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Title Page 2

ABSTRACT 5

국문 초록 7

Contents 9

NOMENCLATURE 15

CHAPTER 1. INTRODUCTION 16

1.1. Low-Density Polyethylene (LDPE) 16

1.2. Polyurethane (PU) 17

1.3. Aspergillus spp. 18

1.4. Trichoderma spp. 19

CHAPTER 2. MATERIALS AND METHODS 22

2.1. Low-Density Polyethylene (LDPE) biodegradation by Aspergillus sp. 22

2.1.1. Preparation of LDPE materials 22

2.1.2. Fungal isolation, culture, and determination of phenotype change by LDPE 22

2.1.3. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) 23

2.1.4. Cell viability 23

2.1.5. Water contact angle (WCA) 26

2.1.6. Fourier transform infrared (FTIR) analysis 26

2.1.7. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 26

2.1.8. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) 27

2.2. Polyurethane (PU) biodegradation by Trichoderma sp. 28

2.2.1. Preparation of PU materials 28

2.2.2. Fungal isolation, culture, and determination of phenotype change by PU 28

2.2.3. Clearance test 29

2.2.4. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) 29

2.2.5. Cell viability 30

2.2.6. Water contact angle (WCA) 32

2.2.7. Fourier transform infrared (FTIR) analysis 32

2.2.8. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) 32

CHAPTER 3. RESULTS AND DISCUSSION 34

3.1. LDPE degradation by Aspergillus sp. 34

3.1.1. Fungal isolation, culture with LDPE, and determination of phenotype change 34

3.1.2. Surficial changes of mulch LDPE by Aspergillus sp. 38

3.1.3. Cell viability of Aspergillus sp. under LDPE treatment 40

3.1.4. Bio-mediated surface modification of LDPE using Aspergillus sp. 42

3.1.5. Aspergillus-induced chemical modifications of LDPE surfaces 44

3.1.6. Chemical analysis via gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) 48

3.1.7. Analysis of fungal enzyme activity and pH under LDPE conditions 53

3.2. PU degradation by Trichoderma sp. 55

3.2.1. Fungal isolation, culture with PU, and determination of phenotype change 55

3.2.2. Surficial changes of PU film by Trichoderma sp. 58

3.2.3. Turbidity change of PU by Trichoderma sp. 60

3.2.4. Cell viability of Trichoderma sp. under PU treatment 62

3.2.5. Bio-mediated surface modification of PU using Trichoderma sp. 64

3.2.6. Trichoderma-induced chemical modifications of PU surfaces 66

3.2.7. Chemical analysis via gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) 68

CHAPTER 4. CONCLUSIONS 75

REFERENCES 79

List of Tables 12

Table 1. List of isolation fungi 36

Table 2. Metabolomic profiling of MMG medium inoculated with Aspergillus sp. 51

Table 3. Metabolomic profiling of LDPE containing medium inoculated with... 52

Table 4. Metabolomic profiling of MMG medium inoculated with Trichoderma... 71

Table 5. Metabolomic profiling of PU containing medium inoculated with... 72

Table 6. Metabolomic profiling of PU containing medium inoculated with... 73

Table 7. Metabolomic profiling of PU containing medium inoculated with... 74

List of Figures 13

Fig. 1. The structure of low-density polyethylene and polyurethane 20

Fig. 2. Evaluation of fungal cell viability utilizing alamarBlue reagent 25

Fig. 3. Evaluation of fungal cell viability using alamarBlue reagent under stagnant... 31

Fig. 4. Strain selection through sample collection, separation, and screening 35

Fig. 5. Morphological alterations in mulch LDPE caused by Aspergillus sp. 39

Fig. 6. Analysis of fungal cell viability across different LDPE forms and culture... 41

Fig. 7. Evaluation of surface hydrophobicity changes on LDPE 43

Fig. 8. FTIR spectrometry analysis of LDPE film treated by Aspergillus sp. 45

Fig. 9. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectral analysis of LDPE after following treatment with... 47

Fig. 10. GC-MS analysis of degradation products by Aspergillus sp. 50

Fig. 11. Enzymatic activity measurements and pH modifications by Aspergillus sp.... 54

Fig. 12. Neighbor-joining phylogenetic tree based on ITS region gene sequences 56

Fig. 13. Selection and microscopic analysis of Trichoderma sp. for colonization and degradation of PU 57

Fig. 14. Morphological alterations in PU caused by Trichoderma sp. 59

Fig. 15. Clearance test of PU degradation by Trichoderma sp. 61

Fig. 16. Analysis of fungal cell viability with Trichoderma sp. by PU film 63

Fig. 17. Evaluation of surface hydrophobicity changes on PU 65

Fig. 18. FTIR spectrometry analysis of PU film treated by Trichoderma sp. 67

Fig. 19. GC-MS analysis of degradation products by Trichoderma sp. 69

초록보기

 플라스틱 폐기물은 전 세계적으로 환경에 대한 주요 도전 과제로 부상하고 있으며, 특히 영농 활동이 활발한 지역에서의 플라스틱 폐기물은 토양 오염과 수질 오염을 가중시키고 문제를 야기하고 있다. 이에 따라, 플라스틱 폐기물의 효과적인 관리 및 분해는 지속 가능한 농업 및 환경 보전 전략의 핵심 요소로 간주되고 있다.

본 연구에서는 농업 활동이 활발한 토양에서 분리된 Aspergillus sp. 와 Trichoderma sp. 를 선별하고, 이들 균류가 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE) 과 폴리우레탄 (PU)을 분해하는 특성을 분석하였다. 탄소에너지원이 제거된 배지에 대체 탄소원으로 LDPE 와 PU 를 첨가하고, 각각의 균류를 접종하여 일정기간 배양하였다. 이후 세포 변화 및 LDPE 와 PU 을 생물·물리·화학적인 변화를 분석하였다. Aspergillus sp.의 경우, LDPE 표면에 생물막을 형성하고, 특정 효소활성의 증가와 함께 LDPE 분해를 유발하였다. 주사 전자 현미경 (SEM)과 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR)을 통해 LDPE 표면의 구조적 및 화학적 변화를 확인하였으며, X 선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 분해 과정에서의 산화적 변화를 관찰하였다.

Trichoderma sp. 는 PU 을 효과적으로 분해하였는데, 이러한 분해 과정은 SEM, FTIR 및 가스 크로마토그래피-질량 분석법 (GC-MS)을 통해 입증되었으며, 이를 통해 폴리머의 필수 분해 산물과 상당한 구조적 변화를 확인하였다. 또한, 효소 활성 분석과 스펙트럼 분석을 통해 균주에 의한 플라스틱의 변화를 밝혀냈으며, 그 결과, 폴리머의 표면 친수성이 크게 증가하고, 폴리머의 무결성은 감소하는 결과를 확인하였다. 이러한 결과는 플라스틱 폐기물 관리를 위한 강력한 생물학적 정화 미생물로서 곰팡이의 잠재력을 강조하며, 환경 지속 가능성 및 폐기물 관리 전략을 개선하는데 과학적 사실과 중요한 통찰력을 제공한다.

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