STEAM R&E 연구결과보고서
(밀 웜의 스티로폼 분해 작용의 최적조건 탐색)
2016. 11. 30.
명덕고등학교
< 연구 결과요약 >
과 제 명 밀 웜의 스티로폼 분해 작용의 최적조건 탐색
연구목표
○ 온도변화에 따른 밀웜의 분해 작용을 관찰할 수 있다.
○ 약품의 종류에 따른 밀웜의 분해 작용의 차이를 관찰 할 수 있다.
○ 밀웜의 분해작용의 최적조건을 발견 할 수 있다.
연구내용
○ 온도에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
1. 밀웜을 배치할 온도구간을 나눈다 (30℃, 33℃, 36℃, 39℃) 2. 스티로폼상자(310x235x180mm)의 표면을 박스테이프로 밀봉한 다음,
밀웜(2cm~3cm)500마리를 넣는다.
3. 스티로폼의 무게와 밀웜의 무게를 측정한다.
4. 온도구간이 맞추어진 배양기에 스티로폼상자를 넣고 2일(48시간)동안 실험한다.
5. 2일 후 스티로폼상자의 무게를 측정하여 무게변화를 관찰한다.
○ 약품에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
1. 현재 시중에서 사용되고 있는 에너지 음료의 성분을 분석하여 3종류의 성분(과라나 추출물(카페인), L-카르니틴, 타우린)을 선정한다.
2. 스티로폼상자(310x235x180mm)의 표면을 박스테이프로 밀봉한 다음, 무게를 측정한다.
3. 스티로폼상자 내부에 선정한 약품들의 수용액을 흩뿌린다.
4. 밀웜(2cm~3cm)500마리의 무게를 측정하고 스티로폼상자에 넣는다.
5. 스티로폼상자를 실온에 보관하고 2일(48시간)동안 실험한다.
6. 2일이 지난 후 스티로폼 박스의 감소한 질량을 측정한다.
연구성과
○ 온도에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
- 30℃에서부터 활성도가 증가하였으나 39℃에서 급격히 감소하였다.
- 총질량 변화량 2.92g으로 36℃에서 가장 크게 나타났다.
○ 약품에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
- 총질량 변화량 0.92g으로 타우린의 활성도가 오히려 감소하였다.
- 총질량 변화량 2.20g으로 과라나 씨앗 가루(카페인)의 활성도가 가장 크게 나타났다.
주요어 (Key words)
밀 웜, 최적조건(the optimum), 에너지 음료, 과라나(guarana), L-카르니틴 (L-Carnitine), 타우린(taurine)
<밀 웜의 스티로폼 분해 작용의 최적조건 탐색>
Ⅰ.개요
1. 연구목적
○ 밀 웜을 이용하여 스티로폼을 분해하여 현재 악화되고 있는 환경오염에 새로운 해결책 을 제시할 수 있는 가능성을 준다.
○ 밀 웜의 행동성의 최적조건을 알아내어 활동성을 극대화시켜 효율성을 증가시킬 수 있다.
○ 밀 웜의 분해능이 어떤 조건에 의해서 변화가 되는지 탐구할 수 있다.
○ 온도가 밀 웜의 분해능에 어떤 영향을 끼치는지 알 수 있다.
○ 에너지 음료 속 성분들이 밀 웜에게 어떤 영향을 끼치는지 알 수 있다.
2. 연구범위
○ 연구상황
- 미국 스탠퍼드대 토목환경공학과의 크레이그 크리들 교수 연구진은 국제학술지 '환경 과학기술'지 최신호에 "갈색거저리의 애벌레인 밀웜(mealworm)이 스티로폼을 먹고 소 화해 안전한 물질로 배설하는 것을 확인했다"고 발표했다. 이번 연구는 중국 베이징대의 양준 교수 연구진과 함께 진행했다. 실험실에서 밀웜 100마리는 하루에 알약 하나 정도에 해당하는 34~39밀리그램(㎎)의 스티로폼을 먹었다. 밀웜은 스티로폼 절반을 이산화탄 소로 바꿔 배출했으며, 나머지는 토끼똥 모양의 대변으로 배설했다. 연구진은 밀웜의 배설물이 작물 재배용 흙으로 쓸 수 있을 만큼 안전하다는 사실도 확인했다.
- 애벌레를 이용한 플라스틱 분해 세균 연구 : 밀 웜, 슈퍼 밀 웜등의 애벌레와 항생제들을 이용하여, 스티로폼 분해능의 변화를 연구하였다. 실험결과, 퀴놀론계 항생제의 의한 분해능 감소가 가장 크게 나타났다.
<그림1>애벌레를 이용한 플라스틱 분해 세균 연구(The 5th Microbiology Research Festival for High School Students)
○ 연구 범위
- 밀 웜 체내의 박테리아가 스티로폼을 분해한다는 사실은 실험을 통하여 검증됨.
- ‘애벌레를 이용한 플라스틱 분해 세균 연구’에서 밀 웜등의 애벌레들의 스티로폼 분해능이 항생제와 같은 약물을 통하여 변화하는 점을 흥미롭게 관찰.
- 약물을 이용하여 분해능을 감소시키는 실험이 아닌, 오히려 증가시킬 수 있는 약물에 대하여 관심을 가지기 시작함.
- 밀 웜의 박테리아의 범위에서 확장하여 밀 웜의 분해능이라는 기준에서 연구 규모를 제한.
Ⅱ. 연구 수행 내용
1. 이론적 배경 및 선행 연구
○ 발포 폴리스틸렌(스티로폼)
- 탄화수소 가스를 폴리스틸렌수지에 주입시킨 뒤 증기로 부풀린 발포제품이다. 전체의 2%만 수지로 구성돼 있고, 나머지는 공기층이어서 자원절약형 소재로 널리 알려져 있다.
현재는 전자제품 포장의 완충재, 농수산물 포장재, 건축단열재 등으로 널리 쓰이고 있다.
- 스티로폼은 분해되는데 500년 이상 걸리기 때문에 환경오염의 큰 주범이다. 또한 물에 젖으면 완충, 단열, 포장등의 효과가 크게 감소하기 때문에 재활용이 불가능하다.
○ 타우린
○ 분자식 : C2H7NO3S
○ 분자량 : 125
○ 밀 도 : 1.734 g/cm3
○ 녹는점 : 305.11°C (581.20°F : 578.26K) 〈그림2> 타우린(위키백과)
- 소의 담즙 및 오징어, 낙지, 조개류 등의 연체 동물의 고기 추출액 중에 다량으로 존재한다.
- 포유류의 경우 타우린을 이자에서 합성하고, 타우린은 쓸개즙의 주 구성성분으로 쓰인다.
- 근골격계를 만들고 심혈관계가 기능을 유지하는데 필수적이다.
- 신경전달물질을 막고, 해마의 기능을 강화시키는 등 중추신경계의 기능을 조절할 수도 있다.
- 체내 활성산소를 막고, 삼투압을 조절하며 칼슘의 항상성을 지킬 수 있고, 지방조직을 조절해 비만을 억제하는 역할을 하는 것으로도 알려져 있다.
- 생체내에서는 시스테산의 카르복시 이탈로 생성되고,
타우로카르밤산(H2NCONHCH2CH2SO3H)으로 소변 중에 배출된다.
<그림3> 타우린의 체내 배출(위키백과)〉
○ L-카르니틴
○ 화학식 : C7H15NO3
○ 분자량 : 161.199 g/mol
○ 녹는점 : 211 °C
○ 밀 도 : 0.64 g/cm3
<그림4> 카르니틴(위키백과)
- 예전 명칭은 비타민 BT(영어: vitamin BT)였다.
- 원래 갈색거저리를 위한 성장 인자(Growth factor)로 발견되었다.
- 염기성 아미노산 라이신과 메티오닌, 그리고 NH4+(암모늄 이온)을 포함하고 있는 비타민B 복합체 중 하나이다.
- 백색 또는 엷은 황색의 결정성 분말로 특이한 냄새가 있는 강화제이다.
- 육류단백질에서 추출하며 횡문 근육과 간에 존재하고 어린이 영양강화제로 사용한다.
○ 과라나
○ 원어명 : Guarana
○ 학 명 : Paullinia cupana
○ 계 : 식물계
○ 문 : 속씨식물문
○ 강 : 쌍떡잎식물강
○ 목 : 무환자나무목(Sapindales)
○ 과 : 무환자나무과(Sapindaceae)
<그림5> 과라나(위키백과)
- 브라질과 파라과이의 아마존 밀림 지대에서 자라는 덩굴식물 또는 그 열매.
- 씨앗은 커피보다 천연 카페인 함량이 높아(커피 : 1~2%, 과라나 : 4~5%)각성효과가 뛰어나 민간 요법에서 주요 약재로 쓰였다.
- 씨앗은 햇빛에 말려 커피콩처럼 볶아 분말 형태로 만든 후 물에 섞어 음료 형태로 마셨다. 전통적으로 부종, 설사, 해열, 혈액순환, 두통, 관절 통증 완화를 위한 민간 약재로 사용해왔다. 높은 카페인 함량으로 신경계를 자극하여 각성효과가 뛰어나다.
- 과라나 씨앗 추출물은 비타민 A, E, B1, B3, P를 함유하여 눈에 좋고 피로 개선에도 도움을 준다. 칼슘, 마그네슘, 철분 등의 미네랄과 셀레늄, 스트론튬, 아미노산도 포함 되어 있다.
- 과라나에서 추출한 ‘과라닌(Guaranine)’은 신경계를 자극하지 않는 천연 카페인 성분 으로 운동신경 향상, 만성피로 해소, 식욕 억제 효과가 있다고 하여 액기스와 캡슐, 분말, 에너지 음료 등 다양한 형태로 시판된다.
<그림6> 과라나분말(과위키백)
2. 연구주제의 선정
○ 학교 내 과제연구 시간에 주제를 선정하는 과정에서 환경문제에 대한 주제를 선정하기 로 결정.
○ 대표적인 환경문제 중 분해가 잘 이루어지지 않는 스티로폼에 대해서 집중하게 됨.
○ 스티로폼에 대한 자료수집 중 밀 웜이라는 애벌레가 스티로폼을 분해한다는 사실을 접하게 됨
○ 초기에는 밀 웜이 스티로폼을 분해하고 배설한 배설물이 토양에 해를 끼치는지에 대해 궁금증을 가지게 됨.
○ 선행연구를 진행하고 정보조사를 하면서 밀 웜의 소화기관 내에 소화효소가 박테리아 를 이용해 스티로폼을 분해한다는 사실을 알게 됨.
○ STEAM R&E참가 이후 탐구 주제를 ‘밀 웜 장내박테리아의 스티로폼 분해 작용의 최적조건 탐색’으로 선정하고 밀 웜 체내의 박테리아 발견을 중심으로 실험을 계획
○ 중간 발표 이후 ‘밀 웜의 장내박테리아’ 에서 ‘밀 웜의 활동성’ 으로 방향을 바꾸고, ‘각성제투여’ 라는 새로운 주제를 넣어 지금의 실험을 계획
○ 주제탐색의 방향성 계획을 위해 주기적으로 모여 이야기를 나누었으며, 실험진행, 보고서작성, 실험기록, 물품구매와 같은 활동을 역할분담 하여 연구를 진행하였다.
3. 연구 방법
○ 스티로폼
- 기존에 사용했던 스티로폼 조각을 밀웜과 같이 넣는 방식이 아닌, 스티로폼 박스를 사용하여 밀 웜의 운동을 방해하지 않고 공간 확장의 효과를 가져와서 압사를 방지함.
- 밀 웜의 질량수를 맞추어 실험을 하는 방법이 아닌, 매 실험마다 밀 웜 500마리를 직접 측정하여 실험에 사용함.
- 실험 이후에 스티로폼과 밀 웜을 분리해내는 과정에서 스티로폼이 누락되는 문제 때문에 밀 웜이 스티로폼을 분해 한 후 배출하는 이산화탄소량을 중심으로 관찰하기 위해서 밀 웜과 스티로폼을 분리하지 않고 그대로 질량을 측정하는 방법을 사용함.
- 기존 실험에서 결과가 좋지 않았던 습도에 대한 실험을 삭제하고 약품 투여를 통한 실험을 새롭게 구성함
- 중간발표에서의 조언을 통하여 온도 설정 구간을 비교적 더 세밀하게 나눔
4. 연구활동 및 과정
○ 시행 착오 및 극복
- 밀 웜을 스티로폼 상자에 넣은 후 겉을 밀봉하지 않자 밀 웜들이 스티로폼 밖으로 나와 질량변화를 관찰하기 힘들었음
- 청 테이프로 겉표면을 막아 보았지만, 비교적 엉성한 청 테이프의 사이를 뚫고 나오는 문제 때문에 박스테이프를 사용하기로 결정
- 기존 측정 방식인 묽은 수산화나트륨의 pH변화량 또한 측정 방식으로 사용하려 하였으 나 큰 변화를 보이지 않아 측정방식에 적합하지 않음
- pH변화량을 측정방법에서 제거하여 기존 질량변화에 대한 탐색에 집중
- 약품들의 양을 1mol/L로 통일하여 넣었지만, 비교적 많은 양의 약품들이 들어가 밀 웜들이 죽는 문제가 발생함
- 각 약품별 1인 권장 섭취량의 따라 전체 섭취량의 0.01%를 투여함
- 실험에서 온도를 맞추는 방법이 제대로 이루어지지 않아 실험에 어려움을 겪음 - 새로운 실험도구인 배양기를 사용하여 설정온도를 정확하게 유지 할 수 있었음
<그림7> : 배양기 속 청 테이프로 감은 스티로폼 박스 <그림8> 묽은 수산화나트륨을 사용하는 실험
○ 실험 과정
1) 온도에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
① 밀 웜을 배치할 온도구간을 4가지로 나눈다. (30℃, 33℃, 36℃, 39℃)
② 스티로폼상자[가로×세로×높이: 310×235×180mm(외경), 270×200×120mm (내경)]표면을 박스테이프로 밀봉한 후, 질량을 측정한다.
<그림9> 스티로폼 박스의 질량 측정
③ 밀 웜(2cm~3cm)500마리를 세어 질량을 측정하고, 스티로폼 상자에 넣는다.
④ 스티로폼 상자의 결합부분을 테이프로 감고 숨구멍을 뚫어놓는다.
⑤ 온도가 맞추어진 배양기에 스티로폼 상자를 넣고 2일(48시간)동안 실험한다.
⑥ 2일 후 스티로폼상자를 잠시 열고 닫은뒤 무게를 측정한다.
<그림10> 밀 웜 500마리의 질량 측정
⑦ 4구간의 결과를 비교하여 최적조건의 온도를 찾아낸다.
<그림11> 배양기 속에서 실험 중인 스티로폼 박스 <그림12> 대조군 스티로폼 박스
2) 약품에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
① 현재 시중에서 사용되고 있는 에너지 음료의 성분을 분석하여 3종류의 성분(과라나 추출물(카페인), L-카르니틴, 타우린)을 선정한다.
② 스티로폼상자[가로×세로×높이 : 310×235×180mm(외경), 270×200×120mm (내경)]의 표면을 박스테이프로 밀봉한다.
③ 스티로폼상자 내부에 선정한 약품들의 수용액을 흩뿌린다.
- 타우린 : 0.2g/100ml중 1ml - 카르니틴 : 3g/100ml중 1ml
- 과라나 씨앗 가루 : 4g/100ml 중 1ml
<그림13> 타우린 수용액
④ 밀웜(2cm~3cm)500마리의 무게를 측정하고 스티로폼상자에 넣는다.
⑤ 스티로폼상자를 실온에 보관하고 2일(48시간)동안 실험한다.
⑥ 2일이 지난 후 스티로폼 박스의 감소한 질량을 측정한다.
⑦ 각 약품들을 비교하여 최적조건의 약품을 찾아낸다.
5. 가설 설정
○ 온도에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색 - 30℃부터 밀 웜의 활동성이 꾸준히 증가 할 것이다.
- 밀 웜의 신체는 단백질로 이루어져 있다. 따라서 단백질의 변형이 일어나는 어느 순간부터는 밀 웜의 활동성이 급격하게 낮아 질 것이다.
○ 약품에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색 - 약품을 넣은 밀 웜 상자들 모두 활동성이 증가 할 것이다.
- 약품 중에서도 과라나 씨앗 가루(카페인)가 활동성을 가장 크게 증가 시킬 것이다.
6. 월별 연구 추진 실적
내용 시기(월)
3 4 5 6 7 8 9 10 11
연구 팀 구성 주제 선정
선행 연구 조사 및 선행 논문 수집 연구 계획서 작성 밀 웜 체내 박테리아 탐구 명덕 STEAM R&E보고서 작성 STEAM R&E 중간발표 보고서 작성
추가 선행 연구 조사 및 논문 수집 연구 주제 재설정 및 실험 결과 분석 및 보고서 작성
Ⅲ. 연구 결과 및 시사점
1. 연구 결과
○ 온도에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
- 30℃부터 밀 웜의 활동성이 증가 하다가 39℃에서 변화량1.09g로 급격히 감소하였다.
- 36℃에서 변화량 2.92g으로 가장 많이 변화하였다.
30℃ 33℃ 36℃ 39℃
스티로폼(g) 122.52 127.08 126.86 125.48 밀 웜(g) 61.39 61.35 61.31 61.34
합(g) 183.91 188.43 188.17 186.82 실험결과(g) 182.59 185.76 185.25 185.73 질량변화(g) 1.32 2.67 2.92 1.09
0 1 2 3 4 변화량
30 33 36 39 온도 1.32
2.67 2.92 1.09 온도에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성
도 탐색
○ 약품에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
대조군 타우린 L-카르니틴 과라나 씨앗
스티로폼(g) 128.78 117.20 127.96 130.08
밀 웜(g) 61.39 61.43 61.32 61.36
약품(g) X 0.80 0.75 0.85
합(g) 190.17 179.43 190.03 192.29
실험 결과(g) 189.13 179.43 190.03 192.29
변화량(g) 1.04 0.98 2.06 2.20
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
변화량
대조군 타우린 L-카르니틴 과라나 씨앗 가루
약품
2.2
1.04 0.98
2.06 약품에 따른 밀 웜의 스티로폼 분해의 활성도 탐색
- 타우린을 투여 할 경우 오히려 대조군보다 변화량이 감소하는 모습을 보임.
- 과라나 씨앗 가루(카페인)을 넣은 실험의 변화량(2.20g)이 가장 크게 변화함.
2. 시사점
○ 온도가 밀 웜의 스티로폼 분해의 영향을 끼친다는 사실을 알게 되었다.(가설이 맞음)
○ 밀 웜의 신체 역시 단백질로 이루어져 있기 때문에 어느 정도의 온도(36℃)이상부터는 밀웜의 분해성이 감소함을 알아내었다.(가설이 맞음)
○ 우리가 먹는 에너지 음료의 성분들이 밀 웜의 스티로폼 분해의 영향을 끼친다는 것을 알게 되었다.(가설이 맞음)
○ 타우린의 경우, 밀웜의 분해성을 오히려 감소시킨다는 정보를 알게 되었다.(가설이 맞지 않음)
○ 밀 웜의 스티로폼 분해성을 가장 크게 증가시키는 약물은 과라나 씨앗(카페인)임을 알아내었다.
Ⅳ. 홍보 및 사후 활용
○ 밀 웜에게 투입 하는 약물의 종류가 에너지 음료의 성분에서 제한하였지만, 다양한 방면의 약품들을 사용해보고 싶다.
○ 사전조사에서 밀 웜 이외에도 버펄로 웜, 장수풍뎅이 애벌레 등 다양한 애벌레들의 결과를 볼 수 있었는데, 다른 애벌래 들과의 분해능 비교로 확장시킬 수 있을 것이라 전망
○ 기존 실험에 비해 실험기간을 대폭 늘이기는 하였지만, 훨씬 더 길게 계획하면 큰 규모의 실험결과를 얻을 수 있을 것이라고 전망
Ⅴ. 참고문헌
○ 권오길(2015). 플라스틱 소화시키는 '식량곤충'
http://www.kyosu.net/news/articleView.html?idxno=31923
○ 김현아, 김하연, 최호진(2016). 애벌레를 이용한 플라스틱 분해 세균 연구 - The 5 th Microbiology Research Festival for High School Students.17(5)
http://www.msk.or.kr/msk/MRF/2016_MRF.pdf
○ 네이버 지식백과 과라나 (두산백과)
○ 네이버 지식백과 : 타우린 [taurine, Taurin, β-Aminoäthan-α-sulfonsäure]
(화학대사전, 2001. 5. 20., 세화)
○ 박영규, 최영철, 이영보, 이상현, 이준석, 강승호(2012). 갈색거저리, Tenebrio molitor L.(Coleoptera: Tenebrionidae)의 산란수, 수명, 발육기간 및 번데기 중량 http://ocean.kisti.re.kr/downfile/volume/ksss/JSHHBX/2012/v50n2/JSHHBX_2012_v50
n2_126.pdf
○ 안진준, 임선아(2013). 카페인! 타우린! 얼마나 알고 계신가요?
http://biology.khu.ac.kr/contents/bbs/bbs_content.html?bbs_cls_cd=004010&cid=1306 1510593985&bbs_type=B
○ 이영환(2015). 대표적 환경오염 물질 '스티로폼' 먹어치우는 애벌레 발견 http://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2015/10/05/2015100500085.html
○ Rob Jordan(2015). Plastic-eating worms may offer solution to mounting waste, Stanford researchers discover
http://news.stanford.edu/pr/2015/pr-worms-digest-plastics-092915.html
○ Steven D. Ehrlich(2014).Carnitine (L-carnitine) : university of Maryland Medical Center
http://umm.edu/health/medical/altmed/supplement/carnitine-lcarnitine
