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플라스틱과 환경문제, 너가 해결해줄래?

9월 12 업데이트됨


PET, 흔히 말하는 플라스틱은 수질 오염과 토양 오염 등 다양한 환경 문제의 주 원인이 되고 있습니다. 이러한 환경 문제의 원인이 플라스틱이 되는 이유는 아시다시피 쉽게 분해되지 않고 남아있다는 점입니다. 우리의 삶에는 음료수병, 비닐 봉지, 용기 등등 플라스틱이 매우 편리한 물질로 지구 전체에 이미 자리잡았습니다. 하지만 우리가 쉽게 인식하지 못하는 환경문제는 우리 삶에 다시 되돌아오고 있습니다. 플라스틱은 매년 아프리카 코끼리 5000만 마리의 무게에 대응되는 양이 생산된다고 합니다. 하지만 그 중 10%만이 재활용됩니다. 이러한 환경문제, 어떻게 하면 좋을까요? 재활용과 캠페인으로 막아보려 해도 너무 많아져버린 플라스틱 쓰레기, 도우미가 있으면 참 좋겠죠?

쌓여만 가는 PET 쓰레기
플라스틱, PET는 왜 쉽게 분해되지 않을까?

일반적인 유기물질과 같은 물질들은 생분해(biodegradation)이라는 과정을 거쳐 분해가 됩니다. 생분해 과정이란 박테리아(bacteria)에 의해서 자연스럽게 시간이 지나 분해되는 과정으로 인간이 특정 효소나 물질을 첨가하지 않아도 항상 거치는 과정입니다. 물론 PET도 생분해과정을 거칩니다. 하지만 PET가 완전히 분해되는 시간은 비닐 봉지가 10~20년, 페트병이 450년이라고 합니다. 그 작은 용기가 분해되는데 450년...어마어마한 시간이죠? 이렇게 PET라는 물질은 쉽게 분해되지 않는데, 그 이유는 PET의 구조적인 특성에 있습니다.

PET(polyethylene terephthalate)의 구조

[C10H8O4]n 이 기본 구조입니다. 이러한 화학식에서 보면 구조적 안정성(dimensional stability)이 뛰어나고, 충격 완화에 효과적입니다. 일상 생활에서 플라스틱 용기를 사용하는 이유도 가볍고 들고 다니기 편리한 데다 떨어뜨려도 쉽게 부서지지 않는다는 특성에 있지요.

PETase와 MHETase, 너희는 누구냐?

앞에서 보았듯이 잘 분해되지 않는 PET를 분해하는데 생분해 과정은 효과적이지 않습니다. 그렇다면 PET를 분해하는 것은 불가능한 건가요? 아닙니다! 2016년 일본에서 Ideonella sakaiensis라는 세균 속 PET를 분해하는 효소를 발견하였습니다. 그 효소들이 바로 PETase와 MHETase입니다.

PETase와 MHETase

PET를 분해하는 과정을 크게 두 단계로 나뉘어집니다. 첫 번째 단계는 PETase의 반응입니다.

위의 그림에서 볼 수 있듯이 PETase 반응에서는 PET를 주요 생성물인 MHET(mono terephtalic acid)와 부산물인 BHET(bis-terephtalic acid), 그리고 물이 부가적으로 나오게 됩니다. 하지만 자연적으로 존재하는 Ideonella sakaiensis 의 PETase는 반응속도가 느려 돌연변이(mutation)과정을 통해 반응속도가 빠른 17가지 구조가 알려져있습니다. 이렇게 PETase가 PET를 분해하게 되면, 주요 생성물인 MHET를 분해하는 MHETase가 반응을 합니다. MHETase의 반응에서는 MHET를 terephtalic acid(TPA), ethylene glycol으로 분해합니다. 이때 이 TPA와 ethylene glycol은 산화되면 우리 몸에서 에너지를 만드는데 사용하는 TCA회로와 같은 반응의 반응물이 됩니다. 따라서 이런 TCA회로를 사용하는 생물들은 PET를 분해함으로써 생긴 이 생성물들로 에너지를 얻게 되는 것이죠. 이처럼 PETase와 MHETase는 플라스틱 쓰레기라는 것으로부터, 생물에게 필요한 에너지를 공급해준다는 점에서 큰 의미를 가집니다.

이 효소들이 어떻게 적용될 수 있을까?

앞서 소개된 PETase와 MHETase는 플라스틱을 분해함과 동시에 에너지 공급원이 되어주기도 하다는 것을 알 수 있었습니다. 또한 이들은 돌연변이를 통해 다양한 환경에서 플라스틱에 대한 분해작용을 할 수 있습니다. 그렇다면 이들이 어떻게 적용될 수 있을까요?

미세조류(microalgae)

대표적인 예로 해양에 사는 광합성을 하는 미세조류(microalgae)인 패오닥틸륨 트라이코르뉴튬(Phaeodactylum tricornutum)이 있습니다. 이 생물을 이용한 실험을 살펴보면 어떻게 이 미생물이 플라스틱 분해에 영향을 미치는지 알 수 있습니다. PETase를 생산하는 미생물을 배지에 설정해놓았을 때, 30 °C의 배양 상등액을 사용한 초기 분해 실험에서는 PETase가 PET와 복합체 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜(PETG)에 대한 활성도를 가지고 있음을 알 수 있었습니다. 또한, 해양 원생생물 속 PETase는 21°C, 소금물 환경에서 PET에 대해 활성 상태였음을 보여줍니다. 이렇듯 실험을 통해 어떤 특정 환경에 대해서 미생물 속 PETase의 반응속도를 확인한다면, 이를 실제 환경으로 확장시킬 수 있을 것입니다.

우리 손으로 막는 환경문제

플라스틱 쓰레기들은 통계적으로 14%는 재활용되고, 14%는 에너지 생성을 위해 소각됩니다. 40%는 쓰레기 매립지로 갑니다. 그리고 남은 32%는 환경으로 흘러가 토양 오염, 수질 오염을 야기시킵니다. 이렇게 환경으로 흘러가 플라스틱은 결국 미세플라스틱으로 우리가 먹는 음식으로 되돌아옵니다. 결국 우리에게 악영향을 미치죠.

박테리아 속에 존재하는 효소가 플라스틱을 분해하고, 또 생물이 그 때 나오는 생성물을 에너지를 만드는데 사용하는 것은 매우 중요한 과정입니다. 하지만 이 효소들은 플라스틱을 더 효율적으로 재활용하기 위한 하나의 수단일 뿐, 이러한 환경문제는 우리의 힘이 필요합니다! 일본의 TEIJIN이라는 회사는 “ECOCIRCLE”이라는 이름으로 플라스틱의 재활용 비율을 높이기 위한 프로젝트를 2002년부터 진행하고 있습니다. 또한 프랑스의 ADEME는 “Investment for the Future program”이라는 이름으로 말 그대로 미래를 위한 투자를 하고 있습니다. 이렇게 기업들이 힘쓰는 것도 필요하지만, 우리 하나하나의 힘도 무시할 수 없습니다. 개인의 작은 행동일지 모르지만 재활용을 잘 하고 환경을 조금이라도 더 생각한다면, 수많은 개인의 행동이 모여 큰 변화를 줄 수 있지 않을까요?


참고자료

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Ideonella_sakaiensis

[2] https://link.springer.com/article/10.1007/s00253-019-09717-y

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/PETase

[4]https://www.columbiatribune.com/news/20190107/ask-scientist-why-is-it-so-hard-to-decompose-plastic

[5] https://www.nature.com/articles/s41467-019-09326-3

첨부 이미지 출처

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/MHETase#/media/File:PET-degradation_scheme.tif

[2] http://polymerdatabase.com/Polymer%20Brands/PET.html

[3] https://mosaique.life/er.sathyamoorthy96/Plastics-Recycling-Technology-in-Japan

[4]https://theconversation.com/micro-solutions-for-a-macro-problem-how-marine-algae-could-help-feed-the-world-85702

[5]http://www.milwaukeeindependent.com/syndicated/environmental-contamination-pushes-cities-cut-plastic-waste-within-decade/


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작성자│박서준

발행호│2020년 여름호

키워드#환경 #화학 #미생물학


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