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biodegradation #

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Biodegradation #

Introduction #

정의(IUPAC) #

Degradation caused by enzymatic process resulting from the action of cells 또는 Degradation of a polymeric item due to cell-mediated phenomena

필요성 #

많은 수의 플라스틱 제품 또는 물건들이 흙 속에서 쓰임을 다하도록 디자인 되어있다. 농업에서 사용되는 mulching film, 원예에 사용되는 새끼줄, 모종 화분 등 많은 경우 이들을 재사용 또는 재활용하는 것은 매우 어렵거나 경제적이지 않다. 따라서 biodegradation 기술을 개발하는 것은 경제적으로도 사회, 환경적으로도 매우 중요한 과제이다.


Degradation 기작 #

Plastic의 biodegradation 기작은 Biodeterioration, fragmentation, Assimilation 순으로 진행 된다.

Biodeterioration #

IUPAC 정의 : Deleterious alteration of a material in quality, serviceability, or vigor. Note 1: Deterioration can result from physical and/or chemical phenomena. Note 2: Deterioration is connected to a loss of performances and thus to the function, where as degradationis connected with a loss of propertie.

biodeterioration이란 표면상에서 일어나는 기작으로 물질을 분해에 적합한 조건으로 변경하는 단계이다. 해당 단계에 관여하는 미생물은 bacteria, protozoa, algae, fungi, lichenaceae group 등 다양하다. 이들은 다양한 종끼리 군집을 이루며 물질의 표면에 polysaccharides와 protein으로 이루어진 matrix를 형성한다. 이는 physical 또는 chemical, enzymatic way로 degradation을 촉진한다.

  • Physical way : 해당 matrix는 미생물에게 보다 환경 조건을 제공하고 건조와 UV 등 위협요소로부터 이들을 보호한다. 이러한 matrix의 존재 하에 Filamentous microrganism은 물질의 표면에 균사를 발달시켜 균열을 유발시켜 분해를 촉진.

  • Chemical way : matrix는 대기상의 오염물질들을 흡착해 미생물이 가용 가능하도록 축적.

  • Enzymatic way : matrix 상의 organic acid 들은 mineral acid 보다 효과적으로 cation을 fix함으로 이들을 조효소로 사용하는 enzyme들의 활성에 도움을 주어 bond cleavage에 기여.

Biofragmentation #

IUPAC 정의 : Breakdown of a material to particles regardless of the mechanism and the size of fragment

Cell wall을 통과할 수 없는 거대 고분자를 oligomer 또는 monomer로 분해하는 기작. 이것은 Oxidoreductases 또는 hydrolase, lipases, esterases 등 다양한 외분비 효소를 통해 이루어지며, 대표적으로 PHB(Polyhydroxybutyrate) depolymerase 등이 있다. 가장 일반적인 기작은 Enzymatic hydrolysis, Enzymatic oxidation, Radicalar oxidation 등 3가지가 존재한다.

  • Enzymatic hydrolysis : 3가지 아미노산의 residues가 관여하는 mechanism이다. Aspartate가 Histidine ring과 hydrogen bond를 형성하고, 그로 인하여 Histidine는 basicity를 띄게 된다. 이렇게 생성된 base로 인해 Serine이 deprotonation되어 매우 nucleophilic한 alkoxide group이 생성된다. 이후 nucleophilic attack으로 polymer의 ester bond를 cleavage 하여 alcohol end group과 acyl-enzyme complex가 생성되고, 다시 물이 acyl-enzyme과 반응하여 carboxyl end group을 생성하고 enzyme을 재생시킨다.

  • Enzymatic oxidation : crystalline, steric hinderances, hydrophobic effect 등의 이유로 반응이 진행되지 않을 경우 oxidation을 통해 분자구조를 변형시켜 반응을 촉진시키기도 한다. 예를 들어 oxidoreductases는 하나 또는 둘의 oxygen atom을 보다 분해되기 쉬운 alcohol 또는 peroxyl group으로 치환하여 반응을 촉진한다.

  • Radicalar oxidation : 매우 조밀한 구조를 가지는 경우 enzyme의 접근이 구조적으로 차단되어 enzymatic attack 기전이 효과적이지 않을 수 있다. 이러한 경우 free radicals에 의한 chain reaction을 통해 구조를 변형시키기도 한다. 예를들어 brown-rot fungi의 경우 oxidative한 Hydrogen peroxide 생산하고, 이는 Fe2+이온과 반응하여 형성되는 Hydroxyl radical로 polymer의 구조를 약화시키는 한편, 스스로는 이러한 radical에 high affinity를 가지는 저분자물질을 합성하여 radical에 의한 non-specific reaction 피해를 최소화한다.

Assimilation #

IUPAC 정의 : Conversion of a substance into biomass by biochemical processes.

분해한 고분자물질을 흡수하여 에너지원 또는 탄소 source 등으로 활용하여 cell structual로 병합하는 과정이다. 몇몇 monomer의 경우 특수한 membrane carrier들에 의하여 쉽게 세포막을 통과하지만 그 외의 물질은 세포막을 통과할 수 없어 biotransformation reaction을 통해 변형하는 과정을 거쳐야 한다. 세포막 내부로 수송된 물질들은 catabolic pathway를 통하여 ATP를 합성하거나 세포의 구성요소로 전환된다.

Assimilation정도를 파악하는 것은 미생물의 Biodegradation 역량을 평가함에 있어 중요한데, 이는 ISO 14852(2006) standardised respirometric method로 측정된다. 측정법은 소모된 산소 또는 생성된 이산화탄소를 통하는 방식, 두가지로 나뉜다. 생성되는 gases를 측정하기위한 방법으로는 GC를 사용하기도 하지만 대부분의 경우 FTIR을 활용하는 방식이 선호된다.


참고문헌 #

  • Michel Vert, Yoshiharu Doi, Karl-Heinz Hellwich, Michael Hess, Philip Hodge, Przemyslaw Kubisa, Marguerite Rinaudo and Francois Schue (2012), Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Redcommendation 2012).
  • Lucas N, Bienaime C, Belloy C, Queneudec M, Silvestre F, Nava-Saucedo JE (September 2008). Polymer biodegradation: mechanisms and estimation techniques.
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