[연구논문] PET 관련 물질의 혐기성 분해

- 혐기성 환경서 PET 관련 물질 분해하는 미생물 발견
- 분해의 열쇠를 잡는 새로운 효소로 추정
- 산소가 없는 환경에서 PET의 단량체나
원료인 난분해성 물질의 미생물에 의한 분해에 성공
- 미생물에 의한 분해의 구조를 신규 제안

TIN뉴스 | 기사입력 2022/08/09 [09:35]

 

① 개요

일본 국립연구개발법인 산업기술종합연구소(이하 ‘산총연’) 생물공정연구부문 미생물생태공학연구그룹은 ▲PET병 등에 사용되는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(이하 ‘PET’)모노머인 테레프탈산비스(2-히드록시에틸)(이하 ‘BHET’)나 ▲PET 원료인 난분해성 물질 테레프탈산디메틸(이하 ‘DMT’)의 분해가 산소가 없는 환경(이하 ‘혐기성 환경’)에서 생기는 것을 해명해, 그 정화 기구를 미생물의 배양과 게놈 정보에 근거해 새로운 제안을 했다.

 

환경 중에 배출된 플라스틱류는 물리적, 화학적 또는 미생물로 분해해 마이크로플라스틱이나 나노플라스틱 등으로 미세화 된다. 이러한 플라스틱의 분해 과정에서는 다양한 부산물을 환경 중으로 유출시키지만, 지하권이나 하천·호수·해양의 퇴적물(저질) 등의 혐기성 환경에서의 분해 거동은 잘 알려져 있지 않았다.

 

이에 산총연에서는 혐기성 환경을 모의해 BHET와 분해 기구가 불명한 DMT를 분해하는 미생물을 집적 배양하는 동시에 대사산물의 측정을 실시해, BHET와 DMT의 생분해가 생기는 것을 실증했다. 

 

또한, 샷건 메타게놈 분석 및 단백질 입체 구조 예측은 BHET와 DMT의 혐기성 분해를 담당하는 미생물 유래 효소의 추정에 성공했다. 본 연구의 성과는 PET 관련 물질의 환경에서의 역학과 미생물의 새로운 기능에 관한 학술적 이해의 양면에 공헌한다. 본 성과는 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ 온라인판에 2022년 7월 5일 게재됐다.

(논문명: Elucidation of the biodegradation pathways of bis(2-hydroxyethyl) terephthalate and dimethyl terephthalate under anaerobic conditions revealed by enrichment culture and microbiome analysis)

 

② 개발 배경

PET는 플라스틱 병 등에 사용되는 플라스틱 재료 중 하나다. PET 시장규모는 해마다 증가하고 있으며, 향후에도 세계 규모에서 PET 제조는 계속될 것으로 생각된다. PET는 고순도 테레프탈산(이하 ‘PTA’)과 DMT를 주원료로 제조된다. 

 

그 제조 공정에서 배출된 환경 부하가 높은 유기성 폐수는 주로 정화 처리와 동시에 메탄을 제조하는 혐기성 생물학적 폐수 처리법에 의해 처리되고 있다. PET를 포함한 플라스틱은 자외선이나 생물에 의한 분해 등에 의해 마이크로 플라스틱이나 나노 플라스틱으로 분해되기 때문에, 이들을 섭취한 수생·육생 동물의 건강에의 영향이 우려된다. 

 

플라스틱 분해에 관한 연구는 해양 표층 등의 산소가 존재하는 호기성 환경을 상정해 행해지고 있지만 산소가 없는 혐기성 환경에 있어서의 분해 기구에 대해서는 불명확한 점이 많다. 

 

플라스틱 폐기물의 약 80%가 땅 속에 매립 처분되거나 자연 환경에 축적되는 것, 심해저에서 마이크로 플라스틱이 고농도로 존재하는 핫스팟이 발견되는 것 등으로부터 혐기성 환경에서 플라스틱류의 분해 거동을 파악하기 위한 기초적인 지견이 요구되고 있다. 그러나 혐기성 환경에 서식하는 플라스틱 분해 미생물에 대한 정보는 거의 얻어지지 않았다.

 

③ 연구 경위

산총연에서는 내각부의 바이오 전략 목표인 ‘2030년 바이오 이코노미 사회’ 실현에 공헌하기 위해, 소재 개발·고기능화·제조·분해성 평가·폐수 처리 등의 일련의 연구를 조합한 ‘순환 형 사회를 목표로 한 생물자원 이용 기술’의 사회 구현을 목표로 하고 있다. 

 

분해성 평가·폐수 처리를 대상으로 하는 연구의 경우 분해가 어려운 유기성 폐수 처리의 효율화나 비용 삭감을 사회 과제로서 자리매김하고 생물학적 폐수 처리의 주역인 미생물에 주목해 폐수 처리 기술 고도화에 도움이 되는 미생물 기능의 발견을 목표로 해왔다. 

 

지금까지 미생물 기능을 활용함으로써 PET병 원료 제조 과정에서의 난분해성 폐수의 효율적인 처리에 성공하고 있다.

 

본 연구에서는, 대표적인 플라스틱의 하나인 PET를 대상으로 하고, PET가 혐기성 환경에 유출했을 때의 환경 동태를 정확하게 평가하는 것이 최종적인 목표다. PET의 단량체인 BHET와 PET 원료인 DMT에 대해 혐기성 환경을 모의하여 분해에 관여하는 미생물의 집적 배양을 실시했다.

 

또한, 1 H NMR을 이용한 분해성 평가와 산탄총 메타게놈 분석을 이용한 대사기능 평가를 바탕으로 혐기성 환경에서 BHET와 DMT의 생분해가 일어나는 것을 밝혀내고 그 핵심 미생물을 확인했다.

 

본 연구의 일부는 일본 학술진흥회의 과학 연구비 조성 사업 기반 연구 (B) (일반) (JP18H01576, JP21H01471)의 지원을 받아 실시했다.

 

④ 연구 내용

본 연구에서는 우선 PET병 원료 제조 시 발생하는 폐수를 효율적으로 처리하는 실험실 스케일 리액터로부터 ‘슬러지’라 불리는 복합 미생물 시료를 꺼내 혐기성 환경을 모의한 배양 병에 첨가하고, BHET 또는 DMT를 기질로서 첨가해 집적 배양했다. 

 

1 H NMR을 이용해 BHET와 DMT의 분해산물을 평가한 바, BHET는 모노히드록시에틸테레프탈산(이하 ‘MHET’)과 테레프탈산(이하 ‘TA’), DMT는 테레프탈산 모노메틸(이하 ‘ MMT’)과 TA를 생성하는 것을 확인했다. (그림 1). 

 

이를 통해 혐기성 환경에서도 BHET과 DMT가 미생물에 의한 분해를 받는 것이 분명해졌다. 또한 배양 물에 첨가한 BHET 및 DMT의 결정 주변을 현미경으로 관찰한 결과, 결정에 특이적으로 부착하는 나선형 미생물을 발견했다. 이러한 미생물이 분해에 관여하는 것으로 제안됐다.

 

▲ 그림 1) 혐기성 배양으로 얻어진 BHET와 DMT의 분해산물과 배양물의 현미경 관찰 결과 원논문 「Table 2」의 수치 데이터를 기초로 제작  © TIN뉴스

 

BHET 및 DMT의 분해 기구를 해명하기 위해, 배양 물에 포함되는 복합 미생물군의 샷건 메타게놈 해석을 실시했다. 그 결과, BHET과 DMT를 분해할 수 있는 새로운 효소의 존재를 확인했다(그림 2). 이 효소들은 BHET과 DMT를 각각 MHET과 MMT로 분해하고 TA까지 분해할 수 있다고 추정했다. 이 모든 효소는 ‘스피로헤타 문(학명: Spirochaeota)’에 속하는 미생물의 게놈에 코딩된다. 

 

또한, 파미큐테스(Firmicutes)문에 속하는 계통학적으로 새로운 미생물이 BHET의 분해 과정에서 발생하는 에틸렌글리콜을 아세트산까지 분해하는 대사 경로를 갖는 것으로 추정되며, 메탄올 이용성의 메탄 생성 아키아가 DMT의 분해 과정에서 발생하는 메탄올로부터 메탄을 생성한다는 것도 분명해졌다 (그림 2).

 

▲ 그림 2) 본 연구에서 추정 된 혐기성 조건 하에서 BHET 및 DMT의 분해 경로 및 분해 미생물  © TIN뉴스

 

본 연구에서는 혐기성 환경에서의 분해 거동이 불분명했던 BHET와 DMT에 대해서, 그 생분해성을 밝혀, 그 분해를 담당하는 미생물 기능을 추정했다. 본 연구의 성과는 혐기성 생물에 의한 폐플라스틱류의 제거기술의 개발이나 플라스틱류로 오염된 자연환경의 정화로 이어지는 것이다.

 

미래에는 석유 유래 원료뿐만 아니라 폐플라스틱이나 생물 유래 원료를 이용하는 새로운 PET 제조 기술의 개발, 또 PTA와 DMT를 같은 공장부지 내에서 생산하는 등 집약형 플랜트의 보급도 예측된다. 이러한 과정에서 생길 수 있는 화학물질의 생분해성을 평가해 분해 메커니즘을 밝히는 것은 환경보호 관점에서도 중요한 대처다. 

 

본 연구에서는 다양한 환경을 모의하여 화학물질의 생분해성을 평가하고, 그 분해에 관여하는 미생물이나 효소를 추정했다. 이러한 산업 이용을 목표로 하는 시도는 향후 바이오 이코노미(Bio-economy(생물경제)) 사회의 형성을 향해 더욱 수요가 높아질 것으로 예상된다. 또한, 새롭게 제안한 BHET 및 DMT 분해 경로와 이를 촉매하는 미생물 유래의 효소는 혐기성 미생물의 합성 화학물질의 분해 능력을 이해하는데 있어서 중요한 발견이다.

 

⑤ 향후 예정

앞으로는 BHET나 DMT뿐만 아니라 폴리머인 PET 그 자체나 기타 플라스틱류의 혐기성 환경에 있어서의 분해성 평가를 실시함으로써 자연계에 확산된 다양한 플라스틱의 동태를 밝힐 계획이다. 또, 본 연구에서 신규 제안한 BHET나 DMT의 분해 효소의 이용 가능성을 평가하기 위해, 유전자 발현이나 효소 발현을 실시하는 것으로, 분해 기구의 보다 상세한 해명에 임해 갈 것이다.

 

또한 이러한 미생물학적 정보를 바탕으로 새로운 처리 공정을 설계하고 다양한 폐플라스틱을 효율적으로 분해할 수 있는 환경 조화형 폐기물 처리 공정을 창출하여 바이오 이코노미 사회 형성에 공헌할 것이다.

 

◆ 용어 설명

 

- 샷건 메타게놈 분석

환경 중의 복합 미생물로부터 추출한 DNA를 단편화해, 망라적으로 해독하는 것으로, 복합 미생물의 생태나 기능을 해석하는 것. 

 

- 단백질 입체 구조 예측

게놈 상에 코딩된 아미노산 서열 데이터에 기초하여 컴퓨터 프로그램을 이용하여 단백질의 3차원 구조를 예측하는 단계

 

- 바이오 전략

일본에서의 바이오 이코노미의 추진에 관한 방침으로, 내각부의 통합 혁신 전략 추진 회의에 의해 정리되고 있는 ‘2030년에 세계 최첨단의 바이오 이코노미 사회를 실현하는 것’을 목표로, 지속 가능성, 순환형 사회, 건강(웰니스)을 키워드로 산업계, 대학, 지자체 등의 참여도 얻어 추진하고 있는 혁신 전략.

 

- 1 H NMR (양성자-핵 자기 공명: Nuclear Magnetic Resonance)

수소 원자핵이 놓인 환경에 따라 다양한 신호를 검출함으로써 화학물질의 구조 해석이나 물질 추정이 가능해지는 분석 수법. 

 

- 메탄 생성 아키아

무산소 환경 하에서 수소, 이산화탄소, 메탄올, 아세트산 등으로부터 메탄을 생산할 수 있는 미생물; 혐기성 환경에서 유기물의 무기화에 필수적인 미생물.

 

[자료출처] 일본 국립연구개발법인 산업기술종합연구소

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