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1. 개요2. 구조3. 생태4. 역할 및 중요성5. 종류6. 작용 과정7. 분리 및 동정8. 장점9. 단점10. 전망 및 연구
10.1. 메타놀리파리아10.2. 오염 물질 분해하는 마이크로바이옴10.3. 돌연변이 효소 패스트-페타제10.4. 플라스틱 직물 수명주기 분해를 촉진하는 효소 기반 공정10.5. 플라스틱 폴리머 분자 단위 분해 및 재활용 효소 공정10.6. 인공 미생물, 바이오 파운드리
11. 관련 협회12. 참고 자료[clearfix]
1. 개요
분해미생물[1]은 유기물을 분해하는 능력을 가진 미생물로, 자연 생태계에서 중요한 역할을 담당한다. 이들은 사체, 배설물, 낙엽 등의 복합적인 유기물을 분해하여 무기물로 전환함으로써 영양소 순환을 돕는다. 이러한 과정은 생태계의 물질 순환에 필수적이다.| 분해미생물에 대한 설명 |
2. 구조
분해미생물은 주로 세균, 진균, 고세균, 그리고 일부 원생생물로 구성되어 있다. 이들은 다양한 생태계에서 발견되며, 토양, 물, 공기 등 거의 모든 환경에 존재한다. 각기 다른 환경에서 서로 다른 분해미생물이 활동하며, 이들은 유기물을 효율적으로 분해하기 위해 다양한 효소를 분비한다.2.1. 세균
세균은 자연계에서 다양한 유기물과 오염 물질을 분해하는 주요 미생물 군집으로, 다양한 형태와 기능을 지닌다.| 세균(박테리아) 細菌 | Bacteria | |
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| 학명 | Bacteria Woese, Kandler & Wheelis, 1990 |
| 분류 | |
| <colbgcolor=#bfe3b4><colcolor=#000> 역 | 세균역(Bacteria) |
세균에서 유기물 분해와 관련된 구조는 다음과 같다. 세균의 세포벽은 그람 양성균과 그람 음성균으로 나뉘는데, 그람 양성균은 두꺼운 펩티도글리칸 층으로 구성된 세포벽을 가지고 있어 높은 기계적 강도를 제공한다. 반면, 그람 음성균은 얇은 펩티도글리칸 층과 외막을 가지고 있으며, 외막의 지질다당류(LPS)를 통해 환경과 상호작용한다. 세포막은 이중 인지질층으로 구성되어 물질 이동을 조절하고 효소와 단백질을 고정하는 역할을 한다. 또한, 세균은 외부로 효소를 분비하여 단백질, 다당류, 지질을 작은 단위로 분해하며, 분해된 물질은 내부에서 추가적으로 대사된다.
대사 경로는 호기성 분해와 혐기성 분해로 나뉜다. 호기성 분해는 산소를 이용하여 유기물을 완전히 산화시켜 이산화탄소와 물로 변환하는 과정으로, 예를 들어 Pseudomonas[2]와 Bacillus[3]는 탄화수소를 산화하여 오염 물질을 분해한다. 혐기성 분해는 산소가 없는 환경에서 질산, 황산 등을 이용하여 분해 과정을 진행하며, 예를 들어 Sulfate-Reducing Bacteria (SRB)는 황화물을 생성하여 오염 물질을 제거한다.
2.2. 진균
진균은 복합 유기물 분해에서 중요한 역할을 하며, 특히 목질 및 복합 다당류의 분해에 관여한다.| 균(진균)[4] 菌 | Fungus | |
| | |
| 학명 | Fungi (L., 1753) R.T.Moore, 1980 |
| 분류 | |
| <colbgcolor=#e490ff> 역 | 진핵생물역 Eukaryota |
| 계통군 | 단편모생물군 Amorphea |
| 오바조아 Obazoa | |
| 후편모생물군 Opisthokonta | |
| 범균류 Holomycota | |
| 오피스토스포리디아 Opisthosporidia | |
| 계 | 균계 Fungi[5] |
진균에서 유기물 분해와 관련된 구조는 다음과 같다. 균사체(Mycelium)는 기질 위에 넓게 퍼져 효소를 분비하여 유기물을 외부에서 분해한다. 진균의 세포벽은 키틴과 글루칸으로 구성되어 있으며, 기계적 강도와 보호 기능을 제공한다.
대사 경로는 리그닌 분해와 암모니아 산화로 나뉜다. 리그닌 분해 과정에서 진균은 리그닌 분해 효소를 통해 목재와 같은 복합 유기물을 분해하며, 백색 부패균이 이 과정에서 중요한 역할을 한다. 암모니아 산화 과정에서는 진균이 암모니아를 질산염으로 산화하여 질소 순환에 기여하며, 이는 식물 성장에 중요한 역할을 한다.
2.3. 고세균
| 고균(고세균) 古菌, 古細菌 | Archaea | |
| 학명 | Eukaryota Chatton, 1925 |
| <colcolor=#000,#fff> 분류 | |
| <colbgcolor=#c8faff,#181f30> 계통군 | 세포성 생물 |
| 상역 | 네오무라상역 Neomura |
| 역 | 고균역 Archaea |
고균, 또는 고세균은 극한 환경에서 생존하며 메테인 생성과 화학 합성을 통해 유기물을 분해한다. 고세균의 유기물 분해와 관련된 구조는 다음과 같다. 고세균의 세포막은 에테르 결합 지질로 구성되어 있어 고온, 고염도, 산성 등의 극한 환경에서도 안정성을 유지한다. 세포벽은 펩티도글리칸 대신 의사 펩티도글리칸을 포함한 다양한 구조로 이루어져 있다.
대사 경로는 메테인 생성과 화학 합성으로 나뉜다. 메테인 생성 과정에서 고세균은 유기물을 메테인으로 변환하여 혐기성 조건에서 에너지를 생성하며, 예를 들어 Methanobacterium[6] 종은 퇴적물과 습지에서 유기물을 분해한다. 화학 합성 과정에서는 고세균이 무기 화합물을 이용하여 에너지를 얻으며, 이는 열수구와 같은 극한 환경에서 생명 유지에 필수적이다.
3. 생태
분해미생물은 다양한 생태적 위치에 존재하며, 각각의 서식지에서 특화된 분해 활동을 수행한다.3.1. 서식지
토양 미생물은 식물 잔해와 퇴비를 분해하여 영양소 순환을 돕고, 질소 고정균과 탈질소균은 질소 순환에 중요한 역할을 한다. 수질 미생물은 수중 유기물을 분해하여 수질 개선에 기여하며, 하천, 호수, 해양에서 오염 물질을 제거한다. 극한 환경 미생물은 고온, 고염도, 산성, 염기성 조건에서도 분해 기능을 유지하며, 이러한 미생물은 산업적 활용에서도 중요하다.3.2. 생태적 상호작용
미생물 간에는 협력과 경쟁이 존재한다. 종간 협력에서는 일부 미생물이 공생 관계를 통해 영양소를 공유하며 분해 활동을 증대시킨다. 예를 들어, 질소 고정 세균과 균근 곰팡이는 식물 뿌리와 공생하여 질소와 인을 공급한다. 반면, 종간 경쟁에서는 미생물이 영양소와 서식지를 놓고 경쟁하며, 이는 미생물 군집의 구성과 기능에 영향을 미친다. 예를 들어, Pseudomonas[7]와 Bacillus[8] 종은 탄화수소 분해를 놓고 경쟁하며, 효소와 대사 물질의 생산이 달라질 수 있다.4. 역할 및 중요성
| 분해 미생물의 역할 및 중요성에 대한 설명 |
4.1. 자연계의 재활용자
분해미생물은 죽은 식물과 동물의 잔해, 배설물 등 다양한 유기물을 분해하여 자연계에서 영양소를 토양과 대기로 방출시킴으로써 재순환시킨다. 이러한 과정은 퇴비 형성에 기여해 생태계 유지에 도움이 된다. 예를 들어, 숲에서 나무가 쓰러지거나 동물이 죽으면, 분해미생물은 이를 빠르게 분해하여 탄소, 질소, 인 등의 영양소를 다시 토양으로 돌려보낸다. 이렇게 재활용된 영양소는 다시 식물의 성장에 이용되며, 이는 식물-초식동물-육식동물로 이어지는 먹이 사슬을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 분해미생물은 자연의 영양소 순환을 유지하며, 생태계의 지속 가능성을 보장한다.4.2. 환경 정화
분해미생물은 토양과 수질 오염을 줄이는 데 기여하며, 특히 오염 물질의 자연적인 분해를 통해 환경을 정화한다. 예를 들어, 기름 유출 사고가 발생했을 때, 특정 분해미생물은 기름을 분해하여 환경 오염을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 슈도모나스같은 세균은 기름 분해 능력이 뛰어나, 오염된 지역에 투입되면 기름을 무해한 물질로 분해한다. 이러한 바이오리메디에이션 기술은 화학적 방법보다 친환경적이며, 비용도 저렴하다. 또한, 산업 폐수 처리에서도 분해 미생물은 중금속과 유기 오염 물질을 분해하여 수질을 개선한다. 따라서 분해미생물은 환경 보호와 오염 물질 처리에서 필수적인 도구이다.4.3. 자원 재활용
분해미생물은 유기 폐기물을 분해하여 새로운 자원으로 전환하는 데 기여한다. 예를 들어, 음식물 쓰레기와 농업 폐기물을 분해하여 퇴비로 만들거나, 바이오가스를 생산할 수 있다. 이러한 활용성을 통해서, 분해미생물은 폐기물 관리와 자원 재활용의 핵심 요소로 작용하며, 지속 가능한 자원 순환에 기여한다.5. 종류
5.1. 플라스틱 분해미생물
플라스틱 분해미생물은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같은 합성 플라스틱을 분해할 수 있는 미생물이다. PET를 분해하는 효소를 생산하여 플라스틱 폐기물 문제 해결에 기여할 수 있다.5.1.1. 이데오넬라 사카이엔시스
| 아이데오넬라 사카이엔시스에 대한 설명 |
PET 폴리머를 분해하기 위한 효소, 페토시다아제를 생산하여 PET를 타겟으로 삼는 능력을 가지며, 이 과정에서 PET를 탄소원으로 활용하여 PHA를 생성한다. 이러한 PHA는 자연적으로 분해되는 환경 친화적인 소재인 바이오 플라스틱으로 사용 될 수 있다. 또한 PET를 PHA로 변환하는 과정에서 높은 효율성을 보여주어, 새로운 친환경적인 폴리머 생산 경로가 될 수 있다. [9]
현재로서는 분해할 수 있는 폴리머가 PET에 한정되어 있어, 다른 종류의 플라스틱 폴리머에 대한 분해 능력을 확장하는 데는 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 아이데오넬라 사카이엔시스를 산업적으로 이용하기 위해서는 유전자 조작 및 유전자 수정의 활용이 필수적이지만, 이에 따른 윤리적인 문제와 환경적인 위험성이 따른다.
5.1.2. 로도코커스 루베르
로도코커스 루베르(Rhodococcus ruber)는 그람 양성의 미생물로, 다양한 환경에서 발견되며, 특히 토양과 퇴비 더미에서 발견된다. 이 미생물은 다양한 유기 화합물을 분해하는 데 특화되어 있으며, 그중 플라스틱 폴리머를 분해하는 능력으로도 잘 알려져 있다.PET류의 미세한 나노 플라스틱까지 분해하는 능력을 가지고 있다. 로도코커스 루베르로 나노 플라스틱의 생분해를 유도하여 비교한 결과, 분해로 인한 크기 감소뿐만 아니라 화학적 구조 자체가 변형되면서 표면전하가 반전되고 입자 간의 응집도가 올라가는 등 비분해된 나노입자와는 완전히 다른 물리화학적 특성을 가진다는 것을 밝혀냈다. 생분해된 미세플라스틱은 인체에서 가장 먼저 노출되는 피부표피세포에서 기존 입자에 비해 활성산소와 면역반응을 유도하는 것을 밝혀냈고, 이에 따라 세포 독성이 증가하는 결과를 도출하는데 사용되었다. [10]
생분해된 미세플라스틱은 인체에서 가장 먼저 노출되는 피부표피세포에서 기존 입자에 비해 활성산소와 면역반응을 유도하는 것을 밝혀냈고, 이에 따라 세포 독성이 증가하는 결과로 이어졌다고 보고했다.
Rhodococcus ruber의 플라스틱 분해 능력은 효율적이지만, 아직까지 완벽한 분해를 보장하지는 못하여, 분해 효율을 높이기 위한 연구가 필요하다.
5.1.3. 슈도모나스 푸티다
슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida)는 지구상에서 널리 분포된 그람음성 박테리아로, 다양한 환경에서 발견된다.PET와 같은 플라스틱 폴리머를 분해하는 능력을 가지고 있다. 이 미생물은 특정 효소를 생성하여 PET를 분해하고, 이를 탄소와 에너지로 전환한다. UV-treated PET나 분해된 BHET (Bis(2-hydroxyethyl) terephthalate)에서도 성장할 수 있다. P4SB 프로젝트(P4SB: Plastic Waste as a Source of Biotechnological Substrates)에서는 슈도모나스 푸티다를 이용하여 플라스틱 폴리머를 분해하고 이를 생물학적으로 재활용하는 방법을 연구한다. 이 프로젝트는 플라스틱 폐기물 문제에 대한 혁신적인 해결책을 제시하기 위해 다양한 연구를 수행하고 있다. [11]
해당 미생물로는 별다른 물리적 분해 없이 PET를 직접적으로 분해하여 에너지원으로 사용하고 성장할 수 있는 방법을 아직 모색하지 못했다.
5.2. 음식물 분해미생물
음식물 분해미생물은 음식물 쓰레기를 분해하여 퇴비로 전환하는 데 중요한 역할을 한다. 이들은 음식물 쓰레기를 빠르게 분해하여 악취를 줄이고, 퇴비화 과정을 촉진한다.5.2.1. 간균속
간균속(Bacillus)은 일반적으로 그람양성(Gram-positive)이고 포자를 형성하는 막대 모양의 세균을 말한다. 보통 환경적 스트레스에 강하며, 주로 토양과 물을 포함한 다양한 환경에서 발견된다. 간균속은 포자 형성 능력 덕분에 극한 환경에서도 생존할 수 있으며, 넓은 범위의 생리적 특성을 가진다.간균속의 주요 기능은 단백질 분해 효소(프로테아제) 생산을 통해 음식물 쓰레기와 같은 유기 폐기물의 단백질을 분해하는 것이다. 이들 미생물은 세포 외 효소를 분비하여 음식물 쓰레기 속의 단백질을 아미노산과 작은 펩타이드로 분해하며, 이는 퇴비화 및 자원 재활용에 유용하다. 또한 다양한 환경적 조건에 적응할 수 있는 능력을 가지고 있어, 음식물 쓰레기 처리 시설뿐만 아니라 자연환경에서도 효과적으로 작용할 수 있다. [12]
일부 간균속은 비병원성이지만, 다른 종은 잠재적으로 병원성을 가지므로, 식품 및 환경 응용에서 안전성 검증이 필요하다.
5.3. 중금속 분해미생물
중금속 분해 미생물은 주로 환경 중에 존재하는 중금속을 분해하고 물질 대사에 활용하는 미생물을 말한다. 이러한 미생물들은 중금속을 특정 화합물로 변환하거나 중금속의 독성을 줄이는 효소를 분비하여 환경 오염을 감소시키는 역할을 한다.5.3.1. 효모
효모(Saccharomyces cerevisiae)는 흔히 볼 수 있는 단세포 진균으로, 주로 양조, 빵 발효 및 생명공학 분야에서 널리 사용된다. 효모는 강력한 대사 능력, 넓은 적응성, 간단한 유전체 및 조작 용이성으로 인해 산업 미생물 연구의 중요한 모델 생물이 되었다.효모는 중금속 이온을 흡착하고 축적하는 능력이 있다. 효모 세포벽의 다당류, 단백질 및 지질과 같은 생체 고분자는 중금속 이온과 결합하여 물리적 흡착과 화학 결합을 통해 중금속 이온을 세포 표면에 고정할 수 있다. 또한 효모는 능동 수송을 통해 중금속 이온을 세포 내로 운반하며, 금속 결합 단백질 및 킬레이트제와 결합하여 중금속의 독성을 줄인다.
효모는 온도와 pH에 매우 민감하다. 특히 고온이나 고산성 또는 고염도 환경에서는 활동이 저하되거나 멈출 수 있다. 또한 산소가 있는 환경에서만 생존하고 번식할 수 있다. 그리고 짧은 세대주기를 가지고 있어 유전적 변이가 상당히 빠르게 일어날 수 있다. 이로 인해 원하는 특성을 잃거나 변형될 수 있다.
5.3.2. 흑곡균
흑곡균(Aspergillus niger)은 토양과 식물 잔해에 널리 존재하는 곰팡이로, 아스페르길루스 속에 속한다. 강력한 분해 능력과 효소 생산 능력으로 인해 흑곡균은 식품, 제약 및 환경 공학 등 다양한 분야에서 널리 사용되며, 유기물질 분해와 오염물질 처리에서 두드러진 효과를 보인다.흑곡균은 생물 흡착 및 생물 전환 메커니즘을 통해 물과 토양의 중금속 오염을 효과적으로 제거할 수 있다.
흑곡균의 세포벽에는 다당류, 단백질 및 지질이 풍부하게 포함되어 있으며, 이러한 생체 고분자는 다량의 기능 그룹(예: 카복실기, 하이드록실기 및 아미노기)을 가지고 있어 중금속 이온과 킬레이트를 형성하여 중금속을 세포 표면에 고정할 수 있다. 예를 들어, 흑곡균은 납, 카드뮴, 구리 및 수은 등 중금속에 대한 강한 흡착 능력을 보다. 흑곡균은 중금속 이온을 세포 내로 적극적으로 수송한 후 결합 단백질 또는 킬레이트제를 통해 무독화 처리를 하여 중금속의 독성을 줄인다. 또한 흑곡균은 환원 및 산화 등의 생화학 반응을 통해 중금속을 침전물로 전환하여 환경 위해를 줄인다.
흑곡균은 산소가 있는 환경에서만 번식 및 성장할 수 있어 산소가 부족한 환경에서는 활동이 억제된다.
일부 흑곡균 균주는 인체나 동물에게 유해할 수 있는 마이코톡신(Mycotoxin)과 같은 독성물질을 분비할 수 있으므로 관리가 필요하다.
5.4. 원유 분해미생물
원유 분해 미생물은 원유를 분해하여 오염을 정화하는 미생물로, 박테리아와 진균이 주요 역할을 한다. 이들은 효소를 분비해 원유 성분을 분해하고, 이를 에너지와 영양소로 사용한다.5.4.1. 녹농균속
| 녹농균속의 원유 분해에 대한 설명 |
특별히 많은 종류의 효소를 생산하기 때문에 다양한 기질을 분해할 수 있다. 이는 자연계에 버려지는 다양한 인공 오염물질(Xenobiotics)들을 분해할 수 있는 능력이 높음을 의미하며, 이를 산업 혹은 환경 생태학적 측면에서 이용하려는 많은 연구가 있다. [13] Exxon Valdez호의 유류 유출 사고 알라스카 해안을 오염시킨 원유를 제거하는 데에도 쓰였다.[14]
사람에게뿐만 아니라 다양한 동, 식물, 곤충, 원생생물과 같은 세균에게 까지 감염하거나 독성을 나타내며, 전체 폐렴 감염중 가장 많은 경우를 차지하는 원인균이다. 따라 Pseudomonas 종을 환경이나 산업적으로 이용하기 위해서는 반드시 그에 의한 감염을 제어할 수 있는 방법에 대한 연구가 선행되어야 한다.
5.4.2. 아시네토박터 바우마니
아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii)는 그람 음성 균주로 알려진 병원균 중 하나이다. 아시네토박터 바우마니는 다양한 환경에서 살아남고, 유기 화합물을 분해하고 다양한 대사 활동을 수행할 수 있는 다재다능한 미생물로서의 특성을 가지고 있다. 이러한 기능을 통해 자원 순환에 기여하고, 환경 오염물질 처리 및 관리에 유용한 역할을 할 수 있다.아시네토박터 바우마니는 석유로 오염된 토양을 정화할 수 있다. 분해 과정에서 메타게놈을 통해 토양 미생물 군집과 기능 유전자를 분석하여 분해 메커니즘을 연구했다. 그 결과 28일 후 석유 분해율은 65.6%로 나타났다.[15] 원유로 오염된 실제 토양이 실험실 연구의 최적 조건과 반드시 일치하는 것은 아니고, 점점 더 많은 연구가 특수 환경에 대한 분해 미생물의 내성에 초점을 맞추고 있는데 아시네토박터 바우마니는 다른 균과 결합해서 여러 조건에서 석유를 분해해낼 수 있다.[16]
아시네토박터 바우마니 면역 저하 환자에게 감염을 일으키는 위험이 있다. 거기다가 다양한 항생제에 대한 내성을 가지고 있어 항생제 내성균주로 인한 감염 예방 및 치료에 어려움을 주어 상용화에 힘들다.
6. 작용 과정
분해미생물은 효소를 분비하여 유기물을 분해한다. 이 효소들은 유기물의 복잡한 화학 결합을 끊어 단순한 분자로 분해하며, 이 과정에서 에너지를 얻고 영양분을 흡수한다. 예를 들어, 셀룰로오스를 분해하는 셀룰라아제, 단백질을 분해하는 프로테아제 등이 있다. 이러한 효소 작용을 통해 분해미생물은 생태계 내에서 중요한 영양소 재활용 기능을 수행한다.분해 미생물은 주변 환경에 특정 효소를 분비하여 유기물을 분해한다. 각 효소는 특정 유기물을 분해하는 데 특화되어 있다. 분비된 효소에 의해 유기물은 간단한 화합물로 분해된다. 단백질은 아미노산으로, 지방은 글리세롤과 지방산으로, 탄수화물은 당분과 간단한 설탕으로 분해된다. 분해된 화합물은 미생물의 세포 내로 흡수되고 대사 과정을 거친다. 이 과정에서 화합물은 미생물 세포 내에서 에너지를 생성하거나 대사 중간체로 전환된다. 대사 과정에서 생성된 중간대사 생성물은 에너지를 생성하기 위해 산화되거나 환원된다. 이 과정에서 생성된 에너지는 미생물의 성장 및 생존에 필요하다. 분해 과정에서 생성된 중간대사 생성물은 다양한 용도로 활용된다. 일부는 추가적인 에너지원으로 사용되고, 다른 일부는 다른 유기물을 분해하는데 사용될 수 있다.[17]
7. 분리 및 동정
| 분리 및 동정 과정에 대한 설명 |
7.1. 접종
분해 미생물의 접종(inoculation)은 배양을 위한 선행 과정으로서 시료(inoculum)를 미생물들이 증식할 수 있는 배지에 심는것을 말한다.이때 시료는 배양시키기 원하는 미생물 개체를 가리키는 말인데 각각의 미생물들은 일반적으로 독특한 배양 환경을 갖기 때문에 원하는 시료의 성공적인 배양을 위해서는 배양 환경을 적절히 조절 및 통제해야 한다.7.2. 배양
어느 한 배지에 접종시킨 후, 시료 속에 있는 분해 미생물 개체를 성장 및 번식하게 하는 과정을 배양(incubation)이라고 한다. 접종 시에는 보이지 않았던 미생물은 배양을 통해서 성장 및 번식하여 눈으로 보이게 된다. 이때 눈으로 보이는 배지 속 미생물의 모습은 일반적으로 동그란 집락을 형성하는데 이를 콜로니(colony)라고 부른다. 배양을 성공적으로 수행하기 위해서는 분해 미생물의 종의 특성에 맞춰 온도나 pH 및 그 밖의 배양 환경 알맞게 유지시켜줘야 한다.7.3. 분리
분리(isolation)는 평판배지를 사용하여 혼합 배양균에서 순수한 독립집단(single colony)를 배양하기 위하여 미생물을 배양하는 것이다. 여러 종류의 균이 들어있는 시료에서 원하는 균종 하나만을 선택적으로 다른 배지에서 키워내 순수하게 한 가지의 종만을 배양한다. 고체배지를 이용하여 미생물을 순수분리하기 위한 방법은 크게 획선평판법, 도말평판법, 주입평판법이 있다. 획선평판법(streak plate method)은 배지 표면에서 미생물 군집을 분리하기 위해 백금이를 이용하여 한천 배지 표면에 미생물을 획선으로 도말하는 방법이다. 도말평판법(spread plate method)은 희석된 균주를 고체배지 표면 위에서 스프레더를 이용하여 도말한다. 주입평판법(pour plate method)은 희석된 균주를 petri dish에 주입하고 혼합하여 평판을 만드는 방법이다.7.4. 검사
위의 과정에서 얻어진 순수한 콜로니, 혹은 액체배지 배양액으로부터 시료를 분석하기 용이해졌다. 검사(inspection)는 관찰하기 용이해진 시료를 현미경 과찰, 염색법 등을 통하여 분해 미생물의 특성을 조사하는 과정이다. 현미경 관찰을 통해서는 플라스틱 분해 미생물의 운동성, 크기, 색 등을 확인할 수 있으며, 염색법으로는 시각적 관찰을 더 용이하게 할 뿐만 아니라 개체 수, 생사의 유무, 특정 미생물의 분류 등을 알아낼 수 있다. 염색법에는 여러 가지가 있지만 대표적으로 단염색법, 그람염색법 등이 있다.7.5. 동정
동정(identification)은 대상 분해 미생물의 종을 판별하여 어떠한 특성이 있고 어디에 속하는지를 알아내는 것이다. 균주의 동정법은 고전적인 방법으로 형태적, 배양적 특성인 속(genus) 만을 동정 할 수 있으며, 종(species)까지 최종적으로 규명하기 위해서는 생리 생화학적 조사가 필요하다. 따라서 형태적 특징 및 배양의 특징만으로 세균의 속, 종, 특성을 관찰하기는 어렵기 때문에 미생물마다 나타내는 생리, 생화학적 대사를 관찰하여 미생물에 따라 나타나는 특이한 효소 작용을 알아내어 미생물 동정 및 분류에 이용할 수 있다.8. 장점
8.1. 쓰레기 축적 방지
분해미생물은 생태계에서 유기 폐기물 축적을 효과적으로 방지한다. 이 미생물들은 낙엽, 음식물 쓰레기, 죽은 생물체와 같은 다양한 유기물을 분해하여 탄소, 질소, 인과 같은 영양소를 토양과 대기로 방출한다. 이러한 과정은 생태계에서 퇴비 형성을 촉진하며, 식물의 영양 공급원으로 사용되어 토양 비옥도를 유지하고 개선한다. 예를 들어, 부패성 음식물 쓰레기는 미생물에 의해 분해되어 영양가 높은 퇴비로 전환되며, 이는 농업에 유용한 자원이 된다. 또한, 미생물은 폐기물 매립지에서 유기물을 분해하여 침출수 및 매립지 가스 발생을 억제하며, 이는 매립지의 환경적 영향을 줄이는 데 도움이 된다.8.2. 환경 친화적
분해미생물은 화학적 처리 방법에 비해 환경 친화적이다. 이들은 자연적인 생물학적 과정을 통해 오염 물질을 무해한 형태로 전환하므로, 2차 오염의 위험이 거의 없다. 예를 들어, 원유 유출 시 Pseudomonas와 Alcanivorax 같은 미생물은 원유를 효소로 분해하여 오염을 줄인다. 이는 화학적 정화 방법이 필요하지 않으며, 오염된 지역의 생태계 복원에 도움이 된다. 또한, 농업 및 산업 폐기물을 처리할 때도 화학적 물질을 사용하지 않고, 자연 상태에서 오염 물질을 안전하게 분해하므로 환경 부담을 최소화할 수 있다.8.3. 효율적 비용
분해미생물을 이용한 생물정화는 물리적 및 화학적 정화 방법에 비해 비용 효율적이다. 현장 생물정화(in-situ bioremediation)는 오염된 토양이나 수질을 제거하지 않고 현장에서 바로 처리할 수 있어, 운송 비용과 처리 비용을 크게 절감할 수 있다. 예를 들어, 토양 생물정화는 오염된 토양을 굴착하여 처리하는 대신, 현장에서 미생물을 투입하여 오염 물질을 분해하므로 운반과 처리 비용을 절감할 수 있다. 또한, 미생물을 이용한 처리 방법은 대규모 정화 시설을 필요로 하지 않으므로, 초기 설치와 유지 비용이 낮아 경제적이다. 산업 폐기물이나 농업 폐기물 처리에서도 화학 물질 사용에 따른 추가 비용이 들지 않아 효율적이다.8.4. 최소 침습성
분해미생물을 이용한 생물정화는 최소 침습적이다. 이 방법은 오염된 지역을 물리적으로 변형하지 않고 오염 물질을 처리할 수 있다. 예를 들어, 현장 토양 생물정화는 토양을 굴착하지 않고 미생물을 통해 오염 물질을 제거할 수 있어, 토양 구조와 식생에 미치는 영향을 최소화한다. 수질 정화에서도 미생물은 수중 오염 물질을 자연적으로 분해하므로, 수생 생태계에 대한 물리적 간섭을 줄이고, 수질 개선에 효과적이다. 이는 생태계가 스스로 회복할 수 있는 시간을 제공하며, 물리적 처리에 비해 환경적 침습성이 낮다.9. 단점
9.1. 환경 의존성
분해미생물의 효과는 환경 조건에 크게 의존한다. 미생물의 활동은 온도, pH, 산소 공급, 그리고 영양소 가용성 등에 따라 달라지며, 이러한 조건이 최적이 아니면 미생물의 분해 효율이 크게 저하될 수 있다. 예를 들어, 미생물은 저온이나 고온에서 활동이 저하될 수 있으며, 산성 또는 알칼리성 조건에서도 최적의 활동을 하지 못한다. 또한, 산소가 부족한 환경에서는 혐기성 미생물이 필요하며, 이러한 미생물의 공급과 관리가 어려울 수 있다. 이러한 환경 의존성은 생물정화의 일관된 효과를 보장하기 어렵게 하며, 특히 야외 환경에서는 환경 조건의 변동성이 크기 때문에 더 조절이 어렵다.9.2. 분해 속도
분해미생물의 분해 속도는 전통적인 화학적 처리 방법에 비해 상대적으로 느리다. 미생물은 유기물 및 오염 물질을 효소적으로 분해하는데, 이 과정은 온도, 습도, 영양소 등의 영향을 받아 수주에서 수개월까지 걸릴 수 있다. 예를 들어, 석유 오염의 경우 미생물이 유출된 석유를 완전히 분해하는 데 수개월이 걸릴 수 있으며, 고농도의 오염 물질에서는 더 오랜 시간이 필요하다. 또한, 복합 오염이나 난분해성 물질의 경우 분해 속도가 더욱 느려져 처리 기간이 예상보다 길어질 수 있다. 이로 인해 긴급한 환경 오염 사건에서는 미생물 정화가 적합하지 않을 수 있으며, 신속한 대응이 필요할 때는 한계가 있다.9.3. 연구 및 개발 비용
분해미생물을 이용한 생물정화 기술의 연구 및 개발에는 높은 비용이 소요된다. 효과적인 미생물 군집을 찾기 위한 실험실 연구, 환경 시험 및 현장 적용을 위한 파일럿 테스트에는 많은 자원과 시간이 필요하다. 예를 들어, 특정 오염 물질에 대해 최적화된 미생물 군집을 개발하기 위해서는 유전자 분석 및 대규모 실험이 필요하며, 이는 고비용의 장비와 전문 인력을 요구한다. 또한, 신규 미생물 종이나 효소를 개발하여 상용화하는 과정에서 규제 승인을 받기 위한 추가 비용도 발생할 수 있다. 이처럼 초기 연구 개발 비용이 높고, 상용화 과정에서도 경제적 부담이 크기 때문에 대규모 적용에는 재정적 제약이 따를 수 있다.9.4. 예측 불가 결과
분해미생물을 이용한 생물정화는 때때로 예측 불가한 결과를 초래할 수 있다. 현장 적용 시 미생물이 의도치 않은 변이를 일으키거나 기존 미생물 군집에 영향을 미쳐 예상치 못한 생태적 변화를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 미생물 군집 간의 상호작용이나 경쟁으로 인해 오염물질 분해가 예상보다 저조하거나 과도한 분해로 2차 오염을 일으킬 수 있다. 또한, 일부 미생물은 항상성을 유지하기 위해 돌연변이를 일으킬 수 있으며, 이는 예측하지 못한 생태적 영향을 초래할 수 있다. 기존 전염성이 높은 분해미생물에서 전염성을 제거하고 사용하는 경우에 실수가 발생하면 전염병의 문제가 생길 수도 있고, 필드 테스트에서 예측하지 못한 또다른 환경적 변수가 발생할 수 있으며, 이는 처리 결과에 큰 변동성을 초래할 수 있다.10. 전망 및 연구
분해미생물의 활용은 환경보호와 자원 재활용 측면에서 매우 중요하다. 예를 들어, 폐기물 관리, 오염 정화, 퇴비 생산 등 다양한 분야에서 분해미생물을 이용한 기술이 개발되고 있다. 또한, 미생물의 분해 능력을 향상시키기 위한 유전자 조작 연구도 활발히 진행되고 있다.10.1. 메타놀리파리아
https://www.mpi-bremen.de/en/All-in-one-New-microbe-degrades-oil-to-gas.html메타놀리파리아(Methanoliparia)는 심해 원유 저장소에서 발견된 독특한 박테리아로, 메탄과 원유를 동시에 분해할 수 있는 능력이 있다. 이 미생물은 해양의 깊은 지하에서 발견되며, 산소가 없는 환경에서도 효율적으로 살아간다. 독일 막스 플랑크 해양 미생물학 연구소의 연구자들에 의해 2019년에 처음 발견되었으며, 이후 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 메타놀리파리아(Methanoliparia)는 메탄생성균과 공생 관계를 형성하여 심해 원유 저장소에서의 중요한 탄소 순환 역할을 담당한다. 메탄성 미생물은 대사 산물인 메탄이 이산화탄소보다 25배 더 강력한 중요한 온실 가스이기 때문에 시간이 지남에 따라 지구 기후에 중요하다. DNA 라이브러리를 스캔한 결과 메타놀리파리아(Methanoliparia)가 바다 전역의 석유 저장고에서 자주 검출된다는 것을 발견했다. 따라서 이 유기체는 장쇄 탄화수소를 메탄으로 변환하는 핵심 물질이 될 수 있는 유망한 분해미생물로 꼽히고 있다.
10.2. 오염 물질 분해하는 마이크로바이옴
https://www.bioin.or.kr/board.do?num=317157&cmd=view&bid=report마이크로바이옴(microbiome)은 미생물 군집을 뜻하는 마이크로바이오타 (microbiota)와 유전체(genome)의 합성어로 특정 환경에 서식하는 미생물 군집 및 관련 유전물질을 말한다. 현재 마이크로바이홈의 주된 연구 분야가 인체 장내 마이크로바이옴이기 때문에 장내 미생물군을 주로 지칭하지만, '마이크로바이옴'은 인체뿐 아니라. 농업. 축산. 환경. 식량안보 등 다양한 미생물 서식 환경에서 활용이 가능할 것으로 예상되며. 특히 다양한 환경오염 물질의 정화에 사용될 수 있다. 환경정화에 관여하는 미생물들로는 Alcaligenes Arthrobacter. Aspergillus, Bacillus Burkholderia. Stenotrophomonas, Penicillium, Pseudomonas. Mucor. Talaromyces 및 Trichoderma 등이 있다. 또한 극한 환경조건에서도 생존 하는 Archaea는 생물학적 복원을 위한 강력한 생물 자원으로 보고되었다. 이러한 미생물들을 이용한 마이크로바이옴 기반 환경정화 위험성이 낮고 경제적으로 실행할 수 있는 효율적인 방식으로 미생물의 대사 잠재력을 활용하여 오염된 환경을 청소할 수 있다. 추가로 자연계 환경 마이크로바이옴을 가져와 인위적으로 조직함으로써 환경오염 물질의 제거 효율을 높이는 연구들이 진행되었다. 그 결과로. 여러 미생물을 혼합한 경우 단일 미생물을 사용했을 때보다 3배 빨리 유기물을 분해할 수 있었다. 마이크로바이옴을 활용한 환경오염 물질 제거를 위해서는 미생물 군집과 그들이 자연환경과 오염물질의 존재 하에서 어떻게 반응하는지에 대한 완전한 이해가 필요하다. 불완전한 이해가 우리가 예상치 못한 새로운 환경 문제를 야기할 수 있으므로 항상 조심하면서도, 마이크로바이옴을 활용한 환경 오염 물질 분해를 지속적으로 추진해나가야 할 것이다.
10.3. 돌연변이 효소 패스트-페타제
| 텍사스 연구팀이 발견한 패스트 페타제 실험장면 |
텍사스 연구팀에서 개발한 FAST-PETase(패스트-페타제)는 PET(Polyethylene terephthalate) 플라스틱을 단기간 안에 분해하는 돌연변이 효소로, 환경 오염 문제를 해결하는 데 새로운 가능성을 제시한다. 이 효소는 기존의 PETase보다 훨씬 빠르고 효율적으로 작동하여, PET 플라스틱을 빠르게 분해하여 자연 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. FAST-PETase는 PET 플라스틱을 분해하는 과정에서 높은 효율성을 보여주며, PET 결정 구조를 빠르게 절단하여 플라스틱을 화학적으로 분해한다. 이러한 기술은 플라스틱 재활용에 새로운 지평을 열어주며, 지속 가능한 환경 보호와 재활용을 촉진한다. 또한, FAST-PETase를 사용하면 PET 플라스틱의 재활용률을 높일 수 있어서 자원 절약과 환경 보호에 큰 도움이 된다. 환경 문제와 관련된 많은 도전에도 불구하고, FAST-PETase는 플라스틱 오염에 대한 획기적인 해결책으로 주목받고 있다. 이러한 기술의 발전은 지구 환경 보호를 위한 중요한 발전으로 평가되며, 향후 더 많은 연구와 산업적 활용이 기대된다.
10.4. 플라스틱 직물 수명주기 분해를 촉진하는 효소 기반 공정
| 카비오스의 플라스틱 분해 효소에 대한 설명 |
카비오스(Carbios)는 프랑스의 기업으로, 플라스틱 재활용 기술에 특화된 회사이다. 카비오스는 PET(Polyethylene terephthalate) 플라스틱을 재활용하기 위한 혁신적인 기술을 개발하고 있으며, 이 중요한 기술 중 하나가 바로 효소 재활용 공장이다. 카비오스의 효소 재활용 공장은 PET 플라스틱을 효소를 사용하여 분해하고, 이를 재생 원료로 활용한다. 이러한 효소 기술은 기존의 열적 및 화학적 방법보다 환경 친화적이고 효율적이다. 플라스틱 수거 및 분쇄, 효소 처리, 재생 원료 제조, 재활용 제품 생산 등의 과정을 거쳐 카비오스의 효소 재활용 공장은 환경 보호와 지속 가능한 개발을 위한 중요한 역할을 한다. 이러한 기술의 발전은 플라스틱 오염 문제에 대한 해결책으로서 전 세계적으로 주목받고 있다.
10.5. 플라스틱 폴리머 분자 단위 분해 및 재활용 효소 공정
https://www.designdb.com/?menuno=1283&bbsno=4777&siteno=15&act=view&ztag=rO0ABXQAOTxjYWxsIHR5cGU9ImJvYXJkIiBubz0iOTkxIiBza2luPSJwaG90b19iYnNfMjAxOSI%2BPC9jYWxsPg%3D%3D삼사라에코(Samsara Eco)는 플라스틱 재활용에 혁신적인 접근 방식을 도입한 호주 기반의 기업으로, 효소를 사용하여 플라스틱을 분해하는 기술을 개발했다. 삼사라에코의 플라스틱 분해 효소 공정은 PET(Polyethylene terephthalate)와 같은 플라스틱을 빠르게 분해하여 재활용할 수 있는 단량체로 전환하는 것을 목표로 한다. 이 공정은 플라스틱 폐기물을 수거하여 분쇄하고, 특수 효소를 이용해 플라스틱을 분해하는 단계로 이루어지며, 분해된 플라스틱은 이후 정제 과정을 거쳐 고품질의 재생 원료로 재활용된다. 이 효소 공정은 기존의 기계적 또는 화학적 재활용 방법보다 에너지 효율이 높고, 분해 속도가 빠르며, 환경에 미치는 영향이 적다. 삼사라에코의 기술은 플라스틱 분해 효소를 통해 플라스틱을 다시 원료로 되돌림으로써 무한 재활용을 가능하게 하여 플라스틱 오염 문제를 해결하려고 한다. 이를 통해 플라스틱 폐기물을 줄이고, 자원 순환을 극대화하며, 지속 가능한 플라스틱 재활용 생태계를 구축하는 데 기여한다.
10.6. 인공 미생물, 바이오 파운드리
| 바이오 파운드리에 대한 설명 |
한국생명공학연구원은 최근 환경문제에 주목하였고, 바운드 파운드리 시스템을 구축하였다. 바운드 파운드리는 첨단 유전자 편집 도구와 컴퓨터 모델링을 통해 미생물의 유전적 구조를 설계하고, 이 설계된 유전자를 미생물에 삽입하여 원하는 기능을 갖춘 인공 미생물을 만든다. 예를 들어, 특정 환경 오염 물질을 분해하는 능력을 가진 미생물을 설계하거나, 새로운 의약품을 생산할 수 있는 효소를 생성하는 미생물을 제작할 수 있다. 이러한 인공 미생물은 기존의 자연적인 생물보다 빠르고 효율적으로 문제를 해결하거나, 새로운 기능을 수행할 수 있는 가능성을 지닌다.
11. 관련 협회
한국미생물·생명공학회 (The Korean Society for Microbiology and Biotechnology, KMB)https://www.kormb.or.kr/
한국생물공학회 (The Korean Society for Biotechnology and Bioengineering, KSBB)
https://www.ksbb.or.kr/
한국미생물학연합회 (Federation of Korean Microbiological Societies, FKMS)
https://www.msk.or.kr/html/?pmode=kjmview
한국환경과학회 (The Korean Society of Environmental Science, KSES)
https://kenss.or.kr/main
한국환경생물학회 (The Korean Society of Environmental Biology, KSEB)
https://koseb.org/
국제미생물학연합 (International Union of Microbiological Societies, IUMS)
https://iums.org/
국제환경미생물학회 (International Society for Microbial Ecology, ISME)
https://www.isme-microbes.org/
세계미생물학회연합 (World Federation for Culture Collections, WFCC)
https://www.wfcc.info/
12. 참고 자료
https://www.ibric.org/bric/trend/bio-report.do?mode=view&articleNo=8692915&title=%EB%AF%B8%EC%83%9D%EB%AC%BC%EC%9D%84+%ED%99%9C%EC%9A%A9%ED%95%9C+%ED%94%8C%EB%9D%BC%EC%8A%A4%ED%8B%B1+%EC%83%9D%EB%AC%BC%ED%95%99%EC%A0%81+%EB%B6%84%ED%95%B4+%EB%8F%99%ED%96%A5https://baike.baidu.com/item/%E9%BB%91%E6%9B%B2%E9%9C%89%E8%8F%8C/10901288?fr=ge_ala
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723038251
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[1] 경희대학교 세계와시민 나무위키 제작 프로젝트[2] 녹농균속, 기름 분해 미생물[3] 간균속, 음식물-복합유기물 분해 미생물[4] 세균도 균으로 불리기 때문에 혼란을 일으키지 않기 위해 진균으로도 부른다.[5] '펑가이'로 발음한다[6] 메타노박테리움, 자연유기물 분해미생물[7] 녹농균속, 기름 분해 미생물[8] 간균속, 음식물-복합유기물 분해 미생물[9] Direct fermentative conversion of poly(ethylene terephthalate) into poly(hydroxyalkanoate) by Ideonella sakaiensis Ryoga Fujiwara, Rikako Sanuki, Hiroharu Ajiro, Toshiaki Fukui & Shosuke Yoshida[10] Cytotoxic effect and mechanism of nano-sized polystyrene degraded by Rhodococcus ruber C208 by Jiin Eom a, Arslan Sarwar b, Eun Cheol Lee a, Gwang-Bum Im a, Sung-Won Kim a, Linh Thanh Nguyen b, Jeong-Bin Moon c, Soong Ho Um a, Gi-Ra Yi c, Eun Yeol Lee b, Suk Ho Bhang[11] P4SB – From Plastic waste to Plastic value using Pseudomonas putida Synthetic Biology[12] 구경완 (호서대학교 산학협력중심대학) , 정용현 (산업안전보건연구원) , 홍성희 (페트&베트 주식회사, 연구개발팀) , 오상훈 (페트&베트 주식회사, 연구개발팀) , 김동섭 (페트&베트 주식회사, 연구개발팀) , 전희진 (페트&베트 주식회사, 연구개발팀), 음식물 쓰레기중의 단백질을 효과적으로 분해하는 신규 미생물의 분리 및 응용[13] Snellinx et al., 2002[14] 최혜진 (인천보건환경연구원) , 오보영 (인천보건환경연구원) , 한영선 (인천보건환경연구원) , 허명제 (인천보건환경연구원) , 김종국 (경북대학교 생명공학부), 인천 연안에서 분리한 원유 분해 미생물의 특성 연구[15] Bioremediation of petroleum-contaminated saline soil by Acinetobacter baumannii and Talaromyces sp. and functional potential analysis using metagenomic sequencing by Xiaoyan Liu a, Lihong He a, Xinying Zhang a, Dewen Kong b, Zongze Chen a, Jia Lin a, Chuanhua Wang c[16] Combined microbial degradation of crude oil under alkaline conditions by Acinetobacter baumannii and Talaromyces sp by Xinying Zhang, Dewen Kong, Xiaoyan Liu, Huanhuan Xie, Xinyi Lou, Cheng Zeng[17] 경희대학교 국제학과 이영훈[18] 플라스틱의 생물학적 분해법과 미생물 분리동정, 한국의과학연구원 미생물분석센터