100% 생분해되는 플라스틱이 개발되어 세계인의 주목을 끌고 있다. 포스트 코로나 시대에 넘쳐나는 일회용 플라스틱은 또 다른 재난이다. 우리 생활에서 플라스틱만큼 다양하게 쓰이는 제품이 없지만, 유일한 결함이라면 플라스틱을 없애버릴 방법이 없다는 것이다. 미국 버클리 캘리포니아대 재료과학 및 공학부 쉬팅(Ting Xu) 교수팀이 개발한 ‘진짜’ 생분해 플라스틱은 환경오염의 주범인 플라스틱 문제를 해결할 대항마로 떠오르고 있다.

플라스틱 먹는 효소 제작 단계부터 투입

플라스틱은 화학이 만든 최고의 발명품이다. 하지만 플라스틱 쓰레기들이 자연분해되는 데는 최소 20년, 길게는 수백 년이 걸린다. 또 불에 태울 경우 생태계를 교란시키는 환경호르몬이 배출돼 환경을 위협하는 최대의 적이다. 반면 생분해성 플라스틱은 땅에 묻을 경우 저절로 썩어서 사라진다. 이 같은 차이는 플라스틱을 만드는 원료에 있다.

보통의 플라스틱은 수많은 분자들을 인공적으로 결합시켜 만든 고분자 화합물이다. 탄소 원자의 긴 배열에 약간의 다른 원자들이 붙어 있다. 이 같은 탄소 배열은 자연계에는 없다. 이는 플라스틱이 자연적으로 ‘생체 분해’될 수 없다는 것을 의미한다. 한편 대부분의 생분해성 플라스틱은 폴리에스테르의 일종인 ‘폴리 유산(PLA)’으로 만든다. PLA는 재생 가능한 원료인 옥수수 등에서 추출한 전분을 발효시켜 생성한다.

‘썩는 플라스틱’으로 알려진 PLA는 폐기되면 물과 탄산가스로 분해되는 친환경 소재다. 환경 부담이 큰 식품 포장용기나 쓰레기봉투 등 생활용품과 산업용 내외장재로 광범위하게 쓰인다. 공기가 잘 통해 기존 플라스틱 비닐보다 과일이나 야채가 더 신선하게 유지된다.

하지만 지금까지의 생분해 플라스틱은 분해 과정을 거쳐도 100% 분해되지 않았다. 생분해 플라스틱이 썩기 위해서는 수분 70% 이상에 58도 이상의 적절한 온도 등이 전제돼야 하는데, 현재는 이러한 환경을 갖춘 매립장이 많지 않다. 따라서 생분해 플라스틱이 어설프게 썩어 오히려 분해 과정에서 미세플라스틱이 남게 되고, 이것이 일반 쓰레기매립지로 유입돼 재활용이 가능한 다른 플라스틱까지 오염시키는 등 골칫거리가 돼 왔다.

이 같은 상황에서 최근 놀랄 만한 희소식이 전해졌다. 쉬팅 교수가 이끄는 과학자들이 열과 물만을 이용해 몇 주 만에 플라스틱을 100% 분해하는 방법을 개발했다는 것이다. 그 비밀은 효소에 있다. 생분해 플라스틱 제조 과정에서 원료인 PLA를 먹어치우는 효소를 고분자(RHP)로 감싼 뒤 이를 넣은 것이다. RHP는 플라스틱을 만들 때 효소가 서로 떨어져 나가지 않게 잡아주는 역할을 한다.

쉬팅 교수팀의 이번 성과는 2018년의 연구가 발판이 되었다. 당시 연구팀은 플라스틱 먹는 효소를 감싸는 방법을 연구하다가 ‘무작위 이종 중합체(RHP)’라는 합성 고분자를 개발했다. 이 고분자의 가치가 이번 연구에서 드러났다. 고분자로 감싼 효소가 추가되더라도 플라스틱의 기본 특징과 기능에는 영향이 없었다.

50도 온도에서 6일 만에 100% 생분해

그렇다면 RHP로 감싼 효소가 들어간 플라스틱은 어떻게 분해될까. 생분해 플라스틱이 폐기되었을 때 땅에 묻고 따뜻한 물만 부어주면 끝이다. 따뜻한 물을 부을 경우 효소를 감싸고 있던 RHP가 분리돼 효소가 깨어나서 PLA의 고분자 사슬을 먹어치워 젖산으로 바꾼다. 젖산은 토양 속의 다양한 미생물이 처리해 퇴비로 쓰일 수 있다. 효소를 감싼 RHP도 자연 분해되어 없어지기 때문에 미세플라스틱이 생길 일이 없다.

연구팀은 실험실에서 온도와 물의 조합을 달리해가며 효소가 들어간 PLA 섬유의 생분해성을 검증했다. 그 결과 상온에서 일주일에 80%가 분해되고, 50도의 온도에서는 6일 만에 100% 모두 생분해되었다. 물의 온도가 높으면 높을수록 분해 속도가 빠르게 나타났다. 쉬팅 교수에 따르면 온도가 높을수록 PLA의 단단한 구조가 빨리 풀리고, RHP에 감싸인 효소가 더 많이 움직여 PLA의 고분자 사슬 끝을 빨리 찾아서 먹게 되기 때문이다.

여기서 하나의 의문이 생긴다. 평소 생분해 플라스틱을 사용하다가 따뜻한 물로 세탁한다면 플라스틱이 분해되는 건 아닐까 하는 염려다. 이에 대해 쉬팅 교수는 RHP로 감싼 효소가 들어간 PLA 섬유를 미지근한 물에 몇 시간 또는 하루 이틀의 짧은 기간 담가놓아도 생분해가 일어나지 않는다고 말한다. 이들의 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처’에 실렸다.

이제 남은 과제는 상용화다. 실제로 RHP 나노 효소를 가진 생분해성 플라스틱을 보급하려면 이 효소를 값싸게 대량 생산할 수 있어야 한다. 교수팀의 생분해 플라스틱은 어떤 생분해성 플라스틱보다 비용이 가장 적게 드는 것으로 나타났다. 연구팀의 일원 중 한 명은 현재 기업을 설립, 상용화를 추진 중이다.

과학자들은 지구환경을 지키기 위한 방법의 하나로 플라스틱 분해 효소를 찾는다. 지난해 4월 ‘네이처’에 소개된 ‘폐플라스틱병 10시간 안에 90% 이상 분해’라는 연구도 그러한 노력의 결실이다. 알랭 마르티 프랑스 국립응용과학원 연구원팀과 화학기업 카르비오스 연구팀이 나뭇잎 퇴비 속에서 플라스틱 분해 효소를 찾아냈다. 일명 ‘나뭇잎 퇴비 큐틴 분해효소(LLC)’다. 이 효소가 플라스틱 페트병 하나를 10시간 안에 분해한다.

분해 플라스틱 재활용도 가능

연구진은 10만여종의 미생물 후보군 중 페트병을 분해하는 능력이 있다고 알려진 몇 개의 효소를 선별했다. 이어 특별히 두각을 보인 LLC 원재료를 조작했다. 원래 이 야생 효소는 20시간 동안 최대 53%까지만 분해가 가능한 수준인데, 연구진이 10시간 안에 90% 이상 분해하는 수준까지 효소의 능력치를 끌어올렸다. 페트병을 분해하는 효소는 이전에도 다양하게 발견되었지만 분해 속도가 너무 느려 효과를 거두지 못했다. 페트병 하나 분해하는 데 며칠씩 걸렸다.

마르티 연구원팀이 발견한 효소는 지금까지 보고된 어떤 효소들보다 플라스틱 분해 속도가 빠르다. 속도만 빨라진 게 아니다. 플라스틱 재활용을 가능하게 하는 능력도 갖췄다. LLC를 이용해 분해 과정을 다 끝낸 플라스틱은 처음 원료 상태의 화학물질로 다시 돌아가는데, 그것을 그대로 페트병을 만드는 데 쓸 수 있다. 그야말로 완벽하게 재활용할 수 있다는 뜻이다.

세계의 과학자들은 앞으로도 계속 효소를 활용한 플라스틱 분해 연구를 해나갈 것이다. 한층 개선된 분해 효소들이 등장하여 플라스틱 쓰레기라는 골칫거리를 해결해 주길 기대한다.