전 세계적으로 플라스틱 사용량이 급증하면서 매립, 재활용 및 재사용된 플라스틱 이외의 상당량이 환경 중으로 유입되어 축적되며, 이러한 플라스틱이 다양한 풍화 과정을 거쳐 잘게 부셔지거나, 또는 특정 목적을 위해 작은 크기로 제조되어 5 mm 이하의 크기를 가지는 것을 ‘미세플라스틱’ 이라고 한다. 이러한 미세플라스틱은 육상, 수중 및 대기 등 다양한 환경에서 발견되고 있다.
미생물은 고체표면에 부착하여 생물막을 형성하는데, 환경 내에 축적된 미세플라스틱은 생물막이 형성될 수 있는 새로운 기질을 제공한다. 미세플라스틱의 표면에 형성된 생물막은 미세플라스틱의 특성을 변화시키거나 독성을 증가시키기도 하는 것으로 알려져 있고, 이러한 미세플라스틱의 특성 변화는 미세플라스틱 오염을 더 복잡하고 잠재적으로 유해하게 만든다. 미생물이 미세플라스틱 표면에 생물막을 형성하는 데에는 플라스틱의 특성, 미생물 간의 생물학적 상호 작용, 환경 조건 등에 영향을 받을 수 있는데, 아직까지 이에 대한 연구결과는 많이 부족한 실정이다.
본 연구에서는 Pseudomonas aeruginosa PAO1을 모델 미생물로 이용하여 미세플라스틱의 종류에 따라 표면에 생성되는 생물막의 차이를 관찰하고자 하였다. 이를 위해 직경이 2.96 ~ 3.2 mm로 유사한 구형의 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 PAO1을 Microwell plate에서 배양하여 생물막을 형성하는 과정을 분석하였다. Well plate 표면에 형성된 생물막을 관찰하였을 때, 밀도가 물보다 큰 PS, PTFE를 주입한 well에서 PP, PE를 주입한 well보다 생물막 형성이 높게 나타났다. 반대로 미세플라스틱 표면에서의 생물막은 밀도가 물보다 낮은 PP, PE에서 더 많이 형성되는 것을 관찰 할 수 있었다. 이는 PE, PP는 물 위에 뜨는 반면 PS와 PTFE가 바닥에 가라앉아 well plate 표면과 더 빈번한 충돌을 일으킬 뿐만 아니라, 바닥면에서의 낮은 산소농도로 인해 생물막이 잘 성장하지 못하거나 쉽게 탈착되는 것으로 보인다. 반대로 이때 떨어져 나간 미생물 응집체 들이 well plate 바닥에 부착하여 생물막을 형성하여 PS와 PTFE를 넣은 well plate 표면에 더 많은 생물막이 성장한 것으로 추측된다.
밀도가 유사한 PE와 PP의 경우 PE의 표면에서 더 높은 생물막이 형성되는 것으로 관찰되었는데, 이는 PE의 표면 접촉각이 더 크게 나타나 높은 계면에너지로 인해 미생물이 더 쉽게 부착하였기 때문인 것으로 판단된다. 생물막 성장 단계에 따른 실험에서 초기 부착단계에서부터 PE의 표면에 생물막이 더 많이 형성하는 것을 확인하여 이러한 표면 특성에 따른 차이가 생물막의 형성에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때, 미세플라스틱 표면의 거칠기, 소수성과 같은 표면 특징은 미생물의 초기 부착 특성에 중요한 영향을 미칠 수 있지만, 생물막의 형성 및 성장 과정에서 산소의 공급, 주변 물질과의 충돌과 같은 환경적인 영향이 크게 작용한다는 것을 알 수 있다.
마지막으로 정족수 감지가 미세플라스틱의 표면 생물막 형성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, AHL 또는 QQ효소를 외부에서 주입하여 생물막 형성과정을 살펴 보았다. PAO1 미생물이 스스로 AHL을 생산하기 때문에, AHL을 외부에서 추가로 주입하는 경우에는 PAO1 미생물의 생물막 형성에 영향을 미치지 못하였다. 하지만, QQ 효소의 주입을 통해 AHL의 분해를 유도하였을 때는 미세플라스틱 표면에서 생물막 형성이 저감되는 것을 확인하였다. 따라서 미세플라스틱의 표면에 생물막이 형성하는 과정에서도 정족수 감지 메커니즘은 중요하게 작용하며, 향후 미세플라스틱 표면에서의 생물막 형성에 대한 연구에서 정족수 감지에 대한 영향이 중요하게 다루어져야 할 것으로 보인다.

As the quantity of plastic usage increases worldwide, a substantial quantity of plastics flows into and accumulates in the environment. Among these plastics, those having a size of 5 mm or less as a result of various weathering processes are called “microplastics”. These microplastics are being found in various environments such as land, water, and air. Microorganisms form a biofilm by attaching to a solid surface, and microplastics accumulated in the environment provide a new substrate on which biofilm can be formed. It has been reported that the biofilm formed on the surface of microplastics can change the properties of microplastics or increase its toxicity. These property changes of microplastics make microplastic pollution more complex and potentially harmful. The formation of a biofilm on the surface of microplastics by microorganisms can be influenced by various factors including the characteristics of plastics, biological interactions between microorganisms, and environmental conditions. However, only a few studies have evaluated the factors affecting the biofilm formation on microplastics.

This study aimed to observe the difference in biofilms formed on the surface depending on the type of microplastic by using Pseudomonas aeruginosa PAO1 as a model microorganism. To achieve this objective, P. aeruginosa PAO1 was cultured with spherical shaped polyethylene (PE), polystyrene (PS), polypropylene (PP), and polytetrafluoroethylene (PTFE) with similar diameters (2.96-3.2 mm) in a microwell plate, and biofilm formation was analyzed. When the biofilm formed on the surface of the well plate was observed, the biofilm formation was higher in the wells injected with PS and PTFE, which had a density greater than that of water, than in the wells injected with PP and PE. Conversely, on the microplastic surface, it was observed that PP and PE, which have lower densities than water, more biofilms were formed. It seems that PE and PP float on water, while PS and PTFE sink to the bottom, causing more frequent collisions with the well plate surface, and the biofilm does not grow well or is easily detached due to the low oxygen concentration on the bottom surface. Conversely, the microbial aggregates that fell off from the microplastic surface adhered to the bottom of the well plate to form more biofilm.

In the case of PE and PP, which have similar densities, a higher biofilm was observed on the surface of PE, which is thought to be because the surface contact angle of PE was larger and the microorganisms were more easily attached due to the high interfacial energy. In the experiment according to the biofilm growth stage, it was confirmed that more biofilms were formed on the surface of PE than other plastics from the initial attachment stage, and it was confirmed that the difference according to these surface characteristics affects the formation of the biofilm. These results show that surface features such as roughness and hydrophobicity of the microplastic surface can have an important effect on the initial adhesion properties of microorganisms, while environmental influences such as oxygen supply and collision with surrounding materials play a major role in the formation and growth of biofilms.

Finally, to examine the effect of quorum sensing (QS) on the biofilm formation of the microplastic surface, biofilm formation was examined by injecting N-acylhomoserine lactone (AHL), a QS signal molecule, or quorum quenching (QQ) enzymes exogenously. Since the PAO1 produces AHLs, additional injection of AHL did not affect the biofilm formation of the PAO1. However, it was confirmed that biofilm formation on the microplastic surface was reduced when QQ enzyme was injected. Therefore, the QS mechanism plays an important role in the biofilm formation on the microplastic surface, and the effect on QS is expected to be important in future studies on biofilm formation on the microplastic surface.