플라스틱 먹는 미생물: 환경 오염 해결의 새로운 희망

최근 몇 년간 전 세계적으로 플라스틱 오염이 급격하게 증가하면서 다양한 해결책이 논의되고 있습니다. 그 중에서도 '플라스틱 먹는 미생물'은 주목할 만한 혁신적인 아이디어로 떠오르고 있습니다. 이 미생물들은 플라스틱을 분해하고 이를 에너지원으로 사용하여 환경 오염 문제를 해결할 수 있는 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 이 글에서는 플라스틱 먹는 미생물의 발견 배경, 분해 메커니즘, 다양한 종류와 한계점, 그리고 미래 전망에 대해 깊이 있게 살펴보겠습니다.

과학자들은 몇몇 특정 미생물들이 플라스틱을 분해할 수 있는 능력을 가지고 있다는 사실을 발견하면서 플라스틱 오염 문제에 대한 새로운 접근 방식을 시도하고 있습니다. 이 미생물들은 특정 효소를 이용해 플라스틱의 화학적 결합을 분해하고, 이로부터 생성된 물질을 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 이러한 생물학적 분해 과정은 기존의 물리적 또는 화학적 처리 방식에 비해 환경에 미치는 부작용이 적고, 처리 비용과 에너지도 절약할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 환경 보호뿐만 아니라 경제적으로도 큰 잠재력을 지니고 있는 기술입니다.

플라스틱 먹는 미생물의 발견

플라스틱 먹는 미생물의 발견은 2016년 일본에서 이루어진 연구에서 비롯되었습니다. 당시 연구자들은 Ideonella sakaiensis라는 박테리아가 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)를 분해할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 박테리아는 PET 플라스틱을 주요 에너지원으로 사용하여 성장하며, 이를 통해 플라스틱을 물과 이산화탄소로 분해할 수 있습니다. 이 발견은 플라스틱 오염 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법으로 큰 반향을 일으켰습니다. 이후 다양한 종류의 플라스틱을 분해할 수 있는 다른 미생물들이 계속해서 발견되고 있으며, 특히 해양 환경에서 플라스틱을 분해하는 미생물들이 많은 관심을 받고 있습니다.

 

해양 환경에서의 플라스틱 오염 문제는 더욱 심각한데, 이는 해양 생태계를 교란하고 수많은 해양 생물들의 생존을 위협하고 있기 때문입니다. 플라스틱 먹는 미생물들이 해양에서 효과적으로 작용할 수 있다면, 바다에 떠다니는 수백만 톤의 플라스틱 쓰레기를 자연적으로 제거할 수 있는 해결책이 될 수 있습니다. 따라서 이러한 미생물들의 해양 생태계에서의 역할에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 플라스틱 분해 능력을 가진 다양한 해양 미생물들이 발견되고 있습니다.

 

국립재생에너지연구소가 주도한 미국 공동연구자들은 플라스틱 3종 혼합물을 분리하지 않고 그대로 반응시켜 유기산 혼합물로 분해하고 이를 대사공학으로 디자인한 미생물에 먹여 새로운 플라스틱의 원료로 바꾸는 방법을 개발했다. A. Fisher/사이언스 제공

 

플라스틱 분해 메커니즘

플라스틱을 분해하는 미생물들은 특정 효소를 분비하여 플라스틱의 화학적 결합을 끊어내는 방식으로 작용합니다. 예를 들어, Ideonella sakaiensis는 두 가지 주요 효소인 PETase와 MHETase를 이용해 PET를 분해합니다. PETase는 PET의 에스터 결합을 끊어 MHET(모노(2-히드록시에틸) 테레프탈레이트)라는 중간체로 분해하며, 이후 MHETase가 이를 다시 테레프탈레이트와 에틸렌 글리콜로 분해하여 플라스틱을 완전히 분해합니다. 이러한 분해 과정은 화학적 촉매나 열 분해와 같은 기존의 물리적, 화학적 처리 방식보다 환경에 미치는 부작용이 적고 더 효과적입니다.

 

이외에도 플라스틱을 분해하는 효소는 다양한 종류가 있으며, 각각의 효소가 분해할 수 있는 플라스틱의 종류도 다릅니다. 예를 들어, PU(폴리우레탄)와 같은 플라스틱은 Pseudomonas spp. 같은 미생물이 분비하는 효소에 의해 분해될 수 있습니다. 이러한 효소들은 플라스틱의 탄소-탄소 결합을 끊어내는 역할을 하며, 결과적으로 플라스틱을 작은 단위로 분해하여 미생물이 이를 흡수하고 에너지원으로 사용할 수 있도록 돕습니다. 효소의 종류와 특성에 따라 분해 속도와 효율이 달라지기 때문에, 미생물의 효소를 유전자 조작 등을 통해 최적화하는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

다양한 플라스틱 먹는 미생물 종류

플라스틱을 분해할 수 있는 미생물들은 그 종류와 능력에 따라 다양한 분류가 가능합니다. 각 미생물은 특정한 플라스틱을 분해할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 이러한 특성은 미생물이 분비하는 효소의 종류에 따라 결정됩니다.

1. Ideonella sakaiensis: PET를 분해하는 능력을 가진 대표적인 미생물로, 일본의 재활용 시설에서 발견되었습니다. 이 미생물은 PET 플라스틱을 6주 안에 분해할 수 있으며, 분해 과정에서 발생하는 물질들을 자신의 에너지원으로 사용합니다. PET 플라스틱은 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 플라스틱 중 하나로, 특히 음료수 병이나 의류 섬유 등에 사용됩니다. 이 미생물의 발견은 플라스틱 오염 문제 해결의 큰 전환점이 되었습니다.
2. Pseudomonas spp.: 다양한 종류의 플라스틱을 분해할 수 있는 능력을 가진 미생물입니다. 특히 PU(폴리우레탄)와 같은 난분해성 플라스틱도 분해할 수 있어 주목받고 있습니다. 이 미생물은 독성이 높은 환경에서도 생존할 수 있는 내성을 가지고 있으며, 다양한 플라스틱 폐기물에서 발견됩니다. 이는 플라스틱 쓰레기가 장기간 쌓여 독성이 높은 환경에서도 생존할 수 있는 미생물들이 진화하고 있다는 것을 의미합니다.
3. Fusarium solani: 농업 폐기물에서 발견된 곰팡이류로, 나일론과 같은 합성 섬유를 분해하는 능력을 가지고 있습니다. 나일론은 매우 안정적인 화학 구조를 가지고 있어 자연적으로 분해되기 어려운 플라스틱 중 하나입니다. 그러나 Fusarium solani는 이러한 나일론을 분해할 수 있는 효소를 분비하여, 나일론 폐기물 문제 해결에 기여할 수 있습니다. 이 미생물은 섬유 산업 폐기물 관리에서도 활용될 수 있을 것입니다.
4. Comamonas testosteroni: 폴리에틸렌과 같은 플라스틱을 분해하는 능력을 가진 박테리아로, 유기 용매에 노출된 후에도 생존할 수 있는 내성이 강한 미생물입니다. 폴리에틸렌은 쇼핑백, 식품 포장재 등 다양한 일상 제품에 사용되며, 분해가 매우 어려운 플라스틱 중 하나로 알려져 있습니다. 이 미생물은 폴리에틸렌을 분해하여 자연환경에서의 플라스틱 축적 문제를 해결하는 데 기여할 수 있을 것입니다.
5. Bacillus cereus: PLA(폴리락틱산)와 같은 생분해성 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물로, 플라스틱 쓰레기의 처리를 위해 연구되고 있습니다. 생분해성 플라스틱은 자연환경에서 쉽게 분해될 수 있지만, 특정 조건에서만 분해가 이루어지기 때문에 완전한 해결책은 아닙니다. 그러나 Bacillus cereus는 이러한 생분해성 플라스틱을 빠르게 분해할 수 있는 능력을 가지고 있어, 생분해성 플라스틱의 효과적인 처리를 위해 사용될 수 있습니다.

플라스틱 먹는 미생물의 활용 가능성

이러한 미생물들은 플라스틱 폐기물 문제를 해결할 수 있는 중요한 도구가 될 수 있습니다. 현재 연구자들은 이 미생물들을 활용하여 플라스틱 쓰레기 문제를 해결할 수 있는 다양한 방법들을 모색하고 있습니다. 예를 들어, 플라스틱 분해 미생물을 대량으로 배양하여 '미생물 공장'을 설립하고, 여기에서 발생하는 미생물들이 플라스틱 폐기물을 대규모로 처리하는 방안을 검토하고 있습니다. 이는 기존의 소각이나 매립 방식과는 달리, 환경에 미치는 부정적인 영향을 최소화하면서도 플라스틱 폐기물 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 방법입니다.

 

또한, 해양 오염 문제를 해결하기 위해 해양 미생물을 활용한 시스템을 개발하는 방안도 고려되고 있습니다. 해양 환경에서 발견되는 플라스틱 먹는 미생물들을 특정 지역에 방출하여 해양 플라스틱 쓰레기를 자연적으로 분해하도록 하는 방식입니다. 이러한 방법은 해양 생태계에 큰 영향을 미치지 않으면서도 해양 환경 보호에 기여할 수 있습니다. 그러나 미생물이 환경에 적응하는 데 걸리는 시간과 실제 분해 속도 등의 변수들이 있기 때문에, 이를 고려한 신중한 접근이 필요합니다.

[츨처: 한국경제신문. 2022.12.25  ]

플라스틱 먹는 미생물의 한계와 과제

하지만 아직까지 이러한 미생물들이 실제 환경에서 효율적으로 플라스틱을 분해하는 데는 여러 가지 한계가 있습니다.

 

첫째, 미생물들이 플라스틱을 분해하는 속도가 매우 느리다는 점입니다. 자연 환경에서 플라스틱이 분해되는 데 수십 년에서 수백 년이 걸리기 때문에, 미생물들이 이를 완전히 분해하려면 많은 시간이 필요합니다. 이는 플라스틱 쓰레기 문제를 해결하는 데 있어서 중요한 장애 요인으로 작용할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해서는 미생물의 분해 속도를 높일 수 있는 방법, 예를 들어 유전자 조작이나 특정 효소의 생산성을 향상시키는 연구가 필요합니다.

 

 

둘째, 특정 미생물들이 특정 종류의 플라스틱만을 분해할 수 있다는 점도 한계로 작용합니다. 예를 들어, Ideonella sakaiensis는 PET를 분해할 수 있지만, 다른 종류의 플라스틱에는 효과가 없습니다. 이는 우리가 사용하는 다양한 플라스틱 종류에 대한 종합적인 해결책을 제공하지 못한다는 것을 의미합니다. 따라서 다양한 플라스틱을 동시에 분해할 수 있는 미생물들을 개발하거나, 여러 미생물을 조합하여 사용하는 방법이 필요합니다. 이는 향후 플라스틱 분해 미생물 연구의 중요한 과제로 떠오를 것입니다.

 

 

셋째, 미생물들이 실제 환경에서 작용하기 위해서는 적절한 조건이 필요합니다. 미생물들은 온도, 습도, pH 등 특정 조건에서만 활발하게 활동할 수 있으며, 이러한 조건이 갖추어지지 않으면 플라스틱 분해 속도가 매우 느려질 수 있습니다. 따라서 다양한 환경 조건에서 플라스틱 분해 미생물들이 효과적으로 작용할 수 있도록 적절한 환경을 조성하거나, 이러한 조건에 맞춰 미생물을 최적화하는 연구가 필요합니다.

플라스틱 오염 문제 해결을 위한 미래 전망

플라스틱 먹는 미생물 연구는 아직 초기 단계에 있지만, 앞으로의 발전 가능성은 매우 큽니다. 특히 유전자 공학 기술을 이용하여 미생물의 플라스틱 분해 능력을 강화하거나, 다양한 환경에서 효과적으로 작용할 수 있는 미생물 균주를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 기술들이 상용화된다면, 현재 우리가 직면한 플라스틱 쓰레기 문제를 획기적으로 해결할 수 있을 것입니다. 또한 플라스틱 오염 문제뿐만 아니라, 산업 폐기물 처리, 농업 폐기물 관리 등 다양한 분야에서 플라스틱 먹는 미생물의 활용 가능성이 열릴 것입니다.

 

또한, 플라스틱 먹는 미생물을 활용한 폐기물 관리 시스템이 구축된다면, 플라스틱 생산과 소비 과정에서도 새로운 패러다임이 형성될 수 있습니다. 재활용되지 못하고 버려지는 플라스틱의 양을 줄이고, 더 나아가 플라스틱 자체의 사용량을 줄이는 방향으로 나아갈 수 있는 것입니다. 플라스틱의 사용을 줄이기 위한 노력과 더불어, 이미 존재하는 플라스틱 폐기물을 효과적으로 처리할 수 있는 방법들이 함께 발전한다면, 우리는 플라스틱 오염 문제를 보다 효과적으로 해결할 수 있을 것입니다.

결론

플라스틱 먹는 미생물은 플라스틱 오염 문제를 해결할 수 있는 획기적인 방법으로 주목받고 있습니다. 이러한 미생물들은 플라스틱을 자연적으로 분해하여 환경 오염을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 물론 아직 해결해야 할 과제들이 많지만, 이 미생물들이 실제 환경에서 효율적으로 작용할 수 있도록 연구가 계속된다면, 미래에는 우리가 직면한 플라스틱 쓰레기 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것입니다. 앞으로도 플라스틱 먹는 미생물 연구가 더 발전하여 지구 환경 보호에 큰 기여를 하기를 기대합니다.