토양 내 미세플라스틱, 지렁이가 더 잘게 쪼갠다-검출 더 어려운 나노플라스틱으로 재배출 우려

토양 내 미세플라스틱, 지렁이가 더 잘게 쪼갠다-검출 더 어려운 나노플라스틱으로 재배출 우려

 

등록일 2020.10.19.

 

 

토양 내 미세플라스틱, 지렁이가 더 잘게 쪼갠다
검출 더 어려운 나노플라스틱으로 재배출 우려
미세플라스틱의 생물학적 나노플라스틱화 규명에 기여

□ 이리저리 땅 속을 다니며 토양에 산소를 공급하고 유기물이 풍부한 분변으로 토양에 영양분을 공급하는 지렁이.
○ 하지만 토양이 미세플라스틱으로 오염된 경우, 지렁이가 이를 섭취, 더 관찰하기 어려운 나노플라스틱으로 만들 수 있다는 연구결과가 나왔다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 안윤주 교수(건국대학교 환경보건과학과) 연구팀이 지렁이 섭취활동에 의해 토양 내 미세플라스틱이 쪼개져 나노플라스틱이 발생할 수 있음을 알아냈다고 밝혔다.

□ 5㎜ 미만의 미세플라스틱은 환경에 미치는 영향을 정확히 파악하기 어려워 우려를 모으고 있다. 이보다 더 작은, 크기 100㎚미만의 나노플라스틱은 환경에 얼마나 존재하며, 어떻게 발생하는지 관찰하기가 더욱 어렵다.
○ 일회용품 사용이 증가하는 가운데 미세플라스틱 및 나노플라 스틱이 토양환경에 미치는 영향에 대한 검증이 더욱 필요한 실정이었다.
□ 건국대학교 연구팀은 토양에 서식하는 대표적 생물종인 지렁이를 이용해 토양환경에서 미세플라스틱이 눈에 보이지 않는 크기까지 작아져 분변토를 통해 재배출될 수 있음을 시각적으로 규명하였다.

□ 미세플라스틱으로 오염된 토양샘플에서 3주간 배양한 지렁이의 분변토에서 얻은 입자성 물질들을 주사전자현미경으로 관찰한 결과 미세플라스틱 보다 작은 입자성 물질이 존재하는 것을 알아냈다.
○ 나아가 X선 분광분석을 통해 입자성 물질의 성분을 분석, 토양 입자와 명확하게 구분되는 나노플라스틱의 존재를 검증하였다.
○ 토양섭취활동에 의해 지렁이의 장 내에 미세플라스틱 보다 더 작은 파편화된 나노플라스틱이 생성되었다는 것이다.

□ 이번 연구결과는 이미 환경에 존재하는 미세플라스틱이 더 잘게 쪼개져 나노플라스틱으로 발생할 수 있음을 보여준 것으로, 플라스틱과 미세플라스틱 관리의 필요성을 뒷받침한다.
○ 연구팀은 나노플라스틱의 토양생태 독성에 대한 과학적 근거 및 분석기술이 부족한 실정에서 나노플라스틱의 토양 분포 및 토양 생물체에 미치는 영향을 파악하는 것이 필요하다고 보고 있다,

□ 한편 연구팀은 미세플라스틱에 노출된 지렁이는 정상적 정자형성이 저해되어 번식에 어려움을 겪을 수 있음을 알아냈다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 환경과학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 해저드스 머티리얼스(Journal of Hazardous Materials)’에 9월 18일 온라인 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 건국대학교 안윤주 교수>

논문명
Microplastic digestion generates fragmented nanoplastics in soils and damages earthworm spermatogenesis and coelomocyte viability
저널명
Journal of Hazardous Materials
키워드
Microplastics(미세플라스틱), nanoplastics(나노플라스틱), soil(토양), invertebrate(무척추동물), ecotoxicity(생태독성)
DOI
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124034
저 자
안윤주 교수(교신저자/건국대학교), 곽진일 박사(제1저자/건국대학교)

1. 연구의 필요성
○ 재활용되지 못하고 환경으로 유출된 플라스틱들은 풍화, 광분해, 물리적 마모 등을 거쳐 미세화되어 크기 5㎜ 미만의 미세플라스틱이 된다. UN환경프로그램(United Nations Environmental Programme)은 2014년 국제환경 문제에 미세플라스틱을 포함시켰을 정도로 미세플라스틱에 의한 환경오염에 대한 우려가 증가하고 있다.
○ 그러나, 토양생물의 섭취활동에 의한 미세플라스틱이 나노화 규명 연구와 미세플라스틱이 토양생물종의 생식기관에 미치는 영향을 평가한 것은 매우 제한적으로 보고된다. 현재 해양생물종인 크릴 새우와 지렁이 장내미생물을 포함하는 일부 생물종을 대상으로 미세플라스틱의 생물파편화(bio-fragmentation)가 보고되었을 뿐이며, 토양 무척추동물에 의한 미세플라스틱의 생물파편화는 보고된 바 없었다.

2. 연구내용
○ 국내·외 서식하는 Eisenia andrei 지렁이를 대상 시험종으로 선정 하였으며, 2가지 다른 크기(180-212 μm, 250-300μm)의 구형 폴리 에틸렌 미세플라스틱을 모델 미세플라스틱으로 선정하였다. 노출은 토양에서 3주간 진행되었고, 3주 후 지렁이 체내 미세플라스틱과 분변토로 배출된 미세플라스틱을 수거하여 표면을 분석하였다.
○ 본 연구에서는 대상 미세플라스틱의 표면에서 확인된 작은 입자들이 토양입자인지 더 미세화된 나노플라스틱 입자인지 구분할 필요성에 따라 에너지 분산형 X-선 분광분석을 적용하였다.
○ 고분해능 전계방사형 주사 전자현미경 분석법(High resolution field emission scanning electron microscopy)과 에너지 분산형 X-선 분광법(Energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX)을 적용해 미세플라스틱의 표면을 지렁이 노출 전·후로 비교 분석하였다.
○ 이 때, 실험에 사용된 폴리에틸렌 플라스틱의 성분이 (C2H4)n 이므로, 탄소(C)가 우점하며, 토양성분인 규소(Si)가 미검출된 것을 더 미세화된 나노플라스틱으로 구분하였고, 토양지각의 주요 구성성분인 산소(O)가 우점하여 나타나며 규소의 검출이 유의할 경우 토양입자로 구분하였다.
○ 결과적으로, 토양이 미세플라스틱에 오염될 경우 지렁이 섭취활동에 의해 더 작은 나노플라스틱이 지렁이 장 내에서 생성되며, 분변활동으로 토양으로 배출되는 것이 확인되었으며, 이는 타 토양생물종이 더 미세화된 크기인 나노플라스틱에 재노출될 가능성이 있음을 시사한다.

3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구는 토양이 미세플라스틱에 의해 오염될 경우 지렁이 같은 토양 무척추동물의 섭취 및 배설 활동으로 더 미세화된 나노 플라스틱이 토양환경으로 노출될 수 있는 근거를 제시함으로써 나노 플라스틱의 토양 생태독성 연구의 필요성 전망에 활용될 수 있을 것이다.

그림 설명

 

(그림 1) 지렁이에 의해 작게 쪼개진 나노플라스틱 배출 규명 모식도
(가운데 회색상자) 미세플라스틱 오염토에 3주간 노출된 지렁이의 분변토에서 얻은 입자성 물질들을 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 미세플라스틱 보다 작은 물질이 관찰되었다.
(아래, 위 청색상자) 나아가 분산형 X선 분광분석을 통해 입자성 물질의 성분을 분석한 결과, 토양입자와 나노플라스틱을 더 명확하게 구분할 수 있었다. 특히 미세플라스틱 표면에 더 작은 크기의 나노플라스틱이 생성되는 것을 확인하였다. 토양섭취활동에 의해 지렁이의 장 내에 미세플라스틱 보다 더 작은 파편화된 나노플라스틱이 생성된 것이다. 한편 사용된 미세플라스틱은 C2H4)n구조의 폴리에틸렌으로 나노플라스틱은 탄소 신호가 우점하여 보여진다.
출처 : 건국대학교 안윤주 교수

 

(그림 2) 미세플라스틱이 토양환경에 미치는 영향 실험결과 요약
미세플라스틱에 토양이 오염될 경우, 토양의 대표적 서식종인 지렁이가 이를 섭취하며 더 잘게 쪼개진 나노플라스틱이 토양으로 재배출되는 것으로 확인 되었다. 또한 미세플라스틱에 지렁이가 3주간 노출될 경우 지렁이의 정상적 정자형성과 지렁이의 면역활동과 연관된 세포활성에 악영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
출처 : 건국대학교 안윤주 교수

연구 이야기

<작성 : 건국대학교 안윤주 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

플라스틱 오염은 범국가적 문제이다. 환경으로 유출된 폐플라스틱은 풍화, 광분해 등에 의해 더 작은 조각으로 부서져 미세플라스틱화 된다. 하지만 생체로 유입된 미세플라스틱이 생체 내에서 어떤 운명을 맞이하는지에 대한 연구는 매우 제한적이다. 지렁이는 많은 양의 토양을 섭취, 배출하는 생물이므로, 토양 속에 미세플라스틱이 있을 경우 플라스틱을 섭취할 확률이 매우 크다. 근래에는 자연 상태에서 비의도적으로 생성되는 2차 미세플라스틱 또는 나노플라스틱 연구가 아직 초기단계에 있는 실정이므로 과학적 근거를 마련할 필요성을 느꼈고, 미세플라스틱의 생물파편화(bio-fragmentation)과 관련된 본 연구를 수행하게 되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에는 현미경 이미지를 통해 확인된 입자성 물질을 미세플라스틱으로 정의한 연구가 대부분이었다. 그러나 토양에서 실제 실험을 해보니, 전자현미경 이미지만으로 이것이 작게 쪼개진 나노플라스틱인지, 토양입자인지 명확히 구분하는 것이 어려웠다. 그래서 간접적으로라도 쪼개진 나노플라스틱을 구분할 수 있는 방법을 고안하였다. 전자현미경 이미지 이외에도 에너지 분산형 X-선 분광 분석을 통해 입자의 성분분석도 함께 하였으며, 결과적으로 기존 보다 더 명확하게 나노입자의 발생을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 토양이 미세플라스틱에 오염될 경우 지렁이 섭취활동에 의해 더 작은 입자의 나노플라스틱이 지렁이 장 내에서 생성되며, 분변토 배출활동으로 토양으로 다시 배출되고, 다른 토양생물종이 더 미세화된 크기인 나노플라스틱에 재노출될 가능성이 있음을 규명했다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

2018년 우리나라에서는 재활용 쓰레기 대란이 있었고, 근래에는 코로나바이러스(COVID-19) 유행으로 플라스틱 재질의 일회용품 사용이 더 증가하고 있는 추세다. 이렇게 환경으로 의도적·비의도적으로 폐기된 플라스틱으로부터 미세플라스틱이 발생하는 것은 많이 알려진 사실이고, 이번 연구를 통해서는 토양생물종에 의해 눈에 보이지도 않는 나노플라스틱이 미세플라스틱으로부터 발생된다는 것이 밝혀졌다. 이는 토양에서 매우 작은 2차 플라스틱이 발생한다는 의미를 갖는데, 아직 나노 크기 정도의 2차 플라스틱이 토양생태에 미치는 영향은 많이 알려지지 않았다. 본 연구는 미세플라스틱의 생물파편화(bio-fragmentation) 관련 연구에 기여할 초석으로 기대된다. 후속으로는 생물파편화(bio-fragmentation) 또는 바이오에이징(bio-aging)된 미세플라스틱이 생태에 미치는 영향에 대해 연구할 계획이다.