바이오인

미세플라스틱 분석과 생체영향 연구동향

2023년도 KRIBB 워킹그룹 이슈페이퍼 제5호

◈ 목차

1. 개요

2. 미세플라스틱 분석과 생체영향 주요 동향 및 이슈

  2.1 미세플라스틱 분석기술 동향

  2.2 미세플라스틱 생체영향 동향

3. 결론 및 시사점

◈본문

1. 개요

□ 미세플라스틱(Microplastics)이란

• ○통상적으로 5mm 이하의 플라스틱 조각을 지칭

• ╶︎크기에 따라 1 μm ~ 5 mm 플라스틱 조각을 미세플라스틱(Microplastics), 1μm 이하의 미세플라스틱을 초미세플라스틱(Nanoplastics)으로 구분

• ╶︎형태에 따라 fragment, fiber, film, sphere로 구분하며 성분에 따라 polyethylene(PE), polypropylene(PP), polystyrene(PS), polyethene terephatlate(PET), polyvinylchloride(PVC) 등으로 구분

• ╶︎발생원에 따라 처음부터 작게 만들어진 미세플라스틱을 1차 미세플라스틱(primary microplastics), 큰 플라스틱으로부터 환경에서 풍화작용 등에 의해 작게 쪼개져 만들어진 미세플라스틱을 2차 미세플라스틱(secondary microplastics)으로 구분

                                                                                         출처 : 집필진 작성

[그림 1] 미세플라스틱의 크기, 형태, 성분별 구분

□ 미세플라스틱 연구 배경

• ○사회적 배경

• ╶︎1950년대 이후 기술의 발달로 플라스틱의 생산이 급격히 증가하면서 폐플라스틱과 함께 미세플라스틱 역시 증가하기 시작했으며, 해양, 토양, 대기 등 다양한 환경에 노출되어 생태계와 동식물에 영향을 미치기 시작함

• ╶︎특히, 코로나19 팬데믹 이후 일회용품의 급격한 사용 증가와 마스크를 포함한 플라스틱으로 이루어진 각종 의료폐기물이 늘어났으며 이는 미세플라스틱의 증가로 이어져 환경 내 미세플라스틱에 대한 우려가 높아지기 시작함

• ○과학적 배경

• ╶︎미세플라스틱의 크기에 따라서 물리적, 화학적 독성을 나타낼 수 있으며 또한 플라스틱 제조과정에서 기능성과 안정성을 부여하기 위해 사용되는 가소제, 산화방지제, 연화제 등과 같은 첨가제를 방출하거나 VOC, PAH 등과 같은 환경오염물질과의 흡착을 통해 환경유해물질의 이동을 가능하게 하는 carrier 역할을 하기도 함

• ╶︎이러한 미세플라스틱이 다양한 환경에 존재하는 생물에 미치는 영향은 오래전부터 연구되기 시작했으며, 구체적으로는 체내 존재하는 미세플라스틱을 정성,정량하는 분석기술과 식물, 동물, 미생물 등 다양한 생명체에 미치는 생물학적 영향에 대한 연구가 진행되고 최근 인체 내 미세플라스틱 분석연구 결과가 보고되기 시작함

• ╶︎최근 세계보건기구(World Health Organization, WHO)는 나노/미세플라스틱(Nano- and Microplastic particles, NMP)이 공기, 물, 음식을 통해서 체내에 유입될 수 있으며, 특히 크기가 10 μm 미만의 입자는 체내 흡수되어 독성을 유발할 수 있어 이에 대한 분석과 독성 연구결과를 모아 보고서를 발간함

• ╶︎※ Dietary and inhalation exposure to nano- and microplastic particles and potential implications for human health. Geneva: World Health Organization; 2022. Licence: CC BYNC-SA 3.0 IGO

□ 미세플라스틱 분석기술과 생체영향 연구

• ○미세플라스틱의 잠재적 위험에 대한 이해를 위해서는 체내 미세플라스틱의 정성/정량적 데이터와 그와 관련하여 독성평가가 이루어져야 함

• ○따라서 본 보고서는 미세플라스틱의 다양한 분석기술을 소개하고 이러한 분석기술을 이용한 체내 미세플라스틱의 노출 결과와 심장, 뇌, 면역과 같은 체내 주요기관의 기능에 대한 미세플라스틱의 생물학적 영향에 대한 최신 연구결과를 소개하며 향후 미세플라스틱의 생체영향 연구 방향과 대응기술에 대해 논의하고자 함

2. 미세플라스틱 분석과 생체영향 주요 동향 및 이슈

2.1 미세플라스틱 분석기술 동향

□ 미세플라스틱 분석기술

• ○미세플라스틱 분석기술의 종류

• ╶︎미세플라스틱은 크기, 모양, 성분, 표면특성, 플라스틱 첨가제 혹은 흡착물질 등 매우 복잡하고 다양하며 이러한 복잡한 상태의 입자성 물질을 분석하기 위해서는 물리화학적 식별 및 정성/정량분석이 필요함

• ╶︎미세플라스틱의 분석기술은 질량분석법과 분광분석법으로 나눌 수 있으며 각 분석법은 입자의 성분, 크기, 정량 분석에 있어 장단점이 있으며 한 가지 또는 두 가지 이상의 분석법의 조합이 필요함

• ╶︎또한, 정확한 분석을 위해서는 생체 시료의 전처리 기술과 방법 검증(Validation of Methods) 및 품질 보증(Quality Assurance), 품질 관리(Quality Control) 등이 확보되어야 함

                                                           출처 : Chemical Review (2021)

[그림 2] 미세플라스틱의 분석기술별 분류

□ 질량분석법

• ○열분해질량분석법(Thermal-degradation Mthod)

• ╶︎열분해 방법은 고분자에 열을 가함으로써 휘발성 분해 생성물을 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)로 분리 후 각 폴리머 질량을 식별하여 시료의 성분과 정량 정보를 얻을 수 있는 기술임

• ╶︎열분해 방식에 따라 무산소 조건 하에서 고온을 가하는 방식인 pyrolysis(열분해)와 열중량 분석기에서 시료를 일정한 승온율로 가열함으로써 시료의 질량변화를 시간이나 온도의 함수로 측정, 이탈하는 온도별 휘발성분을 흡착관에 농축시킨 후 흡착된 미세플라스틱 분해산물을 열 탈착기를 통해 분석하는 thermo-extraction and depsorption (열 추출/탈착) GC-MS로 나눌 수 있음

• ╶︎분석기술에 따라 분해능은 대략 10 μg (Py-GC-MS)에서 1μg (TED-GC-MS)까지 검출이 가능하며 폴리머의 성분뿐만 아니라 첨가제 성분분석까지 가능하다는 특징이 있음

• ╶︎다만, 열분석 방법은 정량적 질량 기반의 고분자 특성 정보만을 제공하기 때문에 입자의 크기, 모양, 수에 대한 정보는 얻을 수 없음. 또한, 분해능의 한계로 1μg 이하의 정량분석은 어려운 상태로 생체 물질의 제한적인 용량 내에서의 미세플라스틱 분석에 있어 제약이 많음

• ╶︎2022년 Environmental International에 보고된 결과에 의하면, 건강한 성인을 대상으로 혈액 내 플라스틱 입자의 정량분석을 실시한 결과 PE (7.1 μg/mL), PS (4.8 μg/mL), PET (2.4 μg/mL) 순으로 검출되었으며 이는 대부분 일회용기의 주 재료로 알려짐

• ○기타 질량분석법

• ╶︎열분해 질량분석법 외에 추가적으로 적용가능한 질량분석법으로는 The matrix-assisted laser desorption/ionization itme-of-flight mass spectrometry (MALDI-ToF/MS)법과 미량원소질량분석인 Induced coupled plasma mass spectros (ICP-MS) 분석법이 있으나 방법의 복잡성과 작은 샘플 크기로 인해 대표적인 분석에는 매우 제한적임

□ 분광분석법(Spectroscopic Method)

• ○분자진동(Molecular vibration)기반의 분광분석법은 미세플라스틱을 분석하는 대표적인 방법임

• ╶︎대표적으로 Fourier transform infrared (FTIR) 또는 Raman 분광법으로 구분

• ╶︎두 방식 모두 폴리머 성분에 따라 독특하게 나타나는 분자진동 패턴에 의해 입자의 성분을 파악하고 현미경을 장착하여 입자의 크기와 크기분포, 모양을 측정할 수 있음

• ╶︎IR 분광법은 중적외선 영역인 400~4000 cm-1에서 고분자의 분자 진동 스펙트럼을 측정하여 고분자 특성을 식별할 수 있음. 또한, 현미경을 통해 입자의 크기와 모양을 구분할 수 있으며 특히 scanning을 통해 다양한 종류의 미세플라스틱을 한 번에 분석할 수 있는 장점이 있음

• ╶︎그러나, 현미경 특성상 분해능은 약 10 μm 이상의 미세플라스틱에 한정되어 있음

                                                                         출처 : Chemical Review (2021)

[그림 3] (a) PE microplastic의 FTIR spectrum과
고분자 종류별 colored microscopic image (b)

• ╶︎Raman 분광법은 비탄성 라만 광산란 효과를 기반으로 1 μm 급 미세플라스틱을 분석할 수 있는 비파괴적 분석방법이며 IR과 마찬가지로 폴리머별 지문 스펙트럼을 통해 플라스틱뿐만 아니라 일부 첨가제와 유기/생물학적 화합물을 식별할 수 있음

• ╶︎또한, 다양한 기술을 접목하여 나노플라스틱을 식별할 수 있으며 예로 field-flow fractionation과 Raman micros를 coupling 시켜 두 가지 나노플라스틱을 분리하고 식별하는 기술이 개발되기도 함

• ╶︎그러나, Raman 분광법은 IR 분광법에 비해 측정이 까다롭고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있어 크기가 작고 매우 정밀한 분석이 필요한 경우에 적합함

                                                                                                  출처 : Anal. Chem (2020)

[그림 4] Optical tweezer와 micro-Raman을 이용한 나노플라스틱 검출 모식도

□ 미세플라스틱 분석법 비교

• ○미세플라스틱 분석법은 질량분석과 분광분석으로 나뉘며 용도와 목적, 그리고 검출한계에 따라 적절히 사용할 필요가 있음

• ╶︎질량분석법은 질량 분해능에 따라 Py-GC/MS와 TED-GC/MS를 선택할 수 있으며 분광분석법은 크기에 따라 FTIR과 Raman micros를 선택하여 미세 또는 나노플라스틱을 검출가능함

• ╶︎고분해능 분석법은 대개 고가 장비가 요구되며 검출시간 또한 매우 길다는 특징이 있어 대용량, 다수의 샘플을 분석할 경우 고비용, 장시간 소요를 충분히 검토하여 분석법을 선택해야 함

                                                            출처 : Trend in Anal. Chem (2018)

[그림 5] 미세플라스틱 분석방법별 분해능과 검출한계

2.2 미세플라스틱 생체영향 동향

□ 미세플라스틱의 인체 노출

• ○미세플라스틱이 인체에 유입되는 방법은 크게 호흡, 섭식, 그리고 피부 접촉에 의한 유입으로 나눠질 수 있음. 최근 대기 중 미세플라스틱에 대한 분석결과가 보고되면서 호흡을 통한 미세플라스틱의 인체 유입에 대한 관심이 높아지고 인체를 대상으로 한 미세플라스틱 분석이 진행되기 시작함

• ╶︎2021년 J. Hazard. Mater.에 micro-FTIR 분석법을 이용해 사체의 폐 조직에서 polypropylene, polystyrene, polyamide 등 미세플라스틱을 검출한 것을 시작으로 2022년에는 환자의 폐 조직에서 수십~수백 마이크로미터의 다양한 성분의 미세플라스틱이 검출됨이 보고됨

• ╶︎이 외에도 다양한 조직과 혈액, 심지어 태반에까지 미세플라스틱이 검출되었고 해당 결과들을 모아 유엔환경계획(The United Nations Environment Programme)과 WHO에서 보고서를 발간함

                                                                         출처 : Center for International Environmental Law, 2023

[그림 6] 미세플라스틱에 노출된 인체 조직 모식도

• ○특히 대기 미세플라스틱은 호흡을 통해 체내 유입이 되며 크기에 따라 투과되는 조직이 달라짐

• ╶︎크기가 5 μm 이상인 미세플라스틱은 호흡을 통해 체내 유입되더라도 대부분 코, 목, 비강 인두를 포함한 상기도에서 걸러짐

• ╶︎미세플라스틱 중 1-5 μm인 입자 중 일부는 상기도를 지나 폐까지 도달할 수 있고 크기가 1 μm 이하인 나노플라스틱은 폐포까지 도달하여 폐 대식세포에 의해 포식될 수 있음

• ╶︎체내 유입된 미세플라스틱은 폐뿐만 아니라 장, 심장, 면역계 등 다양한 조직에 영향을 미칠 수 있으며 미세플라스틱의 인체 독성영향은 주로 인체 유래 세포주를 활용한 실험을 통해 대부분 활성산소 증가와 세포사멸 유도, 일부 미토콘드리아 손상을 유도하는 것으로 나타남 (<표 1> 참고)

• ╶︎그러나, 이러한 세포독성은 대부분 polystyrene 단일입자에 의한 결과이며 크기, 농도, 노출시간이 모두 달라 미세플라스틱 입자의 독성을 명확히 규명하기 어려움

[표 1] 미세플라스틱에 의한 세포 독성연구

                                                                                                                                     출처 : Int. J. Environ. Res. Public Health (2021)

                                                                                       출처 : Int. J. Environ. Res. Public Health (2021)

[그림7] 크기별 흡입과 호흡에 의한 대기 미세플라스틱의 체내 유입 모식도

□ 실험동물 기반 미세플라스틱의 체내 축적 및 독성영향

• ○미세플라스틱의 생체영향을 보다 명확히 규명하고자 다양한 실험동물을 기반으로 연구결과가 보고되기 시작함

• ╶︎가장 활발하게 연구되는 실험동물은 zebrafish로 배아, 치어, 성체에 이르는 생애전주기에서 심장, 간, 신경, 대사 등 인체와 유사한 조직에서의 독성영향을 평가할 수 있어 미세플라스틱의 크기, 농도별 연구가 상당히 진행된 상황

• ╶︎대표적인 포유류인 mouse의 경우, 비교적 늦게 연구되기 시작하여 최근 주로 섭식을 통한 장, 뇌 연구가 진행되고 있으며 일부 모유를 통해 미세플라스틱의 세대 전이 및 뇌 세포 내 축적과 인지 및 행동장애를 유발한다는 결과가 보고됨

• ╶︎※ 한국생명공학연구원 이다용 박사 연구팀 발표. Maternal exposure to polystyrene nanoplastics caues brian abnormalities in progeny, J. Hazard. Mater. 426, 127815 (2022)

[표 2] 동물실험을 통한 미세플라스틱에 의한 생체영향 연구 요약(일부)

                                                                                                                                    출처 : Ecotox. Environ. Safety (2023)

□ Cocktail of Toxins: 미세플라스틱과 오염물질의 혼합에 의한 생체영향

• ○미세플라스틱은 크기가 작아 표면적이 넓고 대부분 소수성을 띠고 있어 다른 화합물과의 흡착이 잘 일어나는 특징이 있음

• ╶︎미세플라스틱에 흡착되는 물질로는 환경오염물질로 알려진 다환방향족 탄화수소(Polyaromatic hydrocarbon, PAH), 프탈레이트류를 포함한 플라스틱 첨가제, 중금속, 환경에 노출된 항생제를 포함한 의약품, 그리고 살충제 등이 있음

• ╶︎이러한 환경오염물질들은 미세플라스틱과 흡착, 탈착, 축적, 이동, 배출 등 다양한 거동을 나타내며 미세플라스틱의 크기, 형태에 따라 환경오염물질의 독성을 증폭 또는 완화되는 효과를 보이는데, 이를 Trojan Horse Effect라 명명하기도 함.

• ╶︎환경오염물질은 이미 다양한 조직을 통해 인체 건강에 영향을 미친다는 것이 알려져 있음. 대표적으로 환경호르몬은 불임과 생식기능 저하를 유발하는 것으로 알려져 있으며 인지기능과 행동발달에도 영향을 미친다는 결과가 보고되기도 함

• ╶︎환경호르몬을 포함한 환경오염물질과 미세플라스틱의 복합노출에 의한 인체 건강영향에 대한 조직별로 다양하게 나타나며 이는 미세플라스틱의 크기, 형태, 농도, 노출방법과 환경오염물질의 흡·탈착 등 다양한 변수에 따라 복잡하게 나타날 수 있음

                                                                                   출처 : Center for International Environmental Law, 2023

[그림 8] 미세플라스틱과 환경오염물질에 의한 인체 건강영향

• ╶︎최근 제브라피쉬 치어를 이용한 실험에서 크기가 수백 나노미터에서 수십 마이크로미터의 미세플라스틱과 대표적인 PAH로 심장독성을 유발하는 것으로 알려진 Benz[a]antracene (BaA)과의 혼합노출 시 크기에 따라 심장독성과 기형 유발에 차이가 있으며 작을수록 독성이 강하게 나타나고 크기가 클수록 독성이 완화되는 것을 확인함. 이는 미세플라스틱의 크기가 환경오염물질의 독성에 영향을 미친다는 것을 보여줌

• ╶︎※ Combined effects of microplastics and bzenz[a]antracene on cadiotoxicity in zebrafish (Danio rerio) larvae: Size matters, Chemosphere, 330, 138723 (2023)

• ○현재까지 미세플라스틱 분석을 통해 인체 노출과 그에 의한 생체영향을 세포와 조직 단위에서 살펴봄

• ╶︎미세플라스틱은 일상 생활용품(일회용기, 마스크, 의약품, 화장품)부터 대기, 해양, 토양과 같이 환경에 광범위하게 분포하는 미세플라스틱을 호흡과 섭식 그리고 피부를 통해 유입될 수 있음

• ╶︎호흡에 의한 미세플라스틱은 크기가 작을수록 폐포까지 유입될 수 있으며 이는 순환계를 통해 다양한 장기까지 이동 가능함

• ╶︎나노/미세플라스틱에 노출된 세포는 대부분 면역반응과 활성산소 증가로 유전자와 미토콘드리아 손상을 유발하고 지방 대사를 방해하는 등 세포독성을 유발함

• ╶︎최근 동물실험을 통해 나노플라스틱이 세대 전이와 뇌 발달 저해 및 인지장애를 유발하는 것이 보고되었고 환경오염물질과의 복합노출에 의한 독성증폭 현상이 나타날 수 있음이 증명됨

                                                                        출처 : Ecotoxicology and Environmental Safety(2023)

[그림 9] 발생원별 미세플라스틱의 인체 노출에 의한 세포 독성 모식도

3. 결론 및 시사점

□ 미세플라스틱 분석 및 노출 자료 확보

• ○미세플라스틱의 인체 유해성에 대한 명확한 근거를 마련하기 위해서는 노출량에 대한 자료가 충분히 확보되어야 함

• ╶︎혈액, 조직, 분변 등 체내 미세플라스틱의 분포와 양에 대한 정보를 확보하기 위해서는 조직별 전처리 기술과 고분해능의 분석기술 적용, 그리고 결과의 신뢰성을 높이는 품질 관리가 보증되어야 함

• ╶︎대규모 코호트를 통한 시료의 충분한 양 확보와 변화하는 사회와 문화 속에서 생애 전주기별 중장기적 모니터링이 함께 이루어져야 미세플라스틱에 의한 인체 건강에 대한 명확한 근거를 마련할 수 있음

• ╶︎환경오염물질과의 혼합 또는 복합노출에 대한 정성/정량 분석도 필요함

□ 미세플라스틱 관리 및 규제를 위한 근거 마련

• ○미세플라스틱의 인체유해성에 대한 보다 체계적이고 과학적 근거를 제공하기 위해서는 인체 유해성 자료 확보가 시급함

• ╶︎인체의 미세플라스틱 노출량을 근거로 미세플라스틱과 환경오염물질과의 복합노출에 의한 생체 내 다양한 조직에 대한 건강 영향 자료 확보 필요

• ╶︎이를 위해서는 Horizon 2020 프로그램의 지원을 받는 Actionable eUropean ROadmap for early-life health Risk Assessment of micro- and nanoplastics (AURORA) 프로젝트와 같이 장기적으로 체계적인 연구 프로젝트 마련되어야 함

• ╶︎또한 글로벌 연구 네트워크를 활용한 미세플라스틱의 생체영향 연구의 다각화를 통해 국내외 미세플라스틱 관리 및 규제에 대응해야 함

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.