 플라스틱 분해 미생물 균주 및 효소의 개발현황

플라스틱은 저렴한 가격, 우수한 기능으로 현대인의 풍요로운 생활에 크게 기여하고 있는 반면, 플라스틱 폐기물을 매립하거나 소각할 경우 심각한 환경오염의 문제가 발생하고 있다. 즉, 반영구적이고 편리한 합성 플라스틱이 분해되는 데 300~400년이 걸리는데, 이는 난분해성 환경오염물이라는 부메랑이 되어 우리 앞에 나타나고 있다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나로 미생물이나 효소를 이용한 생물학적 분해과정이 있으며, 이것은 환경오염이 없는 플라스틱 폐기물 처리 기술이다. 이러한 생물학적 분해과정에는 세균 등의 원핵생물과 진균, 효모 등의 진핵생물들을 활용한 플라스틱 분해 연구가 최근 활발히 진행되고 있으나, 아직까지 플라스틱 제품을 분해하기에는 너무나 미미한 분해능을 가지고 있다. 따라서 환경 친화적이고 무해한 생분해성 플라스틱의 제조를 통해 원가 절감, 강도, 물성, 가격 등의 단점을 극복한 우수 소재 개발과, 보다 쉽고 강력하게 생분해할 수 있는 미생물 발굴도 아울러 필요하다. 따라서 본장에서는 합성 플라스틱(플라스틱으로 이하 명기)과 생분해성 플라스틱의 분해 미생물(세균, 방선균, 진균)과 분해 효소에 대한 최근 연구동향에 대해 살펴보도록 한다.

1. 플라스틱 분해 미생물 균주

가. 플라스틱 분해 세균

<표 3.1>은 플라스틱 분해 세균들의 목록이며, 이들은 Pseudomonas, Streptococcus, Corynebacterium, Arthrobacter, Bacillus 및 Rhodococcus 등이 있다. 이들 중, Pseudomonas, Streptomyces에 대해 많은 연구들이 되어 있으며, 특히 Pseudomonas는 PE, PUR, PVC 등 여러 종류의 플라스틱 분해능을 가진다고 보고된 바 있다. 하지만, 아직까지 Pseudomonas 종 이외 다른 균주들은 플라스틱 분해에 대해 자세히 알려지지 않았고, 분해 속도가 미미하여 적은 양을 분해하더라도 오랜 기간이 걸린다.

1) 플라스틱 분해 Pseudomonas sp.

일상생활에서 널리 사용되는 플라스틱은 서서히 분해되는 고분자 환경 폐기물로 최근에는 플라스틱의 분해를 가속화하는 미생물들이 발견되고 있다. 특히 Pseudomonas sp.의 균이 여러 종류의 합성 플라스틱을 분해하는 능력을 가지기 때문에, 이에 대해 좀 더 구체적으로 소개하고자 한다.

Pseudomonas sp.은 PE, PP, PVC, PS, PUR, PET, PES, PEG와 PVA를 다양한 효율의 정도에서 분해하는 것이 확인되었다. Pseudomonas sp.의 분해 능력을 조절하는 요인으로는 biofilm 내부와 세포 표면, 고분자 폴리머의 산화 또는 가수분해에 관여하는 촉매인자, 고분자 단편화와 흡수 및 분포를 담당하는 생물학적 분해과정에 관여하는 화학적 요인들이 관여할 것으로 보고되었다 (Wilkes & Aristilde, 2017).

PE는 가장 널리 생산되는 플라스틱 소재로서 플라스틱 가방, 물통, 우유통, 식품 보관류와 장난감 생산 등에 주로 사용되며 에틸렌 결합을 가진 긴 사슬의 포화된 폴리머로서 높은 소수성을 나타낸다. PE는 밀도에 따라 두 가지로 나뉜다. 결정구조가 단단한 패킹을 방해하는 가지사슬을 가질 때를 저밀도 PE(LDPE)라 하며, 가지사슬이 거의 없고 분자들 사이의 강한 힘을 형성할 경우 고밀도 PE(HDPE)라 한다. 해양생태계에서 분리된 15개의 HDPE를 분해하는 박테리아 종으로부터 Pseudomonas sp.는 가장 효율적으로 분해하는 것으로 밝혀졌다. Pseudomonas sp.는 PE의 긴 사슬 폴리머 중합체에 친수성을 증가시키고, 그 결과 carbonyl기를 생성하고 저분자량 구성성분의 사슬을 절단시켜 폴리머를 분해한다. 플라스틱 폐기물 LDPE을 질산으로 전 처리 후, P. aeruginosa로 분해를 유도한 결과 2개월 동안 폐기물의 50.5%를 분해할 수 있다고 보고되어있다. 그러나 Pseudomonas AKS2는 LDPE를 분해하는 데 화학적 전처리가 필요하지 않고 질량의 5%정도가 45일 내로 분해되는 결과를 보였다. 또한 종의 구별이 확인되지 않는 Pseudomonas sp.는 어떠한 전처리도 없이 LDPE의 무게의 28.6%를 45일 안에 분해한다는 것을 확인하였다. 따라서 PE와 그와 관련된 플라스틱의 생물학적인 분해는 고분자 폴리머 중합체의 구조적 배열과 폴리머에 Pseudomonas sp.의 노출 형태 둘 다에 의해서 플라스틱 분해능이 결정된다(Wilkes & Aristilde, 2017).

PS는 가볍고 뻣뻣하며 일회용 컵, 포장재 및 실험실 장비에서 효과적인 단열재로 사용되며 구조는 탄화수소 사슬과 함께 phenyl기로 구성되어 있다. 비록 PS에 대한 생물학적 분해에 대한 연구는 부족하지만 이러한 PS 폴리머 중합체는 Pseudomonas sp.에서 스티렌, 톨루엔 그리고 벤젠과 같은 화합물로 분해될 수 있다. 또한 Pseudomonas NCIM2220은 PS를 이중 단량체로 분해할 수 있으며 미량의 젖당, 설탕 또는 포도당을 가진 무수 말레익산으로 분해할 수 있다(Wilkes & Aristilde, 2017).

PUR은 polyisocyanate와 polyol의 축합으로부터 형성된 urethane으로 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리에테르 또는 폴리에스터 등 쓰임새에 따라 다양한 구조를 가진다. PUR는 타이어, 스펀지, 냉장고 단열재, 가구 쿠션, 가스켓, 범퍼 그리고 페인트에서 사용되며 내적 특징으로는 불꽃에 대한 단열 효과와 항미생물 활성을 보이고 있으며 온도, pH, 화학약품 그리고 미생물의 분해 효과를 감소시킨다. 이와 같이 PUR은 생물학적인 분해에 역효과를 가지고 있음에도 불구하고 P. fluorescens, P. aeruginosa, P. cepacia, P. protegens 그리고 P. chlororaphis를 포함한 몇몇의 Pseudomonas sp.는 생물학적 분해과정에서 PUR을 분해한다고 알려져 있다(Wilkes & Aristilde, 2017).

PET는 소수성이 강하며 화학 물질에 내성이 있으며, 열·화학적으로 다소 안정하여 전자제품의 부품, 자동차 부품 및 섬유에 사용되며 현재 전 세계적인 생산량은 증가하고 있고 합성 플라스틱 제품의 약 50%로 추정된다. 화학전처리 유무에 관계없이 PET는 생물학적 분해가 쉽지 않으나 자외선으로 전처리한 후, P. azotoformans와 P. stuzeri 등에 의해 플라스틱 폴리머 중합체의 최소 중량 손실은 1년 후에 나타난다(Wilkes & Aristilde, 2017). PET를 생물학적으로 분해하거나 PET에 의해 번식하는 미생물과 관련되어서는 극히 소수의 연구결과가 보고되어 있다(Muller et al., 2005; Nimchua et al., 2007; Nimchua et al., 2008; Ronkvist et al., 2009; Sharon & Sharon, 2012; Yoshida et al., 2016).

2) Ideonella sakaiensis 201-F6

최근에 Yoshida et al.(2016)은 흔히 사용되는 플라스틱 PET의 분자 결합을 해체하는 박테리아 종(Ideonella sakaiensis 201-F6)을 발견하였고, 저급 플라스틱을 6주 만에 거의 완벽히 분해하는 것으로 드러났다. 이는 다른 플라스틱 분해 박테리아들이나 최근 PET를 분해한다는 사실이 밝혀진 곰팡이보다도 훨씬 빠른 효능을 나타냄을 의미한다. 유전자 조사에 의하면 해당 박테리아는 지난

70년간 환경에 축적된 플라스틱에 대응하여 PET를 분해할 수 있는 효소를 생성하도록 진화했을 가능성이 있는 것으로 밝혀졌다. 그러나 플라스틱 병에 사용되는 고결정 PET를 분해하는 데에는 오랜 시간을 소요되므로, 이를 산업 재활용 또는 오염 정화 작업에 효과적으로 활용하기 위해서는 많은 개선이 필요할 것으로 보인다. 그 외 현재까지 보고된 PET를 분해하는 미생물의 종류는 아래와 같이 수종이 알려졌다(<표 3.2> 참조).

나. 플라스틱 분해 방선균

호기성 및 혐기성 조건에서 PHB를 분해하는 토양 미생물과 PHB 필름의 움푹 들어간 표면에서 다양한 세균, 진균, 방선균 등이 발견되었다. 이 사실은 다양한 균들이 복합적으로 상호작용하여 플라스틱의 분해가 일어난다는 것을 보여 준다.

다. 플라스틱 분해 진균

플라스틱을 분해하는 다수의 호기성 및 혐기성 곰팡이는 토양이나 활성슬러지(sludge)와 같은 다양한 환경에서 <표 3.4>와 같이 발견되었다. Trametes는 HDPE, Poliporusoersicolor, Pleurotus, Pleaurotus, Aureobasidium은 PVC, Cladosporium, Penicillium은 PUR, Fusarium sp.는 LDPE, Aspergillus versicolor, Phanerochaete는 PVC를 분해한다고 알려져 있다(Chandra, 2015). 또한 Aspergillus flaous는 LDPE 뿐만 아니라 HDPE도 분해가 가능하다. Phanerochaete chrysosporium, Lentinus tigrinus, Aspergillus niger, Aspergillus sydowii 균들은 PVC를 다른 균주들 보다 상당히 빠른 속도로 분해 할 수 있다. 그러나 이들 진균들도 PVC를 완벽하게

라. 플라스틱 분해 해양미생물

인간의 일상생활에서 나오는 플라스틱은 바다에 유입되는 주요 쓰레기 중 하나이다. 바다는 식량, 에너지, 수자원 등의 중요한 자원을 공급하고 국제 무역의 주요 통로가 되며, 기후를 조절하는 중요한 역할도 수행한다. 그러므로 플라스틱 오염과 같은 해양 생태계의 변화는 전 세계적인 규모로 엄청난 악영향을 일으킬 수도 있다. 이러한 해양 플라스틱 오염문제를 해결할 수 있는 방안 중 하나가 플라스틱 분해능을 가진 해양 미생물들을 발굴하는 것이다. 특히, 해저 속 추운지역에서 발견될 수 있는 해양 미생물의 활용에 대한 것이 주목받고 있다. 최근에 보고된 추운 해양 서식지에서 플라스틱 분해와 플라스틱-미생물의 상호작용에 대해 다음과 같이 정리하고자 한다(Urbanek et al., 2018).

1) 해양 미생물들과 플라스틱의 상호작용

하천을 통해 바다로 유입되는 플라스틱은 단편화, 분해, 풍화, 자외선 그리고 미생물들을 통해 미세플라스틱으로 그 크기가 줄어들며 일부는 해저에 침전되고, 일부는 biofouling(생물오손)이라는 과정을 거친다. biofouling은 바다에 가라앉은 플라스틱 등에 군체 형성이 일어나는 과정을 의미하며, adsorption(흡착), immobilization(부동화 작용), consolidation(경화), microfouling(미생물이 관여) 등의 과정을 거친다. 미생물들은 microfouling(미세오손) 과정에 중요하게 작용하는데 특히 군체 형성 과정에 관여한다고 알려져 있다. 즉 미생물들은 플라스틱의 표면에 붙어 biofilm을 형성하며, 점차적으로 플라스틱의 분자 구조를 변화시키는 생물학적 분해를 일으킨다(Muthu, 2014). 이 과정을 통해 플라스틱은 작은 분자 구조로 분해되어 nanoplastic 또는 단순 유기 화합물로 분해되어 부유물로 존재하거나 해저에 침착 또는 탈착하는 과정을 거치게 된다(Harrison et al., 2011) (<그림 3.1> 참조).

2) 해양 환경에서 플라스틱을 분해하는 능력을 지닌 미생물

현재 추운 서식지에서 플라스틱 분해에 대한 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 하나는 해양 생태계와 미생물 서식지와의 상호작용을 연구하는 것이고, 또 하나는 해양 미생물들과 플라스틱과의 관계를 연구하는 것이다. 이러한 연구에서 플라스틱을 분해하는 미생물이 정확히 어떤 것인지 동정하기 위해서 16s rRNA의 염기서열을 이용한다(Ravenschlag, 1999). 상당수의 플라스틱 분해 미생물은 심해 침전물에서 다수 발견이 되는데, 심해가 4℃ 미만의 온도를 가진 추운 환경이라는 점에서 추운 환경에서 해양 미생물이 플라스틱을 먹이나 서식지로 사용할 수 있을 것으로 예측된다(Ravenschlag, 1999). 이들 심해의 플라스틱 폐기물에서 발견된 균주에서 주목할 만한 플라스틱 분해능을 가진 미생물이 발견되었으며, 대표적으로 다음과 같다(<표 3.5> 참조).

<표 3.5>에 의하면 플라스틱 분해 미생물들은 대부분 심해나 북극의 흙에서 발견되는데, 특히 수온이 4℃ 미만인 심해의 침전물에서 다수 발견되었다(Russell, 1990; Ravenschlag et al., 1999). 대표적으로 일본 도야마만 깊이 320m의 해저에서 분리된 균주는 Pseudomonas 속으로 이 균은 4℃에서 PCL을 분해 할 수 있다. 심해 5,000~7,000m의 침전물에서도 Shewanella, Moritella, Psychrobacter 및 Pseudomonas속 등의 해양미생물이 발견되었고, 이들 균주는 생분해성 PCL에 대해 우수한 분해능을 나타내었다. 또한, 심해 해수에서 낮은 온도에도 불구하고 PCL, PHB 및 polybutylene succinate(PBS) 섬유의 분해가 관찰되었다 (Urbanek et al., 2018). 그 외 320~650m 깊이의 해수에서는 Pseudomonas, Alcanivorax 및 Tenacibaculum 속 등 5종의 PCL 분해 균주가 동정되었다.

최근 Raghul et al.(2014)은 폴리비닐알콜(PVA)과 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을Vibrio alginolyticus와 Vibrio parahaemolyticus 2종의 박테리아와 함께 15주간 함께 배양한 결과 플라스틱 표면에서 박테리아에 의해 균열과 홈이 발생함을 확인했으며, 2종 이상의 세균으로 더욱 용이하게 플라스틱이 분해됨을 보고 하였다(Raghul et al., 2014). 2018년 Urbanek et al.(2018)에 의해 실시된 최근 연구에서는 polylactic acid(PLA), PCL, PBS 및 Polybutylene succinate adipate(PBSA)에 대한 미생물 활성 검사 결과, Clonostachys rosea 및 Trichoderma sp. 등의 곰팡이 균주와 Pseudomonas 및 Rhodococcus gena 속의 박테리아 균주는 PCL 필름 분해 기능과 PLA 필름에서도 빠른 성장이 관찰되어, PLA 분해능에 대한 가능성을 보여주었다(Urbanek et al., 2018) (<표 3.5> 참조).

3) 플라스틱을 분해할 수 있는 해양 미생물 후보군

앞에서 언급한 바와 같이 미생물들은 인간이 살기 힘든 환경인 해저의 추운 서식지에서도 존재할 수 있으며, 이렇게 추운 환경에서 살아가는 미생물의 여러 능력 중에서도 플라스틱을 분해할 수 있는 능력이 주목받고 있다(Pauli et al., 2017). 바다로 흘러들어가는 플라스틱은 해저 미생물들에게 새로운 기층(붙어서 자랄 수 있는 물질)으로 활용되어질 수 있으며, 용해된 유기 탄소를 방출하여 미생물들의 활성을 증가시키거나 미생물들이 새로운 형질을 가지게 만든다. 대표적인 형질이 바로 저온 활성 효소(cold-active enzyme)로서 이 효소는 추운 지역에서도 활성화가 잘 되므로 온도를 높이기 위해 에너지를 많이 사용할 필요가 없어 배양온도에 필요한 비용을 절감할 수 있으므로, 산업적으로 도입하는 데 관심이 증대되고 있다(Yadav et al., 2017). 다음 표는 추운 환경에서 플라스틱에 붙어 발견되는 해양 미생물들을 정리하였으며, 이 미생물들도 플라스틱을 분해하는 잠재력을 가진 후보로 평가받고 있다(<표 3.6> 참조).

<표 3.6>과 같이 Oberbeckmann 등은 북해의 영국 쪽 해안에 가라앉아 있던 PET 병에 부착한 미생물 군집을 발견했으며, 이 미생물 종은 Phormidium과 Lewinella 였다고 보고했다(Oberbeckmann et al., 2016). 또한, Zettler 등은 북대서양에서 PP, PE의 미세플라스틱 조각을 입수했는데, 이 미세플라스틱에서 Phormidium sp.와 Rivularia 등의 미생물이 부착된 것을 발견하였다(Zettler et al., 2013). 그리고 영국의 북쪽에 위치한 Humber Estuary(험버 어귀)에서는 바다와 접하는 지역에서 LDPE의 침전물을 채취하여 분석한 결과 Arcobacter, Colwellia sp.가 부착되어 있음을 확인하였다(Harrison et al., 2011). 그 외에도 Pseudomonas, Streptomyces, Corynebacterium, Arthrobacter, Micrococcus, Rhodococcus 등이 폐플라스틱에서 발견되었다(Pathak & Navnett, 2017). 뿐만 아니라, Polaromonas, Micrococcus, Subtercola, Agreia, Leifsonia, Cryobacterium, Flavobacterium 등의 미생물들이 빙하의 cryoconite(먼지들이 눈/빙하에 퇴적되어 쌓인 것)에서 발견되었으며 이들 균주들은 lipase를 생성한다고 보고되어 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물로 예측된다(Singh et al., 2014).

마. 생분해성 플라스틱을 분해하는 미생물

기존 플라스틱의 환경오염 문제점을 해결하기 위한 대책 중 하나로 생분해성 플라스틱이 주목을 받고 있으며, 이들 생분해성 플라스틱의 분해를 더욱 촉진시킬 수 있는 미생물들에 대한 연구가 진행되고 있다. 생분해성 플라스틱에 관해서는 IV장, 생분해성 플라스틱 부분에서 자세히 다루도록 한다.

1) PHAs를 분해하는 미생물

PHAs는 생분해성 플라스틱으로서 높은 잠재력을 갖는 열가소성의 폴리에스테르이다. 가장 많이 알려진 PHA는 PHB인데(Quinteros et al., 1999), 이것은 탄수화물을 발효하는 다양한 세균에 의해 생성되며 세균 세포 내의 탄소원과 에너지 저장물질로서 축적되는 자연 발생적인 물질이다(Shimao, 2001). 이러한 PHA를 분해 하는 미생물은 토양, 담수 및 퇴비 등의 다양한 환경에 분포하고 있다. 토양에서 분리된 Pseudomonas lemoignei, Comamonas sp. 등이 있으며, 활성슬러시, 담수, 해수, 강 하구 퇴적물, 혐기적 하수 슬러지에서 Alcaligenes faecalis, Comamonas sp., Comamonas testosteroni, Ilyobacter delafieldii, Clostridium sp. 등이 분리되어 이들은 PHA를 분해하여 영양분으로 사용한다 (Colak & Guner, 2004) (<표 3.7> 참조).

2) PCL을 분해하는 미생물

PCL 분해 효소에 대해 많이 알려져 있지는 않지만 PHA 분해 세균과 유사하게 PCL 분해 세균은 토양 및 수서 환경에 다양하게 분포한다. PCL을 분해하는 미생물로는 진균인 Fusarium sp., Aspergillus fumigutus 등과 세균으로는 Bacillus pumilis, Paenibacillus sp. 등이 <표 3.8>과 같이 보고되어 있다.

3) PBS와 PBSA을 분해하는 미생물

PBS와 PBSA의 합성은 석유화학에 기반을 두고 있으며 PBS는 쉽게 구조 형성이 되고 LDPE film과 유사할 정도로 좋은 친수성을 갖지만 우리가 생활하는 자연 환경에서는 생분해가 어렵다는 단점이 있다(Zhu et al., 2003). 현재까지 발표된 PBS 분해 미생물로는 Aspergillus vesicolor, Psnicillium sp., Bacillus sp. 및 Thermopolyspora sp. 등이 분리되었다. PBSA 분해 미생물로는 토양, 퇴비 및 활성슬러지 등에 널리 분포하고 있으나 PBSA 분해 미생물에 대한 특성 연구는 아직 미미한 편이다. 지금까지 알려진 PBSA 분해 미생물로는 Uchidaet et al.(2000)은 Acidovorax delafieldil을, Hayase et al.(2004)은 Bacillus pumilus를 토양으로부터 분리하여 보고하였다. 그리고 Tomita et al.(2000)은 토양에서 Bacillus stearothermophilus를 분리하였다. Teeraphatpornchai et al.(2003)은 일본의 다양한 지점에서 채집한 토양에서 PBSA 분해 세균 Paenibacillus amylolyticus를 분리하였으며 이 세균은 PBSA뿐만 아니라 PLA, PCL 및 PES 등의 다양한 폴리에스테르를 분해하는 것으로 조사되었다. 또한, 진균인 Aspergillus versicolor를 Zhao et al.(2005)도 토양에서 분리하였다. <표 3.9>에 제시된 것과 같이 수종의 PBSA 분해 미생물이 보고되었다.

4) 생분해성 플라스틱을 분해하는 효모

<표 3.10>은 자연계에 존재하는 생분해성 플라스틱을 분해하는 효모들의 목록이다. 

 PBSA를 분해할 수 있는 효모의 개체군은 10종의 종자 껍질에서 4×103~4×106 cfu/g 범위로 존재한다. 대부분의 PBSA 분해 효모 개체군은 동일한 형태학적인 특징을 가지지만, Tankei 9001, Nourin 18, Saikai 124 및 Kantou 135 등과 같은 PBSA 분해 효모 개체군은 다른 형태학적인 특징을 가진 두 개체군이 같이 존재한다(Kitamoto, 2011).

5) 생분해성 플라스틱 분해 활성 균류

<표 3.11>에 제시된 바와 같이 생분해성 플라스틱을 분해하는 균류에는 MAFF 6종과 B47-9가 있다. MAFF 6종은 P. chrysanthemicola 균주와 P. radicina 균주로 구성되어 있으며, B47-9 균주는 강력한 생분해성 플라스틱 분해능을 가지고 있다.

모든 MAFF 균주는 PBSA를 분해하였으며, PBSA와 PBS로 구성된 필름도 분해하였다. 이에 비해 B47-9 균주는 PBSA와 PBS 모두를 잘 분해한다. 따라서 Paraphoma 속에 속하는 모든 MAFF 균주가 강력한 생분해성 플라스틱 분해 능력을 가지고 있을 것으로 예측이 된다(Koitabashi et al., 2016).

다음에는 Ⅲ. 2. 플라스틱 분해 효소가 이어집니다.

 <자료 제공: 한국과학기술한림원>