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미세플라스틱의 현황과 생태계에 미치는 영향
미세플라스틱의 현황과 생태계에 미치는 영향 저자 임동권 (고려대학교, KU-KIST융합대학원)
등록일 2020.10.06
자료번호 BRIC VIEW 2020-T35
조회 2057  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
미세플라스틱이 생태계에 미치는 영향에 관하여 사회적 관심이 증가하고 있으며, 환경 생태 분야 연구자와 국가기관에서의 다양한 연구가 증가하고 있다. 본 동향 보고서는 미세플라스틱에 관한 현황과 최신 연구 결과를 소개하고, 기존 연구 결과에 대한 이해와 함께 한계점 등을 소개하고자 한다. 본 동향 보고서는 국내외에 발표된 보고서와 논문들을 조사하여 결과를 정리하였으며, 가급적 최근 3년(2018년-2020년) 이내의 최신 논문 위주로 소개하고자 하였다. 먼저 플라스틱의 형태적 분류와 이에 따른 분포 현황, 성분 분석 방법에 대한 이해가 필요하여 이를 소개하였고, 나아가 미세플라스틱이 생태계에 미치는 영향(물리적, 화학적 영향, 생물 농축 가능성, 독성 영향과 함께 궁극적으로 인체에 미치는 영향)에 관한 자료를 조사하여 정리하였다. 미세플라스틱의 생태계에 미치는 영향을 정확하게 이해하기 위해서는 정교하게 설계된 장기간의 연구를 통해서 결론을 내려야 하는 분야이지만, 아직 연구 활동 기간이 길지 않고 체계적인 연구를 위한 과학적 기반이 충분하지 않기 때문에 미세플라스틱이 생태계에 미치는 영향에 대한 보다 많은 연구가 필요한 것으로 사료된다. 본 동향 보고서는 미세플라스틱에 최신 연구 동향을 체계적, 객관적으로 살펴보고 소개하고자 하였기 때문에, 미세플라스틱에 관심 있는 연구자들이 현황을 파악하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
키워드: Microplastic, Marine environment, Identification of polymers, Ingestion of microplastic, Plastic pollution
분야: Marine_Biology, Environmental_Biology

목 차

1. 서론
2. 본론
  2.1. 미세플라스틱의 크기 및 모양에 따른 분류와 분포
  2.2. 미세플라스틱의 성분과 분포
  2.3. 미세플라스틱의 분리 방법
  2.4. 미세플라스틱의 구조, 성분 분석 방법
  2.5. 생태계에 미치는 영향
3. 결론
4. 참고문헌


1. 서론

플라스틱(Plastic)의 어원은 그리스어 ‘플라스티코스(plastikos)’에서 유래한 것으로, “조형이 가능한”이라는 의미를 가지고 있다 [1]. 인류가 오랫동안 사용해 왔던 돌, 금속, 나무 등에 비해 매우 뛰어난 가공성과 생산비용이 낮기 때문에 산업적 활용도가 매우 다양하다. 저렴한 가격과 뛰어난 가공성과 함께 우수한 구조적 강도, 내구성, 단열성, 화학적 안정성, 탄성 등의 장점으로 우리 일상의 전 분야 포장재(packaging), 교통(transportation), 건축 및 건설(building and construction), 전자전기(electric/ electronic), 산업용 기계(industrial machinery), 의류(textile) 등에서 광범위하게 활용되고 있다.

1950년부터 2015년까지 65년간 플라스틱의 생산량은 약 83억 톤으로 추정되며, 폐기량은 63억 톤에 달하며, 이 추세가 지속될 경우 2050년까지 플라스틱 쓰레기가 총 누적 330억 톤에 달할 것으로 예상되고 있다. 해양에 유입되는 플라스틱 쓰레기는 년간 8762톤으로 예상되고 있다. 이러한 속도라면 2050년에는 바다에 물고기보다 플라스틱이 더 많아질 수 있을 것이라는 예측도 나오고 있다 [2].

미세플라스틱에 대한 관심은 Carpenter가 1972년에 Science 발표한 2편의 논문을 발표한 이후 관심과 연구가 증가하였으며 [3, 4], 2004년에 Thomson 등이 Science 지에 해양 환경에서 현미경으로 관찰 가능한 플라스틱 조각이 증가함을 보고한 바 있다 [5]. 이는 “미세플라스틱” 에 대한 관심이 촉진되는 계기가 되었다. 미세플라스틱이 환경에 미치는 영향에 대한 연구가 조금씩 진행되어 오다가, 2017년 이후에 연구 활동 및 사회적인 관심이 크게 증가하고 있는 현황이다 [6](그림 1).

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그림 1. 년도별 미세플라스틱 관련 발표 논문수.
(검색엔진; Web of science, 검색년도; 1970-2020. 현재, 검색어; Microplastics)

 

미세플라스틱의 크기에 관한 정의는 아직 명확한 과학적 근거를 바탕으로 수립되어 있지는 않으나, 2008년 미국해양대기청에서 주최한 바다 미세플라스틱의 영향에 대한 국제 워크샵에서 처음으로 논의되어, 생물군에 의해 섭취될 수 있고, 생태계에 위협을 줄 수 있는 크기 기준으로 “5 mm 이하의 작은 플라스틱 조각”으로 정의되고 있다 [6, 7]. 미세플라스틱의 생태계에 대한 위해성은 크게 보면 4가지 정도로 나누어 예상해 볼 수 있다 [2, 6, 7]. (1) 작은 플라스틱 파편이 물리적인 자극을 통해 생물의 위장관 조직의 찰과상과 염증 반응 유도에 의한 세포의 괴사 등의 가능하며, (2) 또한 탄화수소 기반의 고분자 화합물인 플라스틱은 소수성의 특성을 가지고 있기 때문에 환경에 존재하는 소수성 강한 잔류성 유기오염물질(persistent organic pollutants, POPs)을 강하게 흡착하며 크기가 작을수록 흡착력은 커진다. 한 예로, 미세플라스틱은 높은 표면적으로 인해 주변 해수에 있는 잔류성 유기오염물질을 100배 이상 높은 농도로 축적할 수 있다. 이로 인한 미세 플라스틱의 생물에 대한 유해성은 더욱 강하게 나타날 수 있다. (3) 이와 함께 플라스틱 제조 과정 중에 가공 용이성과 기능성을 향상시키기 위해 다양한 가소제, 난연제, 열⋅자외선 안정제, 산화방지제 등의 화학물질을 혼합하여 제조한다. 플라스틱이 분해되는 과정에서 이러한 첨가제가 환경에 유출되어 해양생물에 독성물질로서 작용할 수 있다. (4) 작은 크기에 의한 미세 플라스틱 자체의 잠재적 독성유발 효과(예를 들면, 물질의 크기가 나노 미터 크기로 작아지는 경우 표면적의 증가와 표면 에너지의 증가로 인하여 반응성이 증가함)도 예상이 가능하다.

플라스틱은 사용 후 회수되어 재사용, 재활용되어야 하지만, 상당 부분의 소비재, 산업 부품, 수산업 및 양식업에 사용된 플라스틱은 수거되지 못한 채 해양으로 유입되고 있다. 또한 자동차 타이어의 도로에서의 마찰로 인한 마모 시에 발생하는 타이어 소재 플라스틱은 빗물에 의해 하천을 거쳐 결국 해양으로 유입되게 된다. 전 세계 해안 쓰레기의 약 75%가 플라스틱일 정도로 지구 생태계는 플라스틱에 의한 심각한 위협을 받고 있다. 플라스틱은 다른 물질들과 달리 분자 수준으로 완전히 분해되지 않으며, 장시간에 걸쳐 자외선에 의한 광분해와 부식, 풍화작용에 의하여 5 mm 이하의 미세플라스틱 또는 이보다 작은 초미세 플라스틱으로 부서진다. 미세플라스틱은 플랑크톤, 무척추동물, 척추동물(어류) 등의 생물축적을 통해 최종적으로 인체에 독성물질로써 작용할 수 있기 때문에, 해양 생물, 인체뿐만이 아니라 지구 생태계에 광범위한 문제를 야기할 수 있다. 현재의 미세플라스틱이 생태계에 미치는 영향에 관한 활발한 연구 활동에도 불구하고, 본격적인 연구 활동 기간이 짧기 때문에 미세플라스틱이 얼마나 인체에 축적되는지, 어느 정도가 안전한 수준인지, 어떤 기전으로 위해성이 나타나는지, 정확한 검출 방법과 기준이 마련되어 있지 않아 체계적인 연구가 아직은 미진한 상황이다.

본 동향보고서에서는 이러한 미세 플라스틱에 관련한 연구 현황과 함께 미세 플라스틱이 생태계와 인체에 미치는 영향에 대한 최신 연구동향과 결과를 소개하고 심도있는 고찰해 보고자 한다.

2. 본론

2.1 미세플라스틱의 크기 및 모양에 따른 분류와 분포

최근 미세플라스틱에 대한 높은 관심 때문에 국내에서도 미세플라스틱 현황에 관한 심도 있는 연구보고서가 최근 다양한 정부 기관에서 발표되고 있다 [6, 8]. 특히 미세플라스틱의 발생원인에 관한 매우 상세한 정보는 2019년에 한국환경정책-평가연구원에서 발간된 “미세플라스틱의 건강피해 저감 연구”에 자세하게 보고된 바 있다. 일반적으로 미세플라스틱은 생성 과정에 따라서 1차 또는 2차 미세플라스틱으로 분류한다. 1차 미세플라스틱은 치약, 세제 등에 포함되는 알갱이, 플라스틱 성형에 사용되는 플라스틱 분말, 화장품에 사용되는 마이크로 비드, 산업용 나노입자들로 처음부터 작은 크기로 만들어 진 것을 의미한다. 작은 크기로 인하여 환경으로 유입될 가능성이 있지만, 하수 처리장의 여과 과정에서 대부분 제거된다고 알려져 있다 [9-11]. 특히 각국에서의 미세플라스틱 사용에 대한 규제 정책의 시행으로 1차 미세플라스틱의 사용은 감소세로 바뀌었다(미국; 2015년 12월 “The Microbead-free Water Act”, 영국; 2018년 1월부터 미세플라스틱 포함된 화장품 제조금지 등). 반면에, 2차 미세플라스틱은 큰 플라스틱에서 인위적, 자연적으로 미세화된 플라스틱을 말한다. 미생물에 의한 분해 등의 생물학적 요인과 광분해, 느린 열산화 분해, 물에 의한 가수분해 등의 물리 화학적 풍화 요인으로 플라스틱 고유의 구조의 완전성을 낮아지면서 천천히 크기가 작아진다. 그러나, 주지할 만한 점은 환경에서 발견되는 미세섬유의 상당부분은 풍화작용으로 형성된 폐 플라스틱 파편보다는 가정의 의류세탁 과정에서 생성된 섬유(fiber)가 더욱 많이 존재하고 있음을 다수의 문헌을 통해 보고되고 있다 [12, 13].

미세플라스틱의 종류와 대륙 간의 분포에 관한 연구들에 따르면 영국해협에서 발견된 미세플라스틱 중 2차 미세플라스틱인 섬유가 61%, 파편은 36%인 반면에 1차 미세플라스틱인 구형은 3%에 불과하다는 보고가 있다 [2, 13]. 또한, Lusher et al.은 아일랜드 대륙붕 퇴적물에서 미세플라스틱 섬유가 85%, 파편 형태가 15%임을 보고하였으며, 북극해 또한 동일한 분포를 나타냄을 밝힌 바 있다 [2, 14]. 최근에는 이러한 현황을 반영하여 가정용 세탁기에서 미세섬유의 배출을 저감하는 기능을 추가하는 방향으로 개선 노력이 산업계에서도 진행되고 있다.

2.2 미세플라스틱의 성분과 분포

플라스틱은 용도에 따라서 다양한 단량체로 제조된 중합체이기 때문에 풍화로 생성되는 2차 미세플라스틱의 성분은 단량체로 완전히 분해되지 않은 작은 크기의 중합체로 보는 것이 타당하다. 흔히 사용되는 중합체의 명칭은 polyethylene (PE), polyamide (PA), polypropylene (PP), polyvinylchloride(PVC), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET) 등이며 단량체 성분에 따라서 잠재적 위해성이 서로 크게 다르게 나타난다 [2, 6, 15] (표 1). PUR과 PVC가 특히 잠재적 위해성이 높다는 것을 알 수 있다. 미세플라스틱은 단량체의 종류에 따라서 미세플라스틱의 밀도가 다르기 때문에 대륙 간 분포, 해수면 깊이에 따른 분포가 다르게 나타난다 [2]. 해수보다 밀도가 작은 경우에는 부유성 미세플라스틱으로 분류되며 해류, 조류, 바람에 의해 오염원 지역을 벗어나 타 해역과 대양으로 장거리 이동하여 심지어 남태평양 및 극지방에서까지 관측되기도 한다 [15]. 해수 밀도보다 큰 미세플라스틱의 경우에는 다양한 해수층에 잔류하게 된다. 그러나, 부유성 미세플라스틱의 경우에도 결국에는 환경에 존재하는 유기물, 생체 물질과의 결합(생물학적 오염, Biofouling)에 의해 해수 아래로 가라앉게 된다.

 

표 1. 미세플라스틱의 종류, 밀도, 위해성 정도 [6, 16].
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한편, 플라스틱은 구성 성분과 노출된 환경의 조건에 따라서 분해 속도가 다르게 나타난다 (그림 2). 태양광이 노출된 환경에서의 플라스틱의 분해가 더욱 촉진되며, PE와 PP가 특히 분해 속도가 빠름을 알 수 있다 [16].

최근 연구 결과에 따르면, 영국해협에서 검출되는 미세플라스틱의 성분은 PA와 PP가 대부분인 반면에 [13], 북극해에서 발견된 플라스틱의 성상은 PET와 PA가 각각 15%, PE가 5%, acrylic이 10%, polyvinyl chloride가 5%, cellulose가 30%였고, 미상의 물질이 20%였다 [14]. 북극해의 해수면에서는 m3 당 0~1.31 개이며, 평균적으로는 m3 당 0.34개(표준편차: ±0.31)의 미세플라스틱 입자가 발견되었고, 해수면 아래에서는 이보다 많은 m3 당 0~11.5개이며, 평균적으로는 m3 당 2.68개(표준편차: ±2.95 )의 미세플라스틱 입자가 있다 [14]. 대서양과 지중해의 수심 1,100~5,000m의 심해의 퇴적물에는 m2 당 200~400개의 미세플라스틱이 존재한다고 보고되고 있다 [2].

 

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그림 2. (A) Standard PE (PEstd), PE, PP, EPS의 광 노출 전후의 변화(광학현미경, 전자현미경), (B) PEstd, PE, PP, EPS의 광 노출 전후의 카르보닐기(COOH)의 변화 분석 결과 [16].

 

2.3 미세플라스틱의 분리 방법

미세플라스틱이 생태계에 미치는 영향을 이해하고 평가하기 위해서는 우선 환경에 존재하는 미세플라스틱에 관한 정확한 수집 및 분석 방법이 필요하다. 아직 표준화된 미세플라스틱의 분리 방법과 분석법은 확립되지 않은 상태이며, 연구자마다 다양한 방법을 적용하여 보고하고 있다. 분석 과정은 1차적인 시료채취 방법, 전처리를 통해 미세플라스틱을 환경으로부터 분리(isolation)를 하고, 2차적으로 정성 및 정량 분석을 수행한다. 본 2.3 section에서는 미세플라스틱을 환경으로부터 분리시키는 방법을 소개하고자 한다. 일반적으로 해수 및 모래에 포함된 플라스틱은 다단계 필터 방법을 통해서 크기별로 분리가 가능하며, 크기에 맞는 현미경적 관찰법으로 미세플라스틱을 구별해 낸다 [15] (그림 3). 해수 또는 모래 속에 포함된 미세플라스틱은 Salt (NaCl)를 가하여 물의 비중을 높이게 되면, 미세플라스틱은 상층으로 떠오르기 때문에 침전물과 분리가 가능하다. 분리된 Microparticle은 소수성 형광물질 등을 가하여 염색한 다음 형광 현미경으로 관찰이 가능하며, Microparticle이 제거된 용액을 농축하여 용액 내에 포함된 나노 크기의 입자는 전자현미경으로 관찰하는 방법이 가능하다.

한편, 생태계 내에 분포하는 미세플라스틱의 노출 현황을 정확하게 파악하기 위해서는 생물체에 의해 섭취된 미세플라스틱의 분리 또한 중요한 부분이다. 이를 위해서는 미세플라스틱은 손상시키지 않고, 생체조직(Biomass)을 제거하는 방법이 매우 중요한 요소이다. Cole M et al.은 해양 플랑크톤이 섭취한 미세플라스틱을 효소적 분해 방법을 활용하여 생체와 미세 플라스틱을 분리시키는 방법을 제안하였다 (그림 3)[13]. 효소를 사용하는 분해 방법은 알칼리를 사용하여 생체 내 분자들을 분해하는 방법보다 미세 플라스틱에 가해지는 손상이 낮기 때문에 미세플라스틱의 분리 방법으로 적절한 방법이 될 수 있다.

 

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그림 3. (A) 해수. 모래에서 미세플라스틱을 분리하는 과정과 크기별 분석 방법 [15], (B) Desiccated zooplankton, (C) Biological 물질을 제거하는 두 가지 방법 (효소 기반 분해 방법, 알칼리 기반 분해 방법)에 의한 결과 비교 [13].

 

2.4 미세플라스틱의 구조, 성분 분석 방법

미세플라스틱의 형태적 분석 방법은 광학 현미경과 전자현미경을 활용하여 관찰 가능하다. 광학현미경으로는 광학회절의 한계 때문에 수백 나노미터 미만의 크기는 관찰할 수 없기 때문에, 100 nm 이하의 미세플라스틱은 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 또는 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM)을 활용한다. 그러나 현미경을 활용한 형태적 구조 분석 방법은 비교적 빠르고 쉽게 미세플라스틱을 확인할 수 있지만, 현미경적 방법만으로는 미세 플라스틱의 구성 성분 분석이 불가능하고, 또한 non-plastic 물질을 미세 플라스틱으로 오인할 가능성도 있기 때문에 광학적인 방법과 구성성분을 분석할 수 있는 방법을 동시에 활용하는 방법이 바람직하다. SEM, TEM에 장착된 에너지 분산형 X선 분광분석법(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)을 함께 이용하여 물질의 형태와 구성성분에 관한 정보를 알아내는 방법으로 활용가능하다. Remy 그룹은 미세플라스틱 내에 함유된 무기물 성분(TiO2, Ba, Zn, S 등)의 성분 분석이 가능함을 밝혔다 [17]. 미세플라스틱 표면을 나노미터 스케일로 EDS 스캔을 통해 얻은 정보를 재구성하여 2차원 mapping 하는 경우에는 미세플라스틱에 존재하는 성분의 분포 특성에 관한 정보도 관찰이 가능하다. 광학현미경과 함께 활용 가능한 성분 분석 방법은 FT-IR을 활용하는 방법[18-20]과 라만 분광법을 활용하는 방법이 활용되고 있다 [21]. 라만 분광법은 분자구조에 의한 빛의 고유한 산란현상을 기반으로 물질의 구성성분을 확인할 수 있는 방법이다. 특히 polystyrene의 경우 간섭성 안티스톡스 라만 분광(coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)에 의한 신호세기가 높고 생체 내 분자에 의한 간섭이 거의 없기 때문에 바이오이미징에 활용성이 높은 분야이다. CARS 분광법을 활용하는 경우, 별도의 형광표지 과정 등이 필요 없으며, 생체 내에 존재하는 polystyrene 입자를 확인할 수 있기 때문에 특히 유용하다 [22]. M. cole et al.은 CARS 분광법을 활용하여 동물성 플랑크톤(zooplankton)에 섭취된 1.7 ~ 30.6 마이크론 크기의 폴리스타이렌(polystyrene, PS)의 확인이 가능함을 보고한 바 있다. 최근에는 SEM과 라만 분광법을 함께 활용하여 재생된 플라스틱에서의 PVC 나노입자의 존재를 직접적으로 검출한 예도 보고된 바 있다 [23].

고분자 물성 분석에 전통적으로 널리 사용되어 왔던 시차주사 열량계(differential scanning calorimeter, DSC), 열중량 분석기(thermogravimetric analysis, TGA)를 활용하여 미세플라스틱의 성분과 물성 분석이 가능하다. Majewsky et al., 등은 2016년 논문에서 TGA-DSC를 이용하여 각 고분자들의 고유한 흡열 상전이 변화와 peak 온도(녹는점, Tg 등의 플라스틱의 고유 물성)를 바탕으로 해양에서 채취한 미세플라스틱 시료에서 7개의 서로 다른 플라스틱을 구별하였다 [24]. 열분해 가스크로마토그래피(pyrolysis-gas chromatography, Pys-GC/ MS)를 활용하여 구성 성분의 정확한 분석이 가능하다. TGA를 열탈착 가스크로마토그래프 질량 분석계(thermal desorption gas chromatography mass spectrometry, TDS-GC-MS)와 함께 사용되어 미세 플라스틱 내 폴리에틸렌을 검출하는 데에 매우 유용한 정보를 제공한다 [21]. 이 방법은 열분해 가스크로마토그래프 질량분석계(Pys-GC-MS) 보다 200배 높은 질량의 시료도 측정이 가능하므로 불균일한 상태의 대용량 미세플라스틱을 정교하게 측정할 수 있는 장점이 있으며, 시료 속에 함유된 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리스타이렌(poly-styrene, PS) 등을 정교하게 분리 선별을 할 수 있다 [25].

2.5 생태계에 미치는 영향

미세플라스틱이 생태계에 미치는 영향에 관하여 물리적, 화학적 영향, 생물농축 가능성, 독성영향과 함께 궁극적으로 인체에 미치는 영향 순으로 열거하고자 한다.

2.5.1 물리적·화학적 영향

미세플라스틱이 물리적, 화학적으로 생태계에 부정적인 영향을 유발할 가능성이 있다는 다수의 보고가 있다 (그림 4). 미세플라스틱의 대표적인 물리적 영향은 미세플라스틱 섭취로 인한 영양 감소, 구조적 피해(장기 손상), 염증 반응 유도, 조직학적 변화 유발 등이 나타난다고 보고되고 있다. 화학적 영향의 경우에는 미세플라스틱에 포함된 첨가제 및 환경에 존재하는 소수성 강한 잔류성 유기오염물질(persistent organic pollutants, POPs)이 흡착되어 농축된 상태 등에 의한 화학적인 유해 가능성이 예상되고 있다.

 

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그림 4. 미세플라스틱의 크기에 따른 물리적, 화학적 영향과 생태계에 미치는 영향 [37].

 

물리적 영향에 관한 연구는 토양, 담수, 해양생물에 이르기까지 다양한 연구 결과가 보고되고 있다. 건국대학교 안윤주 교수팀에서는 토양 내 미세플라스틱에 의해 “톡토기(Springtail)”의 움직임을 저해한다는 보고가 있다 [26]. 톡토기는 흙 속에서 곰팡이 분해 등의 이로운 역할을 하는 벌레인데, 톡토기가 만든 생물 공극 내로 미세플라스틱이 유입되어 채워지면서 톡토기의 움직임을 방해하는 것으로 확인된 바 있다. 토양 내 미세플라스틱의 농도가 높은 경우와 크기가 작은 경우에 더욱 높은 톡토기의 움직임이 저해되는 결과를 보고하였다. 담수 생물에 대한 영향에 대한 연구는 Scherer 등이 2017년에 섬모충류(ciliates)부터 어류(pisces)에 이르기까지 담수 생물 139종에 대해 미세플라스틱의 섭취 여부를 정리하고 영향을 분석 보고한 바 있다 [27]. Y. Lu et al.는 담수어류인 제브라피시의 폴리스티렌 섭취 실험을 통해 미세플라스틱의 크기에 따른 생체 내 축적기관을 확인하였는데, 5 ㎛ 폴리스티렌의 경우 아가미, 간 및 창자에 축적되었고, 20 ㎛ 폴리스티렌은 아가미와 창자에서만 관찰되었다 [28]. 조직학적인 분석 결과, 5 ㎛ 및 70 ㎚의 미세플라스틱에 노출된 어류의 간에서 염증 반응과 지질 축적이 나타났다고 보고한 바 있다.

해양 생물에 대한 연구는 더욱 활발하다. 미세플라스틱이 해양 요각류의 먹이 활동을 둔화시키고 에너지를 고갈시키며, 만성 노출 시 해양 요각류의 생존율 감소 및 번식량의 감소가 보고된 바 있다. 특히 미세플라스틱 입자의 크기가 작을수록 생존율이 더욱 낮아진다고 보고되고 있다. 바다 지렁이가 polyvinylchloride (UPVC)를 섭식한 경우, 먹이 활동의 저하, 장내 체류 시간 증가 및 염증 반응이 관찰되었다. 이 결과는 점진적으로 에너지 보유량의 감소로 이어질 수 있으며, 성장 및 번식, 생존에도 영향을 줄 수 있음을 의미한다 [6]. 조개류 및 어류 등 실제 사람이 섭취하는 어류에 대한 미세플라스틱 영향 관련 연구도 진행된 바 있다. 홍합에 HDPE가 노출된 경우 노출 시간에 따라 염증반응이 나타나며, 리소좀막의 안정성 저하 등이 보고된 바 있다 [29].

반면에 해양생물에 크게 영향을 미치지 않는다는 결과도 보고되고 있다. 예를 들면 Kaposi et al.는 성게 유충이 polyethylene microspheres를 섭취 후 1시간 이내에 배설을 통해 배출되며, 해양 중 관찰되는 PE 농도 수준에서 성게유충의 생존율에 부정적인 영향이 없는 것으로 확인하였다 [30]. 해양 등각류(Idotea emarginata)에서도 미세플라스틱이 생물 내에 축적되지 않고 배설되었고, 치사, 성장 및 탈피 기간에 영향을 미치지 않았다 [6].

이와 같이 상반된 연구 결과들이 나타나는 이유는 기존에 발표된 실험 결과가 실제 환경에 존재하는 미세플라스틱의 농도를 반영한 것이 아니라, 높은 농도의 노출 조건에서 진행되었기 때문이며, 실제 환경에서의 조건을 반영하여 영향을 파악하는 것이 바람직하다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 방법으로는 해양에 있는 생물들을 직접적으로 관찰하는 방법이 가능할 것이다. 최근 발표된 연구에 따르면, Jellyfish를 해양의 플라스틱 오염도를 측정하는 Bioindicator로 제시하는 연구가 좋은 예가 될 것이다 [31].

미세플라스틱의 화학적 영향에 관한 연구는 미세플라스틱 그 자체의 화학적 영향보다는 플라스틱의 제조 시에 사용된 첨가제에 의한 유해성에 대한 우려와 소수성인 미세플라스틱에 환경에 잔류해 있는 유기 오염물질 및 내분비계 교란 물질이 미세플라스틱에 흡착된 형태로 생물 내로 유입되는 경우에 생물에 축적되어 유해성을 나타낼 수 있는 가능성 때문에 다수의 연구가 수행된 바 있다 [32]. Browne et al.이 2013년에 발표된 논문에는 갯지렁이(lugworms)를 오염물질(노닐페놀 및 페난트렌) 및 첨가제(트리클로산)가 흡수된 미세플라스틱을 모래와 섞어 모래 질량 대비 5% 미세플라스틱-모래 혼합물을 만들어 노출시킨 결과, 미세플라스틱이 장 조직으로 오염물질 및 첨가제를 이동시켰으며, 침전물 처리 능력의 감소, 사망률 증가, 산화 스트레스 등과 같은 생물학적 기능 저하를 초래했다고 보고하였다 [33]. Avio et al.가 2015년에 발표한 연구 내용에서는 미세플라스틱이 시간 및 농도 의존적으로 파이렌을 흡착하며, 오염된 미세플라스틱이 홍합으로 옮겨갈 수 있음을 보여주었다 [34]. 이와 같이 미세플라스틱의 오염물질 매개체 역할을 증명하는 연구 결과들이 있음에도 불구하고, 최근에는 그 영향의 중요성에 대한 견해가 부정적으로 바뀌는 추세이다. 결과를 환경에서 동일하게 나타나는 것을 입증할 만한 충분한 근거 및 연구 사례가 부족하기 때문이다.

Koelmans et al.은 2016년에 발표한 논문에서 미세플라스틱이 소수성 오염물질의 매개체 역할을 한다고 밝힌 기존 연구들이 실제 해양 환경을 반영하지 못하며, 섭취에 의한 물리적 영향을 미세플라스틱의 매개체 영향으로 보았다고 지적하였다 [35]. 오염물질에 노출된 해양 생물에서 미세플라스틱의 기여도는 무시할 정도로 작고, 미세플라스틱의 섭취로 인한 소수성 오염물질의 노출 및 위해 증가의 개연성이 없다고 보고하였다. Burns and Boxall (2018)은 미세플라스틱에 의해 소수성 유기물질이 생물체로 전이됨을 증명하는 연구가 현재까지 없다고 밝혔다 [36]. 이와 같이 미세플라스틱이 오염물질 등을 생물체 내로 전이시키는 매개체(carrier/vector) 역할을 하는지를 입증할 수 있는 연구 결과가 현재로서는 부족하다. 그럼에도 불구하고 생물농축과의 관련성 때문에 해당 이슈는 지속적으로 논의가 될 것으로 보인다. 향후 실제 환경 조건을 반영한 체계적인 연구가 진행되어야 한다.

2.5.2 생물농축(Bioaccumulation) 가능성

해양 환경으로 유입된 미세플라스틱은 동물 플랑크톤이 섭취를 하게 되고, 이후 일련의 먹이사슬을 통해 상위 포식자에게 축적되어 결국 인간에게 까지 전달될 것으로 추측되고 있다 (그림 4)[37]. 이러한 미세플라스틱의 이동에 대한 연구는 주로 해양 생태계를 대상으로 이루어졌으며, 먹이사슬을 통하여 이동과 농축에 관한 연구 방법론의 한계로 생물농축 가능성에 대하여 아직 논란이 많은 상황이다. Koelmans et. al.,은 2018년에 모델링 기법을 통하여 북극 생태계에서 미세플라스틱과 소수성 유기 오염물질의 먹이사슬을 통한 농축을 계산하였으며, 먹이 중 미세플라스틱의 농도가 증가할수록 영양 단계 확대계수가 감소하는 것을 확인하였다. 먹이사슬에서의 위치가 높을수록 미세플라스틱과 소수성 유기 오염물질의 농축이 아닌 희석 효과가 일어남을 보고한 바 있다 [37]. 반면에, Saley et al.,은 2019년 논문에서 해변에서의 시료 분석으로 통해 바닷물에는 1리터 당 36.59개의 입자가, 모래에는 0.227 ± 0.135 plastics/g, 녹색해조류에는 2.34 ± 2.19 plastics/g, 적색 해조류에는 8.65 ± 6.44 plastics/g 임을 보고한 바 있다 [38]. 초식성 달팽이에서는 9.91 ± 6.31 plastics/ g을 확인하여 생물농축(bioaccumulation)의 가능성을 보고한 바 있다 [38]. Burns et al., 이 2018년에 보고한 리뷰 논문에서는 먹이사슬 내 미세플라스틱의 이동을 보고한 기존의 연구 결과 등에 대한 한계점을 제시한바 있다 [36]. 미세플라스틱의 이동이 가능함을 보여준 기존의 연구에서는 1차 소비자인 무척추동물에게 미세플라스틱만을 먹이로 제공하면서, 배출되는 정화(depuration) 기간을 두지 않고, 바로 포식자에게 먹이로 제공되었으며, 포식자의 체 내 미세플라스틱 농도 역시 배출을 고려하지 않고 측정되었다. 따라서 피식자의 미세플라스틱 농도가 실제 환경에 비하여 과대하게 측정되었을 가능성이 높다. 또한 아직 생태계 내 먹이사슬 내에서의 이동이 직접적으로 확인되지 않았고, 확인된 포식자의 체내 미세플라스틱은 주로 내장에서 확인되었기 때문에 미세플라스틱의 흡수는 일시적인 현상일 수 있음을 지적하였다. 이와 같은 한계점 때문에 실제 생태계에서는 훨씬 적은 양의 미세플라스틱이 먹이사슬을 통하여 이동할 가능성이 높다고 볼 수 있다. 이와 함께 미세플라스틱의 생물농축 관련 데이터뿐 아니라, 잔류성 유기 오염물질 등 미세플라스틱에 흡착된 물질에 먹이사슬을 통해서 잔류성 유기 오염물질이 생물농축이 되는 지에 관한 연구도 중요한 과제로 남아 있다.

2.5.3 독성 영향 연구

미세플라스틱의 생태독성영향에 관한 연구 결과는 상당히 축적된 것으로 보인다. 그러나, 90% 이상의 논문에서 구형의 PS, PE 입자를 사용한 실험이기 때문에 형태에 따른 독성의 차이에 대한 연구 결과는 많지 않다. 한편, 토양 생태계 개체들에 대한 미세플라스틱의 독성 영향에 대한 연구는 다소 부족한 반면에 해양 생물을 대상으로 실시한 미세플라스틱의 독성 영향은 조류, 동물 플랑크톤, 갑각류, 이매패류 등 다양한 무척추동물에서 진행된 바 있다. 담수 생물에서의 미세플라스틱 독성 영향 관련 연구는 무척추동물뿐 아니라 척추동물인 어류 등 다양한 종을 대상으로 진행된 결과들이 보고되고 있다 [2]. 김강희 등이 2019년에 발표한 리뷰 논문을 참고하면 보다 광범위한 미세플라스틱의 독성에 관한 기존 연구 결과를 확인할 수 있다 [2]. 일반적으로 생태영향평가를 위한 실험에서는 담수조류생장서해시험, 물벼룩급성독성시험, 어류급성독성시험 등을 통해서 특정 물질이 생태계를 구성하는 생물들에 미치는 영향을 파악한다 [39]. 기존에 보고된 미세플라스틱의 독성실험 결과에 따르면, 미세플라스틱의 크기가 작을수록 더욱 높은 유해성을 나타내며, 급성보다는 만성노출 실험에서 개체의 성장률의 감소, 생식력 감소, 수명단축 및 생식 기간 연장 등의 영향이 크게 나타났다.

현재 대부분의 독성연구에서는 미세플라스틱의 형태를 구형 미세플라스틱에 대하여 수행되었으므로, 모양에 따른 독성에 관한 연구 결과는 많지 않다. Choi et al., 등이 2018년에 발표한 논문에서는 구형과 파편형태의 PE 입자를 Cyprinodon variegatus에 노출시킨 경우, 파편 형태에 노출된 Cyprinodon variegatus의 유영행동이 더욱 느려짐을 확인한 바 있다 [40]. 한편 Qiao et al.,은 2019년 발표한 논문에서 Zebrafish에 섬유, 파편, 구형의 미세플라스틱을 노출시킨 경우 섬유 > 파편 > 구형 순서로 장 내에 축적됨을 관찰하였으며, 섬유 형태가 더욱 높은 장 독성을 나타내는 것을 확인한 바 있다 [41]. 미세플라스틱의 재질에 따른 독성의 차이도 당연히 예상이 되나 체계적인 연구가 축적되지 못한 상황이다. 실험의 편의를 위해 대부분 구형 미세플라스틱으로 실험한 결과는 섬유 형태가 가장 많이 분포하는 실제 환경을 반영하지 않은 실험 결과이기 때문에 기존에 발표된 독성 실험 결과들을 바탕으로 결과를 해석하는 것은 한계가 있다. 따라서 표준시험법의 개발과 섬유, 파편 형태의 미세플라스틱을 기반으로 하는 만성노출 환경에서의 독성실험 결과 등이 더욱 중요한 시점이라고 볼 수 있다.

2.5.4 미세플라스틱이 인체 건강에 미치는 영향

2.5.4.1 인체 유입 경로에 관한 연구

 

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그림 5. (A) 인간의 미세플라스틱 섭취 경로 [42], (B) teabags에서 생성되는 나노, 마이크로 입자들 [44], (C) 미세플라스틱의 섭취 경로와 형태 [45].

 

미세플라스틱이 인체로 유입되는 경로는 다양하다 (그림 5A)[42]. 먼저 식수, 음료수, 어류, 소금 등의 식품들의 섭취를 통한 유입경로와 함께 대기 중에 존재하는 미세플라스틱이 호흡 및 호흡기관을 통해 인체 내로 유입이 가능하다. 2015년 보고에 따르면, 중국의 시장에서 구입한 해수로 만든 소금 1 kg에서는 550-681개의 입자가 발견되며, 파편 또는 fiber 형태로 200 μm 이하의 크기가 주로 발견된다고 보고하였다 [43]. 2019년에 발표된 내용에 따르면, 플라스틱 teabag을 사용하여 차를 우려내는 경우에 무려 11.6억 개의 마이크로 입자와 3.1억 개의 나노입자가 생성된다고 보고하였다 (그림 5B)[44]. Cox 등은 기존에 발표된 문헌조사를 바탕으로 인간이 섭취하는 미세플라스틱이 성별과 나이에 따른 주된 경로와 양을 추산한 연구 결과를 2019년에 발표한바 있다 (그림 5C)[45]. 1일 섭취량의 주된 경로가 식품류뿐만이 아니라 대기를 통한 섭취도 상당함을 알 수 있다. 미세플라스틱의 주된 형태는 섬유(fiber)가 가장 많은 빈도로 발견되며, 파편이 두 번째 높은 빈도로 발견되었다.

최근에는 미세플라스틱이 없을 것으로 추측되던 야채, 과일, 곡물에서도 다량의 미세플라스틱이 발견된다는 보고가 다수 발표되고 있다 [46, 47]. 이탈리아 연구진들은 시장에서 구입한 과일, 채소 속에 포함된 미세플라스틱의 존재와 양에 관한 결과를 발표하였다 [46]. 10 μm 미만의 미세플라스틱이 상추 1 g에서 최소 5만 개, 사과 1 g에서 22만 개까지 검출되는 등 과일에서 더 많은 미세플라스틱이 발견됨을 보고하였다. 토양에 축적된 미세플라스틱이 식물 뿌리의 미세한 구멍을 통과하기 어렵다는 기존 관념을 뒤엎는 결과이다. 그러나, 페트병 생수병을 통한 섭취보다는 일일 섭취양이 크지 않은 것으로 판단하였다.

이러한 경로를 통하여 2019년 6월 평균적인 미국인의 경우 1년에 최소 5만 개의 미세플라스틱을 섭취하고 있음을 추정하는 연구 결과와 함께 인체의 대변에서도 미세플라스틱이 검출이 된다는 내용도 지속적으로 보고되고 있다. 따라서 인간 생활의 전반에 걸쳐 미세플라스틱이 존재하고 있으며, 이를 피할 수 있는 상황도 아님을 알 수 있다. 따라서 미세플라스틱에 인체에 미치는 영향을 정확하게 파악하고 허용 가능한 일일 섭취량을 정하는 등의 연구가 필요한 실정이다.

2.5.4.2 유해성에 관한 연구

미세플라스틱이 식물의 성장에 미치는 영향에 관한 연구는 최근에 집중되고 있다. 2020년에 Nature Nanotechnology에 발표된 내용에 따르면, 양이온성 표면기를 가진 폴리스테렌 나노입자가 음전하를 가진 입자들 보다 더욱 많은 활성산소들을 유발시키고, 애기장대의 생육을 저해한다는 결과를 발표한바 있다. 표면전하에 따른 생체 내에서의 영향에 관한 결과는 기존에 나노의학 분야에서의 기존 연구 결과와도 일치하는 결과이다. 인체로 유입된, 특히 섭취된 130 μm 이하 크기의 미세플라스틱은 대부분 배출되겠지만, 일부는 장세포와의 결합을 통해 세포 내로 이동 가능하여 국부적 면역반응을 일으키거나 전신으로 분포하여 플라스틱에 포함된 유해한 첨가제, 중금속, 흡착된 PCBs 등이 방출되어 유해성을 나타낼 가능성이 높다는 것이 이미 잘 알려진 바 있다 [45]. 호흡을 통해 인체 및 호흡기관으로 유입된 미세플라스틱은 폐의 점액섬모청소(mucociliary clearance) 기전에 의해 제거 가능하지만, 개인의 건강 상태와 장시간 노출되는 경우 특히 부정적인 영향이 예상된다 [48].

특히, 작은 크기의 나노입자(≤20 nm 크기의 polystyrene) 미세플라스틱은 혈액뇌장벽(blood-brain barrier)을 통과하여 대뇌허혈(cerebral ischemia)과 재관류(reperfusion)를 일으킬 수 있다고 보고된 바 있다 [49]. 한편 미세플라스틱 그 자체에 의한 유해성뿐만이 아니라 미세플라스틱에 포함된 침출성 첨가제 및 흡착된 PCBs는 인체 내에서 미세플라스틱으로부터 용출이 가능하기 때문에 주요 첨가제(프탈레이트, 비스페놀A, PBDEs (polybrominated diphenyl ethers)에 의한 유해성도 예상되고 있다 [50]. 미세플라스틱이 고농도로 장기간 인체에 유입이 되는 경우에는 인체 건강에 유해한 영향을 미치는 것은 자명하다. 그러나, 앞서 Section 2.4.2 생물농축에 관한 연구에서 설명한 바와 같이 아직 환경을 통해서 미세플라스틱이 축적되는 정도가 명확하지 않으며, 인체에 미치는 영향은 아직 불분명하다. 그러나, 지속적으로 환경에서 미세플라스틱의 유입이 증가하는 상황에 처해 있음을 고려하면 최대 허용 농도와 다양한 조건의 미세플라스틱이 인체에 미치는 유해성 정도에 관한 연구가 매우 필요한 상황이다.

3. 결론

미세플라스틱은 잠재적으로 생태계에 미치는 영향이 높을 것으로 예상되기 때문에 체계적이고, 광범위한 장기간의 연구가 반드시 필요한 실정이다. 그러나, 아직까지는 생태계에 미치는 영향에 관하여 과학적인 불확실성이 있어서 미세플라스틱에 대한 위험성이 정확하게 평가된 것은 아닌 것으로 평가된다. 정확한 평가를 위해서는 원료가 되는 고분자 플라스틱의 특성, 미세플라스틱의 생성 과정에 대한 이해가 필요하며, 현재 자연에 퍼져있는 미세플라스틱이 어디에서 어떻게 확산되어 왔는지에 대한 추적 방법과 나아가 미세플라스틱이 다양한 생물체 내에서 어떤 유해성을 나타내는지에 관한 보다 정교하게 설계된 연구가 필요한 시점이다. 특히 미세플라스틱의 크기, 모양, 형태에 따른 영향, 먹이사슬을 통한 인체에 축적되는 미세플라스틱의 양, 유해한 정도(최소 허용량, 단기, 장기) 등에 관한 정확한 연구 결과가 아직 없는 실정이다. 그리고 현재 해양의 미세플라스틱 상황은 비교적 연구가 활발한 편이지만, 민물, 공기, 토양에 퍼져있는 미세플라스틱의 현황과 생태계에 미치는 영향은 잘 알려져 있지 않다. 더구나 일상생활에 관련된 미세플라스틱(예를 들면 생수병, 수돗물에 포함된 미세플라스틱의 양과 영향)에 대한 이해도를 높이기 위한 연구도 시급하다고 볼 수 있다. 이와 같은 연구는 단기간의 연구를 통한 평가가 어렵기 때문에, 미세플라스틱에 대한 적정한 위험성 분석 방법에 관한 다학제적 연구 협력을 통한 연구 결과의 축적이 선행되어야 할 것이다. 이와 함께 기본 플라스틱 제품의 다양한 물성 조건을 유지하면서도 환경에서 단량체로 100% 분해되는 생분해성 플라스틱의 개발 등이 미세 플라스틱으로 인한 잠재적인 위해성을 낮출 수 있는 방안이 될 것으로 추측된다. 이미 생분해성 플라스틱은 개발되어 가능성이 높게 평가되고는 있으나, 기준 석유화학 제품과 비교하여 높은 제조 비용 등이 걸림돌로 작용하고 있다.

4. 참고 문헌

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임동권(2020). 미세플라스틱의 현황과 생태계에 미치는 영향. BRIC View 2020-T35. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3617 (Oct 06, 2020)
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