[교양과학]좋은 친구들 - 플라스틱 분해 미생물

 

서론 

과학 기술이 발달됨에 따라 인간에게 편리함을 안겨 주었다. 예를 들어 컴퓨터의 발달로 인해서 많은 사람들이 문서를 작성할 수도 있고, 음악도 들을 수 있으며, 여러 분야에서 활용을 하므로 인해서 급진적으로 연쇄 발전 할 수 있게 되었다. 그러나 이러한 과학 기술이 우리에게 이면에 심각성을 안겨주고 있다. 과학 기술을 단순하게 과학 술로서만 사용한다면 문제 되지 않지만 이로 인한 많은 환경오염들은 이루 말할 수 없을 정도이다. 

예를 들어 인간이 만든 세제 같은 경우도 과학 기술에 한 일부분이다. 세제는 기름때라든지 어떤 것을 세척하기 위해 사용되는 등 여러 가지로 인간에게 편리함을 안겨주었다. 하지만 이러한 세제는 우리에게 이러한 이점만 주는 것은 아니다. 바로 수질오염이라는 크나큰 과제를 안겨주는 것이다. 그러므로 과학 기술의 발달은 양면성을 가진다는 말을 할 수 있는 것이다. 이러한 과학 기술의 발달로 많은 환경오염을 야기 시켰을 시 우리는 또다시 과학 기술로 극복하면 되는 것이다.

옛날부터 우리는 음식을 넉넉히 만드는 것이 복이 있다고 생각하면서 많은 음식을 만들었다. 그래서 넉넉히 만든 음식을 동네 사람들과 나누어 먹거나 항아리 같은 곳에 보관을 하는 등 여러 방법으로 음식들을 처리했다. 그러나 요즘 같이 개인주의화 되어 있고 냉장고와 같은 저장고가 발달되면서 음식을 보관할 수 있는 곳이 많이 생겼다. 즉, 음식을 담을 수 있는 그릇이 필요하게 되었다. 그렇게 만들어진 것이 플라스틱이다. 

플라스틱은 음식을 만드는 용기뿐만 아니라 산업이나 공업에서도 다양분야에 적용되고 있는 과학 기술이 낳은 산물이라고 할 수 있다. 이러한 산물이 인간에게 악영향을 미치고 있다. 즉, 일반적인 플라스틱은 자연환경에서 분해 되는 데 짧게는 수백 년, 일반적으로는 거의 분해 되지 않기 때문에 외관상 나쁠 뿐만 아니라, 각종 폐 비닐봉투, 포장지, 스티로폼 등이 제대로 처리되지 않아 환경을 오염시키는 주범으로 인식되고 있다. 또한, 바다에 버려지는 플라스틱 제품(각종 폐비닐, 어망, 통발 등)도 연간 수십 만 톤에 달하여, 이 폐기물은 해양에 계속해서 축적되면서 어장 및 해양생태계에 많은 피해를 입히는 등의 문제도 발생하고 있다.

이러한 플라스틱의 문제점을 극복하기 위해서는 우리는 어떻게 해야 할까? 즉, 플라스틱이 아주 유용하므로 쓰지 않을 수도 없으므로 플라스틱이 땅 속에서 자동 분해 될 수 있는 방안을 모색해보아야 될 것이다. 따라서 자연환경에서 쉽게 분해가 되어 환경오염문제를 일으키지 않는 새로운 소재에 대한 요구가 높아졌고, 이에 대두되는 것이 "생분해성 플라스틱"이다. 

플라스틱이 미생물에 의해 분해 되는 것이다. 미생물은 최근에 여러 분야에서 사용되고 있다. 수질 오염 극복을 위해 하수처리장에서 미생물을 통한 생물학적 처리에서도 이용될 뿐만 아니라 금속 등 여러 오염물질을 분해 하는 역할을 함으로서 과학 기술에 따른 발전이 악영향을 미치는 것을 과학 기술로 다시 승화시키고 있는 것이다. 본론부터는 이러한 플라스틱을 분해 하는 미생물에 대해서 알아볼 것이다.

본론 

폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리에스터 등의 여러 고분자물질을 포함하는 플라스틱류는 일반적으로 내구성이 있고 가격이 저렴해서 전통적인 의류나 가구, 포장재, 건축자재의 대체품으로 사용한다. 플라스틱류에는 중합체, 혼성중합체가 주로 포함되어 있으며 충전제, 가소제, 산화방지제와 같은 부수적인 첨가제도 들어간다. 최근에는 환경문제를 고려하여 생분해가 가능한 플라스틱이 고안되고 있다. 그래서 플라스틱은 사용하는 동안의 내구성과 사용 후 분해성을 반드시 고려해야 한다.

생분해성 플라스틱은 사용 중에는 범용 플라스틱과 동등한 물성을 유지하나, 사용 후 폐기 또는 자연 상태에 버려졌을 때, 자연계에 존재하는 미생물 (박테리아, 곰팡이 및 조류) 에 의해 물과 이산화탄소 등으로 완전히 분해 되는 수지라고 할 수 있다. 생분해성 플라스틱은 보통 전분을 이용하거나 지방족 폴리에스테르를 사용해서 만들어진다. 폴리히드록시알카노에이트(polyhydroxyalkanoate, PHA)는 석유 화학물질로 만드는 플라스틱을 대체할 수 있는 생분해성 플라스틱으로 장래 그 활용 가능성이 매우 높다. 

PHA는 직쇄상의 광활성이 있는 열가소성의 중합체로서 많은 종류의 미생물이 세포 내에 축적하는 에너지 저장용 물질이다. 이 생중합체는 영양분이 고갈되었을 때 미생물, 특히 Pseudomonas 세균의 세포 내에 축적하는 지름 0.2~0.7㎛의 미립자 모양의 세포 내 축적물이다. 가장 흔히 관찰되는 PHA는 폴리 ß-히드록시부티레이트(PHB)와 폴리젖산(폴리히드록시프로피오네이트)이 있으며 이들은 각각 히드록시부티르산이나 젖산과 같은 단량체가 중합되어 만들어진다.

미생물에 의해 생산되는 플라스틱 중에서 가장 용도가 좋은 것은 PHB이다. PHB는 생물친화적인 중합체로서 재생 가능한 자원이며 자연환경에서 매우 신속히 그리고 완전하게 생분해되어 최종적으로 인사화탄소와 물로 되기 때문에, 기존의 석유화학제품을 원료로 하여 생산된 플라스틱보다 이롭다. PHB를 폴리히드록시발레레이트(polyhydroxyvalerate)와 혼합중합체를 만들면 이를 PHBV라고 하는데 이 혼합중합제품은 한 가지 원료만으로 중합체를 만들었을 때보다 생분해되는 시간이 더 짧은 장점이 있다. 

PHBV는 현재 미국의 Monsanto 회사에서 Biopol이라고 하는 상표명으로 생산하고 있다. Biopol은 플라스틱만큼 강하고 방수성 있는 상품이다. 이것은 대개 흙 속에 있는 미생물에 의해 빠르고 완전하게 분해되어 물과 이산화탄소로 바뀐다. Biopol은 하수와 함께 비료로 쓰이기도 하고 쓰레기와 함께 묻히면 몇 주 만에 사라진다. 또한 이 새로운 중합체를 태우더라도 사람들이 만들어낸 다른 새로운 화학물질 같은 독성은 띠지 않는다. Biopol이 상업적으로 이용하기 시작한 것은 1990년이었다. 

당시 서독의 머리 염색약 회사인 벨라 Wella 사에서 Biopol을 자회사 제품인 자나라 Sanara 샴푸를 담는 병으로 사용하기 시작했다. 현재까지는 영국 티사이드의 ICI 빌링엄에서 알칼리제네스 에우트로푸스를 이용해 생산하는 Biopol 기존 플라스틱보다 값이 비싸다. 그러나 생산량이 많아지면 값은 훨씬 저렴해질 것이다. 이러한 종류의 생산이 붐을 이루는 이유는 소비자들이 환경 상품에 추가 비용을 지불할 의사가 어느 정도 있거나, 생산자들이 특별한 목적으로 생분해 플라스틱을 채택해야 한다는 법규가 시행되었기 때문이라고 볼 수 있다. PHB는 폴리프로필렌과 유사한 여러 가지 성질이 있다. 

즉 분자량, 용융점, 결정성 및 인장강도가 비슷하다 PHB는 충격강도가 매우 약한 단점이 있다. PHB 중합체가 광범위하게 실용화되지 못하는 이유는 우선 값이 비싸고 시간이 경과되면 강도가 약해져서 부스러지는 경향이 있다는 점이다. 현재 PHB가 활용되고 있는 분야는 생의학 분야와 포장 분야인데, 특히 체내효소에 의해 서서히 분해 되는 수술 후 봉합용 실, 식품저장용 용기와 샴푸병 등의 제조에 사용된다. 폴리젖산의 유도체는 의학 분야에서 용도가 알려져 있으며 동물조직 생장을 위한 틀이나 인공관절용 플라스틱을 만드는데 사용한다.

또한 이 새로운 플라스틱에 대한 관심은 의학계에서도 꽃필 것 같다. 예를 들면, 판이나 나사를 PHBV로 만들어 부러진 뼈를 붙이는 데 사용할 수 있다. 이것을 몸 안에 넣으면 치료하는 동안에는 몸을 충분히 지지해 주고 그 후에는 스스로 분해된다.

많은 플라스틱류는 대부분 미생물의 공격에 저항성이 있지만 플라스틱의 첨가제들은 일반적으로 이점에 취약하다. 먼저 미생물은 이런 첨가제를 이용하면서 생체막을 형성한다. 예를 들어 PVC는 Streptomyces rubireticuli에 변색 가능하고 폴리아마이드(나일론 등)는 Penicillium 속에 의해 변색될 수 있다. 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL)이나 폴리부틸렌 아디페이트(polybutylen adipate) 등의 폴리에스테르는 미생물과 곰팡이에 분해되지만 보통 플라스틱 병을 만들 때 사용하는 PET(polyethylen terephthalate)는 분해가 잘 되지 않는다.

생분해성 플라스틱의 생산자인 알칼리제네스 에우트로푸스(Alcaligenes eutropbus)에 대해 알아보자. 미생물학 교과서에서 알칼리제네스 에우트로푸스라는 세균을 찾아보면, 이 균이 <크날가스> 반응을 하는 독특한 세균임을 알 수 있다. 크날가스 반응이란 수소를 산화시켜 물을 만들고 동시에 세포가 살기 위한 에너지를 내놓은 것이다.

이 균은 다른 생물, 심지어 사람처럼 탄수화물 같은 여러 먹이를 에너지원으로 이용하며 살아간다. 그러나 이 미생물은 세포를 장식하는데 필요한 주요 <건축 재료>를 외부 공급에 의존하는 종류들에 비하면 자급자족형에 훨씬 가깝다. 알칼리제네스(Alcaligenes) 속의 세균은 대단히 특이한 종류로, 물을 만들면서 내놓은 에너지를 사용하는 부가적인 능력이 있을뿐더러 이산화탄소를 고정하여 필요한 탄수화물을 만들어낸다. 이 반응은 햇빛이나 엽록소는 필요 없지만, 녹색 식물이 광합성 하는 것과 비슷한 연속적인 화학 변화를 통해 전체 과정이 이루어진다.

이 세균은 미생물 세계에서 또 하나의 눈에 띄는 역할을 한다. 바로 생분해되는 플라스틱의 생산자이다. 앞에서 본 것처럼 몇몇 미생물들은, 최근에 만들어진 플라스틱은 예외로 하더라도 아주 단단하고 매우 분해하기 어려운 물질들을 분해한다. 포장 재료로 쓰이는 플라스틱은 미생물이나 햇빛 또는 습기에 노출되더라도 생산품을 보호하도록 만들어졌다. 그것은 해변을 비롯한 수많은 장소에서 확인할 수 있다. 플라스틱 병이나 상자 그리고 포장재들이 마치 우리의 건강과 안전에 전혀 해를 주지 않는다는 듯이 사방에 널브러져 있다.

더불어 유전공학으로도 사용가능하다. PHBV 같은 물질은 유전공학과 결합하여 PHB의 생산을 조절하는 알칼리제네스 에우트로푸스의 유전자 위치를 찾아냈다. 이것은 세계의 몇몇 연구팀으로 하여금 유전자를 대장균 같은 다른 세균에 이식하도록 하여 더 값싸고 효과적인 중합체를 생산하도록 하는데 기여한다. 또한 유전자 자체를 바꿔 세균이 구조 분자를 섭취하는 것만으로는 간단히 만들어내지 못하는 새로운 구조의 중합체를 생산하도록 할 수도 있다. 이러한 방법에 따르면 더 많은 종류의 플라스틱을 만들 수 있으며, 다른 분야에서도 응용할 수 있다. 이들은 기존의 플라스틱과 필요한 만큼 생분해된다.

세균이 세포 구조물과 새로운 세포를 만들 때면 어떤 방법으로든 에너지를 만들어내는데, 당장 필요한 것보다 더 많은 에너지를 만든다. 그래서 이 미생물들은 여분의 에너지를 고분자 형태로 저장해 두고, 마치 인간이 지방을 사용하는 것처럼 나중에 필요할 때 분해하여 에너지로 이용한다. 우리는 현미경으로 미생물의 세포 안에 흩어진 전분 같은 물질의 알갱이들을 볼 수 있다.

알칼리제네스 에우트로푸스의 알갱이는 전분으로 구성된 것이 아니라 폴리하이드록시부티레이트(PHB)라는 지방과 유사한 중합체로 구성되어 있다. 중합체란 수많은 작은 분자들이 차례로 사슬이나 그물 모양으로 붙어서 이룬 커다란 분자를 말한다. 수많은 하이드록시부티레이트 분자가 연결된 PHB는 자체적으로 그러한 성질이 없지만, 알칼리제네스 에우트로푸스가 이 분자에서 양분을 섭취하면 전혀 다른 고분자 구조물로 바뀐다. 

알칼리제네스 에우트로푸스에 발레르산이 보충된 영양분을 주자, 이 균은 물리적 성질이 플라스틱과 비슷하면서도 생분해성인 폴리하이드록시부티레이트-코하이드록시발러레이트(PHBV)라는 물질을 만들었다. 이제 우리는 알칼리제네스 에우트로푸스를 이용해 하이드록시부티레이트 분자를 엮어 PHB를 만들고, 이것과 비슷한 다른 세균들을 이용해 다른 구성단위를 갖춘 중합체를 만들며, 더 나아가 이들을 서로 결합시켜 PHBV 같은 물질도 만든다. 그러므로 미생물로 만든 플라스틱이 미생물로 분해 되는 것이다. 이때 생산되는 미생물은 우리에게 도움을 주는 미생물이라고 할 수 있는 것이다.

결론

최근에는 미국, 일본, 독일 등 선진국뿐만이 아니라 전 세계적으로 심각한 환경오염을 개선하고자, 자연에서 미생물에 의해 분해 되는 생분해성 고분자의 연구개발과 상용화가 급속히 진행되고 있다고 한다. 현재 통용되고 있는 포장재와 인조섬유의 1차적 원료 공급원인 석유는 앞으로 20~70년 후에는 충분한 공급이 어려울 것으로 보이는 상황에서, 생분해성 플라스틱은 재생 가능한 자원을 사용함으로써 완전 재활용이 가능하며 지속적인 원료 공급이 가능하다는 가장 큰 장점을 가지고 있다는 것이다. 또한 기존의 플라스틱과 동일한 기능을 가지며 석유화학제품 대비 가격경쟁력을 가지고 있다. 이 가격경쟁력은 석유자원의 고갈에 비례해 더욱 커질 것으로 예상하고 있다.

미생물로 분해 되는 비닐은 머지않은 미래에 더 다양하게 활용될 것으로 전망된다. 예를 들어 잘 분해 되는 화합물에 영양성분을 추가하는 것이다. 이 화합물로 만든 비닐에 음식물 쓰레기를 담아 땅속에 묻으면 분해 과정에서 식물에 영양을 공급하는 비료가 된다. 또 야채나 과일을 보호하기 위해 이런 비닐을 덮어둘 수도 있다. 과거에는 추수가 끝난 뒤 농부가 비닐을 일일이 걷어내야 했다. 그러나 분해 되는 비닐은 그대로 둔 채 흙과 함께 갈아엎기만 하면 된다. 분해도 되고 비료 역할도 하니 그야말로 일석이조다.

솔직히 아직 많은 사람들이 이 플라스틱에 대해 잘 모른다. 대부분 고분자물질을 포함하는 플라스틱류를 사용하고 있어서 몇 백 년 동안 분해 하지 못하는 플라스틱을 사용하고 있다. 나도 조사하는 도중에 이러한 플라스틱이 있다는 것을 알게 되었다. 이러한 플라스틱은 대부분 많이 비싸기도 하고 많은 사람들이 잘 모르니까 다른 공정을 통해서 값을 저렴하게 만들고 많은 사람들에게 알릴 수 있도록 하여야 할 것이다.

미생물은 좋은 친구들도 있고 나쁜 친구들도 있다. 솔직히 작은 생물이어서 우리는 역할도 작다고 생각한다. 작은 미생물하나로 음식을 부패시킬 수도 있고, 인간에게 병을 유발할 수 있으며 또 더불어 플라스틱을 분해 시켜서 지구 쓰레기를 먹어치우는 미생물도 있다. 작은 미생물 하나가 이런 놀라운 일을 한다는 것이 놀랍지 않은가. 우리는 앞으로 더욱더 과학기술을 발전시키며 미생물의 역할에 대해 더 알아보고 환경오염을 위해 애쓰는 미생물들에게 감사함을 느끼며 부분별한 남용으로 인한 오염을 막도록 해야 할 것이다.

참고 문헌

1. 미생물의 힘/버나드 딕슨/사이언스 북스

2. 산업․응용 미생물학/Michael J. Waites/라이프 사이언스