< 연구 결과요약서 >
소속학교 한민고등학교 책임 지도교사 박O우
참여학생 강O진, 윤O솔, 이O인, 조O진
과 제 명 꿀벌부채명나방의 유충을 이용한 플라스틱 분해 시스템 구축에 관한 연구
연구목표
꿀벌부채명나방의 유충(이하 왁스웜)이 폴리에틸렌을 분해하는 사실을 활용하여 폐플라스틱을 현재 처리 방식(소각, 매립)보다 활경에 덜 유해하게 분해하는 방법을 탐색한다. 나아가 왁스웜의 플라스틱 분해 효율이 가장 높은 생장 환경을 찾아 이를 적용한
간이 플라스틱 분해 시스템을 구축한다.
연구내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 왁스웜 : 꿀벌부채명나방의 유충, 전국에 국지적으로 분포하며, 성충은 8~9월 경에 출현한다. 또한, 꿀벌부채명나방은 꿀벌의 페로몬이나 언어를 모방하여 자유롭게 벌집을 들락날락 거리며 벌들의 꿀, 밀라, 꽃가루, 유충 등 둥지의 모든 구성물을 먹어 치울 뿐만 아니라 꿀벌의 둥지 안에 들어가 종횡으로 굴을 만들어 가해하여 큰 피해를 주기 때문에 꿀벌의 개체 수 감소에 큰 영향을 미친다. 또한 이 유충인 왁스웜은 폴리에틸렌을 분하여 에틸렌글리콜로 변환시킨다는 사실이 연구된 바 있다.
○ 선행연구
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 소모임 활동 중 환경 문제에 대한 토론을 진행하게 되었고 이 과정에서 폐플라스틱의 여러 가지 문제점을 인식하게 되었다. 이에 기존의 플라스틱 분해 방식의 문제점인 시간·비 용에 대한 낮은 경제적 효율과 환경 호르몬 배출 등을 해결하고자 자연에 무해한 플라스틱 분해 방식에 대해 알아보고자 했다. 조사를 통해 밀웜의 장내에 스티로폼을 분해하는 효소가 서식하고 있음을 알게 되었고 이를 통해 미생물의 쓰레기 분해 효과에 대해 조사했
Carina Weber, Stefan Pusch, Till Opatz, Bombellietal.
Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella, Current Biology, Elsevier, 24 April 2017
- 벌꿀부채명나방의 유충에 의한 폴리에틸렌 분해 가 능하다.
- 벌꿀부채명나방의 유충이 폴리에틸렌을 분해하는 이 유를 찾기 위해, 화학적 소화제와 같은 미세 분석 물 질을 포함한 실험을 진행했다.
- 벌꿀부채명나방의 유충, 즉 웍스웜이 플라스틱을 에 틸렌글리콜로 변환시킨다.
밀웜의 스티로폼 분해과정에 관한 탐구, 임우열, 손윤수, 정 숙임, 제 62회 전국과학전람회 교원부분, 2016
- 밀웜은 25~30℃에서 스티로폼 분해가 가장 활발하게 일어난다. 또한 적정온도에서 벗어나 온도가 20℃보다 낮아질수록 혹은 30℃이상으로 높아질수록 밀웜의 스 티로폼 분해량 및 생장율이 현저하게 낮아진다. - 광주기별 밀웜의 생장을 비교해볼 때, 조도가 400lx 의 환경이 800lx에 비해서 밀웜의 스티로폼 분해가 더 욱 활발하게 일어났으며, 빛에 의한 노출시간은 밀웜 의 스티로폼 분해에 어느 정도 영향을 미치지만 다른 요인(온도, 습도)에 비하면 그 정도가 적음을 발견했 다.
다. 이 과정에서 밀웜보다 플라스틱 분해 효율이 좋은 꿀벌부채명나방의 유충에 대해 알게 되었다. 이러한 이유로 폐플라스틱의 새로운 분해 방식을 고안하기 위해 왁스웜을 이용한 연구를 주제로 선정하게 되었다.
○ 왁스웜이 플라스틱을 가장 잘 분해할 수 있는 환경을 조성하여 최적의 생장환경을 제공하고, 이용한 플라스틱 분해 시스템을 구축하기 위하여 이러한 시스템을 전용한 간이 플라스틱 분해 시설을 제작한다.
□ 연구 방법
○ 가설을 설정하여, 각 가설에 맞는 실험을 설계하고 진행하여 관찰한 자료를 분석하여 결론을 도출하는 방법으로 연구를 진행한다.
○ 설정한 가설을 다음과 같다. 각 가설에서 설계된 실험을 진행할 시에는 변인통제 에 유의한다.
- 가설 1. 왁스웜은 플라스틱만 먹고 살 수 있다.
- 가설 2. 왁스웜은 상온(15℃)에서 플라스틱을 가장 효율적으로 분해한다.
- 가설 3. 왁스웜은 광조사에 따라 플라스틱 분해율이 달라진다.
- 가설 4. 왁스웜은 광주기에 따라 플라스틱 분해율이 달라진다.
※ 제한점 : 변인을 완벽하게 통제하기 어려움으로 일정한 범위를 정해 진행한다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 실험의 변인 및 환경 통제를 위한 아두이노를 제작하였다.
○ 효율적인 실험 수행을 위해, 통제가 불가능한 습도 실험과 먹이의 배합 실험을 삭제하고, 온도의 급간을 늘렸다. 단, 온도 실험의 경우 가장 효율이 좋은 급간을 세분화하여 실험을 진행하기로 하였다.
○ 왁스웜의 활동성 및 나방 변태 시기와 환경을 파악하기 위한 관찰을 진행하였다.
○ 왁스웜의 폴리에틸렌 분해 기작을 파악하기 위해, 왁스웜을 갈아 비닐봉지에 도포했다.
○ 해부침을 이용해 분리한 장을 알코올로 소독한 뒤, 클린벤치 안에서 왁스웜을 장을 한천배지에 도포하였다. 한천배지를 36.4℃의 배양기에서 일주일간 배양하여 관찰하였다.
○ 가설 1에 의한 실험 진행을 위해 왁스웜을 폴리에틸렌만 먹인 뒤, 5일간 방치하 였다.
○ 가설 2에 의한 실험 진행을 위해 냉장고(0~5℃), 실온(5~15℃), (15~20℃), (25~30℃)에서 온도를 제외한 모든 변인을 통제한 뒤, 왁스웜의 폴리에틸렌 분해 효율을 관찰하였다.
○ 가설 3에 의한 실험 진행을 위해 전구를 0개, 1개, 2개, 3개로 설정하여 이를 제 외한 모든 변인을 통제한 뒤, 왁스웜의 폴리에틸렌 분해 효율을 관찰하였다.
○ 가설 4에 의한 실험 진행을 위해 전구를 24시간 중 0시간, 6시간, 12시간, 18시 간, 24시간 동안 켜놓고 이를 제외한 모든 변인을 통제한 뒤, 폴리에틸렌 분해 효율 을 관찰하였다.
연구성과
□ 연구 결과 및 해석
○ 왁스웜의 분해 기작 파악 결과, 아무런 변화가 일어나지 않은 것은 변인 및 환경통제가 미흡하였기에 결론을 도출할 수 없었다.
○ 왁스웜의 장 배양 결과, 아무런 미생물 콜로니를 관찰할 수 없었던 것은 과도한 알코올의 사용, 배양온도의 불확실하였고 lB배지가 아닌 한천 배지를 사용하였기 때문에 결론을 도출할 수 없었다.
○ 왁스웜 방치 결과, 왁스웜이 살아있음을 통해 왁스웜이 플라스틱만 먹고 살 수 있다는 결론을 도출하였다.
○ 가설2~가설4의 실험 결과 왁스웜은 25~30℃정도의 암실상태에서 플라스틱을 가 장 효율적으로 분해하는 것으로 확인하였다,
□ 결론 및 제언 (시사점 및 향후 계획)
○ 연구 활동에서의 학습효과를 거둘 수 있었다.
실험 상자를 설계 및 제작하며 아두이노에 대해 배울 수 있었다. 또한 왁스웜을 해부 및 미생물을 배양시키는 과정에서 곤충을 분해하는 법, 미생물을 배양시키는 방법에 대해 학습하였다.
○ 환경보존을 위한 플라스틱 분해 방식에 새로운 해결방안을 제시할 수 있다.
기존의 플라스틱 분해 방식은 환경에 많은 피해를 끼치고 있다. 토양 오염, 수질 오염, 대기 오염 등 생태계 파괴의 주범이 되기도 하는데, 이번 연구 및 왁스웜의 특성을 잘 활용한다면 기존 방식의 문제점에 새로운 해결방안을 제시할 수 있을 것으로 예상된다.
○ 교내에서 발생되는 폐플라스틱을 분해할 수 있다.
연구 결과물인 간이 플라스틱 분해 시스템으로 교내 및 기숙사에서 발생되고 있는 폐플라스 틱을 직접 분해시킨다. 또한 플라스틱 사용에 대한 캠페인을 진행함으로써, 학생들이 플라 스틱의 분해 시간 및 비용, 환경에 미치는 영향을 배우고 왁스웜이 플라스틱을 분해하는 모습을 직접 관찰하며 잦은 플라스틱 사용이 환경에 미치는 피해에 대해 각인시켜 줄 수 있다.
주요어
(Key words) 꿀벌부채명나방, 왁스웜, 폴리에틸렌(PE), 플라스틱 분해, 아두이노
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 21세기 현대 사회에서 플라스틱은 살아가는데 꼭 필요한 필수품에 이르렀다. 통계청에 따르면 주요 국가 1인당 플라스틱 소비량 조사에서 한국인들의 플라스틱 소비량이 연간 98.2kg으로 가장 높은 비율을 차지했다. 그 중 폴리에틸렌을 주원료로 하는 플라스틱은 값싸 고 튼튼하여 비닐봉지부터 섬유까지 다양하고 폭넓은 분야에서 사용되고 있으며 잇따라 폐플라스틱도 증가하고 있다.
오늘날 폐플라스틱을 처리하는 방식으로는 소각, 매립 등이 쓰인다. 플라스틱을 소각하는 방식은 많은 양의 플라스틱을 빠른 시간에 처리할 수 있다는 장점이 있지만 변환 과정에서 다이옥신과 같은 잔류성 유기오염물질을 배출한다는 치명적인 단점이 있다. 두 번째 방식은 현재 가장 많이 쓰이고 있는 매립이다. 폐플라스틱을 매립시키면 생물분해가 되지 않아 매립지 내부에 잔류하여 토지의 수명이 단축되고 지반이 불안정한 상태가 된다. 또한 부패성 물질이 들어있는 상태로 매립될 경우 악취, 가스발생 및 오수 침출의 문제가 발생한다. 결과적 으로 폐플라스틱을 기존의 방식대로 처리하게 되면 이산화탄소와 같은 온실효과를 야기하는 물질이 배출되고, 이에 따라 지구온난화가 가속화 되는 문제가 발생한다.
< Fig.1 주요 국가 1인당 플라스틱 소비량(kg), 2006 통계청 자료 >
기숙사 학교인 만큼 교내, 사내에서 발생되는 쓰레기의 양이 매우 방대하다. 쓰레기의 대부분은 학생들이 먹고 버린 음료수, 과자 봉지 등 플라스틱 쓰레기가 가장 많은 부분을 차지한다. 이를 문제 삼아 우리는 교내에서 발생되고 있는 폐플라스틱을 자체적으로 분해하 고자 하였고, 학생들에게 해를 끼치지 않으면서도 환경에 무해한 분해 방식을 모색해보고자 이번 연구를 진행하게 되었다.
< Fig.2 왁스웜이 비닐을 먹어 구멍이 난 모습, 스페인 국립과학위원회 >
기존의 플라스틱 분해 방식의 문제점인 시간·비용에 대한 낮은 경제적 효율과 환경 호르몬 배출 등을 보완할 수 있는 플라스틱 분해 방식을 모색하였고, 조사를 통해 밀 웜의 장내 미생물이 스티로폼을 분해한다는 사실을 알게 되었다. 나아가 최근 발견된 꿀벌부채명나방의 유충(이하 왁스웜)이 밀웜보다 높은 효율로 플라스틱을 분해한다는 연구 결과를 접하게 되었다. 나아가 우리는 이러한 왁스웜이 플라스틱을 가장 효율적 으로 분해하는 환경을 찾아 그 환경을 토대로 플라스틱 분해 시스템을 구축하고자 이 번 연구를 진행하게 되었다.
□ 연구범위
○ 연구 분야 : 환경공학, 컴퓨터공학
○ 연구 방향 : 꿀벌부채명나방 유충의 폴리에틸렌 분해 최적 환경 파악 → 간이 플라스틱 분해 시스템 구축
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구 ○ 이론적 배경
1) 미생물 배양의 선행과정 가) 배지
미생물을 포함한 지구의 모든 생명체는 삶을 유지하고 성장하는데 필요한 에너 지와 세포 구성성분을 요구한다. 이 조건을 반영한 배지는 미생물이 살아가는데 필요 한 영양분을 인위적으로 공급하여 미생물을 배양하는 도구이다. 이때, 배지는 배양하 고자 하는 미생물의 종류에 따라 분류되어있으며 필요한 배지를 적절하게 선택할 수 있어야한다.
① 배지의 조성원에 따라
배지는 배지의 조성원에 따라 두 가지로 분류하며 이때 배지는 자연산물을 이용 한 자연배지와 화학 성분의 영양분을 이용한 합성배지로 나뉜다.
② 배지의 사용목적에 따라
배지는 배지의 사용목적에 따라 세 가지로 분류하며 이때 배지는 선택배지, 감별 배지, 증식배지로 나뉜다. 특정한 미생물 성장을 도모하기 위해서는 선택배지가 한 종의 미생물을 구별하기 위해서는 특수한 생화학적 지시약을 넣은 감별배지가 사용된다. 또한, 다양한 미생물을 배양하고 싶은 경우에는 증식 배지를 사용하는 데 증식배지는 미생물이 잘 자랄 수 있도록 영양분을 첨가하여 만든다.
나) 멸균(Sterilization)
멸균이란 살아있는 미생물을 제거하고 균류가 존재하지 않는 무균 상태를 의미 한다. 멸균 방법으로는 고압증기멸균법을 사용하며 고압증기멸균법이란 ‘세균의 내 성포자를 없애기 위해 100℃ 이상에서 높은 증기압으로 멸균해야한다.’ 라는 미생물 학에 근거한 방법으로서 밀폐된 용기(Autoclave)내에서 가압증기를 121℃와 2 atm로 고정한 후 약 15분 정도 진행된다.
2) 미생물의 배양법
가) 미생물의 접종 (Inoculation)
미생물의 접종이란 배지에 미생물을 접촉시키는 행위로 이때 배지는 미생물이 증식할 수 있는 환경을 갖추어야 한다.
나) 미생물의 배양 (Incubation)
미생물의 배양이란 접종시킨 배지안의 미생물 개체를 성장 및 번식하는 과정이 다. 배양과정에서 콜로니를 볼 수 있는데 콜로니는 육안으로 확인이 가능한 미생물 집단으로 배양을 통해 성장 및 번식하여 미생물이 동그랗게 형성된 것이다.
다) 미생물의 분리 (Isolation) - 순수 분리 배양 (획선평판법 이용)
순수배양이란 단일 종의 미생물 집단이 있는 상태이다. 순수배양은 특정 미생물 의 기본 형태와 구조, 대사산물, 다른 미생물과의 상호관계 등을 파악하기 위해 이루 어지는데 이는 단일 종의 미생물 집단을 얻기 위한 작업이다. 순수분리 배양을 위해 사용하는 획선평판법(Streaking)은 분리하고자 하는 미생물의 콜로니를 멸균된 백금 위에 접촉시켜 고체배지의 한쪽에서부터 S자형으로 도말하는 방법이다.
3) 밀웜
: 갈색거저리의 유충, 갈색거저리의 몸은 어두운 갈색이며 길이는 약 15mm의 곤충 으로 갈색쌀거저리라고도 불린다. 밀웜은 번데기가 되기까지 먹이와 온도에 따라 9∼
20번 탈피한다. 번데기가 되고 2∼3주가 지나면 성충으로 우화하며 처음으로 우화할 때에는 연한 갈색이나 점차 검게 변한다. 성충은 야행성으로 낮에는 구멍 속에 숨어 지내다가 밤에 활동한다. 주로 인가 근처의 곡식부대 속에서 유충으로 월동하다가 봄 에 번데기와 성충으로 변태한다. 곡식의 해충으로 유명하며 최근 동물원에서 새나 고 슴도치와 같은 작은 동물의 먹이로 많이 기르고 있다. 한국을 비롯하여 전 세계에 분 포한다. 최근, 유충인 밀웜의 장내 박테리아가 폴리스티렌을 분해한다는 사실이 연구 되었다.
< Fig.3 밀웜 >
4) 왁스웜
: 꿀벌부채명나방의 유충, 꿀벌부채명나방의 수컷은 작고 앞날개가 황갈색을 띠며, 암컷은 크고 앞날개가 암갈색을 띤다. 앞날개 외연은 오목하게 함입되어 있다. 뒷날 개는 회백색을 띠며, 외연부는 암갈색을 띤다. 전국에 국지적으로 분포하며, 성충은 8 월~9월경에 출현한다. 또한, 꿀벌부채명나방은 꿀벌의 페로몬이나 언어를 모방하여 자유롭게 벌집을 들락날락 거리며 벌들의 꿀, 밀랍, 꽃가루, 유충 등 둥지의 모든 구 성물을 먹어치울 뿐만 아니라 꿀벌의 둥지 안에 들어가 종횡으로 굴을 만들어 가해 하여 큰 피해를 주기 때문에 꿀벌의 개체 수 감소에 큰 영향을 미친다. 그리고 이의 유충인 왁스웜이 플라스틱을 분해하여 에틸렌글리콜로 변환시킨다는 사실이 연구되 었다.
< Fig.4 왁스웜 >
5) 폴리에틸렌
: 에틸렌의 중합으로 생기는 사슬 모양의 고분자 화합물이다. 에틸렌은 달콤한 냄새 와 맛을 지닌 무색의 가스이며 공기보다 가볍다. 쉽게 점화되고 불길은 쉽게 누출원 으로 다시 역화 할 수 있다. 화재나 열에 장시간 노출되면 용기가 심하게 파열되어 치솟을 수 있으므로 폭발의 원인이 될 수 있다. 이는 각종 용기, 포장용 필름, 섬유, 파이프, 패킹, 도료 등에 사용된다. 버킷·컵 등은 압출성형으로 만들어지고, 공업 약 품용 용기, 액체세제 용기 등은 중공성형으로 만들어진다. 섬유는 데니어당 9g의 높 은 인장력을 가지며, 주로 공업용 로프 등이 만들어진다. 최근에는 포장용 필름이 많 이 생산된다.
< Fig.5 폴리에틸렌의 분자구조 >
6) 아두이노
: 아누이노란 오픈 소스를 기반으로 만들어진 단일 보드 마이크로컨트롤러로 완성 된 보드와 관련 개발 도구 및 환경을 의미한다. 아두이노의 경우 번거로운 과정을 거 쳐야하는 기존의 시스템(AVR 프로그래밍)과는 달리 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 쉽게 업로드 할 수 있어 비교적 간단하게 마이크로컨트롤러를 동작시킬 수 있다는 장점이 있다. 아두이노 보드의 회로도가 CCL에 따라 공개되어 있어 누구나 직접 보 드를 만들고 수정할 수 있다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들 여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다.
○ 선행 연구
주로 비닐로 사용되는 폴리에틸렌은 고분자 플라스틱 화합물로서 현재 매립이나 소각과 같은 방법을 통해 처리하고 있으나 단단한 화학결합 때문에 열에 강하고 쉽게 분해되지 않으며 처리 과정에서도 대기오염, 토양오염 등 수많은 환경오염을 야기한다. 현재 고분자 플라스틱 화합물은 전체 플라스틱 생산량의 약 40%를 차지하고 있다. 매년 약 1조개가 넘는 폴리에틸렌 비닐봉지가 사용되며 이중 재활용되고 있는 경우는 26%, 36%는 여기저기 서 태워져 대기를 오염시키고 있으며, 38%는 쓰레기 매립장 혹은 산과 강, 바다 등에 버려져
50년이 지나도록 썩지 않은 채 환경오염을 유발하며 인류에게 친환경적으로 플라스틱을 분해하기라는 커다란 숙제를 주었다.
이러한 상황 속에서 영국 케임브리지 대학 연구진과 스페인 국립 연구 위원회 소속의 베르토치니 박사 연구진은 벌집 통을 관리하던 중 폴리에틸렌 즉, 비닐을 먹는 애벌레를 발견하였다. 연구진의 논문인 Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella, Current Biology 에 의하면 “꿀벌 부채 명나방의 유충인 왁스웜이 폴리에틸렌을 먹고 소화하여 에틸렌글리콜로 분해하는 것을 확인했으며 장내 공생세균에 서 나오는 것으로 추정하는 무언가가 화학적 연결을 끊으며 분자 프로세스를 파악하고 해당 효모를 분리하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.”라고 밝혔다. 연구진들은 왁스웜의 플라스틱 분해 능력을 시험하기 위해 40분 동안 100마리의 왁스웜에게 비닐 봉지를 준 결과 왁스웜은 상당한 크기의 구멍을 냈으며 12시간 후 비닐 봉지는 1/6 정도로 무게가 줄어 92mg이 되었다.
또한 논문에서 연구진들은 왁스웜이 폴리에틸렌을 먹고 소화시키는 과정에서 왁스웜 의 내장에는 아무런 손상이 없었다고 밝혔다. 한편, 왁스웜은 세계 전역에 분포하는 만큼 번식력이 강하며 저온에서 아무 것도 먹지 않는 상태로 상당 기간 버틸 수 있 을 만큼 생명력이 강한 생물이다. 새나 파충류와 같은 애완동물의 먹이로 흔히 키우 는 기생 유출이 쓰레기 섬이라는 재앙으로부터 인류를 구해낼지도 모른다.
아두이노를 이용하여 밀웜의 생장환경을 조사한 논문인 ‘밀웜의 스티로폼 분해과 정에 관한 탐구(임우열.2016)’에서 25~30℃에서 스티로폼의 분해가 가장 활발하게 일 어났으며 20℃에서 낮아지거나 30℃ 이상으로 높아질수록 밀웜의 스티로폼 분해량 및 생장률이 현저하게 낮아졌다. 논문에 의하면 밀웜의 경우 습도 변화에 대한 적응 력은 뛰어나지만 건조할 경우 탈피에 부정적인 영향을 준다고 한다. 밀웜은 스티로폼 분해환경으로 61-70%가 적정 습도구간이며 적정 습도구간의 습도보다 높을 경우 곰 팡이 등이 생겨 밀웜의 생장에 영향을 미칠 수 있다고 한다. 광주기별 밀웜의 생장을 비교해볼 때, 조도가 400lx의 환경이 800lx에 비해서 밀웜의 스티로폼 분해가 더욱 활 발하게 일어났으며, 빛에 의한 노출시간은 밀웜의 스티로폼 분해에 어느 정도 영향을 미치지만 다른 요인(온도, 습도)에 비하면 그 정도가 적음을 발견했다.
□ 연구주제의 선정
○ 소모임 활동 중 환경 문제에 대한 토론을 진행하게 되었고 이 과정에서 폐플라스틱의 여러 가지 문제점을 인식하게 되었다. 이에 기존의 플라스틱 분해 방식의 문제점인 시간·비 용에 대한 낮은 경제적 효율과 환경 호르몬 배출 등을 보완한 분해 방식에 대해 논의 및 조사를 진행하던 도중 밀웜의 스티로폼 분해 사실에 대해 알게 되었다. 조사를 통해 밀웜의 장내에 스티로폼을 분해하는 효소가 서식하고 있음을 알게 되었고 이를 통해 미생물의 쓰레
기 분해 효과에 대해 추가 조사를 진행하던 도중 밀웜보다 분해 효율이 높은 왁스웜을 접하게 되었고, 이 왁스웜을 이용하여 간이 플라스틱 분해 시스템을 구축하고자 하였다. 연구 진행 과정에서 실험의 결과값을 정확히 도출해 내기 위하여 아두이노를 활용하기로 하였고, 이를 위해 본교 학생에게 자문을 구하여 도움을 받았다.
□ 연구 방법
○ 본 연구는 가설을 설정하여, 각 가설에 맞는 실험을 설계하고 진행하여 관찰한 자료를 분석하여 결론을 도출하는 방법으로 연구를 진행한다.
○ 연구의 과정은 다음과 같다.
○ 아두이노 장치를 설계 및 설치에 관해서는 아두이노 및 코딩 관련 수업을 수강하 여 이를 다룰 수 있는 한민고등학교 최OO 학생(18)에게 자문을 구하여 진행하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 실험 준비
1) 실험상자 제작 과정 1) 문제인식
플라스틱 쓰레기 처리에 대한 문제점을 인식하고, 이를 왁스웜을 이용하여 해결하 고자 하였다.
2) 가설설정
연구를 위해 설정한 가설은 다음과 같다.
- 가설 1. 왁스웜은 플라스틱만 먹고 살 수 있다.
- 가설 2. 왁스웜은 상온(15℃)에서 플라스틱을 가장 효율적으로 분해한다.
- 가설 3. 왁스웜은 광조사에 따라 플라스틱 분해율이 달라진다.
- 가설 4. 왁스웜은 광주기에 따라 플라스틱 분해율이 달라진다.
3) 실험설계
각 가설에 대한 실험을 설계한다. 실험 설계 시에는 정확한 변인통제를 위해 아두 이노 장치를 함께 설계한다.
4) 실험 준비 및 수행
실험 진행 시에는 변인통제에 유의하고, 완벽한 변인 통제에는 어려움이 있으므로 일정한 범위를 정해 통제한다.
5) 자료해석
실험 및 관찰 결과 도출된 자료를 표, 그래프 등으로 도식화하고, 이를 해석한다.
6) 결론 도출
자료 해석을 통해 결론을 도출한다.
가) 실험상자 제작 방법
- 30x15x20(cm)의 수조를 하드보드지로 4분할하여 실험상자로 제작하였다.
- 실험 상자는 7개로 제작하였다.
- 활동량이 큰 왁스웜의 특성을 고려하여, 수조의 윗 부분에 루바망을 이용하여 천장을 설치하였다.
나) 실험상자 제작 과정
< Fig.8 루바망 천장 부착 > < Fig.9 루바망 천장을 부착한 최종 실험상자 >
2) 아두이노 설계 및 설치 과정
- 실험의 변인 및 환경 통제를 위한 아두이노를 설계하였다.
< Fig.10 아두이노 설계 모식도 > < Fig.11 아두이노 설계도 >
< Fig.7 루바망 천장 제작 >
< Fig.6 1차 실험상자 제작 >
< Fig.12 아두이노 설치 모습 > < Fig.13 전광판 설치 >
< Fig.14 아두이노 설계 모식도 > < Fig.15 아두이노 설계도 >
< Fig.16 열선 설치 > < Fig.17 아두이노 보드 설치 >
< Fig.18 아두이노를 설치한 실험상자 (조명 off) >< Fig.19 아두이노를 설치한 실험상자 (조명 on) >
○ 실험 수행
1) 왁스웜의 활동성 및 나방 변태 시기와 환경 파악을 위한 관찰 실험 가) 실험 방법
① 실험상자에 넣어 5일간 관찰한다.
② 왁스웜의 활동성과 고치를 짓는 시기나 장소와 같은 습성을 파악한다.
③ 위 실험결과를 바탕으로 실험상자의 구조나 실험을 수정한다.
나) 실험 결과
① 왁스웜이 예상보다 과하게 활동적인 모습을 보였다. 따라서 실험상자의 각 칸을 마구 넘나드는 것을 방지하기 위하여, 천장을 루바망으로 만들어 덧대었다.
② 왁스웜이 예상보다 많이 고치를 짓는 습성을 보였다. 따라서 왁스웜이 고치를 가장 적게 짓는 온도인 냉장고(0~5℃)에서 보관하였다.
2) 왁스웜의 폴리에틸렌 섭취로 생존 가능 여부 확인을 위한 관찰 실험 가) 실험 방법
① 왁스웜 20마리에게 전용 사료나 먹이 대신 플라스틱만을 제공한다.
② 성장과정을 관찰하고, 기록한다.
③ 그 결과, 살아남은 왁스웜의 수를 확인한다.
나) 실험 결과
- 실험 결과, 죽은 왁스웜은 1마리였으며, 다음 사진과 같이 폴리에틸렌을 섭취하였다.
< Fig.20 왁스웜의 폴리에틸렌 섭취 결과 >
3) 왁스웜의 분해 기작 파악 실험
3-1) 왁스웜을 갈아서 비닐봉지에 도포하는 실험 가) 실험 방법
① 왁스웜을 믹서기로 분쇄한다.
② 왁스웜의 크기가 작아 믹서기로 분쇄가 불가능하다면, 막자 사발로 직접 왁스웜을 간다.
③ 간 왁스웜을 비닐봉지에 도포하여, 3일간 방치한다.
④ 3일 뒤, 왁스웜을 도포한 비닐봉지를 확인한다.
나) 실험 과정
< Fig.21 믹서기로 왁스웜 분쇄 시도 > < Fig.22 왁스웜을 막자사발로 직접 간 모습 >
< Fig.23 간 왁스웜을 비닐봉지에 도포 > < Fig.24 왁스웜을 도포한 비닐봉지를 3일간 방치 >
다) 실험 결과
- 실험 결과, 간 왁스웜을 도포한 비닐봉지 부분이 쭈글쭈글해졌다.
< Fig. 25 도포한 왁스웜을 3일간 방치한 결과 > < Fig.26 도포한 왁스웜을 물로 씻어낸 결과 >
3-2) 왁스웜의 장 미생물 배양 실험 가) 실험 방법
① 왁스웜을 해부하여 내장을 추출한다
② 추출한 장을 알코올로 소독한 뒤, 배지에 도포한다
③ 장 내에 미생물이 배양될 수 있도록 매스로 장을 터뜨린다
④ 배지를 실링테이프로 감싸고, 36.7℃의 배양기에 일주일간 배양시킨다
⑤ 일주일 후에 배양시킨 배지를 확인한다.
나) 실험 과정
< Fig.27 왁스웜 15마리의 장 추출 > < Fig.28 추출한 장을 배지에 도포 >
< Fig.29 36.7℃의 배양기에 배양 > < Fig.30 배양시킨 지 일주일 경과 후 모습 >
다) 실험 결과
- 일주일 뒤 배양기에서 배지를 꺼내 확인해 본 결과, 콜로니가 생성되지 않았다.
정확한 이유를 파악하지 못하였지만, 한천배지 위에 배양 시킨 것을 가장 큰 이유로 추측하고 있다.
4) 왁스웜의 온도에 따른 폴리에틸렌 분해 효율 확인 실험 가) 실험 방법
① 실험상자를 4개를 만든다.
② 각각의 실험상자를 0~5, 5~15, 15~20, 20~25, 25~30℃로 설정한다. 온도는 정밀한 측정을 위해 온도센서를 이용한 아두이노를 설치한다.
③ 단, 온도 이외에 습도는 50~55%, 광조사 양은 각 실험상자마다 전구 개수를 0,1,2,3 개로, 광주기는 24L로 일정하게 통제한다. 이 또한 설치된 광센서, 습도센서를 이용하여 아두이노로 측정 및 조절한다.
④ 각 칸마다 왁스웜 10마리와 비닐봉지를 넣고, 일주일 후 비닐봉지의 감소량을 측정 하여 기록한다.
⑤ 관찰한 결과를 기록하고, 분석하여 결론을 도출한다.
나) 실험 과정
온도 급간을 0~5, 5~15, 15~20, 20~25, 25~30℃로 설정하여 총 5개의 실험을 진행하였다.
0~5℃ 실험은 냉장고 안에서, 나머지 온도는 실온에서 진행하였으며 상온보다 높은 온도는 열선을 이용해 조절하였다.
< Fig.31 온도 0℃~5℃의 실험 진행 모습 > < Fig.32 온도 5℃~15℃의 실험 진행 모습 >
< Fig.33 온도 15℃~20℃의 실험 진행 모습 > < Fig.34 온도 20℃~25℃의 실험 진행 모습 >
< Fig.35 온도 25℃~30℃의 실험 진행 모습 >
다) 실험 결과 및 자료 해석
- 실험 결과, 비닐과 알루미늄 호일, 절연테이프, 폴리에틸렌 필름의 표면적이 감소하고 왁스웜 일부의 사체를 관찰할 수 있었다.
< Fig.36 15~20℃, 전구 1개, 실험 결과 (비닐) > < Fig.37 15~20℃, 전구 1개, 실험 결과 (절연테이프) >
① 0~5℃
1) 죽은 왁스웜 수 전구 0개 : 3마리 전구 1개 : 5마리 전구 2개 : 5마리 전구 3개 : 7마리
2) 감소한 비닐 표면적 (㎟) 전구 0개 : 0
전구 1개 : 0 전구 2개 : 0 전구 3개 : 0
3) 감소한 비닐 외 물질 표면적 (㎟) 전구 0개 : 0
전구 1개 : 0 전구 2개 : 0 전구 3개 : 0 4) 자료해석
- 왁스웜 40마리 중 20마리가 검은 색으로 변하여 죽었고, 살아남은 20마리도 활동성이 현저하게 줄어든 모습을 관찰할 수 있었다.
- 실험 결과, 다른 사료를 제공하지 않았음에도 폴리에틸렌을 전혀 섭취하지 않은 모습을 관찰할 수 있었다.
- 비닐 외에 절연테이프, 알루미늄, 폴리에틸렌 필름과 같은 다른 물질을 먹은 모습은 관찰할 수 없었다.
- 이를 통해, 왁스웜의 활동성은 0~5℃에서 매우 느려지며, 폴리에틸렌 분해 효율도 좋지 못하다는 결론을 도출할 수 있다.
- 비닐 표면적 계산은 왁스웜이 섭취한 비닐을 스캔하여, 포토샵을 통해 감소한 면적의 픽셀을 측정하였다. 그 후, 1㎠ 당 픽셀인 13924픽셀로 나눈 뒤 1㎟로 변환하여 계산한 값이다. 모두 소수점 다섯 번째 자리에서 반올림하였다.
② 5~15℃
1) 죽은 왁스웜 수 전구 0개 : 0마리 전구 1개 : 0마리 전구 2개 : 0마리 전구 3개 : 0마리
2) 감소한 비닐 표면적 (㎟) 전구 0개 : 0
전구 1개 : 2.2264 전구 2개 : 0 전구 3개 : 0
3) 감소한 비닐 외 물질 표면적 (㎟) 전구 0개 : 측정불가(알루미늄) 전구 1개 : 5.53(알루미늄) 전구 2개 : 0
전구 3개 : 0 4) 자료해석
- 왁스웜 40마리 중 한 마리도 죽지 않았다.
- 실험 결과, 전구가 1개일 때 폴리에틸렌을 섭취하였다.
- 이를 통해, 왁스웜의 활동성은 0~5℃보다 활발하였고, 폴리에틸렌 분해 효율도 좋았다. 하지만 전체적으로 폴리에틸렌 분해 효율이 높은 편은 아니었다.
- 비닐 외에 절연테이프, 폴리에틸렌 필름은 섭취하지 않았지만, 알루미늄을 섭취한 모습을 관찰할 수 있었다. 전구 0개의 경우, 알루미늄을 먹은 흔적은 발견하였지만 찢어진 알루미늄 호일로 인해 측정이 불가능하였다.
- 비닐 표면적 계산은 왁스웜이 섭취한 비닐을 스캔하여, 포토샵을 통해 감소한 면적의 픽셀을 측정하였다. 그 후, 1㎠ 당 픽셀인 13924픽셀로 나눈 뒤 1㎟로 변환하여 계산한 값이다. 모두 소수점 다섯 번째 자리에서 반올림하였다.
③ 15~20℃
1) 죽은 왁스웜 수 전구 0개 : 1마리 전구 1개 : 0마리 전구 2개 : 2마리 전구 3개 : 2마리
2) 감소한 비닐 표면적 (㎟) 전구 0개 : 0.8184
전구 1개 : 0 전구 2개 : 0.9552 전구 3개 : 0
3) 감소한 비닐 외 물질 표면적 (㎟) 전구 0개 : 0
전구 1개 : 6.478(절연테이프) 전구 2개 : 0
전구 3개 : 0 4) 자료해석
- 왁스웜 40마리 중 5마리가 죽었다.
- 실험 결과, 전구가 0개,2개일 때 폴리에틸렌을 섭취하였음을 알 수 있다.
- 이를 통해, 왁스웜의 폴리에틸렌 분해효율은 크게 높은 편은 아니었음을 알 수 있다.
- 비닐 외에 알루미늄, 폴리에틸렌 필름은 섭취하지 않았지만, 전구 1개일 때 절연테이 프를 섭취한 모습을 관찰하였다.
- 비닐 표면적 계산은 왁스웜이 섭취한 비닐을 스캔하여, 포토샵을 통해 감소한 면적의 픽셀을 측정하였다. 그 후, 1㎠ 당 픽셀인 13924픽셀로 나눈 뒤 1㎟로 변환하여 계산한 값이다. 모두 소수점 다섯 번째 자리에서 반올림하였다.
④ 20~25℃
1) 죽은 왁스웜 수 전구 0개 : 2마리
전구 1개 : 4마리 전구 2개 : 5마리 전구 3개 : 6마리
2) 감소한 비닐 표면적 (㎟) 전구 0개 : 11.857
전구 1개 : 0 전구 2개 : 0 전구 3개 : 0
3) 감소한 비닐 외 물질 표면적 (㎟) 전구 0개 : 16.26(절연테이프)
전구 1개 : 1.796(절연테이프) 전구 2개 : 0
전구 3개 : 0 4) 자료해석
- 왁스웜 40마리 중 17마리가 검은 색으로 변하여 죽었음을 관찰할 수 있었고, 이의 원인은 파악하지 못하였다..
- 실험 결과, 전구 0개에서 폴리에틸렌을 섭취하였음을 알 수 있다.
- 이를 통해, 왁스웜의 폴리에틸렌 분해 효율은 높은 편이라는 결론을 도출할 수 있다.
- 비닐 외에 절연테이프를 전구 0개와 1개의 경우 섭취한 모습을 관찰할 수 있었다.
- 비닐 표면적 계산은 왁스웜이 섭취한 비닐을 스캔하여, 포토샵을 통해 감소한 면적의 픽셀을 측정하였다. 그 후, 1㎠ 당 픽셀인 13924픽셀로 나눈 뒤 1㎟로 변환하여 계산한 값이다. 모두 소수점 다섯 번째 자리에서 반올림하였다.
⑤ 25~30℃
1) 죽은 왁스웜 수 전구 0개 : 0마리 전구 1개 : 0마리 전구 2개 : 0마리 전구 3개 : 0마리
2) 감소한 비닐 표면적 (㎟) 전구 0개 : 35.7224
전구 1개 : 6.3272 전구 2개 : 3.5694 전구 3개 : 0
3) 감소한 비닐 외 물질 표면적 (㎟) 전구 0개 : 11.2683(폴리에틸렌 필름)
전구 1개 : 5.3433(절연테이프)
전구 2개 : 측정불가(폴리에틸렌 필름) 전구 3개 : 0
4) 자료해석
- 왁스웜 40마리 중 왁스웜이 한 마리도 죽지 않았다..
- 실험 결과, 전구 0개, 1개, 2개에서 폴리에틸렌을 섭취하였음을 알 수 있다.
- 이를 통해, 왁스웜의 활동성 및 폴리에틸렌 분해 효율은 25~30℃에서 가장 높다는 결론을 도출할 수 있다.
- 비닐 외에 전구 0개와 2개에서 폴리에틸렌 필름을, 1개에서 절연테이프를 섭취한 모습을 확인할 수 있었다. 전구 2개의 경우, 폴리에틸렌 필름을 섭취한 흔적이 있었지 만 필름이 찢어져 표면적을 측정할 수 없었다.
- 비닐 표면적 계산은 왁스웜이 섭취한 비닐을 스캔하여, 포토샵을 통해 감소한 면적의 픽셀을 측정하였다. 그 후, 1㎠ 당 픽셀인 13924픽셀로 나눈 뒤 1㎟로 변환하여 계산한 값이다. 모두 소수점 다섯 번째 자리에서 반올림하였다.
5) 왁스웜의 광조도에 따른 폴리에틸렌 분해 효율 확인 실험 가) 실험 방법
① 실험상자를 칸 4개로 분할한다.
② 각각의 실험상자에서 칸마다 전구 0개, 1개, 3개, 5개를 설치한다. 광조사는 정밀한 측정을 위해 광센서를 이용한 아두이노를 설치한다.
③ 단, 광조도 이외에 습도는 50~55%, 온도는 15~20℃, 광주기는 24L로 일정하게 통제한다. 이 또한 설치된 광센서, 습도센서를 이용하여 아두이노로 측정 및 조절한 다.
④ 각 칸마다 왁스웜 10마리와 비닐봉지를 넣고, 일주일 후 비닐봉지의 감소량을 측정 하여 기록한다.
⑤ 관찰한 결과를 기록하고, 분석하여 결론을 도출한다.
나) 실험 과정
각 실험 상자를 4칸으로 구획한 후에 윗면에 루바망을 고정시키고, 루바망에 LED 전구를 각각 0개, 1개, 2개, 3개를 설치하였다. 일반 전구는 온도가 높아지면 서 이로 인해 변인 통제에 방해가 될 것으로 예측되어 LED전구를 선택하였다.
전구가 모든 실험 상자에 설치되어 매 실험에서 진행되었기에 한 번만 진행하였 다. 이때 실험은 15~20℃에서 진행하였다.
< Fig.38 광조사에 따른 실험을 진행하는 모습>
다) 실험 결과 및 자료 해석
- 실험 결과, 비닐과 알루미늄 호일, 절연테이프, 폴리에틸렌 필름의 표면적이 감소하 고 왁스웜 일부의 사체를 관찰할 수 있었다.
< Fig.39 전구 2개, 실험 결과 (비닐) > < FIg.40 전구 1개, 실험 결과 (절연테이프) >
1) 죽은 왁스웜 수 (마리/총 실험한 왁스웜 수) 전구 0개 : 6/90
전구 1개 : 10/80 전구 2개 : 12/80 전구 3개 : 16/80
2) 감소한 비닐 표면적 (㎟ / 실험 수) 전구 0개 : 48.3978 / 8
전구 1개 : 8.5536 / 8 전구 2개 : 4.5246 / 8 전구 3개 : 0 / 8
3) 감소한 비닐 외 물질 표면적 (㎟)
전구 0개 : 16.26(절연테이프) / 11.2683(폴리에틸렌) / 측정불가(알루미늄) 전구 1개 : 13.6173(절연테이프) / 5.53(알루미늄)
전구 2개 : 측정불가(폴리에틸렌)
전구 3개 : 0 4) 자료해석
- 실험한 왁스웜 수 대비 죽은 왁스웜을 평균값으로 나타내면 다음과 같다.
전구 수(광조도) 당 죽은 왁스웜의 백분율
전구 수 0개 1개 2개 3개
백분율 6.67% 12.5% 15% 20%
- 실험 결과, 감소한 비닐 표면적을 평균값으로 나타내면 다음과 같다. 평균은 소수점 셋째 자리에서 반올림하였다.
전구 수(광조도) 당 감소한 비닐 표면적의 평균
전구 수 0개 1개 2개 3개
평균(㎟) 6.05 1.07 0.56 0
- 이를 통해, 왁스웜의 활동성 및 폴리에틸렌 분해 효율은 전구 수가 0개, 즉 광조도가 가장 낮을 때 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
- 전구 0개에서 비닐 외 물질인 절연테이프, 알루미늄 호일, 폴리에틸렌을 섭취하였다.
또한, 전구 1개에서는 알루미늄 호일고 절연테이프, 2개에서는 폴리에틸렌 필름을 섭취하였다.
- 비닐 표면적 계산은 왁스웜이 섭취한 비닐을 스캔하여, 포토샵을 통해 감소한 면적의 픽셀을 측정하였다. 그 후, 1㎠ 당 픽셀인 13924픽셀로 나눈 뒤 1㎟로 변환하여 계산한 값이다. 모두 소수점 다섯 번째 자리에서 반올림하였다.
6) 왁스웜의 광주기에 따른 폴리에틸렌 분해 효율 확인 실험 가) 실험 방법
① 실험상자를 4개 만든다.
② 빛이 없을 때를 D, 빛이 있을 때를 L로 표현한다. 시간은 각각의 문자 앞에 표현한다.
예를 들어, 12시간 동안 빛을 비추지 않고 12시간 동안 빛을 비출 경우에는 12D12L 로 표현한다.
③ 각각의 실험상자를 24D, 6D18L, 12D12L, 18D6L로 설정한다. 광주기는 정밀한 측정을 위해 광센서를 이용한 아두이노를 설치한다.
④ 단, 광주기 이외에 습도, 광조사, 온도와 같은 주변 환경은 모두 일정하게 통제한다.
이 또한 온도센서, 습도센서를 이용하여 아두이노로 측정한다.
⑤ 단, 광주기 이외에 습도는 50~55%, 광조사 양은 각 실험상자마다 전구 개수를 1,2,3,4개로, 온도는 15~20℃로 일정하게 통제한다. 이 또한 설치된 광센서, 습도센 서를 이용하여 아두이노로 측정 및 조절한다.
⑥ 각 칸마다 왁스웜 10마리와 비닐봉지를 넣고, 일주일 후 비닐봉지의 감소량을 측정 하여 기록한다.
⑦ 관찰한 결과를 기록하고, 분석하여 결론을 도출한다.
나) 실험 과정
- 아두이노를 활용하여 24시간, 18시간, 12시간, 6시간동안 어둡게, 그리고 24시간 동안 밝게라는 명령을 통해 실험을 진행하였다. 이때 실험은 15~20℃에서 진행하였다.
< Fig.41 24L에서 진행한 실험의 모습 > < Fig.42 18L6D에서 진행한 실험의 모습 >
< Fig.43 12L12D에서 진행한 실험의 모습 > < Fig.44 6L18D에서 진행한 실험의 모습 >
다) 실험 결과 및 자료 해석
- 실험 결과, 비닐과 알루미늄 호일, 절연테이프, 폴리에틸렌 필름의 표면적이 감소하고 왁스웜의 일부의 사체를 관찰할 수 있었다.
< FIg.45 18L6D, 전구 3개, 실험 결과 (비닐) > < Fig.46 24D, 전구 3개, 실험 결과 (폴리에틸렌필름) >
1) 죽은 왁스웜 수 (마리/총 실험한 왁스웜 수) 24D : 6/90
18D6L : 0/30 12D12L : 1/30 6D18L : 1/30 24L : 36/150
2) 감소한 비닐 표면적 (㎟ / 실험 수) 24D : 48.3978 / 9
18D6L : 7.053 / 3 12D12L : 1.343 / 3 6D18L : 5.788 / 3 24L : 61.5136 / 15
3) 감소한 비닐 외 물질 표면적 (단위:㎟) / 실험 수
24D : 16.26(절연테이프), 11.2683(폴리에틸렌), 측정불가(알루미늄) / 9 18D6L : 0 / 3
12D12L : 0 / 3 6D18L : 0 / 3
24L : 13.6173(절연테이프), 5.53(알루미늄), 측정불가(폴리에틸렌) / 15
4) 자료해석
- 실험한 왁스웜 수 대비 죽은 왁스웜을 백분율로 나타내면 다음과 같다.
광주기 당 죽은 왁스웜의 백분율
광주기 24D 18D6L 12D12L 6D18L 24L 백분율 6.67% 0% 3.33% 3.33% 24%
- 실험 결과, 감소한 비닐 표면적을 평균값으로 나타내면 다음과 같다. 평균은 소수점 셋째 자리에서 반올림하였다.
광주기 당 감소한 비닐 표면적의 평균
광주기 24D 18D6L 12D12L 6D18L 24L 평균(㎟) 5.38 2.35 0.45 1.93 4.1
- 이를 통해, 왁스웜의 활동성 및 폴리에틸렌 분해 효율은 24D, 즉 24시간동안 어두울 때 가장 높음을 확인할 수 있다.
- 비닐 외 물질의 섭취량도 24시간동안 어두울 때 가장 높다.
- 비닐 표면적 계산은 왁스웜이 섭취한 비닐을 스캔하여, 포토샵을 통해 감소한 면적의 픽셀을 측정하였다. 그 후, 1㎠ 당 픽셀인 13924픽셀로 나눈 뒤 1㎟로 변환하여 계산한 값이다. 모두 소수점 다섯 번째 자리에서 반올림하였다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
- 모든 실험 결과를 종합하여 표로 정리하면 다음과 같다.
1) 죽은 왁스웜의 수
< 표1. 온도에 따른 죽은 왁스웜의 수 >
(단위:마리)
< 표2. 광주기에 따른 죽은 왁스웜의 수 >
(단위:마리)
온도(℃) 죽은 왁스웜 수 총 왁스웜 수 백분율(%)
0~5 20 40 50
5~15 0 40 0
15~20 5 40 12.5
20~25 17 40 42.5
25~30 0 40 0
전구 수(개) 죽은 왁스웜 수 총 왁스웜 수 백분율(%)
0 6 50 12
1 9 50 18
2 12 50 24
3 15 50 30
< 표3. 광조도에 따른 죽은 왁스웜의 수 >
(단위:마리)
2) 비닐 표면적 감소량
< 표4. 온도에 따른 비닐 표면적 감소량 >
(단위:㎟)
< 표5. 광조도에 따른 비닐 표면적 감소량 >
(단위:㎟)
전구 수(개) 계 실험 수 평균
0 48.3978 8 6.05
1 8.5536 8 1.07
2 4.5246 8 0.56
3 0 8 0
온도(℃) 계 실험 수 평균
0~5 0 4 0
5~15 2.2264 4 0.5566
15~20 1.7736 4 0.4434
20~25 11.857 4 2.9643
25~30 45.619 4 11.4048
광주기 죽은 왁스웜 수 총 왁스웜 수 백분율(%)
24D 6 90 6.67
18D6L 0 30 0
12D12L 1 30 3.33
6D18L 1 30 3.33
24L 36 150 24
< 표6. 광주기에 따른 감소한 비닐 표면적 >
(단위:㎟)
광주기 계 실험 수 평균
24D 48.3978 9 5.38
18D6L 7.053 3 2.35
12D12L 1.343 3 0.45
6D18L 5.788 3 1.93
24L 61.5136 15 4.1
3) 비닐 외 물질 표면적 감소량
< 표7. 감소한 물질별 표면적 감소량 >
(단위:㎟)
4) 최적의 생장환경
- 온도 : 온도는 25~30℃에서 폴리에틸렌을 가장 많이 섭취하고, 왁스웜이 1마리도 죽지 않았다.
- 광주기 : 광주기는 24시간동안 어둡게 하였을 때 폴리에틸렌을 가장 많이 섭취하고, 왁스웜 이 가장 적게 죽었다.
- 광조도 : 광조도는 0lux로 전구를 키지 않았을 때 폴리에틸렌을 가장 많이 섭취하고, 왁스웜이 가장 적게 죽었다.
계 실험 수 평균
비닐 68.607 40 1.72
폴리에틸렌 필름 29.6107 40 0.74
알루미늄 호일 5.53 40 0.14
절연테이프 45.4183 40 1.14
< 그래프1. 온도 및 광조도에 따른 비닐 표면적 감소량 >
< 그래프2. 온도 및 광조도에 따른 비닐 표면적 감소량 >
5) 결론
- 왁스웜은 25~30℃, 어둡게 24시간동안 유지하는 환경에서 가장 효율적으로 비닐을 분해한 다.
- 왁스웜은 비닐 외에도 폴리에틸렌 필름을 섭취하는 것으로 보아, 비닐과 폴리에틸렌 필름 의 동일 성분인 폴리에틸렌을 분해한다.
- 왁스웜이 절연테이프, 알루미늄 호일을 분해할 수 있는 가능성이 있다.
- 왁스웜이 절연테이프, 알루미늄 호일도 분해할 수 있다면 알루미늄 호일보다 절연테이프를 더 잘 분해한다.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
비 닐 표 면 적 감 소 량
0~5 5~15 15~20 20~25 25~30
전구 0개 전구 1개 전구 2개 전구 3개 온도 및 광조도에 따른 비닐 표면적 감소량
0 1 2 3 4 5 6 7 8
죽 은 왁 스 웜 의 수
0~5 5~15 15~20 20~25 25~30
전구 0개 전구 1개 전구 2개 전구 3개 온도와 광조도에 따른 죽은 왁스웜의 수
(마리)
(℃) (℃) (㎟)
□ 시사점
○ 환경보존을 위한 플라스틱 분해 방식의 새로운 패러다임 제시
왁스웜이 플라스틱을 분해하는 최적의 생장 조건을 탐구하는 연구를 진행하며 매립과 소각 등 환경오염을 발생시키는 기존의 폐플라스틱 처리방안 이외 환경 보호의 관점에서 새로운 패러다임을 제시할 수 있다.
○ 연구 활동에서의 학습 효과
일정한 조건으로 실험을 통제하여 보다 정확한 결과값을 도출하기 위해 실험에 아두이노 를 도입하였다. 이를 통해 아두이노에 대한 관련 지식을 쌓고 직접 아두이노를 실험에 이용하 여 실험 상자를 제작하는 과정에서 ‘아두이노’라는 새로운 분야에 도전하는 계기를 마련하였 고, 동시에 지식의 틀을 넓히는 기회를 가질 수 있었다. 또한 활동성이 뛰어난 왁스웜을 이용하여 실험을 진행해야 했기에 정확하고 효율적인 실험을 계획하여 진행하였고, 예측하지 못한 곳에서도 오류가 발생하지 않도록 끊임없이 실험상황을 미리 재연하고 수정하는 등의 과정을 거쳤다. 이러한 과정에서 실험적 사고가 확장됨을 느낄 수 있었고, 기술적 역량을 증진시키는 기회를 가질 수 있었다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 연구 홍보 활동
○ 2018년 한민고등학교 학술제 논문 게재 및 발표 (2018. 11)
□ 후속 활동
○ 제작한 간이 플라스틱 분해 시스템을 활용하여 매점 및 교내 발생 폐플라스틱 분해
5. 참고문헌
○ 강아랑, 이명렬, 이만영, 김혜경, 윤미영, 최용수. (2015). Bacillus thuringiensis의 꿀벌부 채명나방, Galleria mellonella L. (Lepidoptera: Pyralidae)에 대한 방제 효과. Journal of Apiculture, 30(4), 275-280.
○ 오해운, 이만영, 장영덕. (1995). 꿀벌부채명나방의 발육기간 및 꿀벌집 가해특성. Journal of Apiculture, 10(1), 5-10.
○ 이무열 외 2인(2016).밀웜의 스티로폼 분해과정에 관한 탐구.
○ 한민고등학교(2016). 밀웜 장내 박테리아의 해양 쓰레기 분해 연구.
○ 황석조, 마영일, 이만영, 방혜선. (1998). 실내 사육온도가 꿀벌부채명나방(Galleria
mellonella L.)의 발육에 미치는 영향. Journal of Apiculture, 13(2), 73-78.
○ Carina Weber, Stefan Pusch, Till Opatz, Bombellietal(2017).Polyethylene bio-degradation by caterpillars of the wax moth Galleria mellonella, Current Biology.