R&E FOR YOU(vol.08) - 굴 패각의 항균 효과 검증 및 이를 응용한 항균 필름 개발

안녕하세요. 저희는 '굴 패각의 항균 효과 검증 및 이를 응용한 항균 필름 개발'이라는 주제로 연구를 진행한 창원과학고 '생명' R&E팀의 양예지, 강민재, 성서율입니다. 우선 웹진에 저희의 이야기를 실을 수 있게 되어서 정말 영광입니다. 이 글을 통해서 저희 R&E의 진행 과정과 그 과정에서 저희가 느낀 점과 성장한 점을 공유하고자 합니다.

주제 선정 과정

학기 초 연구 주제를 선정하고 보고서를 제출하는 과정에서 글로벌 R&E에 대해서 알게 되었습니다. 전세계적인 문제를 주제로 관심사가 비슷한 미국 학교의 학생들과 소통하며 연구를 진행하는 프로그램인 것을 알게 되었습니다. 미국 친구들과 소통하며 연구를 진행하는 것은 고등학생의 신분으로는 흔치 않은 기회로 느껴졌고, 부족한 영어 실력도 향상시킬 수 있을 것 같아 글로벌 R&E에 참가하게 되었습니다.

'생명' R&E를 본격적으로 시작하기 전에 연구가 순조롭게 진행되기 위해서 어떤 것이 가장 중요한지 생각해보게 되었습니다. 1년 동안 지치지 않고 연구를 진행하기 위해서는 각자 하고 싶은 것을 최대한 R&E에 녹여보는게 좋을 것 같다고 생각했습니다. 최적의 주제를 찾기 위해서 브레인스토밍을 진행하던 중 공통으로 환경에 관심이 많았던 저희는 환경에 도움이 될 수 있는 연구를 진행하고자 하였습니다. 논의를 통해 이 주제를 선정하게 되었습니다. 현재 전 세계적으로 굴 생산량은 증가하는 추세이지만 굴 패각을 보관할 곳은 포화 상태에 이르렀으며 굴 패각 발생량을 감당하지 못한 지역들은 인근 주민들이 악취나 수질 오염 등으로 불편을 겪고 있습니다. 또한 코로나19로 인해 생산량이 늘어난 항균 구리 필름을 만들기 위해서 구리 광산에서 구리를 힘들게 채취해야 하는 점과 구리 필름이 자연적으로 분해되지 않는다는 뉴스를 접하게 되었습니다. 그래서 굴 생산지 주민의 삶의 질을 개선하기 위해 굴 패각을 활용한 추출물로 항균 필름을 만들어 굴 패각을 재활용한다면 기존 필름의 폐기 후 나타나는 환경 오염과 생태계 파괴를 줄이면서도 주민들의 삶의 질도 개선하는 일거양득의 효과를 낼 수 있다고 생각하였고 연구를 진행하게 되었습니다.

연구 진행 과정

저희는 '굴 패각의 항균 효과 검증 및 이를 응용한 항균 필름 개발'을 주제로 R&E 연구를 진행하였습니다. 먼저 환경과 관련된 뉴스들을 찾아보았고 기존 연구에서의 굴 패각 처리 방식과 활용 방안을 찾아보게 되었습니다. 선행 연구에서는 굴 패각의 다공성을 이용하여 수질을 개선하거나 녹조를 제거하는 방식으로 이용하고 PET 필름을 베이스로 하여 항균 필름을 이용하는 방안으로 활용했습니다. 기존 연구들에서는 굴 패각을 독자적으로 사용하였으며 이와 차별점을 두기 위해서 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 항균 물질인 탄닌, 카테킨, 테르펜을 이용하여 필름을 제작하였으며 PET 기반이 아닌 셀룰로오스 분말을 이용하여 제작하게 되었습니다.

먼저 소성 굴 패각 분말의 항균 효과를 확인하기 위해서 실험을 진행하였습니다.

첫 번째로 디스크 확산법을 시행할 때는 6mm paper disk에 시료를 흡수시키고 양성 대조군은 소성된 굴 패각 분말 용액, 시판 산화칼슘 용액으로 하고, 음성 대조군은 증류수, 소성하지 않은 굴 패각 용액으로 설정했습니다. 1차 실험에서는 항균 반원이 나타나지 않았는데 탄산 칼슘이 증류수에 용해되지 않고 침전된 것을 원인으로 보고 2차 실험을 다시 설계하여 진행하였습니다.

2차 실험에서는 6mm paper disk에 굴 패각 분말을 충분히 묻히고 양성 대조군은 소성 굴 패각 분말, 시판 산화칼슘 분말로 하고 음성 대조군은 증류수, 소성하지 않은 굴 패각 분말로 했습니다. 사용한 세균은 1차 실험 때와 같게 하였고 2차 실험에서는 산화 칼슘을 묻힌 디스크에서만 억제대가 나타났습니다. 황색 포도상구균에서는 디스크로부터의 억제반경이 2.72mm, 비듬균에서는 2.68mm, 대장균에서는 1.92mm, 무좀균에서는 2.53mm로 나타났습니다. 2차 실험에서 소성 굴 패각 분말의 항균 효과가 나타나지 않은 것이 굴 패각을 소성한 후 약 1개월이 지나 소성한 탄산칼슘이 공기 중의 수증기와 결합해 수산화칼슘이 되어 항균 능력을 상실한 것으로 분석하였고 이를 보완해 3차 실험을 진행하였습니다.

3차 실험에서는 소성 굴 패각 분말의 항균 효과의 여부를 확인하기 위해 디스크 확산법을 시행하였습니다. 그 후 배양한 배지에 소성 굴 패각 분말을 적당량 덜어낸 후 48시간 후 억제 반경을 확인했더니 소성 굴 패각 분말의 디스크로부터의 억제반경이 황색 포도상구균에서는 0.73mm, 비듬균에서는 0.88mm, 대장균에서는 0.55mm, 무좀균에서는 0.74mm로 나타났다. 이를 통해 순수한 산화 칼슘에 비해선 다소 낮으나, 소성된 굴 패각에서 분명한 항균효과를 확인하였습니다.

탄닌과 카테킨과 테르펜을 추출할 때와 항균 능력을 측정하는 방법을 정하는 과정에서 미생물학 실험을 공부하는 과정에서 지식을 쌓을 수 있었습니다. 항균 실험에서는 필름을 제작하는 연구의 목적에 맞게 황색 포도상구균, 비듬균, 대장균, 무좀균 등 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 세균들을 사용하였습니다. 소성된 굴 패각 분말의 항균 효과를 확인하기 위해서 실험을 진행하였으며 양성대조군은 소성된 굴 패각 분말 용액, 산화칼슘 용액으로 하고, 음성 대조군은 증류수, 소성하지 않은 굴 패각 분말 용액으로 설정하였습니다. 이후 선행 연구를 참고하여 700도에서 6시간 동안 소성한 굴 패각 분말이 항균 효과가 있다는 사실을 도출해 낼 수 있었습니다.

그 후 각각 감 껍질, 편백 잎, 녹차 잎에서 탄닌, 카테킨, 테르펜을 추출하여 각각 소성 굴 패각을 첨가하여 필름을 제작하였습니다. Methyl Cellulose 5g을 99% Ethyl alcohol 100㎖에 분산시킨 후 추출한 증류수 50㎖를 넣고 혼합용액을 핫플레이트를 사용하여 85℃에서, 30분 동안 가열하며 교반기를 사용하여 용액을 섞어 필름을 제작하였다. 이후에는 증류수 50㎖에 각각 추출한 텐닌, 테르펜, 카테킨, 소성 굴 패각, 산화칼슘을 2.5g 첨가하여 만든 용액을 넣어 필름을 제작하였습니다.

그 후 제작된 필름의 항균 효과를 디스크 확산법을 통해 확인하였습니다. 세균을 배양한 배지에 제작한 필름을 직경 1.5cm로 자른 후 올려놓았고 양성 대조군은 산화 칼슘을 첨가한 필름으로 설정하고 실험군은 탄닌, 테르펜, 카테킨, 소성한 굴 패각 분말이 각각 첨가된 필름으로 설정하였습니다. 음성 대조군은 증류수만 넣은 필름으로 설정했다. 48시간이 지나고 필름의 항균 효과를 확인하기 위해 콜로니가 올라온 정도를 고려하여 정성적으로 분석하였는데 탄닌, 카테킨, 테르펜을 첨가한 필름 위에서는 증류수로만 제작한 필름의 위에 비해 세균 콜로니의 수가 확실히 작은 것을 보아 탄닌, 카테킨, 테르펜에는 항균 효과가 있는 것을 알 수 있었고 소성 굴 패각 분말 첨가 필름도 콜로니 수가 증류수만 이용한 필름 위에 비해 콜로니 수가 적어 항균 효과가 있는 것을 관찰할 수 있었습니다.

이후 소성 굴 패각이 첨가된 필름에 탄닌, 테르펜, 카테킨을 각각 첨가하여 필름을 제작하였습니다. 이 필름들의 항균 효과를 확인하기 위해 디스크 확산법을 시행하였는데 이때 양성 대조군은 산화 칼슘 첨가 필름, 실험군은 탄닌, 테르펜, 카테킨에 각각 소성 굴 패각 분말을 첨가한 필름과 소성 굴 패각 분말 필름, 음성 대조군으로는 증류수로 제작한 필름으로 설정하였습니다. 정성적 분석 결과 항균 효과는 (카테킨, 탄닌, 테르펜에 각각 소성 굴 패각 분말을 첨가한 필름) > (산화칼슘만 첨가한 필름) > (카테킨, 탄닌, 테르펜만 첨가한 필름) > (소성 굴 패각 분말만 첨가한 필름) > (증류수만 첨가한 필름) 순으로 나타났고 소성 굴 패각 분말과 카테킨, 탄닌, 테르펜이 각자 존재하는 필름보다 소성 굴 패각 분말을 천연 물질과 혼합하여 필름을 제작하였을 때 항균 효과가 더 뛰어났다는 결론을 내릴 수 있었습니다.

시행착오, 개선점

연구를 끝마치고 학교에서 열리는 R&E 성과 발표회에 참석하여 교수님과 선생님의 피드백을 받았습니다. 필름의 항균 효과를 측정할 때 정성적 분석보다는 초원심 분리 등을 이용하여 정확하게 분석하는 것이 좋을 것 같다는 피드백을 주셨습니다. 또한 카테킨, 탄닌, 테르펜 말고 다른 천연 물질을 적용하는 연구도 좋겠다는 말씀도 주셔서 연구에서의 부족한 부분을 보완할 수 있었습니다. 글로벌 R&E를 진행하여서 원어민 선생님 앞에서도 발표를 진행하며 발표력과 자신감 향상에 도움을 받을 수 있었습니다.

실험을 진행하면서 주제 선정과 조사 및 실험 준비 과정이 길어 디스크 확산법을 진행하게 되었는데 조금 더 시간이 있었다면 희석법이나 UV-vis를 이용해 필름의 소성 굴 패각 분말의 농도 등 여러 변인을 통제하여 실험을 진행하여 보고 싶은 아쉬움이 남습니다. 연구 과정에서 소성 굴 패각을 제조한 후 몇 개월이 지난 후 실험을 진행하게 되어 원하는 결과가 나오지 않아서 3번에 걸쳐 여러 번의 실험을 진행하게 되었습니다. 또한 여러 물질을 이용하여 실험을 진행하는 과정에서 대조군은 설정하고 필름을 제작하는 데에도 많은 시간이 소모되어 더 많은 실험을 진행하지 못한 것이 아쉽습니다.

각종 발표회 및 대회 준비 과정

글로벌 R&E를 진행하면서 미국에 위치한 학교의 학생들과 교류하며 연구를 진행하게 되었습니다. 미국에 위치한 학교도 굴 패각을 이용한 연구를 진행하여서 화상 미팅을 통하여 많은 교류를 할 수 있었습니다. 화상 미팅을 준비하기 위해서 저희의 연구 내용을 영어로 준비하고 발표하며 대화하며 타 문화 학생들의 의견을 듣고 궁금증을 나누는 과정에서 의사소통 역량이 향상된 것을 느낄 수 있었습니다. 또한 우리나라의 학교와 체계가 달라 연구 외의 다양한 점들도 물어보며 견문을 넓히는 계기가 되었습니다. 그리고 글로벌 R&E 발표를 준비하기 위해서 서울에서 한식 체험을 하며 서로 협동하고 교류를 통해 문화를 공유하였고 국립중앙박물관에도 방문하여 한국의 문화와 예술 작품 등에 대해 설명하며 다른 지역과 나라의 친구들과 많은 이야기를 나눌 수 있었습니다.

또한 교내 연구 성과발표회도 함께 진행하게 되었는데 진행하는 과정에서 지도교사 선생님과 함께 연구를 진행하는 친구들의 앞에서 수없이 많이 발표 연습을 하면서 실험 과정에서의 아쉬운 점도 정리되었고 부족한 점들을 더 잘 보완할 수 있게 되었습니다. 또한 말을 논리적으로 정리하고 발표하는 과정에서 전달하고자 하는 바를 보다 더 정확하게 전달할 수 있게 되어 좋은 경험이 되었습니다. 또한 1년 동안 과제연구를 진행하면서 끈기를 기를 수 있었고 그 결과가 성취감으로 이어지며 미래 연구자로서의 안목을 기를 수 있는 시간이었습니다. 또한 연구를 진행하면서 많은 시행착오가 있었지만, 조원들과 함께 노력하고 항상 저희를 도와주시는 지도교사 선생님 덕분에 협동심 등 공동체 사회에서 필요한 역량을 기를 수 있었습니다.

글로벌 R&E 활동 과정

글로벌 R&E 발표를 위해서 올라간 서울에서 문화교류를 위해서 국립중앙박물관에서 자유 관람을 진행하였습니다. 발표 전날 미국에서 연구를 진행하는 학생들과 우리나라 다른 지역의 과학고 학생들과 함께 국립중앙박물관을 관람하면서 얘기를 나누었습니다. 중앙박물관에서 우리나라의 문화뿐만 아니라 미국, 그리스, 로마 등 다양한 테마의 전시관들이 있어 다른 나라 학생들의 설명도 듣고 의견을 나누며 견문을 넓힐 수 있는 계기가 되었습니다. 서로 연구에 관한 이야기도 나누고 문화를 체험하는 좋은 경험이 되었습니다.

문화교류 다음 날 R&E 발표를 진행하였습니다. 미국에서 연구를 진행하는 학생들의 연구 차트와 한국 학생들의 연구 차트를 보며 서로 발표를 진행하고 질문을 나누며 서로 다른 과목의 연구에도 관심을 가지고 의견을 나눌 수 있는 유익한 시간이었습니다. 연구 주제로 환경과 사람을 위한 주제가 많았는데 다양한 주제로 연구를 진행하여 배울 점이 많았던 시간이었습니다. 또한 여러 사람들 앞에서 발표를 진행하며 의사소통 능력과 글로벌리더십을 함양할 수 있었습니다.

느낀 점

창원과학고등학교 양예지 글로벌 R&E를 진행하면서 다른 문화의 학생들과 지식을 교류할 수 있다는 설렘도 컸지만, 영어로 의사소통해야 한다는 부담도 존재했습니다. 막상 발표를 준비하고 화상 미팅을 진행하면서 영어로 정확하게 원하는 바를 전달하는 능력이 향상되었고 지식 교류 외에도 문화교류도 하며 좋은 경험을 할 수 있었습니다. 또한 환경에 대한 주제를 선정하면서 많은 환경에 대한 많은 자료를 접하게 되었고 고민해보는 시간이 되었으며 과학자의 윤리의식도 키울 수 있었습니다. R&E를 1년 동안 진행하면서 팀원들과도 많은 이야기를 나누며 연구를 진행하고 갈등관리나 리더십 등 여러 방면으로 많은 것을 배울 수 있었습니다. 또한 연구를 장기간 진행하면서 연구 설계부터 실행까지 해보고 결과를 도출하며 성취감을 얻었고 연구자의 역량도 기를 수 있었습니다. 다음에도 이런 기회가 있다면 또 참여하고 싶습니다. 그리고 1년 동안 저희를 지켜봐 주시고 도와주신 이규호 선생님께도 감사드립니다.

창원과학고등학교 성서율 글로벌 R&E 프로그램 과정 중에서 다른 과학고 친구들과 미국 친구들과 비빔밥을 만들었습니다. 의사소통이 잘되지 않았던 미국 친구들과 소통하며 비빔밥을 만드는 것이 처음에는 힘들었지만 갈수록 계속 영어를 쓰다 보니 비빔밥을 만들기 전과 후에 영어 회화 실력이 다르다는 것을 느낄 수 있었습니다. 국립중앙박물관에서는 미국 친구들에게 영어로 우리나라 문화를 소개하기 위해서 노력했으며 미국 친구들이 백제의 금 세공품에 감탄하는 것을 보고 우리나라 역사에 대해 자부심이 느껴졌습니다. 발표회에서는 발표 대상자들이 만족할 만한 발표를 한 것 같아 뿌듯했고 글로벌 R&E를 하면서 향상된 영어 실력을 느낄 수 있었습니다. 그리고 다른 팀들의 발표도 들었는데 모두 연구 주제가 참신하고 글로벌 문제를 해결하기 위해 고민한 흔적이 보여 다음 R&E 때 도움 될 만한 것들을 잔뜩 얻어갔던 것 같습니다. 글로벌 R&E를 진행하면서 영어 실력이 향상될 뿐 아니라 지구 반대편의 친구들과 연구를 공유하면서 좋은 아이디어와 연구 방법에 대해 많이 알게 되어 연구자로서 한층 성숙해진 것 같습니다. 이런 좋은 기회를 준 창의재단에 감사드린다는 말을 전하고 싶습니다.

창원과학고등학교 강민재 여러 교수님의 피드백과 컨설팅 덕분에 더욱 수월하게 과제연구를 진행할 수 있었고, 연구의 확실한 방향성을 잡을 수 있었습니다. 또한 서울에서 미국에서 과제연구를 진행하는 친구들과 만나 같이 교류하고 서로의 주제에 대하여 발표하고 피드백하며 좋은 경험을 할 수 있었습니다. 다음에도 기회가 있다면, 받은 피드백과 경험을 바탕으로 더 좋은 주제와 확실한 방향성을 가지고 글로벌 R&E에 지원하여 과제연구에 임하고 다른 문화권의 학생들과 교류하고 싶습니다.