Distinct responses of soil microbial communities and nitrogen cycle genes to PBAT and PLA microplastics

토양은 단순히 발밑에 있는 흙 그 이상입니다. 그것은 세상을 먹여 살리는 살아 숨 쉬는 엔진입니다. 이 어두운 흙 속에는 죽은 물질을 식물을 위한 영양분으로 바꾸는 필수적인 작업을 수행하는 미생물의 거대한 네트워크가 숨겨져 있습니다. 이 작은 일꾼들이 수행하는 가장 중요한 과업 중 하나는 식물 성장에 필수적인 요소인 질소를 관리하는 것입니다. 자연에서 이 질소는 박테리아와 균류가 폐기물을 분해하고, 가스를 방출하며, 새로운 생명을 구축함에 따라 다양한 화학적 형태로 변화하며 복잡한 순환 과정을 거칩니다. 이 순환이 원활하게 진행될 때 토양은 비옥하고 건강한 상태를 유지합니다. 그러나 인간의 활동은 이 고대의 시스템에 새로운 변수를 도입했습니다. 바로 플라스틱입니다. 우리는 흔히 플라스틱을 영구적인 오염 물질로 생각하지만, 환경에서 분해되도록 설계된 새로운 세대의 재료들이 등장했습니다. 이러한 생분해성 플라스틱은 폐기물 위기에 대한 해결책으로 홍보되고 있지만, 과학자들은 이 재료들이 땅속에서 분해될 때 어떤 일이 일어나는지 이제 겨우 이해하기 시작했습니다. 이들은 단순히 사라지는 것일까요, 아니면 이를 지탱하는 미생물의 생태와 토양의 섬세한 화학 성질을 변화시키는 것일까요?

샤먼 공업대학교의 연구팀은 이 질문에 답하기 위해 농업에서 가장 흔히 사용되는 두 가지 생분해성 플라스틱인 폴리부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트(PBAT로 알려짐)와 폴리락틱산(PLA로 알려짐)을 비교하는 연구를 수행했습니다. 이 재료들은 작물을 따뜻하고 촉촉하게 유지하기 위해 토양을 덮는 멀칭 필름을 만드는 데 자주 사용됩니다. 과학자들은 이 두 종류의 플라스 different한 플라스틱이 미세 입자로 분해될 때 토양의 화학 성질과 그 안에 서식하는 미생물 군집을 어떻게 변화시키는지 확인하고자 했습니다. 이를 위해 연구진은 소량의 각 플라스틱을 토양 샘플에 혼합하여 야외에 6개월 동안 두었습니다. 그런 다음 산도와 영양 수준부터 박테리아가 질소를 처리하는 방식을 조절하는 특정 유전자에 이르기까지, 토양이 어떻게 변화했는지 정밀하게 측정했습니다.

연구 결과, 이 두 플라스틱은 모두 '생분해성'이라는 라벨을 달고 있음에도 불구하고, 일단 토양에 들어가면 놀라울 정도로 다르게 행동한다는 사실이 밝혀졌습니다. PBAT 플라스틱은 강력한 교란 작이로 작용했습니다. 이것이 분해되기 시작하면서 화학적 부산물을 방출하여 토양의 pH를 높이고 산성을 낮추었습니다. 이러한 화학적 변화는 연쇄적인 변화를 일으켰습니다. 토양은 유기 탄소가 풍부해졌지만, 이용 가능한 질소 수치는 급감했습니다. 구체적으로 암모늄 질소의 양은 거의 90% 감소했고, 질산염 질소는 절반 이상 떨어졌습니다. 반면, PLA 플라스키는 다른 이야기를 들려주었습니다. PLA 역시 암모늄 수치를 감소시켰지만, 질산염 수치는 약 20% 증가시켰습니다. 이는 PBAT가 질소를 가두거나 시스템에서 제거하는 반면, PLA는 암모늄을 질산염으로 전환하는 과정을 가속화하여, 결과적으로 질소가 토양에서 쉽게 씻겨 내려가게 만들 가능성을 시사합니다.

더 깊이 파고들어 미생물의 세계를 조사하기 위해, 연구진은 첨단 유전자 시퀀싱 기술을 사용하여 어떤 미생물이 번성하고 어떤 유전자가 활성화되었는지 확인했습니다. 연구진은 PBAT 플라스틱이 슈도모나도테스(Pseudomonadota)와 아스코미코타(Ascomycota) 같은 특정 박테리아와 균류 그룹에 유리한 독특한 환경을 조성하는 동시에 다른 그룹들은 억제한다는 것을 발견했습니다. 더 중요한 것은, PBAT 처리된 토양의 유전적 활동이 명확한 패턴을 보였다는 점입니다. 즉, 암모늄을 질산염으로 전환하는 유전자는 차단된 반면, 질소를 토양에서 완전히 제거하는 유전자는 활성화되었습니다. 이것이 왜 질소 수치가 급격히 떨어졌는지를 설명해 줍니다. 토양 미생물들이 질산을 만드는 것을 멈추고 대신 질소를 시스템에서 추출하도록 유도된 것입니다. 그러나 PLA 플라스틱은 미생물 기제에 대해 정반대의 효과를 나타냈습니다. PLA는 다른 미생물의 성장을 촉진하고 암모늄을 질산염으로 전환하는 유전자를 증폭시켜, 질소 순환을 해당 방향으로 효과적으로 가속화했습니다.

아마도 가장 놀라운 발견은 PLA 플라스틱이 대기로부터 새로운 질소를 포착하는 능력에 어떻게 영향을 미치는지에 관한 것이었을 것입니다. 연구진은 특정 박테리아가 대기 중의 질소 가스를 끌어와 식물이 사용할 수 있는 형태로 전환하는 과정인 질소 고정 관련 유전자가 PLA 입자 위와 주변에서 대폭 풍부해졌다는 것을 발견했습니다. 이 유전자들은 플라스틱 표면에서 160% 이상, 주변 토양에서 80% 이상 증가했습니다. 이는 PLA 입자가 신선한 질소를 토양에 추가할 수 있는 박테리아의 허브 역할을 할 수 있음을 시사하며, 이는 PBAT에서는 나타나지 않은 혜택이었습니다.

이 연구는 모든 생분해성 플라스틱이 동일하게 만들어지는 것은 아니라고 결론짓습니다. 이들은 같은 라벨을 공유할지 모르지만, 그 화학적 구조는 토양 생태계에 매우 다른 결과를 초래합니다. PBAT는 토양의 자연적인 질소 보유 능력을 억제하여 잠재적으로 영양분을 고갈시키는 것으로 보이며, 반면 PLA는 질소를 쉽게 씻겨 내려갈 수 있는 형태로 전환하는 것을 자극하는 동시에 새로운 질소의 추가를 장려하는 것으로 보입니다. 이러한 발견은 기존 플라스틱을 생분해성 대안으로 교체하는 것이 단순한 해결책이 아님을 상기시켜 주는 중요한 근거가 됩니다. 사용되는 플라스키의 구체적인 종류가 매우 중요하며, 각 플라스틱은 토양의 살아있는 공동체와 고유한 방식으로 상호작용하여 각기 다른 위험과 결과를 초래하기 때문입니다.