I. CALLUS 소개
(왼쪽부터 지도교사 지도교사 이근택, 박재민, 윤정원, 최성윤)
안녕하세요. 저희는 충남과학고 27기 1학년 학생 최성윤, 박재민, 윤정원으로 지도 선생님이신 이근택 선생님과 함께 지난 2020 과학영재 창의연구에 융합 분야로 참가한 학술동아리 CALLUS입니다.
저희 CALLUS는 소속 학생들의 각기 다른 관심사를 바탕으로 하나의 주제를 다각도에서, 다양한 활용 방안을 생각하고 선생님의 다양한 실험 방법 제시와 지지를 바탕으로 연구를 진행해 왔습니다.
고등학생이 되고 처음으로 진행한 연구에서 어려운 점도, 힘든 점도 많았지만, 최선을 다했던 저희의 R&E 내용을 <R&E for you>에 소개하는 좋은 추억을 남길 수 있게 되어 감사드립니다.
II. R&E 간단 소개
저희는 지난 1년간 「곤충 유충 장내 미생물의 폐기물 분해 활용 연구」를 주제로 R&E 연구를 진행하였습니다.
지속적으로 제기되었던 플라스틱 폐기물들이 생태계에 미치는 영향은 물론 최근 COVID-19로 인해 일회용품 사용량이 급증하고, 이에 폐기물의 양도 늘어나는 현상을 보고 이를 해결할 방안을 연구하고 싶다는 생각이 들었고, 친환경적으로 폐기물을 분해하기 위해 곤충 유충의 장내 미생물을 활용해 보자는 의견을 제시하게 되었습니다.
플라스틱을 섭취하고 분해하는 능력이 있다고 알려진 갈색거저리와 아메리카왕거저리, 꿀벌부채명나방을 가장 기대치가 높은 표본으로 선정하고 이외에도 비슷한 능력을 가질 것이라고 기대되는 송충이와 누에를 추가로 표본으로 선정해 실험을 진행했습니다. 이들의 장내 미생물을 채취하고 배양하여 미생물들이 플라스틱을 분해하는 데에는 혐기성 환경이 적합하다는 결론을 찾아냈고, 플라스틱 폐기물들에 부착한 미생물들을 전자현미경으로 확인하기도 하며 배양을 거듭했습니다.
이러한 실험들을 바탕으로 저희는 플라스틱 분해를 하는 미생물을 동정하여 처음 목표였던 플라스틱 분해에 가장 최적화된 미생물을 알아내고자 하였습니다. 또한, 팀원 중 한 학생의 평소 관심사였던 조류가 해양 플라스틱 폐기물을 먹고 폐사하는 일이 많아 저희가 연구한 유충 장내 미생물의 플라스틱 폐기물 분해 가능성을 해양에서도 사용할 수 있을지 추가적으로 연구하고자 하는 목표를 가지고 있습니다.
III. 연구 과정에서 좋았던 점
세 팀원 모두 고등학교에 진학하고 처음으로 진행하는 R&E였습니다. 각자 좋아하는 분야가 동물 생태, 의생명과학, 환경과학 등 다양했기에 관심 있는 분야에 관련한 R&E 주제들을 여럿 제시해 다양한 연구 주제에 대해 탐색할 기회가 있었습니다. 그중 미생물을 이용한 폐기물 분해에 관한 연구는 처음 접해보는 실험기구나 방법이 다양해 많은 기대를 하였습니다.
많은 선행 연구들을 조사하고, 논문들을 찾아 실험을 설계하는 과정에서 지도 선생님께서 다양한 선정 기준을 제시해 주셨습니다. 특히 이미 플라스틱 폐기물을 섭취하는 것이 확인된 유충들의 주식의 화학적 구조와 주요 플라스틱 폐기물의 구조의 유사점을 고려해 실험과정의 바탕을 마련해 나가는 과정이 새로웠습니다.
실험을 진행하고자 했던 환경이 혐기성 환경 조건이 필요했기에 학교 내 장비로는 다소 부족함을 느꼈습니다. 그러던 와중 지도 선생님께서 실험장비가 있는 곳의 협조를 받아주셔 처음 사용하는 장비들과 처음 보는 연구실 풍경이 훗날 이런 곳에서 연구해보고 싶다는 생각을 가질 수 있었습니다.
중학교에서 간단하게만 진행했던 연구와 약식에 가까운 실험보고서가 아닌 주제 선정부터 실험 설계, 보고서, 발표까지 팀원들을 협동을 통해 첫 연구를 완성해나갔습니다. 매주 모여 머리를 맞대고 실험을 진행하고 정리하며 각자의 개인적 역량은 물론 팀원 간 협력이 날마다 성장하는 것을 느낄 수 있어 좋았습니다.
IV. 아쉬운 점
한참 들뜬 마음으로 개학을 기다리던 와중에 COVID 19로 인해 계속 학교에 가지 못하는 상황이 이어졌고, 개학 이후에는 학교에서 적응과 공부에 치여 연구에 몰두할 시간이 부족했던 점이 가장 아쉬웠습니다. 직접 실험을 진행할 수 없을 때는 관련 논문을 찾아보고 실험을 계획하는 시간이 새롭기도 했지만, 연구를 진행하고 싶은 마음에 아쉬움만 켜졌습니다.
더불어 처음 진행하는 연구에 미숙한 점이 많았던 점도 아쉬웠습니다. 시간의 여유가 더 있었다면 더 다양한 시료를 사용해 연구를 해보고 싶었습니다. 또한, 보고서를 작성하고 발표를 준비하는 과정에서 더 정밀한 결과를 얻기 위해 실험과정에 있어 많은 개선점을 찾을 수 있었습니다. 하지만 이미 작년 연구는 완료가 되었기에 추가 연구를 진행하기 위해서는 다음 기회를 기다려야 했습니다. 저희의 연구능력이 더 뛰어났다면 더 좋은 결과를 도출해낼 수 있지 않았을까 하는 아쉬움이 남았었습니다.
V. 개선점
저희가 연구를 진행하며 다소 아쉬웠던 점과 연구 결과 찾아낸 가능성을 바탕으로 몇 가지 개선 방안을 찾았고 추후 기회가 된다면 보완하여 연구를 진행하고자 합니다.
첫 번째 개선점 - 시료 준비 및 제작에 대한 개선점
같은 플라스틱이라도 제조방법이나 코팅 여부 등에 따라 미생물이 분해할 수 있는 난이도 면에서 차이가 있을 수 있기에 기존 3개의 시료보다 시료의 다양성을 넓혀서 더 다양한 형태의 플라스틱을 사용해 보는 방안을 고려할 수 있습니다. 또한, 시료를 질량에 맞는 크기로 잘랐을 때 표면적에서 차이가 있을 수 있기에 처음부터 분말 형태의 시료도 병행하여 실험을 진행하면 분해능을 측정하기 편리할 것입니다.
두 번째 개선점 - 유충 사육에 대한 개선점
장내 미생물을 조성하기 위해서는 번데기 직전의 유충보다는 부화한 지 얼마 되지 않은 1령일 때부터 꾸준히 스티로폼과 플라스틱이 주가 되는 식단을 제공하는 것이 더 확실한 결과를 얻을 수 있습니다.
세 번째 개선점 - 배양 환경에 대한 개선점
해양 폐기물 분해에 중점이 맞추어져 있는 만큼 실제 해수와 유사한 조건과 환경 내에서의 분해능을 추정하여 특정 미생물의 폐기물 분해능을 실제 상황에 활용할 수 있는 가능성 여부를 판단할 수 있습니다.
혐기성 환경에서 배양이 되는 것을 확인하였으나 완전한 수중 환경에서 배양할 수 있는지 확인해야 합니다. 완전히 산소와 접촉한 환경에서는 배양이 진행되지 않았는데 이는 산소가 이러한 미생물에게 유독하기 때문입니다. 하지만 수중 내 용존산소가 이들에게 치명적인 정도인지는 아직 확인하지 않아서 그러한 점을 확인하면 실제 상황에 적용하는 것에 도움이 되리라 생각합니다.
네 번째 개선점 - 분해 능력에 대한 개선점
미생물의 농도가 낮아서 시료의 질량 변화가 그리 크지 않았습니다. 또한, 정확히 어떤 종의 미생물이 기여했는지 알 수 없어 일단 미생물의 종을 파악 후 분리해서 대량 배양 후 배양액의 농도를 높게 하여 시료의 분해능을 측정할 수 있습니다.
다섯 번째 개선점 - 실제 환경에 적용방법
해수 내 용존산소가 이들에게 큰 영향을 끼치지 않는다면 단순 살포를 통한 분해가 가능하겠으나 그렇지 않은 경우에 산소가 차단된 별도의 분해시설을 설계하거나 미생물을 살포할 때 산소를 차단하는 코팅막까지 살포하는 것을 고려할 수 있습니다.
또한, 산소가 차단된 환경에는 깊은 땅속도 있는데, 쓰레기 매립지에 이러한 미생물들을 이용하는 방법도 있을 것입니다.