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해양환경에서의 미세플라스틱: 환경오염 및 독성학적 특성 구조에 대한 현재 동향
해양환경에서의 미세플라스틱: 환경오염 및 독성학적 특성 구조에 대한 현재 동향 저자 이재철 (전북대학교)
등록일 2020.06.11
자료번호 BRIC VIEW 2020-R18
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요약문
전 세계 플라스틱 총 생산량이 1950년 150만 톤에서 2016년 3억 3,500만 톤까지 증가하였으며 이는 환경을 구성하는 여러 구성요소들로 배출되어져 왔다. 플라스틱은 거의 생분해 되지 않으며, 여러 과정을 거치면서 미세 플라스틱과 나노 플라스틱으로 분해되어 전 세계 모든 해양 환경에서 다양한 형태로 배출되고 있다. 미세플라스틱은 여러 환경을 통해 유기오염물질, 금속, 병원균(체)을 흡착/ 흡수하여 해양 환경에 존재하는 동물들에게 여러 독성 효과를 일으킨다. 하지만, 아시아, 아프리카의 대부분 국가들은 주 배출국가들이 대부분 포함됨에도 불구하고 심각함을 받아들이지 못하며 플라스틱 재사용, 재순환 등 저감 조치를 시행하지 않고 있다. 따라서 본 리뷰는 해양 플라스틱 오염에 대한 현재의 독성학적 특성과 현재의 동향에 대해 논의하였다.
키워드: Marine environment, Microplastics and nanoplastics, Molecular mechanisms, Oxidative stress, Plastic pollution, Systemic toxicity, Toxicological impacts
분야: Environmental_Biology, Marine_Biology

본 자료는 Microplastics in the marine environment: Current trends in environmental pollution and mechanisms of toxicological profile. Environmental Toxicology and Pharmacology, 68, 61-74 (2019). 의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.

목 차

1. 서론
2. 플라스틱 오염에 대한 간략한 역사와 현재의 동향
3. 해양환경에서의 플라스틱 오염에 대한 동향
4. 해양환경에 존재하는 미세플라스틱의 독성학적인 영향에 대한 흐름
  4.1. 해양환경에서 플라스틱 섭취와 얽힘의 관측을 위한 지표종
    4.1.1. 바다새
    4.1.2. 고래류, 바다거북, 바다뱀, 바다물고기
      4.1.2.1. 고래류에 대한 플라스틱 잔해의 섭취와 얽힘
      4.1.2.2. 바다거북에 대한 플라스틱 잔해의 섭취와 얽힘
      4.1.2.3. 플라스틱 고리와 그물망에 의한 바다뱀의 죄임
      4.1.2.4. 바다 물고기에 대한 플라스틱의 얽힘과 섭취
  4.2. 미세플라스틱으로부터 유도된 독성이 해양종에게 독성을 끼치는 구조
    4.2.1. 해양 미세플라스틱의 축적과 이동에 대한 작용 원리
    4.2.2. 미세플라스틱으로부터 유도된 독성이 산화 스트레스에 관여하는 작용 원리
    4.2.3. 해양생물에 대한 미세플라스틱의 병태 생리학적 변조와 생식 기형의 유도
    4.2.4. 해양생물에 대해 미세플라스틱과 여러 유입된 오염물질 간 상호작용이 미치는 독성학적인 영향
5. 결론


1. 서론

세계 인구의 전례 없는 증가는 인간의 건강과 삶의 질 향상을 위한 산업, 농업, 의학, 지방자치 등의 인구 활동을 함께 증가시켰다. 불행히도, 잘못된 관리로 인해 이러한 활동들은 직/ 간접적으로 세계 육/ 해상 생태계의 오염 상태에 영향을 미치는 수천의 오염 물질(xenobiotic contaminants)들을 만들어 냈다. 그중에서도 플라스틱과 이를 활용한 고분자의 여러 제품들이 최근 전 세계적으로 등장하고 있다. 여러 과학적 연구 결과들은 미세플라스틱이 세계 곳곳의 다양한 생태계에서 관측되며 거의 대부분이 수생물들에 대해 잠재적 독성을 가지고 있음을 보고하였다. 플라스틱과 미세 플라스틱은 생태계에 지속적으로 발생, 배출되어 생명체의 생존에 잠재적인 위협을 가하기 때문에 전 세계적으로 문제가 되며 관리가 시급하다. 플라스틱은 여러 다양한 장점을 가졌음에도 불구하고 환경에서 생분해가 거의 되지 않기 때문에 물리/ 화학적으로 미세 플라스틱으로 분쇄되어 여러 경로로 흩어진다.

해양 환경을 이루는 해수는 지구 표면의 대부분을 차지하며 실질적으로 많은 생물학적 다양성을 만들고 생태계를 구성하는 1차 생산자 거의 절반의 활동에 관여한다. 또한, 생태관광과 어업 자원 관리 등을 통해 많은 국가/ 지역들의 경제적 성장을 제공하기도 한다. 한 보고에 따르면, 전체 인구의 약 23% (약 12억 명)에 가까운 사람들이 해안으로부터 100 km 이내에 살고 있으며 이는 인류 지속을 위해 해양 환경이 얼마나 중요한지를 보여준다. 이런 막대한 중요성에도 불구하고 인간의 다양한 활동들로 인해 해수는 바다/ 해양에 있는 해양 쓰레기와 생성된 오염 물질들의 최종 종착점이 되어 버렸다. Carpenter and Smith (1972)에 의해 보고된 사르가소해(Sargasso Sea)에서 발생한 플라스틱 잔해에 대한 첫 번째 보고서 이후 세계 각지의 해양 플라스틱 오염에 대한 수많은 연구들은 플라스틱 잔해들이 해양 생태계 어느 곳에나 존재한다는 것을 보여주었다. 구조적, 화학적 구성을 고려했을 때, 플라스틱 잔해들은 전 세계 거의 모든 해양 생태계를 거쳐 다양한 무척추동물 및 척추 동물에게도 여러 독성학적 영향을 미치기 시작했다. 뿐만 아니라, 플라스틱 쓰레기가 유기 및 무기 유해 화학물질들을 땅에서부터 해양환경 그리고 인간으로 먹이 경로를 통해 옮길 수 있다는 잠재성은 세계적인 우려를 낳았다. 본 리뷰는 해양 플라스틱 오염이 현재 해양생물에게 나타나는 독성학적 결과에 초점을 맞춘 현재 추세에 대해 다루었다.

2. 플라스틱 오염에 대한 간략한 역사와 현재의 동향

플라스틱은 중합반응(polymerization)이 일어나는 동안 연결된 합성 유기 화합물들의 복잡한 고분자 혼합물을 칭하며 1839년 Eduard Simon에 의해 에틸렌/ 벤젠으로부터 만들어진 강한 플라스틱인 폴리스티렌의 형태로 처음 발명되었다. 음료의 컵이나 땅콩 포장과 같은 제품생산에 있어 다재다능함과 유용성은 1862년 Alexander Parkes에 의해 “Parkesine”이라고 불리는 인공 플라스틱(Cellulose 소재의 유기성 물질로써 한번 가열된 후 냉각될 때 성형되고 그 형태가 유지됨)을 발명하게 하였다. Parkesine의 발명 이후 포름알데히드의 사용은 플라스틱의 발전을 가속화 시켰다. 1897년 이후 칠판의 생산을 위해 우유 단백질과 포름알데히드가 혼합된 카세인 플라스틱 합성이 이루어졌다. 1899년 Arthur Smith는 절연에 쓰이는 에보나이트(경질 고무)의 대체로 사용될 수 있는 페놀-포름알데히드 수지를 발견하였다. 1907년 Leo Herdrik Baekeland가 페놀-포름알데히드 반응을 발전 시켜 합성수지를 개발한 것이 “Bakelite”라는 상표가 된 첫 번째 현대 플라스틱이다 (표 1). Bakelite의 발명은 플라스틱의 생산성을 저렴하게 향상시키는 기술들에 대한 지식을 증가시켰다(열경화성 플라스틱은 가열될 때 화학적 변화가 일어나기 때문에 다시 녹거나 재성형되지 않으며 열가소성플라스틱은 재가열, 재성형, 냉각이 반복적으로 가능함). 이러한 기술들은 플라스틱이 경량, 내구성, 비활성, 부식내성 등과 같은 특징을 가져 이를 통해 포장, 건설/ 건축, 교통, 과학 장비, 신재생에너지, 의료, 스포츠 기기와 같은 여러 분야의 핵심 소재로써 다양하고 효율적으로 쓰이도록 하였다. 이러한 발견은 이후 1940년도에 플라스틱의 대량생산으로 이어지게 된다 (표 1).

이후, 전 세계적인 플라스틱 제품의 생산과 활용은 기하학적으로 증가하였는데 전 세계 평균 생산이 2009년에는 2.5억 톤에서 2016년 3.35억 톤까지 증가하였다 (그림 1). 하지만, 국제적인 플라스틱 오염과 이들이 인간을 포함한 수생/ 육생 생물에 유해한 영향을 끼칠 가능성이 있다는 인식이 증가하면서 세계 플라스틱 생산은 해를 거듭할수록 점차 감소할 것이라고 예측되었다. 이는 유럽을 비롯한 세계 곳곳의 많은 연구자들과 정부가 플라스틱의 생산을 줄이는 것에 동참하며 사용되고 있는 플라스틱 제품의 재이용/ 재활용에 대한 지지에 의한 것이다. 그리고 2018년 지구의 날 네트워크 또한 "2020 지구의 날에는 플라스틱 오염을 끝내는 것"에 초점을 맞추었다 (표 1). 그러나 전 세계 모든 국가의 플라스틱 잔해가 해양 및 해안 환경으로 유입되는 수많은 운송 경로(강, 관거 시스템, 바람 등)가 있다는 점을 고려한다면 플라스틱 오염을 끝내는 것이 어려울지도 모른다. 상당한 양의 플라스틱 쓰레기를 해양 환경으로 배출하는 것으로 알려진 세계 대부분의 나라들은 아직 플라스틱 제품의 감소, 재이용/ 재사용과 적절한 고형 폐기물 관리에 대한 고려가 부족하다. 더욱이 해양 퇴적물 내의 플라스틱 쓰레기는 분해속도가 매우 느리기 때문에 몇 세기 동안이나 잔류할 수 있다.
 

표 1. 전 세계에 걸친 플라스틱의 발견과 오염에 관한 주요 이슈와 사건들
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* 가두수집 프로그램: 적정공간에 재활용품 수집 용기 배치 후 기간마다 회수함


3. 해양환경에서의 플라스틱 오염에 대한 동향

세계 플라스틱 생산은 1950년대 150만톤에서 2016년에는 3억 3,500만 톤까지 증가하였는데 (그림 1), 이는 플라스틱 잔해가 환경에 축적되고 여러 생물에 독성학적으로 영향을 주게 되는 여파를 가져왔다.
 

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그림 1. 세계 플라스틱 생산량의 증가 동향.


다양한 국가의 정부, 비정부 기관의 수많은 연구자들은 거의 모든 해양/ 해안 생태계의 구성요소에 플라스틱 잔해가 축적되는 것을 광범위하게 보고하였다. 해양 환경에서의 플라스틱 잔해는 Carpenter와 Smith에 의해 1972년 보고되었는데 그 당시 그들은 사르가소해(Sargasso Sea)의 서쪽에서 원양 모자반(Pelagic Sargassum)을 채취하고 있었다. 그들은 도시와 화물/ 여객선에 의한 폐기물 투기를 관찰한 결과 플라스틱 생산은 지속적으로 증가하는 반면에 버리는 방식은 플라스틱 폐기물의 처리에 적절하지 않기 때문에 플라스틱 쓰레기는 시간이 지나면서 점차 바다에 축적될 것이라고 예측했다. 그들의 보고 이후 40년 동안 플라스틱에 의한 해양 오염은 세계적인 환경 오염과 공중보건 문제로써 점차 커지게 되었다. 폐기물 잔해에 의한 해양오염은 육지에서의 폐기물 배출과 바다/ 해양에서의 다양한 인간 활동과 오랫동안 관련되어져 왔다. Faris와 Hart (1995)는 해양 환경에서 발생하는 총 쓰레기의 80%가 육지에서 기인한 것이라고 밝혔으며 그 후, 미 환경 보호국(US EPA)은 매년 640만 톤 가량의 쓰레기가 버려지는 것으로 추정하였다. 육지로부터 해양으로 유입되는 쓰레기 중 플라스틱이 차지하는 비율은 약 40-80% 가량을 차지하며 이 값은 결국 해양에서 발생하는 플라스틱 쓰레기가 매년 생산되는 총 플라스틱의 약 10%에 해당하는 양일 수 있다. 이 10%는 2010년 플라스틱 쓰레기 기준 약 480만에서 1,270만 톤의 범위로 추산된다. 이 수치 자체로도 엄청난 값이지만, 플라스틱 잔해가 오랜 기간 동안 지속되고 해양 환경 및 육지 생태계 양쪽 모두 축적될 수 있다는 점을 고려한다면 해양환경에서 더 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 게다가, Jambeck et al. (2015)는 세계 은행이 2010년에 발표한 플라스틱 폐기물에 대한 관리가 부실한 상위 20개국에서 바다로 유입되는 플라스틱 폐기물의 추정치를 계산하였다 (그림 2).
 

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그림 2. 상한가정치를 바탕으로 한 연간 해양 플라스틱 배출량 상위 20개 국가.
막대 옆의 *는 각 국가별 플라스틱 생산 대비 배출 비율을 나타냄.


그림 2의 리스트를 구성하는 아프리카 및 아시아의 일부 국가는 플라스틱의 사용을 줄이거나 재활용하려는 노력이 미미하거나 전혀 없는 것으로 보인다. 플라스틱은 비교적 부력이 있어 바람과 물을 통해 국가 사이를 이동할 수 있기 때문에 세계 해양 플라스틱 오염의 증가로 이어질 수 있다.

매년 전 세계에서 생산되는 막대한 양의 플라스틱 제품은 다양한 조성과 특성을 가진다. 플라스틱의 특징은 주로 열에 대한 반응에 따라 열경화성과 열가소성으로 분류된다. 열가소성 물질은 고온 조건에 있거나 가열할 때 녹거나 잘 휘어지는 반면에 열경화성 물질은 액체 상태를 거치지 않고 바로 분해된다. 이러한 특성은 플라스틱 고분자들 내 존재하는 강한 공유 결합이 분해에 저항함에 기인한 것이다. 따라서, 플라스틱의 단량체(monomer)의 화학적 구성과 가교 밀도(cross-linking density)는 플라스틱 제품이 열 및 치수 안정성을 가질 수 있도록 하여 다른 응용 분야에 적용될 때 기계적 및 열 분해에 저항한다. 플라스틱의 화학적 구성은 플라스틱 생산을 위한 원재료(유연성, 강도, 색 등 플라스틱의 특정한 특성을 위함)와 여러 첨가제(안정제, 난연제, 충전제, 색소)가 복합적으로 혼합된다. 열가소성 플라스틱은 주로 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리염화비닐(Poly-vinyl chloride, PVC)가 포함되는 반면 열경화성 플라스틱에는 주로 PET (Poly-ethylene terephthalate), 폴리우레탄(Polyurethane, PU), SBR (Styrene-butadiene rubber)가 첨가제로 포함된다. 다른 것들로는 해양 환경으로 플라스틱이 버려질 때 흡착하는 화학 오염물질(잔류성 유기오염물질; POP 또는 금속류)들이 있다.

미국과 유럽에서도 플라스틱에 포함된 많은 오염물질들이 기인하였음을 밝혔고 오염물질의 생물학적인 축적과 독성 효과에 의해 해양 플라스틱 오염이 있다고 여긴다. 플라스틱은 일반적으로 분해되지는 않지만, 기계 또는 열처리에 의해 다양한 크기와 조각으로 분해되며 이 과정에서 PCBs, PAH, DDT 및 그 대사물, PBDE, 알킬페놀, BPA 등 다양한 오염물질이 함께 배출된다. 이러한 오염물질은 공급, 유통, 사용을 거쳐 버려지면서 최종적으로 해양환경으로 유입되며 해양 생태계뿐만 아니라 인간에게 독성학적으로 유해한 영향을 끼친다. 플라스틱에 기인한 해양 환경 오염은 거동과 발생, 생태계에 미치는 영향에 대해 정부 및 비정부 연구자들이 다양한 연구를 수행하였고 그 결과 2004년 “미세플라스틱(microplastic)”이라는 용어를 사용하게 되었다. 이후 많은 연구들이 미세 플라스틱에 대해 정의하고 분류하려고 시도했지만, 국제적으로 인정되는 정의는 만들어지지 않았다. 하지만, 2009년 미국 국립해양대기청(The National Oceanographic and Atmospheric Agency, NOAA)에서 주관한 첫 국제 미세 플라스틱 워크숍에서 지름 5 mm 미만의 모든 플라스틱 파편이 포함되어야 한다는 합의를 시작으로 다양한 형태로 분류를 통해 표 2와 같은 형태로 요약되었다.
 

표 2. 크기에 따른 플라스틱 파편의 분류
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이전의 연구들은 100 mm 이상의 큰 직경의 플라스틱을 메가 플라스틱으로 분류하는 것이 일반적이었지만, 최근 분석 기법과 검출 방법들이 다양해지면서 나노 크기의 플라스틱(나노 플라스틱)의 플라스틱 잔해를 관찰 및 보고하게 되었다.

미세 플라스틱은 해양 환경으로 유입되는 근원지에 따라 1차, 2차 미세 플라스틱으로 분류된다. 1차 미세 플라스틱은 주로 육상에서 발생해 해양 환경으로 직접 유입되는데 특히 플라스틱 산업에서 사용되는 수지 펠릿(Resin pellet) 또는 화장품, 개인 위생 용품, 방충제, 선크림, 분사체 등에 사용되는 소형 입자들에 의해 발생한다. 이 경우 주로 직경 5 mm (플라스틱 펠릿) 및 0.5 mm (분말) 이하의 형태로 사용되며 매년 약 5,000g이 하∙폐수, 산업 유출 등을 통해 해양환경으로 유입된다고 보고 있다.

2차 미세 플라스틱의 경우 비교적 큰 플라스틱이 더 작은 입자로 조각나면서 발생한다. 이 공정은 주로 플라스틱 고분자의 가교 결합을 깨기 위한 물리화학적, 생물학적 공정이 여러 형태로 적용되는데 광, 열, 산화, 기계적인 마모를 통해 플라스틱 조각과 섬유들이 지속적으로 발생해 해양 환경으로 배출되게 된다. 1, 2차 미세 플라스틱이 다양한 농도로 모든 해양 생태계에 존재하며 그 양은 연간 약 2억 4,500만 톤 정도로 보고된다. 최근 연구들은 이런 1차 또는 2차 공정을 통해 형성된 대부분의 플라스틱은 CO, 물 또는 바이오매스로 완전히 미네랄화(Mineralized)되기 전까지 시간 단위로 연속적으로 분해될 것으로 예상하였다.

세계적으로 미세 플라스틱은 해양환경 어디에나 존재한다. 해양 환경의 주 구성요소인 수면 (surface of waters), 수주(water column), 해안가/ 해변(shorelines/ beaches), 해양 퇴적물(Marine sediments), 해저(sea floor), 생물(biota) 모두에서 발견되었으며 심지어 북극과 남극까지의 지표수로 퍼져 나갔다. 세계 다양한 연구들이 세계 곳곳의 바다, 해양 구성요소에서 미세플라스틱이 다양한 농도로 퍼져 있는 것을 관찰하였다. 이러한 입자들의 전 지구적인 해양 환경 분포는 물보다 낮은 밀도, 환경으로의 생산 및 배출원, 확산/ 분산 메커니즘, 수계에서의 흐름에 의해 더욱 심화된다.

4. 해양환경에 존재하는 미세플라스틱의 독성학적인 영향에 대한 흐름

UNEP는 2014년 연간 보고서에서 해양 환경에서의 플라스틱 잔해가 중대한 세계적인 환경 문제로 기술하였으며 2018년 4월 22일 지구의 날 네트워크는 2020년 지구의 날까지 플라스틱 오염을 종식시키기 위해 집중할 것이라고 알렸다. 해양 플라스틱은 세계 대부분의 국가에 사회-경제적 성장에 영향을 미치며 사람, 동물에 이르기까지 여러 독성 및 생태학적으로 여러 악영향을 끼친다. 독성학자 및 해양 생물학자들은 지난 30년 전부터 이미 여러 주제로 연구들을 수행해 왔으며, 특히 지난 20년 동안 독성학자들은 해양 동물에 의한 플라스틱 잔해가 얽히고 섭취되는 것에 대한 결과들에 집중해 왔다. 그러나, 플라스틱 잔해들이 미세 플라스틱과 나노 플라스틱으로 쪼개질 수 있다는 사실을 관찰하면서 독성학적으로 독성과 사망의 메커니즘을 이해하는 또 다른 관점이 되었다. 이러한 관점은 미세 플라스틱에 대한 유기오염물질과 금속의 흡착, 미생물과 무척추동물 병원균(invertebrate pathogens)의 수착, 독성학적인 효과를 유발하는 미세플라스틱과 흡착된 오염물질 간의 가능한 상호작용 등이 포함된다. 가장 최근의 연구들은 미세 및 나노 플라스틱이 자유 라디칼의 생성을 통한 산화 스트레스 유발, 면역 반응 유발, 유전자 발현의 변경, 유전자 독성 유발, 내분비계의 교란, 신경독성 유도, 생식 이상과 초세대적 영향과 같은 영향을 미치는 것으로 보고하였다. 더 자세한 메커니즘은 아래 4.2절에서 다시 소개하도록 하겠다.

4.1. 해양환경에서 플라스틱 섭취와 얽힘의 관측을 위한 지표종

플라스틱 잔해는 모든 형태의 해양 유기체에게 유해한 영향을 끼친다. 수많은 해양 유기체에는 고래류, 바다새, 바다거북, 물고기, 그 외 무척추동물 등이 포함되는데 이들은 해양 플라스틱(또는 미세 플라스틱)을 섭취해 생체 내 누적시키거나 플라스틱 섬유들에 의해 뒤엉키게 된다. 수많은 연구들이 동물들의 상태와 플라스틱 오염 간 상관관계가 있음을 보고하였고 이를 통해 해양 생물은 해양 환경의 플라스틱 오염을 관측하는 감시 유기체(sentinel organism)가 되었다. 해양 생물들이 플라스틱을 삼키는 것은 소화관의 막힘으로 인한 굶주림의 증가, 먹이를 통한 영양과 소화를 방해하기 때문에 병들고 사망하게 된다. 또한 몇몇의 해양 생물은 플라스틱 섬유에 의한 뒤엉킴과 플라스틱 링, 타이어에 끼이는 것에 굉장히 취약한데, 이는 익사, 질식, 목 졸림 등을 야기한다. 여러 해양 생물 중 뒤엉킴으로 인해 영향을 받는 종보다 섭취로 인해 영향을 받는 종이 훨씬 많기 때문에 플라스틱의 섭취가 해양 생물에게 더 위험하다고 볼 수 있다. 게다가, 해양 생물의 플라스틱 섭취는 단순한 물리적 외상에 대한 위험의 증가뿐만 아니라 플라스틱 파편에 흡착된 유기 화학물질(플라스틱 가소제), 독성 금속, 병원균 등에 노출될 위험이 증가할 수 있다.

4.1.1. 바다새

여러 해양종 중, 바다새는 플라스틱 섭취와 얽힘에 대해 가장 광범위하게 연구되어왔다. 여러 바다새 중에서도 슴새목(Procellariiformes; 알바트로스(Albatrosses)와 페트렐(Petrels))이 특히 높은 플라스틱 섭취의 발생 빈도를 보였는데 이는 관찰된 종의 거의 절반에 이른다. 해수면에서 먹이를 섭취하는 종(Shearwaters, petrels, Prions, and Phalaropes)과 플랑크톤을 먹는 잠수 바다새 (Auklets and Puffins) 등 또한 가장 플라스틱 섭취가 빈번한 바다새 들이다. Robarts 외 연구진들은 1988년부터 1990년까지 알래스카 북극 연안에 나타나는 24 종, 1,799 마리 바다새의 소화기관에 포함된 플라스틱 잔해를 수집하였다. 그 결과 15 종 바다새들의 소화기관에서 다양한 형태, 크기의 플라스틱들을 발견하였다. 1969-1977년에 Day (1980)에 의해 이루어진 비슷한 연구 결과와의 비교를 통해 그동안 플라스틱이 더 많이, 자주 배출되어 플라스틱을 섭취한 종이 더 늘어난 것을 관찰하였다. 1975-1989년에는 Moser와 Lee에 의해 North Carolina의 38종, 1,033마리의 바다새를 조사하여 21종의 바다새가 플라스틱을 섭취한 것으로 확인되었다. 그중에서도, 슴새목(Procellariiformes)에게 가장 빈번하게 플라스틱 잔해가 발견되었는데 연구 기간 중 7-8종의 슴새과에서 발견되었다. 결국, 북태평양 연안 바다새들의 플라스틱 섭취의 증가는 플라스틱 오염 증가와 밀접한 관련이 있음을 보여주었다.

Provencher et al. (2014)는 북대서양 13종의 바다새에게서 부검과 구토 잔해물을 통해 플라스틱의 축적을 조사하였다. 그 결과 큰 슴새(Great shearwater; Puffinus gravis)에서 71%, 북방 풀머 갈매기(Nothern fulmars; Fulmarus glacialis)에서 51%로 2종에게 가장 많은 플라스틱 섭취를 관측하였다. 그 중 큰 슴새는 복부에서 가장 많은 종류의 플라스틱 조각이 발견되었는데 이는 약 36종에 이른다. Kenyo과 Kridler (1960) 그리고 Rothstein (1973)이 두 바다새 종에게서 플라스틱 섭취를 발견했다는 보고 이후 1980년대에는 109 종이 넘는 바다새가 북태평양, 북대서양, 열대 태평양, 남대서양, 남극해 등의 다양한 지역에 걸쳐 연구되었으며 그 이후 관측되는 종과 플라스틱 잔해의 발견 빈도는 점차 증가하게 된다. 예를 들어, 2008년 Mallory는 캐나다 북극권의 북방 풀머 갈매기(Northern fulmars)에게서 플라스틱 잔해의 증가를 관찰하였다. 그러나, 아프리카와 아시아 대부분의 국가는 해양 플라스틱 오염 증가의 대부분을 차지함에도 불구하고 관련된 연구는 거의 전무하다. 이는 이러한 국가들이 해양 플라스틱의 독성학적인 영향에 대해 거의 의식하지 않고 있음을 나타내며 2020 지구의 날에 플라스틱 오염을 종식시키는 것에 대한 노력에 큰 장애물이 될 수 있다.

바다새는 먹이 섭취와 둥지를 지을 때 플라스틱 잔해와 플라스틱 섬유에 특히 취약하다. 둥지를 지을 때 재료로 많은 양의 플라스틱 끈을 사용한다(우선적으로 합성 섬유를 사용한다). 이 물질들은 어미새와 어린새의 구분 없이 그들의 다리, 발, 때때로 날개를 옭아매며 이로 인해 질병의 발병이나 사망률을 증가시킨다. 둥지의 재료가 된 플라스틱에 얽매인 새들은 굶주림과 조여지는 고통 가운데 서서히 죽어가게 된다. 최근의 많은 연구들이 역시 이러한 바다새들의 플라스틱 섭취와 얽힘에 대해 조사하였으며 이는 세계적인 플라스틱 잔해에 의한 해양오염에 바다새가 중요한 지표가 될 수 있음을 사사한다.

4.1.2. 고래류, 바다거북, 바다뱀, 바다물고기

바다새가 해양 플라스틱 오염을 위한 중요한 지표로 널리 활용되지만 플라스틱 잔해들이 가져오는 영향은 훨씬 광범위하다. 해양 포유동물, 파충류(거북, 뱀), 새와 물고기들은 플라스틱 포장재, 낚시 도구(그물, 로프), 섬유 로프에 민감한데, 이런 군에 포함된 수 백에서 수 천에 이르는 다양한 해양 동물들이 매년 플라스틱에 얽혀 고통받았다. 대략적으로 6 종의 바다거북, 51 종의 바다새, 32 종의 해양 포유류를 포함한 약 136 종의 해양생물이 플라스틱으로 인한 얽힘으로 고통받고 있다.

4.1.2.1. 고래류에 대한 플라스틱 잔해의 섭취와 얽힘

120 종에 이르는 고래류는 세계자연보전연맹에서 규정한 레드 리스트에 따라 크게 고래(whale), 돌고래(dolphin), 쇠돌고래(porpoise)로 구성되며 이 중 약 54%가 플라스틱을 섭취하거나 얽힘으로 인해 질병을 얻거나 사망한다. 초기 1997년 Laist의 연구부터 Baird와 Hooker (2000)의 연구를 거치며 범고래(the killer whale; orcinus orca), 북방병코고래(northern bottlenose whale; Hyperoodon ampullatus), 상괭이(finless porpoise; Neophocaena phocaenoides), 흰부리돌고래(white-beaked dolphin; Lagenorhynchus albirostris), 점박이돌고래(pantropical spotted dolphin; Stenella attenuate) 등의 종들에게서 플라스틱 섭취를 관찰하였으며 최근 연구는 바다표범이나 바다사자 같은 기각류들(Pinnipeds)에게서 플라스틱 섭취 또는 얽힘에 관한 연구들이 보고되고 있다. 일반적으로 고래들은 목 주변에 엉킴이 발견되었고 그 주변에 그물 파편, 단섬유(낚싯줄), 포장끈, 로프, 고무 타이어 등이 붙어있었다. 또한 이런 영향은 모든 연령대의 개체군에 영향을 주지만 비교적 어린 성장기의 개체들이 더 취약한 것으로 나타난다. 플라스틱 파편의 섭취는 소화 기관을 막아 영양 부족과 질병 등을 초래하며 버려진 낚시 장비에 걸려 입는 부상은 점점 죄어지는 속박감에 의해 이동 제한, 조직 손상으로 식량 조달 능력이 제한되어 굶어 죽게 된다. 이는 해양환경에서 플라스틱 파편이 증가하는 것과 상당히 밀접한 관련이 있기 때문에 고래류는 해양환경의 플라스틱 파편의 오염에 대해 유용한 생물학적 지표가 된다.

4.1.2.2. 바다거북에 대한 플라스틱 잔해의 섭취와 얽힘

바다거북의 위장관에서 플라스틱 잔해의 축적의 빈도와 얽힘에 대한 보고가 날로 증가하고 있다. Campani et al. (2013)은 31 마리의 붉은바다거북(Loggerhead turtle; Caretta caretta)이 이탈리아 북부 티레니아해에서 좌초되거나 우연히 발견된 것을 보고하였다. Casale et al. (2016)과 Nicolau et al. (2016)은 스페인 지중해에서 어부들에게 불법적으로 포획된 54마리의 어린 붉은바다거북, 지중해 중앙의 567마리의 붉은바다거북, 포르투갈 유럽해에서 잡힌 95마리의 붉은바다거북 모두 소화기관 내 플라스틱 파편의 발견이 빈번함을 보고하였다. 이러한 연구들은 섭취한 플라스틱의 발견 빈도가 해양 플라스틱 오염과 관련이 있으며, 붉은바다거북이 해양 쓰레기의 동향을 관찰하기 위한 감시종으로 적절함을 사사한다. 거북이들은 투명 어망에 영향을 받는데 한 예를 들면 호주 북부의 안헴곶(Cape Arnhem)에서 4달 동안 투명 어망으로 인해 죽은 29마리의 거북이 발견되었다. 또한, 1998년에서 2001년 사이 카나리아 제도에서 88마리의 붉은바다거북, 3마리의 바다거북, 2마리의 장수거북이 엉켜있는 채 발견되었다. 여러 연구자들의 보고에 따르면 바다거북들은 버려진 낚시망에 얽힘, 갈고리나 낚싯줄의 섭취, 피부궤양, 근육 부위 손상, 지느러미발의 절단 등의 영향을 받은 것으로 확인되었다.

4.1.2.3. 플라스틱 고리와 그물망에 의한 바다뱀의 죄임

해양 포유류, 바다거북, 바다새와 같은 해양 동물의 플라스틱 섭취나 얽힘에 대한 연구는 많이 수행된 바 있으나 바다뱀에 관한 정보는 많지 않다. 뱀들은 대부분 육식성이기 때문에 플라스틱 파편을 섭취할 가능성은 거의 없거나 매우 드물다. 바다뱀은 원통형의 체형을 가지고 있기 때문에 플라스틱 섬유에 얽히는 것을 탈출하는데 많은 이점이 있지만 몇몇 그물이나 고리 형태의 플라스틱의 경우 탈출을 위해 몸을 뒤트는 행동(twisting escape behavior, 많은 종의 뱀의 공통적인 특징)으로 인해 예외적인 경우가 있다. 그러나 Udyawer et al. (2013)와 동료들은 플라스틱에 끼인 바닷뱀에 대해 처음으로 주목할만한 연구 결과를 발표하였다. 그들의 연구는 호주 퀸즈랜드의 클리블랜드만에서 수컷 바닷뱀(Hydrophis elegans)가 탈피 중 원형으로 된 무언가에 끼여있는 것을 발견하였다. 세라믹 와셔(역: 나사받이)의 내경이 뱀 신체 크기보다 작기 때문에 몸이 압축되 피부에 찰과상을 입히고 이를 통해 그 아래의 근육이 노출되어 척추와 환부의 조직 손상을 야기한다. 이후, 끼인 위치가 점점 머리 쪽으로 이동하며 식도와 가까워져 먹이 섭취를 제한하게 되어 결국 죽게 된다.

바다뱀의 플라스틱 섭취나 얽힘에 대한 연구는 부족하지만 육생 또는 반수생의 뱀이 그물이나 링 형태의 플라스틱 잔해로 인해 얽히거나 갇히는 사례는 일부 보고된 바 있다. 이 연구들은 뱀이 플라스틱에 대해 얽히거나 갇힐 수 있는 여러 가능한 경로들에 대한 정보를 제공한다. 예를 들면, 큰채찍뱀(Coachship; Masticophis flagellum) 성체가 탈출할 때 몸을 비트는 행동으로 인해 방조망에 걸리고, 그 재질에 의해 피부가 찢어지는 등의 상처를 입었다. 비슷한 이유로, 쓰레기장 더미에서 버려진 플라스틱 그물에 얽힌 채로 죽은 수컷 또한 발견되었다. 그물 가닥은 뱀의 몸통을 꽉 죄거나 복부, 측면을 벨 수 있다. 그 외 비슷한 사례들이 황소뱀(Bullsnake; Pituophis catenifer), 레이서뱀(racesnake; Coluber constrictor), 쥐잡이뱀(ratsnake; Elaphe obsoleta), 왕뱀(kingsnake; Lampropeltis getula) 등에게서 나타났으며 뱀의 크기에 따라 다양하다. 작은 크기의 뱀이나 어린 뱀의 경우 성체에 비해 가볍고 그물망 사이를 잘 통과하기 때문에 위험이 더 적을 수 있으나, 링 형태의 플라스틱과 금속이 바다뱀이나 반수생 뱀의 생존을 위협하고 있음은 분명하다.

4.1.2.4. 바다 물고기에 대한 플라스틱의 얽힘과 섭취

1928년 Gudger에 의해 발견된 코네티컷주 인근 Block 섬의 고무줄로 감긴 고등어(Mackerel; Scomber scombrus)에 관한 보고는 바다물고기에 대한 플라스틱 얽힘에 관한 최초의 연구이다. 또한, 1931년 쿠바에서 청상아리(shortfin mako; Isurus oxyrinchus)가 목 주변에 자동차 타이어가 감긴 채 발견되었다. 이 발견들 이후 플라스틱에 걸리거나 감긴 가오리류, 상어류에 관한 많은 연구들이 보고되었다. 플라스틱 섬유나 고리에 얽히거나 감기는 것은 척추 측만증, 피부 조직의 찰과상, 영양 부족, 식도의 막힘으로 인한 호흡 곤란 등을 야기해 물고기들을 죽음으로 이끈다. 이외에도 홍어(skates)와 돔발상어(dogfish; Squalus acanthias), 샤프노즈상어(sharpnose shark; Rhizoprionodon lalandii) 등이 발견되었다. 특히, 톱상어(sawfish; Pristis pectinata)의 경우 긴코를 가진 신체 특성상 PVC 파이프, 단섬유, 고무 밴드, 그물 등에 취약하고 이빨에 플라스틱이 잘 끼기 때문에 그들의 생존을 보호하기 위해 플라스틱류를 없애는 것은 중요하다.

한편, 1949년 Gudger는 플로리다 키스제도에서 발견된 뱀상어(tiger shark; Galeocerdo cuvier)의 복부에서 기름통, 빈 깡통, 밧줄과 조각난 수많은 타일들을 발견하였다. 일반적으로 상어와 같은 연골류에게는 플라스틱 잔해의 섭취는 대부분 큰 문제가 되지 않는데, 소화되지 않는 것들은 자발적으로 체외로 유도되어 배출되는 구조를 가지고 있기 때문이다. 하지만, 플라스틱의 크기가 커진다면 불가능한 경우도 있는데, 일례로 태국에서 죽은 채 해안으로 떠내려온 고래 상어(whale shark; Rhincodon typus)의 경우 부검을 통해 잘 휘지 않는 플라스틱 빨대가 소화 기관 내부에 여러 상처들을 냈다는 사실을 밝혀냈다.

작은 바다 물고기들의 플라스틱 섭취에 관한 연구는 1972년 Carpenter와 동료들에 의해 발표되었다. grubby (Myoxocephalus aenus), 가자미(winter flounder; Pseudopleuronectes americanus), white perch (Roccus americanus), 은줄멸(silversides; Menidia menidia), 모악동물(chaetognatha; Sagitta elegans) 등에서 구슬 형태의 플라스틱과 PCB가 치어 및 성어의 소화기관 내에서 관찰되었다. 그들은 소화된 플라스틱 구슬 또는 PCB가 장 폐색, 성장 저해, 사망 등의 영향을 주었을 것이라 추측했다. 플라스틱 축적에 관한 관심이 날로 증가함에 따라 쪼개지는 미세 플라스틱에 관한 고려도 이루어져 해양 미세 플라스틱 오염의 증가와 작은 해양 물고기들이 서로 밀접한 관련이 있다는 보고가 있다. 2016년 Miranda와 de Carvalho-Souza의 보고에서 식용으로써 가장 중요한 두 종인 동감삼치(king mackerel; Scomberomorus cavalla)와 Brazilian sharpnose shark (Rhizoprionodon lalandii)에서 미세 플라스틱의 발견 정도가 높음(각 62.5%, 33%)을 발견하였는데, 이는 플라스틱을 섭취한 생선을 사람이 먹을 경우 건강에 영향을 줄 수 있기 때문에 먹이사슬과 연관되어 사람에게도 영향을 줄 수 있음을 알렸다.

한 보고서인 “풀려남 – 해양 쓰레기: 동물 복지에 미치는 영향과 동물 중심 해결책들에 관한 세계적인 그림(원제: Untangled – marine debris: a global picture of the impact on animal welfare and of animal-focused solutions)”에 따르면 플라스틱에 의한 걸림이 해양 동물에게 치명적이거나 만성적으로 영향을 줄 수 있다고 한다. 치명적일 경우 익사를 통한 질식과 같이 짧은 시간에 유해한 영향을 주며 만성적일 경우 먹이가 제한되어 굶어 죽기에 이른다. 또한 동물들이 당기는 힘의 소모, 행동이나 헤엄의 제한 등의 추가적인 행동을 위한 에너지 부담을 증가시키며 궁극적으로는 탈진 또는 익사가 될 수 있다. 로프나 묶는 줄 같은 경우 절단이나 부상을 유발하며 지나간 부위가 감염될 우려가 있고, 피부나 근육, 때로는 동물이 자라면서 그대로 남아 뼈가 잘릴 우려가 있다. 수축은 동맥을 끊어내고 결국에는 교살을 유발할 수 있을 정도로 심해질 수 있어 생존 감소의 주원인이 된다. 플라스틱은 해양 환경에서 오랫동안 존재하기 때문에 얽힌 동물이 죽을 때 그 잔해가 바다로 다시 돌아와 또 다른 동물이 얽힐 가능성이 있다. 앞에서 언급한 바다새, 바다거북, 바다뱀, 고래류와 바다 물고기는 해양 플라스틱 오염의 정도와 동향을 나타내는 중요한 지표로써 주목할 만한 가치가 있다.

4.2. 미세 플라스틱으로부터 유도된 독성이 해양종에게 독성을 끼치는 구조

플라스틱이 미세플라스틱과 나노 플라스틱으로 불리는 잔류성이 있는 작은 조각들로 분해되고 그 플라스틱들은 유기물에게 섭취되거나 직접 해양 환경으로 유입되었을 때 유해한 화학물질들이 퍼질 가능성이 있다. 이에 대한 정보들이 증가하면서 최근 연구들은 미세플라스틱과 나노 플라스틱이 근본적으로 어떻게 독성을 끼치는지 그 구조적인 방면의 지식을 쌓는 데 초점을 맞추고 있다. 최근 미세플라스틱에 관련된 중요한 연구 분야는 플라스틱 오염과 관련 지어 생선과 포유류를 포함하는 척추동물의 내분비계를 교란하는 화학물에 대해 고려하는 것이다. 게다가, 미세플라스틱은 플랑크톤에 의해 쉽게 섭취되는데 이는 해양 먹이 사슬을 통해 2차, 3차 소비자로 이동되어 궁극적으로는 최종소비자인 인간까지 다다르게 된다. 이는 작은 크기의 미세 플라스틱이라도 독성학적으로 큰 결과를 낳을 수 있음을 시사한다. 많은 종류의 해양 생물이 먹이를 찾는 행위를 하며 미세플라스틱을 섭취한다. 현재까지의 대부분의 연구들이 미세플라스틱이 소화관에 축적되거나 배변으로 배출되는 것 그리고 소화기관을 막아 아사 또는 질식사시키는 현상들에 초점을 맞추어 왔지만, 최근 연구들은 더 나아가 미세플라스틱이 세포나 분자 생체 지표로써 일어날 수 있는 영향들에 대한 지식을 넓히고 있다. 대부분의 연구들이 실험실 및 해당 지역에서 무척추, 척추동물을 생화학, 조직병리학, 분자생물학적 영향을 확인하는 생체 지표로써 활용해 미세플라스틱이 미치는 세포막 침투, 물리, 대사적 영향에 대한 과학적 지식을 향상시키고 있다. 폴리스티렌은 전체 플라스틱 생산의 다섯 손가락안에 들 만큼 많이 생산되는 종류인데 손쉽게 활용할 수 있어 실험실에서 대조실험으로 쓰인다. 또한 과거 플라스틱 잔해에 의해 영향을 받은 해양종들을 조사했을 때 가장 흔하게 관찰된 종류의 플라스틱이기도 하다.

4.2.1. 해양 미세플라스틱의 축적과 이동에 대한 작용 원리

2008년 Browne과 동료들은 담치(mussel, Mytilus edulis)를 생체지표로 사용하여 폴리스티렌 소재의 미립자(microsphere) 섭취 과정에서 축적과 독성에 관한 작용 원리를 조사하였다. 2 um의 폴리스티렌 미립자에 형광 표시를 하고 4-16 um는 표시되지 않게 하여 약 0.51 g/L의 농도로 담치에 노출시켜 여러 실험을 진행하였다. 시간 흐름에 따라 관찰한 결과 12시간 노출 후 소화공(gut cavity), 소화 촉진 세관(digestive tubule)에 모든 크기의 폴리스티렌 미립자가 축적되는 것을 확인하였다. 3일 이내 폴리스티렌은 소화기관에서 순환기관으로 이동되었고 이후 48일 이상 혈액 림프에 누적되는 것으로 확인되었다. 관찰 기간 중 12일 정도에서 가장 미세플라스틱이 많이 발견되었으며 이후 감소하였다. 게다가, 큰 입자에 비해 작은 입자들이 더 많이 관찰되었는데 이는 작은 입자들이 더 빨리 조직에 축적될 가능성이 있음을 보여준다. 하지만, 이동된 폴리스티렌 입자는 혈액 림프의 식세포 활동이나 산화 상태 또는 여과 섭식 활동에 의해서는 뚜렷한 감소가 일어나지 않았다. 이러한 가능성을 탐구하려는 시도들이 이루어졌으며, 그 결과 Rossi et al. (2014)는 복잡한 분자 시뮬레이션을 통해 설계된 생체막을 통과하는 나노 크기의 폴리스티렌 입자의 투과율을 밝혀냈다. 그들은 폴리스티렌 입자가 막의 이중 층 구조를 변화 시켜 지질막에 쉽게 침투하는 것을 관찰하였으며 막의 수평 구조로 보았을 때 플리스티렌이 막 단백질과 세포 기능의 활동에 심각한 영향을 줄 수 있는 뗏목과 비슷한 구조의 도메인(domain)을 안정화함으로써 심하게 영향을 받은 것을 관찰하였다. 그 외에도 Lei et al. (2018)이 in vivo study로써 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스티렌 5종의 미세플라스틱에 대해 zebra fish (Danio rerio)와 형광을 나타내는 유전자가 이식된 선충(Caenorhabditis elegans)에 대해 독성을 비교하였다.

두 종류의 생물을 0.001-10 mg/L 범위의 플라스틱 입자에 각각 10일간 노출시켜 결과를 비교하였다. 조직 병리학적 분석을 통해 70 um 사이즈의 폴리아마이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 미세플라스틱이 융모의 갈라짐, 장세포의 분열과 같은 장내 손상을 야기함을 확인하였다. 미세 플라스틱은 칼슘 함량을 감소시키지만 선충의 장내에 있는 글루타치온-S-전이효소4(GST)의 발현을 증가시킨다(이는 산화 스트레스에 의한 장내 손상의 지표가 됨). 또한, 2일의 노출로도 미세 플라스틱은 선충의 생존율, 길이, 번식에 확연하게 영향을 주는 것으로 보였으나 Zebra fish의 치사율은 낮았다. Qu et al. (2018) 또한 유사하게 1 ug/L 이상의 나노 폴리스티렌이 장내 벽에의 독성과 전좌 과정에서의 기능 결핍에 관한 in vivo study를 실시하였고 그 결과 노출된 폴리스티렌 입자들이 장 내벽을 통해 장기로 이동하는 것을 확인하였다. 이러한 이동은 산화 스트레스 및 핵 인자 E2와 관련된 인자들의 신호 경로에 기여하는 몇몇 유전자들의 조절 장애를 증가시켰다.

4.2.2. 미세플라스틱으로부터 유도된 독성이 산화 스트레스에 관여하는 작용 원리

폴리스티렌은 zebra fish와 선충의 산화스트레스를 유도할 수 있으며 나노 사이즈의 미세플라스틱이 자유 라디칼 형성을 통해 독성을 유발한다는 보고들이 있다. 이러한 자유 라디칼들은 산소나 질소 분자(활성 산소종, ROS)로부터 생성되는데 초과 생성될 경우 항산화 체계 활동의 억제(산화 스트레스)를 통해 세포 구성요소의 생리적 항상성을 변화시킬 수 있다. 활성 산소종의 과도한 생산은 보통 DNA, 탄수화물, 지질, 단백질 구조의 손상을 동반하며 유전체의 불안정성, 생화학/ 병태생리학적 변화와 발암을 동반한다. 이에 따라, 나노 크기의 미세플라스틱에 노출되었을 때 산화 손상의 유도에 관한 작용 원리에 대해 더 심도 있는 연구들이 시작되었다. Tang et al. (2018)은 거품 돌산호(scleractinian coral; Pocillopora damicornis)에 대해 50 mg/L (L당 약 9x1010 입자가 포함됨)의 폴리스티렌 미세플라스틱(직경 약 1um)을 6, 12, 24시간 급성으로 노출시켰다. 그 결과 노출 기간 동안 과산화물제거 효소인 dismutase와 catalase의 활동이 증가하고 글루타치온-S-전이효소4(GST, 해독효소)와 면역 효소인 알칼리 인산 분해효소가 감소했다. 폴리스티렌은 노출 12시간째에 스트레스 반응, 효소원 과립, JNK(C-Jun n-terminal kinase)의 신호 경로와 관련된 134 종의 산호 유전자의 발현이 증가(상향 조절) 되었다. 동시에 약 215 종의 산호 유전자의 발현이 감소(하향 조절) 하였는데, 이는 스테롤 이송, EGF-ERK1/2 효소의 신호 경로와 관련이 있다. 또 다른 연구는 미세 플라스틱으로부터 활성화된 산소 스트레스에 노출되었을 때 JNK와 ERK 신호 경로를 통한 해독작용과 면역시스템이 억제됨을 보여주었다. 유사하게, 돌연변이(acs-22)가 있는 선충(Caenorhabditis Elegans)에서도 나노 크기의 미세플라스틱이 증가하면서 산화 스트레스를 조절하는 유정자와 Nrf2 인자의 신호 체계에 방해가 되고 무독화 효소인 GST-4의 발현 증가, 과산화물제거효소의 활동이 활성화되어 염증과 산화 스트레스를 유발한다는 보고들이 있다. 이러한 발견들은 산화 스트레스가 미세플라스틱이 생명체에서 독성을 유발하는 데 있어 중요한 작용 기작임을 보여준다.

4.2.3. 해양생물에 대한 미세플라스틱의 병태 생리학적 변조와 생식 기형의 유도

생물계에서 미세플라스틱이 산화 스트레스를 일으킨다는 확인과 함께 최근 연구들은 각 개체의 일반적인 대사 과정에 미세 플라스틱이 어떤 영향을 미치는지에 대해서 평가하고 있다. Gardon et al. (2018)은 조개류인 Pinctada margaritifera를 각각 0.25, 2.5, 25 ug/L의 폴리스티렌 미립자에 두 달간 노출시켜 각각의 에너지 평형, 번식 가능성을 결정하는 대사 측정 과정에서의 소화, 호흡수, 동화 효율과 같은 전체적인 생리학적 영향을 관찰하였다. 노출된 결과 폴리스티렌은 동화 효율과 성장 범위의 현저한 감소를 유발하였다. 또한, 생식선(gonad)이 노출된 결과 생식세포의 대사 활동을 유지하기 위한 에너지 균형이 부족하게 되었다. 일부 연구자들이 참굴(pacific oysters; Crassostrea gigas)을 이용해 연구한 보고에 따르면 폴리스티렌 입자는 크기와 기능적 분류의 다양함에 따라 생식 활동의 3 종류(수정(fertilization), 배아 형성(embryogenesis), 변형(metamorphosis))에 주요 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한, 나노 플라스틱에 노출된 개체로부터 수많은 기형과 함께 수정률 및 초기 배아 발달의 현저한 감소를 확인하였다. Torre et al. (2014)는 성게(sea urchin; Paracentrotus lividus)의 배아를 대상으로 폴리스티렌에 노출되었을 때 초기 발달 단계에서 수정 후 48시간 이내 배아 독성이 관찰되었다. 폴리스티렌은 배아의 소화관 내에 축적되고 Abcb1, cas8과 같이 세포 자멸 경로와 관련된 유전자의 발현을 증가 시켜 심각한 발달 장애를 가져온다. Brandts et al. (2018)은 해양 물고기인 유럽 바다 농어(Dicentrarchus labrax)를 나노 플라스틱에 96시간 노출시킨 후 생화학적 생체지표로써 지질 대사, 면역 체계, 일반적인 세포의 스트레스와 관련된 유전자의 발현을 간, 혈장, 표면 점액에서 확인하였다. 나노 플라스틱은 지질대사와 관련된 mRNA 전사체(ppar α,γ)를 분명하게 증가시켰으며 혈장에서의 에스터 분해효소(esterase)의 활성과 표면 점액의 알칼리인산분해효소(alkaline phosphatase)를 감소시켰다. 이 결과는 나노 플라스틱이 지질 대사와 면역 반응 기능에 간섭함을 시사한다. Pitt et al. (2018)은 zebra fish를 음식에 사용되는 폴리스티렌에 7일 동안 노출시켜 나노 플라스틱의 세대 간 이동(부모-자식 개체)을 관찰하였다. 폴리스티렌은 분명히 뇌, 근육, 정소 등의 부위에서 글루타티온 환원효소(Glutathione reductase)의 활성을 감소시킨다. 또한 폴리스티렌은 F1 배아/ 유충의 난환낭, 위장관, 간, 췌장에서 검출되었다. 또한, 유충에서의 느린 맥박, 성체 조직, F1 유충 양쪽에서 항산화계의 변형 그리고 세대 간 이동을 관찰하였다. 하지만, 폴리스티렌의 경우 주요한 생리학적인 장애는 강하게 유발하지 않았다.

4.2.4. 해양생물에 대해 미세플라스틱과 여러 유입된 오염물질 간 상호작용이 미치는 독성학적인 영향

세계의 해양 생물학자와 독성학자들이 마주한 또 한 가지 중요한 이슈는 미세플라스틱에 첨가제나 흡착된 형태로 존재하는 잔류성 유기 오염물질(POPs), 중금속, 병원균과 같은 오염물질에서 유래된 독성의 작용 기작에 대해 이해하는 것이다. 이러한 보고들이 상당수 이루어진 반면 Rochman et al. (2014)의 연구처럼 플라스틱 유래 화학물질들이 해양 생물에게 큰 영향을 끼치지 않는다고 보고도 일부 존재하지만, 이러한 오염 물질들과 미세플라스틱을 섭취하는 것에 대한 위험은 해양 플라스틱 종에 대해 개별적 또는 상호작용적인 영향에 초점을 맞춘 연구들이 증가하는 계기가 되었다. Basseling et al. (2013)은 처음으로 갯지렁이(Arenicola marina) 개체에서 미세플라스틱의 농도와 PCBs의 생체 축적이 상관관계가 있음을 중량, 체력, 먹이 활동의 감소를 통해 확인하였다. Kim et al. (2017)은 두 종류의 폴리스티렌 미세플라스틱과 니켈(Ni) 간 여러 조건에서 물벼룩(Daphnia magna)에게 나타나는 독성을 조사한 결과 여러 조합의 독성 가운데 미세플라스틱 유무에 따라 독성 효과가 달라지며, 이는 오염물질의 특성이나 미세플라스틱에 포함된 작용기에 따라 다양하다는 결론을 얻었다. Rainieri et al. (2018) 은 미세플라스틱과 흡착된 오염물질들의 혼합 독성에 대한 이해를 위해 Zebra fish를 이용하여 미세 플라스틱과 PCBs, 불소계 화학물, 메틸 수은 등의 혼합물에 약 21일간 노출시켰다. 그 결과 플라스틱이나 오염물질이 단일 노출될 경우보다 함께 노출되었을 때 간, 뇌, 장, 근육 등의 항상성이 상당히 달라짐을 관찰하였다. 또한, Brandts et al. (2018)은 지중해담치(Mediterranean mussel; Mytilus galloprovincialis)를 폴리스티렌 나노 플라스틱과 카르바마제핀(carbamazepine)의 개별, 혼합 조건에서 각각 노출시켜 소화선과 아가미의 생물 변형, DNA 복구, 세포 스트레스 반응, 선천 면역에 관련된 유전자들의 변형을 관찰하였다. 또한, 폴리스티렌과 카르바마제핀에 동시에 노출되었을 때 열 충격 단백질(hsp70)과 관련된 유전자의 발현이 개별 노출에 비해 상당히 감소하였다. 또한, 각각 그리고 양쪽 모두 노출되었을 때 혈구에서의 유전 독성 정도가 높아졌다. 이러한 연구 결과들은 미세플라스틱과 화학 오염물질이 함께 있을 때 미세 플라스틱의 유해성이 더욱 증가함을 보여준다.

5. 결론

인간의 활동이 증가함과 동시에 관리가 부실했기 때문에 플라스틱과 잔해(미세 플라스틱)는 전 세계 해양 어디든 퍼지게 되었다. 고래류, 바다 파충류, 바다새, 바다 물고기들은 플라스틱 파편에 걸려 얽히는 것에 상당히 취약한데 이는 익사, 질식, 아사, 행동 제약, 긁힘으로 인한 부상으로 인한 죽음을 동반한다. 플라스틱이 쪼개져서 발생하는 미세 플라스틱과 나노 플라스틱은 새롭게 등장한 해양 오염물질들이다. 그들은 유기 오염물질이나 금속, 병원균 등을 흡착할 수 있으며 작은 크기로 인해 endocytosis와 유사한 작용을 일으켜 위장 막을 가로질러 조직이나 장기로 이동한다. 그들은 산화 스트레스를 조절하는데 필요한 유전자의 발현이 곤란하도록 유도하고 해양 척추/ 무척추동물에서 NRF2와 같은 전사 인자의 신호 전달 경로의 발현을 활성화시킨다. 이는 미세플라스틱으로 유도된 산화 스트레스나 면역학적인 반응, 유전체의 불안정성, 내분비계의 교란, 신경독성, 생식 이상, 배아 독성, 독성의 세대 이동 등과 관련이 있다. 이런 독성학적인 영향은 세계 환경 단체가 플라스틱 오염을 종식시키기 위해 목표로 삼은 2020년을 넘어서도 지속될 수 있다. 왜냐하면 플라스틱 오염을 주로 유발하는 아프리카와 아시아의 대부분의 국가가 미세플라스틱 오염의 심각성을 깨닫지 못하고 있기 때문이다. 플라스틱에 의한 오염을 개선해 생명체와 인간이 공존하는 미래를 만들기 위해서는 사용을 줄이거나, 재사용, 재순환 등의 노력이 필요할 것이다.

 

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이재철(2020). 해양환경에서의 미세플라스틱: 환경오염 및 독성학적 특성 구조에 대한 현재 동향. BRIC View 2020-R18. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3518 (Jun 11, 2020)
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