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제목 농업환경 내 플라스틱 오염, 환경 및 해결방안 모색 심포지엄
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2019/06/26 15:44

 

 

‘농업기술 100년의 미래를 열다!’ - 국립농업과학원

 

6월 19일부터 22일까지 서울 양재동 aT센터에서 ‘농업기술 100년의 미래를 열다!’를 주제로 ‘2019 농업기술박람회’가 개최되는 가운데 20일 국립농업과학원 농업미생물과 한국농업미생물연구회가 주최하는 ‘농업환경 내 플라스틱 오염환경 및 해결방안 모색 심포지엄’이 개최됐다. 이번 심포지엄은 멀칭 폐비닐 등 농업용 폐플라스틱 오염문제 해결을 위한 연구·개발 동향정보를 공유하고, 향후 국가 미생물 연구방향을 설정하기 위해 마련됐다.

국립농업과학원 이용범 원장은 개회사를 통해 “2017년 우리나라는 31만톤의 농업용 플라스틱을 사용했으나, 20만톤만 수거하고, 11만톤은 농업환경에 방치돼있다. 농업환경 내 플라스틱 오염현황을 파악하고 미생물을 활용한 해결방안을 모색하고자 한다”며, “농업환경에서 플라스틱이 유발하는 문제점과 플라스틱 분해효소 기작구명에 따른 시스템 대사공학 이용, 플라스틱 분해 고기능 미생물 개발 등 미래 연구방향에 대해 심도 깊은 논의를 기대한다”고 밝혔다.

한국농업미생물연구회 이선우 회장은 “눈에 보이지 않는 작은 생명체인 미생물은 그 막대한 다양성으로 인해 농업분야의 활용가치가 무궁무진하고, 향후 배양되지 않은 미생물이 계속 획득된다면 농업의 다양한 분야에서 미생물 활용은 배가될 것”이며, “오늘 심포지엄이 이런 미생물과 관련된 다양한 기술을 이용해 농업환경을 개선하고, 지속가능한 농업을 실현할 미생물의 가능성을 확인하는 자리가 되길 바란다” 고 전했다.

 

 

첫 번째 발표로 인천대학교 김승규 교수(대리발표자 이황 박사)는 ‘농업환경의 폐플라스틱 오염 현황 및 문제점’이란 주제에서 “미세플라스틱은 입자 크기가 5㎜ 이하이며, 가공단계에서 투입되는 작은 미세입자를 1차 미세플라스틱과 큰 입자가 미세화 과정을 거쳐 마이크론 단위의 미세입자를 2차 미세플라스틱으로 구분된다”고 밝혔다. 플라스틱 폐기물은 9%가 재활용되고, 12%는 에너지원으로 활용되며, 나머지 79%는 매립 처리되고 있다.

농토 내 미세플라스틱 오염도 모니터링을 통해 본오염 현황에서 경기도 용인시의 멀칭비닐 사용지역과 논지역(비닐 미사용지역), 하우스비닐 사용지역 등 세 곳을 살펴본 결과에서 모두 토양에서 미세플라스틱이 검출됐다. 농토에 잔류하는 미세플라스틱 평균오염도는 하우스비닐 사용지역(762n/㎏)>비닐미 사용지역(159.5n/㎏)>멀칭비닐 사용지역(72.5n/㎏) 순으로 나타났다.

이러한 미세플라스틱 발생증가에 따라 토양 및 해양에서 미세화 과정이 더욱 증가한다. 이는 곧 생태계를 위협하는 요소로 증가하며, 발포재, 방염제, UV안정제, 금속비활성제 등 플라스틱 첨가화학물질의 유출에 의한 2차 오염으로 이어진다고 내다봤다. 농토 내 플라스틱은 대체로 PP와 PE가 가장 많다. PE 재질의 비닐이 평균적으로 74% 검출돼 주로 PE 재질 비닐의 화풍으로 발생되는 것으로 보이지만, Fragmant(조각)는 특히 PP재질이 가장 많이 검출 됐다. 이는 농토에 잔류하는 미세플라스틱은 비닐에서만 기인하지 않는 것으로 조사됐다.

두 번째 발표자인 한국생명공학연구원 류충민 센터장은 ‘곤충 장내 효소에 의한 폴리에틸렌 분해’에서 “슈퍼박테리아 연구 중 꿀벌부채명나방(Galleria mellonella)의 다리에 병원균을 투입해 하루만에 실험 결과를 바로 얻을 수 있었으며, 실험에서 꿀벌부채명나방은 우수한 유전적 특성을 지녔고, PE를 분해한다는 사실을 해외 언론과 논문을 통해 알게 됐으며, 플라스틱 분해 가능성에 대해 알게 됐다”고 밝혔다.

이 사실을 확인하기 위해 꿀벌부채명나방의 장 속에 다섯 가지 성분을 주사기로 Force-feeding하면 항생제가 가득 차게 한 후 1~2일이 지났을 때 장내 미생물이 하나도 없는 깨끗한 상태가 확인됐다. 그후 벌집왁스나 PE 성분의 플라스틱을 먹여본 결과, 긴 사슬(지방산)이 잘게 쪼개지는 피크 분해과정을 확인할 수 있었으며, 미생물이 없어도 분해하는 데 전혀 영향이 없다는 것을 확인했다.

장내 플라스틱을 분해하는 효소성분 확인을 위해 꿀과 꽃가루를 첨가해 먹여본 결과, PE는 시간이 지나도 몸무게는 유지하는 수준이었으나, PE:NR(9:1) 을 섞은 경우는 몸무게가 상당히 늘었다는 것을 알 수 있었다. PE는 장을 통과하면서 왁스와 구조적으로 비슷한 형태로 분해되고, 이 과정에서 산소와 결합하면서 플라스틱이 잘리는 형태가 만들어진다. 효소는 물에서 작용하고 온도가 적당해야 하며, PE 섭취 후 장의 PH값이 상승해 효소가 작용하도록 장이 변화를 일으킨 것으로 예상하고 있다.

 

 

세 번째 발표자인 경상대학교 장유신 교수는 ‘시스템대사공학 기반 폐플라스틱 분해 미생물 개발 전망’ 에서 “대사공학(Metabolic Engineering)은 미생물의 대사회로를 잘 조작해 150여가지 화학물을 통해 미생물을 생산할 수 있고, 폐플라스틱을 미생물의 대사회로를 통해 분해할 수 있는데, 이것이 조금 더 발전한 것이 시스템대사공학”이라고 정의했다. 이를 위해 생산하고 있는 대사물질을 더 잘 생산하거나 새로운 대사물질을 생산할 수 있게 하는 등 대사회로를 조작하고 있다.

이 중 일부는 최적화됐더라도 모두 산업화되는 것은 아니지만, BASF, Cargill 등 글로벌 석유화학회사에서 화학물을 생산하고 있다. 국내에서도 GS칼텍스, CJ, 대상 등 기업에서 연구하면서 화학물을 생산한다. 이외에도 게놈 데이터와 플렛폼 원천기술 개발, 대사공학 툴 등의 연구가 진행중이며, 게놈수준의 대사 네트워크 모델(인실리코-셀)이 구축되고 있다. 기존 균주는 포도당 100에서 29%의 부탄올을 생산했다면 균주 개량 후 47%의 부탄올을 얻을 수 있다. 이를 바탕으로 최종 90%까지 가능한 균주를 얻을 수 있었다.

현재 대사공학의 연구개발 성과로는 이산화탄소로부터 직접 바이오화합물을 생산하거나 항 말라리아 퇴치 및 바이오디젤 생산 성공사례와 PE·PS와 유사한 성능을 지닌 플라스틱의 생산 가능한 대장균 최적화 등을 소개했다. 마지막으로, 플라스틱 분해 미생물 개발전략으로 “생분해 경로 탐색 및 예측을 통해 예측된 경로에 대한 우선순위를 부여하고, 인실리코-셀 모델링 평가를 통해 목적 플라스틱 분해를 위한 최종 분해경로를 결정하며, 실제 유전자 수준에서 설계 및 host 균주에 도입해 최적 생분해 경로를 통한 목적 플라스틱 분해가 가능하도록 해야 한다”고 설명했다.

네 번째 강연자인 경북대학교 김경진 교수는 ‘PET 플라스틱의 생물학적 분해 연구’에서 “PET의 다양한 장점으로 식품용기로 많이 사용되고 있지만, 자연적인 분해가 불가능해 미생물을 이용해 난분해성 분해가 가능하도록 해야 한다”고 밝혔다. 이어 “IsPETase 의 PET을 분해하는 효소와 TfCUT을 비교해보면 IsPETase은 열안정성이 낮은 반면 활성이 높은 편인데, 효소가 밖으로 나와야 하기 때문에 열안정성이 낮으면 바로 죽어버린다”는 문제를 지적했다.

PET를 완벽히 분해하는 박테리아 개발을 위해 20~30℃ 환경에서 PET가 분해 잘 되도록 열안정성과 활성이 높은 박테리아 개발이 필요하다. 이를 위해 IsPETase의 열안정성을 높이고, TfCUT의 활성을 증가시키기는 연구를 시작했다. 이후 내부 활성이 같은 인공미생물을 E.coli 밖에서 활동할 때와 같이 활성이 나타나는 것이 확인됐고, 이것이 PET를 분해하는 인공미생물을 개발하는 시작점이 됐다.

PET 폴리머를 자르면 MHETase 단량체가 나온다. 이는 실제 미생물 내로 흡수되기 쉽지 않아 TPA와 Ethylene glycol로 분해한다. 이때 완전한 생분해를 위해서는 MHETase 작용이 필요하다. 이때 단백질 발현이 되지 않아 PET 분해에 밖의 효소가 가용성으로 나타난다. chaperone을 이용해 가용성 발현이 증가하는 것이 확인됐고, 여기서 확보된 단백질로 입체구조를 규명됐다.

 

 

끝으로 국립농업과학원 김남정 과장은 ‘농업용 플라스틱 분해 국가 미생물 연구방향’에서 “과학기술정보통신부 4차 심의까지 마친 상태 로, 내년부터 사업을 착수하는 데 있어 가장 밀접한 의식주 문제부터 해결해나가야 하지만, 중국의 토양잔류 멀칭비닐 문제점과 제주도 쓰레기 매립지 사례를 보듯 농업에서 플라스틱 문제를 풀어 나가는 과정에는 다양한 의견과 깊이 있는 고민을 해야 한다”고 말했다.

플라스틱 중에서 비닐은 중국과 한국에서 가장 많이 사용된다. 폐비닐의 경우 수거율이 줄어들어 60% 전후를 기록하고 있으며, 이에 따라 재활용률도 낮아지고 있다. 특히 멀칭비닐은 비닐하우스 내에서도 사용하기 때문에 가장 큰 문제로 대두되고 있는 바, 토양 미생물 활성화에 저해될 뿐만 아니라 잔류된 폐플라스틱으로 인해 생산량에도 영향을 미치게 된다. 오염되기 싶고 분해가 쉽지 않은 농업용 멀칭비닐은 미생물을 통한 플라스틱 분해기술이 이 문제를 풀어나갈 중요한 해결책으로 제시되고 있다.

이에 국립농업과학원에서 올해 5월부터 본격적으로 시작한 예비실험과제를 통해 미생물의 긍정적인 장점을 검증해보고, 폐기물 매립지 및 재활용센터, 농경지등 열 곳의 시료를 채취해 실험하고 있다. 비닐 분해효과 확인을 위해 미생물을 선발해 7일간 관찰을 시행했다. 비닐에 정착하는 미생물을 선발하고, 분자량을 감소시키는 기술이 필요하기 때문이다. 이에 따라 농업 과학원은 2025년까지 3단계로 미생물 활용 농업용 플라스틱 분해 연구 추진체계를 목표로 방치되는 영농폐비닐 발생량을 30%에서 10% 이하로 줄이기 위해 관련기관간 협력체계를 구축하고 있다.

  

 

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