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- 퇴비 토양에서 PET 플라스틱을 특히 빠르고 효율적으로 분해하는 효소를 분리
- PHL7이라는 활성 성분은 이전 효소보다 2배 빠른 속도로 PET 샘플을 분해
- 매우 순수해 완전한 PET 포장을 기본 구성요소로 재활용 가능
- 2~3년 안에 생물학적 재활용 공정의 경제적 이점 정확하게 정량화 하는 프로토타입 생산

효소는 기록적인 시간에 플라스틱을 분해한다.
퇴비에서 분리된 효소로 빠르고 효율적인 PET 재활용 가능

플라스틱 폐기물에서 새로운 원료로:
연구자들이 퇴비 토양에서 PET 플라스틱을 특히 빠르고 효율적으로 분해하는 효소를 분리했다. PHL7이라는 활성 성분은 이전 효소보다 2배 빠른 속도로 PET 샘플을 분해하고 완전한 PET 포장을 기본 구성요소로 만들 수 있다. 실험에서 알 수 있듯이 이것들은 너무 순수해 새로운 PET를 만들 수 있다. 이것은 플라스틱 재활용에 대한 새로운 기회를 열어준다고 팀은 보고했다. 

▲ 지금까지 PET를 분해할 수 있는 박테리아 효소는 소수에 불과하다. 연구원들은 이제 퇴비 더미에서 가장 빠르고 효율적인 플라스틱 분해를 발견했다. © SamiSert/ iStock

플라스틱은 이제 우리 환경에서 어디에나 존재하며 불행히도 매우 내구성이 있다. 플라스틱 폴리머는 거의 생분해되지 않으며 수백 년 동안 지속될 수 있다. 이는 또한 폐기 문제를 야기한다. 지금까지 플라스틱 폐기물은 재활용 비용이 상대적으로 비싸기 때문에 재료를 재활용하는 대신 소각하는 경우가 많았다. 그러나 PET 또는 폴리우레탄과 같은 플라스틱을 기본 구성요소로 분해할 수 있는 일부 박테리아에서 발견한 효소가 도움이 될 수 있다.

이른바 폴리에스터 분해 가수분해효소(Polyester-splitting hydrolase)라 불리는 PET 분해효소는 두 PET 구성요소인 테레프탈산과 에틸렌글리콜 사이의 결합을 분해해 플라스틱을 분해한다. 현재까지의 "플라스틱 분해기"다. 그러나 이 효소의 효율성은 지금까지 다소 제한적이었다. 그래서 전 세계의 과학자들은 더 나은 플라스틱 분해 효소를 찾고 있다.

퇴비 더미에서 발견

라이프치히 대학의 크리스티안 소넨데커(Christian Sonnendecker)가 이끄는 팀이 이제 최고의 기록을 획득했다. 연구를 위해 그들은 다양한 퇴비 더미에서 샘플을 검색해 폴리에스터 분해 가수분해효소의 유전적 특징을 찾았다. "식물 퇴비는 큐틴과 같은 식물 고분자를 분해하는 호열성 미생물의 서식지이므로 폴리에스터 분해효소의 귀중한 공급원이 될 수 있다"라고 팀이 설명했다.

사실, 연구자들은 추가 테스트에서 특히 유망한 것으로 판명된 것을 포함해 폴리에스터 분해 효소의 7가지 유전자 특징을 발견했다. 이를 위해 그들은 PHL7이라는 효소 유전자를 대장균(Escherichia coli) 박테리아의 실험실 배양물에 만들었다. 그런 다음 팀은 이것을 수용액에 PET 조각과 함께 테스트 용기에 넣었다. PET 분해효소 LCC가 있는 배치가 대조군으로 사용되었다.

▲ PHL7 효소는 PET를 매우 빠르게 기본 빌딩 블록으로 분해하여 재활용이 가능하다. © Sonnendecker et al./ ChemSusChem, CC-by 4.0

이전의 모든 효소보다 2배 빠름

새로 발견된 퇴비 효소는 LCC보다 훨씬 빠르고 철저하게 PET 조각을 분해하는 것으로 밝혀졌다. LCC 효소는 같은 시간에 45%만 처리한 반면 PHL7 효소는 16시간 이내에 PET의 90%를 분해했다. Sonnendecker는 "우리의 효소는 폴리에스터를 분해하는 가수분해효소 중에서 LCC보다 2배 더 활성이다"라고 말했다. 18시간 후에 모든 플라스틱이 사라졌다. PHL7은 완전히 분해되었다.

추가 분석에 따르면 새로운 효소는 단백질 구조의 중요한 지점에 아미노산 류신을 운반하는 반면 페닐알라민은 다른 폴리에스터를 분해하는 가수분해효소에 위치하는 것으로 나타났다. 이 교환은 분명히 PET에 대한 효소의 결합을 촉진하고 연구원들이 보고하는 바와 같이 분해의 더 높은 효율성을 적어도 부분적으로 설명할 수 있다.

▲ PHL7 및 LCC에 노출된 G-PET 필름의 표면 지형. (A,B) LCC(A) 및 PHL7(B)이 있는 마스킹된 표면적(왼쪽 부분)과 비교하여 1 h의 노출 시간 후 표면 후퇴. (C–F) 1 h(C,D) 및 16 h(E,F)의 노출 시간 후 표면 섹션의 지형 세부 정보. (출처: 관련논문 Low Carbon Footprint Recycling of Post-Consumer PET Plastic with a Metagenomic Polyester Hydrolase / Chemistry Europe)

재활용 테스트: 과일 그릇부터 새로운 PET까지

Sonnendecker와 그의 동료에 따르면 PHL7 효소는 PET 재활용을 발전시킬 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 또 다른 실험에서 그들은 그러한 효소의 도움으로 진정한 순환 경제가 가능하다는 것을 보여주었다. 이를 위해 그들은 PET 플라스틱으로 만든 완전한 과일 그릇을 3cm x 3cm 크기의 조각으로 자르고 60도 효소 용액에 넣었다.

여기에서도 효소는 완전한 분해를 보장했다. 48시간 후 플라스틱 조각은 가장자리에 약간의 잔존물이 남아 있었다. PET 재료의 98.8%가 사라졌다. 연구팀은 분해 과정에서 생성된 테레프탈산 구성요소를 용액에서 추출했다. 수율은 이론적으로 달성 가능한 최대값의 약 85%였으며 순도는 94%였다.

▲ (A,B) LCC(A) 및 PHL7(B)로 1/3시간 노출 후 G-PET 필름의 분해율 맵 및 히스토그램. (C) (A) 및 (B)의 비율 분포 곡선은 PHL7의 경우 4.0 μm h−1에 비해 LCC의 경우 1.0 μm h−1의 다른 후퇴 속도 모드를 나타낸다. 두 속도 히스토그램 모두 왼쪽으로 적당히 치우쳐 있지만 PHL7(B)에서 관찰된 저하율 분포는 섹션  B.1 및 B.2의 맵 및 속도 히스토그램으로 예시되는 낮은 비율 부분의 더 큰 변동성을 보여준다. 더 나은 가시성을 위해 B.1과 B.2의 그래프를 세로로 확대했다. (출처 : 관련논문 Low Carbon Footprint Recycling of Post-Consumer PET Plastic with a Metagenomic Polyester Hydrolase)

하이라이트:
과학자들은 재활용된 테레프탈산 빌딩 블록을 사용해 새로운 PET를 만들었다. "생성된 PET는 상업용 무정형 PET와 유사한 특성을 가졌다"고 팀은 말했다.

앞으로 2~3년 안에 생물학적 재활용 공정의 경제적 이점을 더욱 정확하게 정량화할 수 있는 프로토타입이 만들어질 것이다. 과학자들은 새로운 효소가 플라스틱병에서 늘어난 PET를 분해할 수 있도록 하는 전처리 작업도 이미 진행하고 있다.

과일 포장, 필름 및 기타 PET 응용 분야에 사용되는 플라스틱은 이러한 처리 없이 이미 효소로 분해될 수 있다.
(ChemSusChem, 2022, doi: 10.1002/cssc.202101062)
출처: 라이프치히 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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