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보고서 상세정보

해양 내 미세플라스틱의 분포 및 중요성 : 발생원, 작용기전, 효과 및 잠재적 해결 방안

등록일자 2018-09-17
초록 1. 서론

해안이나 해양 지역은 인간의 활동으로 지속적으로 압력을 받고 있으며, 이는 다시 담수 지역에 영향을 준다. 그러므로 해안이나 해양 지역의 환경오염이나 정화 평가는 환경독성학(ecotoxi-cology)이나 환경 관리 면에서 가장 복잡하고 주목받고 있는 주제이다. 이 중에서 해양쓰레기(litter)는 모든 해양에 영향을 미치는 범세계적 문제이다. 이는 주로 육지 생활의 결과로 발생되며, 폐기물처리나 사회기반시설의 부족이 그 원인인데, 생물학적/생태학적으로 매우 유해한 결과를 초래할 수 있다. 이런 해양쓰레기의 80~85%는 플라스틱이 차지하며, 지난 10년간 플라스틱 생산량이 매우 빠른 속도로 증가하고 있는 반면에, 전체의 5% 이하의 플라스틱 폐기물만이 재활용되고 있으며, 나머지는 해양환경 등에 축적되고 있다. 미세플라스틱(microplastic)은 크기 5mm 미만의 매우 작은 플라스틱을 지칭하며, 육상 활동과 수중, 특히 대부분을 차지하는 해양, 이동을 통해, 해안, 해저, 그리고 심지어 극지방 얼음 등에 광범위하게 분포하고 있다. 미세플라스틱의 성분은 주로, 물에 가라앉는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)와 물에 부유하는 폴리에텔렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스티렌(polystyrene, PS)이며, 그 밖에 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아미드 등이 있다. 이러한 미세플라스틱은 미생물에 의해 잘 분해되지 않으며, 크기가 작아서 다양한 해양생물들, 예를 들면 쌍각류조개(bivalve), 동물성플랑크톤, 홍합, 물고기, 새우, 굴, 요각류(copepod), 갯지렁이, 그리고 고래 등에 의해 섭취(ingestion)된다고 보고되었다. 이렇게 생물체에 섭취된 미세플라스틱은 병리학적 스트레스, 가포만감(false satiation), 생식 합병증, 효소작용 방해, 성장 속도 저하 등의 부작용을 일으킬 수 있다. 특히, 미세플라스틱은 주위 바다로부터 독성화합물을 흡착할 수 있는데, 이는 먹이사슬(food chain)을 통해 축적되어서, 궁극적으로 최상의 먹이사슬에 위치한 인류의 건강과 안전을 크게 위협하고 있다. 또한 선행연구 결과에 의하면, 이대로 가면 2050년까지 전 세계 해양에 물고기 수보다 많은 미세플라스틱이 존재하게 된다고 한다. 이러한 세 가지 플라스틱 또는 플라스틱의 발생원과 분류를 알아보는 것은 이들 화합물의 해상 유입을 감소시키는 데에 크게 기여할 것이다. 이런 맥락에서, 본 동향보고서에서는 미세플라스틱의 발생원과 분포, 생태학적 영향 등을 알아보고, 또한 이에 따른 다양한 미세플라스틱 방지 및 관리전략과 미생물 등을 사용한 직접적 저감 방안을 제시할 것이다.



2. 미세플라스틱의 발생원

미세플라스틱은 발생 방법에 따라, 특정 산업용이나 가정용 제품[예: 세안용 스크럽, 치약, 수지 펠릿(pellet)]을 위해 미세 크기로 직접 제조되는 ‘1차 미세플라스틱(primary microplastic)’과, 큰 플라스틱 화합물이 자외선 노출이나 기계적 마찰에 의해 분해되어 생성되는 ‘2차 미세플라스틱(sec-ondary microplastic)’으로 나뉜다.



2.1. 1차 미세플라스틱

1차 미세플라스틱으로는 세안용 세정제, 치약, 수지 펠릿, 샤워/목욕 젤, 필링 제품, 아이섀도, 땀탈취제(deodorant), 블러시파우더, 마스카라, 면도거품, 거품목욕 로션, 손톱광택제, 벌레퇴치제 등이 있고, 그 밖에 드릴링액, 공기연마재(air-blasting media)가 있다. 이러한 제품들의 상당수가 사용 후 바로 하수구로 버려지는 특성이 있어, 해양오염에 더욱 영향을 미친다. 특히, 1970년대의 화장품 내 미세플라스틱 관련 특허 이후 미세플라스틱을 함유한 박리세정제의 사용이 극적으로 증가하였으며, 세정제의 사용으로 매년 5000g의 미세플라스틱이 폐수 흐름에 섞여 배출된다고 보고되었다.



2.2. 2차 미세플라스틱

해양이나 지표면의 큰 플라스틱 쓰레기(debris)들은 일광이나 온도 같은 물리적/화학적/생물학적 과정을 통해 구조적 응집성이 감소하여 분해되기 시작하며, 그 결과 미세플라스틱이 되고 만다. 예를 들면, 큰 플라스틱 쓰레기에 태양으로부터 자외선이 조사되면 고분자 매트릭스가 산화반응을 일으켜 화학결합의 분열이 초래되며, 이로부터 광분해반응이 진행된다. 플라스틱의 분해에 의한 미세플라스틱 형성은 특히 해변에서 활발한데, 이는 강한 자외선 노출, 파도에 의한 물리적 마찰, 풍부한 산소 이용성, 그리고 난류(turbulence)가 원인이 된다. 이렇게 시간이 지날수록 큰 플라스틱은 부서지기 쉬워져서 조각이 되고 황변 현상(yellowing: 물질이 약품의 작용이나 일광에의 노출 등에 의해 황색을 띠는 것)이 일어난다. 이후 물 표면 아래나 심해 등에 잠기게 되면, 자외선 노출 감소와 더 낮은 온도로 인해 분해반응 속도는 낮아지게 된다.



3. 미세플라스틱의 해양으로의 이동경로

미세플라스틱은 다양한 경로를 통해 해양으로 유입된다. 즉, 스크럽이나 치약, 공기연마재에 함유된 미세플라스틱이 사용 후 하수 시스템에 유입되거나, 합성섬유 제품의 세탁으로 생성된 합성섬유 조각의 유출, 폭풍, 기류, 또는 해류 등을 통한 이동, 해양에서의 큰 플라스틱의 분해 등을 통해 해양환경에 유입된다. 그 밖에 동물성플랑크톤의 배설물을 통한 이동도 가능하다. 즉, 동물성플랑크톤이 미세플라스틱에 노출되면 플라스틱이 섭취되어 장을 통과하게 되고, 최종적으로 배설물에 쌓여서(encapsulated) 배출된다. 이후 배설물은 침전되고 나서, 다시 요각류에 의해 섭취된다. 이는 미세플라스틱을 함유한 배설물이 이동 매체로 작용한다는 것을 보여준다.



4. 해양환경에서의 미세플라스틱의 분포

해양생태계에서 미세플라스틱이 매우 높은 농도로 존재한다고 알려져 있으며, 매년 전 세계적으로 생성되는 2.66억 톤(5.25조 개의 입자) 중 92%가 미세플라스틱이며, 결국 해양에 쌓이게 된다고 한다. 특히 이렇게 유입된 미세플라스틱은 작은 크기(< 5mm)와 낮은 밀도로 인해, 해류를 통해 손쉽게 전 세계의 해안, 해저, 극지방 얼음 등으로 널리 퍼지게 된다. 표 1에 전 세계 해양에서의 미세플라스틱 분포와 농도를 나타내었다.



표 1. 전 세계 해양에서의 미세플라스틱 분포



해양환경
분포(%)
농도


북동 대서양
89
2.46 입자/m3


북극해
95
0~1.31 입자/m3


로렌 대호수(Laurentian Great Lake)
20
43,000 입자/km2에서 466,000 입자/km2


제이드(Jade) 만, 남쪽 북해
70
1,770 입자/L


북서 대서양
60
2,500 입자/km2


포르투갈 만
53
332~362 항목/m2


지중해
74
0.90±0.10 미세플라스틱/g


양쯔강 어귀, 동중국해
90
0~144 입자/m3


구아나바라 만 해변, 남동 브라질
56
12~1,3000 입자/m2


스웨덴 만
-
150~2,400 입자/m3에서 68,000~102,000 입자/m3


중국 보하이해
-
63~201 항목/kg







5. 미세플라스틱의 작용

5.1. 해양생물과의 상호작용

해양에 미세플라스틱의 양이 증가할수록, 해양 유기생물체가 미세플라스틱을 섭취할 가능성도 커진다. 그러므로 해양환경에서 미세플라스틱의 거동, 효과와 작용기전을 이해하기 위해서는 미세플라스틱과 해양생물의 생물학적 상호작용을 아는 것이 필수적이다. 연구 결과에 의하면, 해양생물의 미세플라스틱 섭취는 대부분 먹이로 오인하여 발생하는 것이며, 따라서 플라스틱의 색상, 밀도, 모양, 크기, 전하, 밀집도, 존재량 등에 의존한다. 이렇게 미세플라스틱이 섭취되면 화학적/물리적으로 섭취한 생물체에 해를 미치게 된다. 예를 들면, 미세플라스틱 고분자가 외부 물질의 표면에 부착되면 생물체의 거동성을 방해하고, 소화관 내부를 막아 소화물의 흐름을 방해한다. 또한 생물적으로는 섭취한 생물에 염증, 간 스트레스, 성장 속도 감소 등을 야기할 수 있다. 그 밖에 낮은 영양 단계(trophic level)에서 섭취된 플라스틱이 먹이사슬을 타고 올라가 높은 영양 단계의 생물에 농축될 수도 있다. ‘여과 섭식(filter feeding)’은 플랑크톤이나 유기물 입자 등의 먹이를 그물모양의 막 등을 통해 걸러서 먹는 섭식법으로서, 해양생물들이 미세플라스틱을 섭취하게 되는 또 하나의 중요한 경로이다. 여과섭식하는 해양 유기생물체들은 해양 먹이사슬의 주요한 구성원이며, 이들의 감소는 전체 영양 단계 시스템의 안정성을 크게 위협할 수 있다. 표 2에, 해양 유기생물체의 미세플라스틱을 섭취하는 방법과 이에 관련된 특성 및 효과를 나타내었다.



표 2. 해양 유기생물체의 미세플라스틱 함유 기전, 관련 특성 및 효과



유기생물체
플라스틱 종류
농도
함유(uptake) 기전 / 효과


바다게(shore crab)
PS
107 미세구/L
통풍과 섭취(아가미를 통한 함유)


쌍각류조개
PE/PS

미세구형입자
250 구형입자/L
섭취(ingestion) / 연부조직에의 축적


미세조류
PS

섭취/성장에 영향


바닷물고기
PE/PS 입자
1.2×106 입자/mg와 12 mg/L, 0.5mg~2.5 입자/mg
섭취 / 병리학적 스트레스, 간 염증, 산화스트레스, 지방간 생성


고래
PE/PP/PVC/PET/나일론

섭취 / 독성 증가


해저 생물(대구, 작은 가자미, 넙치, 청어, 고등어)
PE
54 입자/mg
섭취


동물성플랑크톤
PS 구형입자(bead)
4,000mL-1, 400 mg/L
섭취 / 조류 영양분 섭취 감소, 부동화작용(immobilization)


바다거북
PP/PE
-
섭취


거위목따개비
PE/PS/PP
-
섭취


곰새우(brown shrimp)
미세플라스틱
0.68±0.55 g-1(w.w)

(200~1,000μm)
섭취


홍합
PE/PS/미세구형입자
2.5 g/L(0~80μm),

0.51 g/L(2μm, 9μm)
섭취와 호흡 / 염증작용, 리소좀막 불안정화, POP의 운반체 역할


유럽납작굴
폴리젖산
0.8 μg/L, 80 μg/L
섭취 / 호흡 속도 상승


갯지렁이
폴리젖산/PE/PVC/PS

섭취 / 대사작용 속도 상승, 배설물 감소, 건강(fitness)에 영향


요각류
PS
75 입자/mL
섭취 / 영양분 섭취 감소, 생식작용 감소, 알 생성 감소







미세플라스틱은 유기오염물질을 흡착하여 함유하기도 한다. 흡착은 물리흡착과 화학흡착이 가능하다. 물리흡착의 경우는 넓은 표면적과 강한 반데르발스 힘에 의존하는데, 미세플라스틱은 표면적/부피 비가 높아, 바닷속에 존재하는 오염물질[예: 잔류성유기오염물질(persistent organic pol-lutant, POP), 금속, 내분비교란화학물질]에 쉽게 오염된다. 화학흡착의 경우도 바닷물에 비해 더 소수성인 미세플라스틱의 표면이 유기오염물질과의 친화성이 높아 흡착에 유리하다. 이러한 오염물질들은 바다 표면 미세층(surface microlayer)에 높은 농도로 존재하는데, 여기에는 낮은 밀도로 부유하는 미세플라스틱도 많은 양이 존재한다.



5.2. 해염에 함유된 미세플라스틱

무생물성 해양 생산물이 인류의 음식원이 되기도 하는데, 여기에도 미세플라스틱이 존재할 수 있다. 예를 들면, 해염(sea salt)에서 플라스틱이 존재함이 보고되었는바, 미세플라스틱이 15개 브랜드의 암염(rock salt)과 약용 소금(well salt)에 7~204 입자/kg, 해염에 550~681 입자/kg, 호염(lake salt)에 43~364 입자/kg이 함유되어 있었다. 이러한 사실은 물고기, 조개류뿐만 아니라 식탁용 소금(table salt)도 미세플라스틱에 오염되어 있음을 보여준다.



6. 미세플라스틱의 오염에 대한 다양한 관리전략

미세플라스틱의 생성은 앞으로도 매년 증가할 것으로 보이지만, 이로 인한 위험성에 대한 공공 및 개인의 경각심은 거대 플라스틱(macro plastic)에 비해 존재하지 않거나, 현저히 떨어지는 상황이다. 해양환경으로의 미세플라스틱 도입을 감소시키려면, 미세플라스틱의 발생원 파악과 유입되는 플라스틱의 분류가 필요하다. 또한 공공, 사립기관 및 시민단체에서의 미세플라스틱 문제에 대한 계몽교육도 필요하다. 이러한 미세먼지에 대한 염려로 인해, he United Nations Expert Panel of the United Nations Environmental Programme(UNEP) 같은 몇몇 기관에서는 미세플라스틱 관리 가이드라인을 개발하였다. 또한 UNEP는 120개국의 4천만 인구가 참여하는 관리 프로그램을 제시하였으며, 플라스틱 사용을 자제시키고 재활용을 격려하며, 처리시설을 개선하기 위한 교육 방안도 마련하였다. 그 밖에 the United Nations Environment Program/Mediterranean Action Plan(UNEP-MAP), the Oslo/Paris convention for the protection of the marine environment of the North-East Atlantic(OSPAR)과 the Baltic Marine Environment Protection Commission-Helsinki Commission(HELCOM)은 해양쓰레기량 산출을 위한 가이드라인을 개발하였다. 저감-재사용-재활용 순환 경제(reduce-reuse-recycle circular economy, 3-Rs)는 해양으로 들어가는 플라스틱을 감소시키기 위한 가장 비용 대비 효과가 높은 방법이다. 이런 맥락에서, The Joint Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Environmental Protection (GESAMP)은 전 세계 모든 국가가 3-Rs 방법을 통해 해양으로 유입되는 플라스틱의 양을 감소시키기를 촉구하고 있다.



7. 미세플라스틱 오염 정화를 위한 미생물 이용

해양 내 미세플라스틱을 저감시키기 위해 더 유망한 접근 방법은, 생분해(biodegradation) 공정을 통해 미생물이 미세플라스틱 고분자를 분해하게 하는 것이다. 이때 미생물은 고분자를 탄소와 에너지 공급원으로서 이용한다. 박테리아는 어떤 환경에서도 적응하고 침투할 수 있게 때문에 매우 전망이 밝은 후보 미생물군이며, 선행연구 결과에 의하면 몇몇 박테리아가 실제로 플라스틱 고분자를 분해한다고 보고되고 있다. 예를 들면, Staphylococcus sp., Pseudomonas sp.와 Bacillus sp.가 폴리에틸렌을, Aspergillus niger, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus와 Streptococcus pyogenes가 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 폴리스티렌을, Pseudomonas putida가 폴리염화비닐을 분해하였다. 이때 박테리아는 생물막(biofilm)을 형성하여 분해를 촉진하거나 세포외 고분자분해효소를 분비하기도 한다. 이러한 미생물을 사용한 미세플라스틱 분해 방법은 환경친화적이며, 따라서 하수도 폐수처리에 직접 적용하여 가정용 폐수로부터 해양에 유입되는 미세플라스틱 폐기물 감소에 기여할 수 있다.



8. 결론

미세플라스틱은 유럽, 아시아, 아프리카, 그리고 북아메리카의, 물기둥(water column), 해양 표면수, 그리고 해양침전물 등 전 세계 모든 해양에 널리 그리고 많은 양이 분포하고 있다. 이러한 미세플라스틱은 크기가 작기 때문에 해양생물들에 매우 쉽게 섭취되며, 많은 해양생물의 조직, 순환계, 뇌 등에 축적되어 물리적/생물적 해를 끼치는 것이 확인되었다. 더 심각한 문제는 이러한 미세플라스틱이 먹이사슬을 타고 올라오면서 더 고농도로 농축되어 최종 영양 단계에 있는 인류의 건강과 안전을 위협할 수 있다는 것이다. 따라서 더 늦기 전에 정부, 민간기관, 시민단체 등 모두가 참여하여 미세플라스틱 폐기물 발생량을 줄이려는 노력을 하고, 이와 관련한 교육활동과 정책을 강화하여야 한다. 그 밖에, 연구자들은 박테리아를 사용하여 미세플라스틱을 분해해 직접 미세플라스틱을 제거하는 연구를 수행하고 있으며, 몇몇 박테리아가 긍정적이고 효과적인 결과를 보였다. 이러한 미생물을 사용한 미세플라스틱 분해 방법은 환경친화적이며, 박테리아 자연 증식을 통한 미세플라스틱 분해 효과 증대를 기대할 수 있다는 점 등에서 매우 효과적인 미세플라스틱 처리 방법이라고 생각되며, 향후 이와 관련된 심층연구가 진행되어 환경문제 해결에 기여하기를 기대한다.







References

1. Auta, H.S. et al. Distribution and importance of microplastics in the marine environment: A review of the sources, fate, effects, and potential solutions. Environ Intl, 102, 165–176, 2017.

2. Alomar, C. et al. Microplastics in the mediterranean Sea: deposition in coastal shallow sediments, spatial variation and preferential grain size. Mar Environ Res 115, 1–10. 2016.

3. Cole, M. et al. Microplastics as contaminants in the marine environment: a review. Mar Pollut Bul 62, 2588–2597, 2011.

4. Hidalgo-Ruz, V. et al. Microplastics in the marine environment: a review of the methods used for identification and quantification. Environ Sci Technol 46(6), 3060-3075, 2012.

5. Isobe, A. et al. East Asian Seas: a hot spot for pelagic microplastics Mar Pollut Bull 101(2), 618-623, 2015.

출처 KOSEN-코센리포트
DOI https://doi.org/10.22800/kisti.kosenexpert.2018.5