[217호 과학학술: 미세플라스틱] 바다로 간 플라스틱의 복수(Revenge of Our Plastics Gone to the Ocean)

우리는 플라스틱 시대에 살고 있다. 가벼우면서도 물리적인 내구성이 강하며, 가공이 쉽다는 장점 때문에 플라스틱의 활용도는 매우 높아졌다. 그러나 편리한 플라스틱의 이면에는 환경 내에서 자연분해가 매우 느리게 진행되기 때문에 환경에 미치는 악영향이 숨어있다. 최종 종착지인 바다로 유입된 플라스틱은 미세플라스틱으로 쪼개져 해양 생태계에 치명적인 영향을 끼친다. 이에 본보는 바다로 유입된 플라스틱이 미세플라스틱으로 미세화되는 과정과 해양 생태계에 미치는 영향, 해결책 등을 알아보기로 한다.

아직도 철기시대?

초등학교 시절 배운 시대 구분에 따르면 철기시대는 기원전 약 300년 전에 시작되었다. 지금으로부터 역산하면 무려 2,316 년 전이다. 그럼 우리는 아직도 철기시대에 살고 있는 걸까? 유럽 플라스틱 협회와 세계 철강 협회의 연간 생산량 자료를 비교해보면 부피로 환산한 플라스틱의 생산량이 철강의 생산량을 1990년대 초반부터 상회하고 있으며, 2012년 현재 플라 스틱이 약 1억㎥ 더 많이 생산되고 있다. 합성섬유인 폴리에스터의 생산량 역시 천연섬유인 면의 생산량을 2000년대 중반부터 넘어서고 있으며, 2015년 현재 폴리에스터 섬유가 약 10 억 톤 이상 더 생산되고 있다. 플라스틱은 1950년대부터 대량생산이 시작된 이래로 생산량이 꾸준히 증가하여 2014년에 처음으로 3억 톤을 넘어섰다. 다시 말해 우리가 인지하지 못하는 사이에 인류는 20세기 중반부터 이미 플라스틱 시대를 살기 시작했다. 단일 플라스틱 품목에 지나지 않는 일회용 비닐 봉지가 전 세계에서 1년에 5천억 개 사용된다는 사실은 플라스틱 시대의 한 예가 아닐까 싶다. 플라스틱은 가볍고, 물리적 충격 및 화학물질에 대한 내구성이 강하며, 다양한 형태로 가공이 쉬운 장점을 지니고 있다. 다른 소재와 대비되는 이런 특성으로 인해 과거 반세기 동안 플라스틱의 활용도가 폭발적으로 증가했다. 그런데 애석하게도 플라스틱의 혜택을 누리면서 반대급부로 발생한 플라스틱 폐기물 중 일부는 과거 반세기 동안 적절하지 못한 폐기물 관리와 의도적인 투기로 환경 중에 쓰레기로 버려져 왔다.

바다는 플라스틱의 종착역

육상에서 버려진 플라스틱의 대부분은 결국 바다로 유입된다. 육상에서 발생한 플라스틱 쓰레기의 경우 하천을 통해서 우기에 집중적으로 유입되거나, 해수욕장을 포함한 해안에서 다양한 인간의 활동 중에 의도적 또는 비의도적으로 투기되어 해양으로 유입된다. 이는 육상기인일 땐 해양 플라스틱 쓰레기로 분류되며, 해상기인의 경우 어업과 양식 활동 중에 발생 하거나 선박의 운항 중에 발생하는 폐기물의 무단 투기에 의해 발생하는 쓰레기를 일컫는다. 연간 플라스틱의 생산량과 비슷한 2억 7천5백만 톤의 플라스틱 폐기물이 전 세계에서 연간 발생하고 이 중 약 8백만 톤이 192개 국가의 육상 환경에서 해양으로 유입되는 것으로 추정되고 있다. 우리나라의 경우 연간 9만 1천 톤의 플라스틱이 해양으로 유입되는 것으로 보고되었다. 해양 플라스틱 쓰레기는 존재하는 위치에 따라 해안 쓰레기, 부유 쓰레기, 해저 쓰레기로 분류된다. 환경으로 유입된 순간부터 플라스틱의 장점은 단점으로 돌변한다. 내구성이 강한 플라스틱은 환경 중에서 자연분해가 매우 느리게 진행되기 때문에 장기간 잔류하며, 물보다 가벼운 플라스틱류는 바람과 해류를 타고 잔류하는 동안 전 세계 바다를 유랑하 기도 한다. 단위 기간당 해양으로 유입되는 플라스틱 쓰레기의 양이 인위적 또는 자연적으로 제거되는 양보다 많으면 해양환경 중에 축적된다.

미세플라스틱(microplastics)의 기원

매우 긴 시간이 필요하지만, 풍화를 통해 작은 입자로 쪼개지는 것은 현실적인 시간 규모에서 가능한 일이다. 자외선 영역의 에너지는 플라스틱의 광산화(photo-oxidation) 또는 광 열산화(photothermal-oxidation)를 유발하기에 충분하다. 산화반응에 의한 탄소-탄소 간 결합의 절단이 누적되면 고분자 플라스틱에 물리적인 균열이 발생하면서 경화되고, 여기에 바람, 파도, 해류 등에 의한 모래 또는 해수와의 마찰이 가세 하면 플라스틱 조각이 발생한다. 사용 중인 플라스틱 제품이 나 환경 중에 유입된 플라스틱 쓰레기가 풍화를 통해 0.001~5mm 크기 범주로 조각화된 것을 2차 미세플라스틱으 로 구분한다. 의도적으로 합성된 플라스틱이 동일한 크기 범주에 들어가는 것을 1차 미세플라스틱으로 분류한다. 각질 제거용 화장품, 미백용 치약 등에 사용되는 마이크로비즈 (microbeads)가 1차 미세플라스틱에 해당되는데, 선박이나 자동차 등의 도색을 제거하기 위해 사용되는 마모제(abrasive)는 물론 최근에는 다양한 용도로 사용되고 있어서 사용처를 모두 파악하기는 어렵다. 미세플라스틱에 마이크로미터 단위가 아닌 1~5mm 크기의 플라스틱이 포함된 이유는 플라스틱 제품을 만드는데 1차 원료로 사용되는 펠렛(resin pellet)이 환경 중에서 오래전부터 문제가 되어 왔고, 바닷새와 큰 물고기 위장에서 발견되고 있어 실용적인 측면이 고려된 때문이다. 한편 나노미터 크기의 플라스틱은 나노물질(nano materials)의 분류 기준인 100nm 이하의 크기를 따르지 않고, 1~1,000nm를 기준으로 나노플라스틱(nanoplastics)으로 구분하기로 국제 전문가 그룹인 GESAMP(The Joint Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Environmental Protection)에서 합의되었다. 미세플라스틱 은 형태에 따라 파편(fragment), 섬유(fiber), 구형(sphere), 필름(film) 등으로 구분하고, 합성수지의 종류는 기존의 명칭을 따라서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등으로 구분한다.

미세플라스틱의 분포

환경 중의 미세플라스틱 존재는 1972년에 콜튼(Colton) 박사 연구팀이 미국 북서 대서양 연안에서 구형의 부유 폴리스티렌 입자의 양과 분포를 과학 잡지인《사이언스》에 보고하면서 알려졌다. 이후 3~4년간 미국 연안, 대서양 및 태평양에서의 소형 부유 플라스틱 입자의 존재와 분포 특성에 관한 보고가 이어졌고, 뉴질랜드 해안의 퇴적물 내 분포와 미국 연안 물고기 체내 섭식이 처음 보고되었다. 그 이후로는 소형 플라스틱에 대한 연구가 간헐적으로 진행되다가, 미세플라스틱이란 용어가 처음 광범위하게 사용된 것은 2004년 이후이다. 2004년에 리처드 톰슨 박사 연구팀이 영국 주변 해역의 과거 보관 시료를 이용해서 해양환경 시료 중의 미세플라스틱의 농도가 과거 30여 년간 증가하고 있다는 사실을 처음으로 입증하면서 미세플라스틱 오염은 국제적인 환경 이슈로 대두되었다. 이후 미세플라스틱 관련 조사와 연구가 급증하였고 현재까지 미세플라스틱은 해수 표면과 수층, 해안, 대륙붕 및 심해 퇴적물, 대기는 물론 북극의 시추 얼음에서도 발견되었다. 미세플라스틱의 농도는 시료 채취 및 분석 단계에서 대상으로 하는 플라스틱의 최저 크기에 따라 수십 배에서 수천 배 이상 차이를 보인다. 미세플라스틱의 경우 크기가 작을수록 기하급수적으로 개수가 증가하기 때문에 나타난 현상이다. 현재까지 보고된 해수면에 부유하는 미세플라스틱의 농도는 입방미터의 해수당 최고 수백만 입자(~106 particles/㎥ ) 수준이다. 조사지역에 따라 농도는 큰 차이를 보이지만, 시료 채취에 50~80㎛의 채집망을 사용할 경우 일반적으로 입방미터의 해수당 수 개에서 수천 개의 미세플라스틱 입자가 존재한다. 많은 연구가 이루어진 사질해변의 미세플라스틱의 농도는 평방미터당 수십 개에서 수천 개의 입자(10~103 particles/㎡ ) 가 존재하는 수준이다. 해수 중의 미세플라스틱 농도는 해수 중 동물플랑크톤의 풍도(abundance)와 유사한 수준이고, 사질해변의 미세플라스틱 농도는 모래 공극에 서식하는 중형저서동물(meiofauna) 풍도와 유사한 수준이다.

▲ 남해안 모래해변에서 발견된 소형 플라스틱 조각과 1mm 이하의 미세플라스틱 입자

▲<그림 1> 남해안 모래해변에서 발견된 소형 플라스틱 조각과 1mm 이하의 미세플라스틱 입자

미세플라스틱과 오염물질

미세플라스틱이 국제적인 환경 이슈로 급부상한 이유 중 하나는 미세플라스틱에 함유된 독성물질의 존재이다. 플라스틱 해양 쓰레기는 다양한 화학물질을 포함하고 있다. 플라스틱 제조 당시에 사용된 단량체와 첨가제는 물론 제조 과정에서 발생한 부산물과 환경 중에 유입된 이후에 흡수 또는 흡착한 화학 물질을 미세플라스틱이 함유한다. 현재까지 플라스틱 해양 쓰레기에서 분석된 오염물질의 종류를 종합해 보면 미국 환경청(US EPA)에서 지정한 1차 관리 대상 오염물질의 78%가 검출될 정도다. 예를 들어 폴리염화비닐(PVC), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC) 제조 시 사용되는 단량체는 발암물질, 돌연변이성 물질 또는 내분비계 장애물질로 분류되는데, 제조 과정에서 반응하지 않은 단량체가 일부 플라스틱 내에 잔존한다. 제조 시 사용된 납 등의 중금속 또는 유기 주석 등의 유기 금속계 촉매와 가열 단계에서 반응 부산물로 생성된 단환방향족탄화수소(PAH) 등이 플라스틱에 일부 잔존하기도 한다. 또한 플라스틱 제품의 성능과 내구성 등을 높이기 위해서 제조 단계에서 가소제, 난연제, 열 안정제, 자외선흡수제, 색소 등이 첨가되는데, 첨가제 중 일부는 잘 알려진 독성물질 목록에 포함되어 있다. 대표적인 것이 폴리염화비닐에 가소제로 첨가되는 프탈레이트 계열의 물질 과 다양한 플라스틱에 난연제로 쓰이는 브롬계난연제인 폴리브롬화디페닐에테르(PBDE)와 헥사브롬화도데칸(HBCD)이다. 프탈레이트는 폴리염화비닐의 무게 대비 50% 수준까지 쓰이기도 한다. 전 세계 플라스틱 첨가제 생산량 중 부피 대비 73%가 폴리염화비닐에, 10%가 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 에, 5%가 폴리스티렌에 사용되는 것으로 알려져있다. 첨가제 외에도 환경 중으로 유입된 플라스틱은 소수성 성질로 인하여 대기와 물 중에 포함된 잔류성 유기 독성 물질을 많게는 물의 106배까지 흡수 또는 흡착하여 농축하며, 플라스틱의 표면특성에 따라 다양한 중금속 또한 흡착한다. 미세플라스틱에 함유된 독성물질이 문제가 되는 이유는 미세플라스틱을 섭식한 생물체 내로 이들 독성물질이 전이될 수 있기 때문이다. 미세플라스틱을 섭취한 태평양의 슴새류와 우리나라 연안의 발포 스티렌 부표에 부착해 사는 담치에서 각각 폴리브롬화디페닐에테르와 헥사브롬화도데칸의 전이가 최근에 밝혀졌으며, 이는 실제 환경에서 미세플라스틱 중의 독성물질이 이를 섭식한 생물체로 전이될 수 있음을 밝힌 첫 사례들이다.

▲  크기 6㎛의 형광을 띤 폴리스티렌 미세플라스틱을 동물플랑크톤이 섭식한 장면

▲ <그림 2> 크기 6㎛의 형광을 띤 폴리스티렌 미세플라스틱을 동물플랑크톤이 섭식한 장면

미세플라스틱에 의한 생물 영향

미세플라스틱에 생물에 미칠 수 있는 영향은 크게 미세입자에 의한 물리적 영향과 함유된 독성물질에 의한 화학적 독성 영향으로 나눌 수 있다. 두 가지 측면에서 생물에게 악영향을 끼칠 수 있기 때문에 다중 독성물질(multiple stressor)로 분 류된다. 생물체 내의 미세플라스틱은 크기가 작아 검출이 어려울 뿐만 아니라 복잡한 환경요인을 포함한 현장에서 섭식에 따른 영향을 밝혀내기는 어렵기 때문에, 대부분의 영향은 실험실 수준에서 밝혀낸 것들이다. 실험실 노출 환경에서 동물 플랑크톤, 이매패류, 갯지렁이, 새우, 게, 어류 등 다양한 분류군의 수서생물들이 나노미터에서 수백 마이크로미터 크기의 미세플라스틱을 섭식하는 것이 밝혀졌다. 미세플라스틱을 섭식한 생물은 에너지 대사, 성장률, 활동 능력, 생식력 등에서 영향을 받았다. 치사의 경우에는 실제 환경보다는 수천 배 이상 높은 농도에서 주로 일어났다. 아치사(sublethal) 영향의 경우도 실제 환경에서 보고된 농도보다는 높은 수준에서 관찰된 경우가 많았으나, 갯지렁이와 어류의 행동능력 변화 및 굴 의 생식력 저하 등은 환경에서 보고된 최상위 농도 수준에서 관찰되었다. 미세플라스틱에 의한 물리적 영향 중 대표적인 것은 영양가가 전혀 없는 플라스틱이 소화기관을 점유하는 데 따른 섭식 효율의 감소와 미세플라스틱 입자가 체내 관을 막아서 발생하는 2차 영향을 들 수 있다. 또한 섭식한 미세플라 스틱에 함유된 독성물질은 생물체 내 해당 물질의 농도가 상대적으로 낮을 경우 물질분배에 따라서 생물로 전이될 수 있다. 미세플라스틱에 잔류하는 첨가제 및 흡수 또는 흡착된 독성물질이 농도의 구배를 따라서 생물로 전이되는 것은 다양한 잔류성 유기 독성물질의 경우에서 확인되었다. 독성물질이 함유된 미세플라스틱을 섭식한 생물은 물리적 영향보다 더 낮은 미세플라스틱 농도 수준에서 전이된 독성물질 종류에 따라 유전자 및 효소 발현의 증감 변화, 활성산소 증대, 내분비계 영향, 간 독성 등의 영향을 보였다. 결국은 대상 생물의 미세플라스틱에 대한 노출 자료와 해당 미세플라스틱의 생물독성에 관한 자료가 축적되어야 생태계에 미치는 위해성을 평가할 수 있다. 하지만 현재까지 미세플라스틱의 생태위해성 평가를 위한 지식과 자료가 턱없이 부족한 실정이다. 인간의 주요한 단백질원인 수산생물도 미세플라스틱 오염에서 예외일 수 없다. 대표적인 수산물인 굴과 홍합의 조직에서 미세플라스틱이 흔하게 발견되고 있으며, 어류의 소화기관 에서도 높은 빈도로 미세플라스틱이 보고되고 있다. 유럽의 홍합과 굴에서 발견된 미세플라스틱 농도와 유럽인의 이매패류의 섭취량을 근거로 연간 평균 유럽인이 약 만 천 개의 미세플라스틱 입자를 섭취하는 것으로 보고됐다. 우리가 쓰고 버린 플라스틱은 바다로 가고, 미세화된 플라스틱은 수산생물이 직접 또는 먹이사슬을 통해 섭식하고, 수산생물이 섭식한 미세플라스틱과 미세플라스틱으로부터 생물 체내 조직으로 전이된 독성물질은 궁극적으로는 우리의 식탁으로 다시 돌아온다. 우 리가 과거 반세기 동안 쓰고 버린 플라스틱의 복수가 시작되고 있는 것이다.

미세플라스틱 오염의 저감 노력

환경 중에 존재하는 미세플라스틱을 제거하는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에, 오염을 저감할 수 있는 유일한 길은 유입을 차단하는 것이다. 발생원이 알려져 있으며 대체 천연 재료가 가용한 1차 미세플라스틱의 경우 일부 선진국과 우리 나라에서 화장품과 개인 위생용품 등에 대한 사용을 규제하였거나 또는 할 예정이다. 반면 2차 미세플라스틱은 중대형 플라스틱의 풍화에 의해 발생하기 때문에, 해양으로 새롭게 유입되는 플라스틱 쓰레기의 양을 줄여야 하며, 이미 해양에 축적 되어 있는 중대형 플라스틱 쓰레기 역시 효율적으로 제거하는 것이 필요하다. 유엔을 비롯한 다양한 국제기구에서 중대형 플라스틱 쓰레기를 저감하기 위한 프로그램이 진행 중이며, 우리나라도 해양 쓰레기 관리 기본계획이 5년 단위로 수립되어 시행 중이다. 국내에서도 2008년부터 시작된 해양 쓰레기 의 중장기 모니터링을 통해 오염 자료를 확보하고, 해양 쓰레 기에 대한 수거사업과 일반 대중과 어민에 대한 인식 증진 사업을 지속적으로 수행한 결과 우리나라 해안의 플라스틱 쓰레기가 서서히 감소하는 추세를 보이는 것으로 최근에 확인되었 다. 하지만 우리나라의 해양 플라스틱 쓰레기와 미세플라스틱의 오염 수준이 전 세계에서 상위권에 속하기 때문에, 앞으로도 해양 미세플라스틱 오염을 저감하기 위한 끊임없는 노력이 요구된다.

심원준 / 한국해양과학기술원 유류유해물질연구단장

작성자: khugnews

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