도시 수로에서 플라스틱 먹는 박테리아 발견
연구자들은 오랫동안 공통적인 환경 박테리아인 코마모나다카에(Comamonadacae)가 도시 강과 폐수 시스템 전체에 버려진 플라스틱에서 자란다는 것을 관찰해 왔다. 하지만 이 코마모나스 박테리아가 정확히 무엇을 하는지는 여전히 미스터리로 남아 있다.
이제 노스웨스턴 대학교가 이끄는 연구원들은 코마모나스 박테리아의 세포가 플라스틱을 식품으로 분해하는 방법을 발견했다. 먼저, 그들은 플라스틱을 나노플라스틱이라고 하는 작은 조각으로 씹는다. 그런 다음, 그들은 플라스틱을 더욱 분해하는 특수 효소를 분비한다. 마지막으로, 박테리아는 플라스틱의 탄소 원자 고리를 식품 공급원으로 사용한다고 연구원들은 발견했다.
이 발견은 식수를 오염시키고 야생 동물에게 해를 끼치는 제거하기 어려운 플라스틱 폐기물을 청소하는 데 도움이 되는 박테리아 기반 엔지니어링 솔루션을 개발할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.
이 연구는 환경과학과 기술(Environmental Science & Technology) 저널에 게재된다.
이 연구를 이끈 노스웨스턴의 루드밀라 아리스틸데는 "우리는 처음으로 폐수 박테리아가 시작 플라스틱 물질을 취하고, 그것을 분해하고, 조각내고, 분해하여 탄소원으로 사용할 수 있다는 것을 체계적으로 보여주었다."라고 말했다. "이 박테리아가 그 전체 과정을 수행할 수 있다는 것은 놀라운 일이며, 우리는 플라스틱 물질을 분해하는 데 책임이 있는 핵심 효소를 발견했다. 이것은 환경의 플라스틱을 없애는 데 도움이 되도록 최적화되고 활용될 수 있다.”
환경 과정에서 유기물의 역학에 대한 전문가인 아리스틸데(Aristilde)는 노스웨스턴의 매코믹 공과대학에서 환경 공학과 조교수로 재직하고 있다. 그녀는 또한 합성생물학 센터, 국제나노기술연구소, 폴라 M. 트리엔네스 지속가능성 및 에너지 연구소의 회원이기도 하다. 이 연구의 공동 1저자는 아리스틸데(Aristilde) 연구실의 전 박사 과정 학생인 레베카 윌크스와 아리스틸데 연구실의 현재 박사후 연구원인 난킹이이다. 아리스텔데 연구실의 몇몇 전 대학원 및 학부 연구원도 이 연구에 기여했다.
오염 문제
새로운 연구는 아리스틸데 팀의 이전 연구를 바탕으로 하며, 이 연구에서는 코마모나스 테스토스테리가 분해된 식물과 플라스틱에서 생성된 단순 탄소를 대사할 수 있는 메커니즘을 밝혀냈다. 새로운 연구에서 아리스틸데와 그녀의 팀은 다시 식품 포장 및 음료수 병에 일반적으로 사용되는 플라스틱인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)에서 자라는 C. 테스토스테론을 살펴보았다. PET는 쉽게 분해되지 않기 때문에 플라스틱 오염의 주요 원인이다.
아리스텔데는 "PET 플라스틱이 전 세계 플라스틱 사용량의 12%를 차지한다는 점에 유의하는 것이 중요하다."라고 말했다. "그리고 폐수에서 발견되는 미세 플라스틱의 최대 50%를 차지한다."
플라스틱을 분해하는 타고난 능력
아리스텔데와 그녀의 팀은 C. 테스토스테론이 플라스틱과 상호 작용하고 플라스틱을 먹는 방식을 더 잘 이해하기 위해 여러 가지 이론적 및 실험적 접근 방식을 사용했다. 먼저, 그들은 폐수에서 분리한 박테리아를 가져와 PET 필름과 펠릿에서 키웠다.
그런 다음, 그들은 고급 현미경을 사용하여 플라스틱 소재의 표면이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 관찰했다. 그 다음, 그들은 박테리아 주변의 물을 조사하여 플라스틱이 더 작은 나노 크기의 조각으로 분해된 증거를 찾았다. 그리고 마지막으로 연구자들은 박테리아 내부를 조사하여 박테리아가 PET를 분해하는 데 사용한 도구를 정확히 파악했다.
"박테리아가 있는 상태에서 미세 플라스틱은 플라스틱의 작은 나노입자로 분해되었다."라고 아리스텔데는 말했다. "우리는 폐수 박테리아가 플라스틱을 단량체, 즉 폴리머를 형성하기 위해 함께 결합되는 작은 구성 요소까지 분해할 수 있는 타고난 능력이 있다는 것을 발견했다. 이러한 작은 단위는 박테리아가 성장에 사용할 수 있는 생물학적으로 이용 가능한 탄소 공급원이다."
C. 테스토스테론이 실제로 플라스틱을 분해할 수 있다는 것을 확인한 후, 아리스텔데는 그 방법을 알아보고 싶어했다. 세포 내부의 모든 효소를 측정할 수 있는 오믹스 기술을 통해 그녀의 팀은 박테리아가 PET 플라스틱에 노출되었을 때 발현하는 특정 효소 하나를 발견했다. 이 효소의 역할을 더 탐구하기 위해 아리스텔데는 테네시주 오크리지 국립연구소의 협력자들에게 효소를 발현할 수 있는 능력이 없는 박테리아 세포를 준비하도록 요청했다. 놀랍게도, 이 효소가 없으면 박테리아의 플라스틱 분해 능력이 상실되거나 크게 감소했다.
플라스틱이 물에서 어떻게 변하는지
아리스텔데는 이 발견이 잠재적으로 환경 솔루션에 활용될 수 있다고 생각하지만, 이 새로운 지식이 사람들이 폐수에서 플라스틱이 어떻게 진화하는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 말한다.
"폐수는 미세 플라스틱과 나노 플라스틱의 거대한 저장소이다."라고 아리스텔데는 말했다. "대부분의 사람들은 나노 플라스틱이 나노 플라스틱으로 폐수 처리 시설에 들어온다고 생각한다. 하지만 우리는 미생물 활동을 통해 폐수 처리 중에 나노 플라스틱이 형성될 수 있음을 보여주고 있다. 이는 우리 사회가 폐수에서 유입되는 강과 호수까지의 여정 전반에 걸쳐 플라스틱의 행동을 이해하려고 노력함에 따라 주의해야 할 사항이다."