미세플라스틱, 우리가 다 씹어 먹어 줄게!

韓과학자 주도 미생물 개발 눈길

유전자 변형 고초균, TPU에 혼합
5개월 내 ‘90% 이상’ 생분해 효과

고온에서도 살아남도록 유전자 변형한 고초균(오른쪽)을 삽입한 생분해성 폴리우레탄(TPU). UCSD 제공

환경 분야에서 지구온난화와 함께 시급히 해결해야 할 문제를 꼽으라면 플라스틱 폐기물 급증이라고 하겠다.

플라스틱 쓰레기가 증가하면서 미세플라스틱의 폐해도 커지고 있다. 크기가 5㎜ 이하인 미세플라스틱은 하수처리 과정에서도 걸러지지 않아 하수구를 통해 그대로 강과 바다로 흘러간다. 코로나19 이후 급증한 플라스틱 용기와 마스크 등 폐플라스틱이 바다로 들어가 햇빛이나 바닷물의 염분으로 마모돼 부서지면서 벌써 미세플라스틱 오염은 심각한 상태에 이르고 있다. 미세플라스틱은 토양, 표층수, 바다로 흘러 들어가 먹이피라미드 가장 아래쪽에 있는 생물들이 섭취한 뒤 먹이사슬을 따라 최종 소비자인 사람에게 전달돼 축적될 가능성도 크다.

이런 가운데 한국인 과학자가 주도한 연구팀이 플라스틱 고분자 물질을 빠르게 분해하는 미생물을 개발해 눈길을 끈다.

제1 저자인 한국인 과학자 김한솔 UCSD 박사가 고초균을 포함한 생분해성 열가소성 폴리우레탄을 늘리고 있다. 이번에 개발한 플라스틱은 기존의 열가소성 폴리우레탄보다 약 40% 더 강하고 탄력이 우수한 것으로 확인됐다. UCSD 제공

미국 캘리포니아 샌디에이고대(UCSD) 나노공학과, 생물공학과, 조지아대 신소재연구소, 한국화학연구원 바이오화학연구센터, 바스프(BASF) 미국 열가소성 폴리우레탄 연구소, 덴마크 덴마크공과대 공동 연구팀은 플라스틱이 사용되는 동안은 휴면 상태에 있다가 땅에 묻히는 등 폐기되면 활성화돼 플라스틱을 분해하는 박테리아 포자를 개발했다. 이번 연구에는 한국인 과학자 김한솔 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 5월 1일 자에 실렸다.

열가소성 폴리우레탄(TPU)은 고무와 플라스틱의 장점을 모두 가진 고분자 물질로 휴대전화 케이스, 신발, 바닥 매트, 쿠션, 메모리폼, 자동차 부품 등 다양한 용도로 쓰인다. 그러나 현재로서는 TPU를 재활용할 수 있는 방법이 없어 수명이 다하면 고스란히 폐기물로 버려진다. 생분해성 폴리우레탄을 개발하기 위한 연구는 많지만 지금까지 나온 것들은 플라스틱으로서 고유한 특성이 손상되기 때문에 산업용으로 활용되지 못하고 있다.

연구팀은 몇 가지 박테리아 균주를 확보해 TPU를 유일한 에너지원으로 사용하는 능력과 성장 속도를 평가했다.

그 결과로 얻은 것이 고초균(바실루스 서브틸리스)이다. 고초균은 공기, 마른 풀, 하수, 토양에 흔히 존재하는 호기성 세균으로 콩을 발효시킨 메주나 낫토를 만드는 데 중요한 역할을 한다. 더군다나 고초균 포자들은 인간과 동물에게 대체로 무해하다는 장점이 있다.

연구팀은 고초균이 플라스틱 생산 온도인 135도에서도 완벽하게 살아남을 수 있도록 유전자를 변형했다. 유전자 변형 고초균 포자와 TPU 조각을 플라스틱 압출기에 넣고 녹인 뒤 신개념 생분해성 플라스틱을 만들었다.

고초균을 삽입한 생분해성 폴리우레탄을 적정한 온도와 습도 환경에 노출하면 5개월 만에 90% 이상 분해된다. UCSD 제공

연구팀은 유전자 변형된 고초균을 포함해 만든 TPU의 거동을 시뮬레이션했다. 그 결과 이 플라스틱을 땅속에 묻으면 플라스틱이 빠르게 생분해되는 것으로 예측했다. 특히 37도, 상대 습도 44~55%의 상태를 유지하면 5개월 내 플라스틱의 90% 이상 생분해한다는 사실을 밝혀냈다.

조나단 포코르스키 UCSD 재료과학연구센터 교수는 “이번에 개발한 새로운 유형의 바이오 플라스틱은 플라스틱 산업의 환경 발자국을 줄이는 데 도움이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 포코르스키 교수는 “이번에 개발한 생분해성 플라스틱처럼 외부에서 미생물을 추가 투입하지 않고도 스스로 분해될 수 있는 기술은 플라스틱 처리에 있어 다양하게 쓰일 수 있을 것으로 생각한다”고 덧붙였다.

유용하 과학전문기자