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[2023 바이오 미래유망기술(하)] 미세플라스틱의 특성과 생체영향

정진영 / 한국생명공학연구원 환경질환연구센터 책임연구원

◈ 목차

1. 플라스틱 시대의 빛과 그림자

2. 미세플라스틱의 종류와 분석법

 가. 미세플라스틱의 종류별 특성

 나. 미세플라스틱의 분석법

3. 미세플라스틱의 인체노출과 영향

 가. 미세플라스틱의 인체노출

 나. 미세플라스틱과 환경유해인자와의 상호작용

 다. 미세플라스틱의 생체영향

4. 국제 연구 네트워크

◈본문

1. 플라스틱 시대의 빛과 그림자

바야흐로 플라스틱 시대라 할 수 있다. 1950년대 대량생산 되기 시작한 플라스틱은 2000년 이후 급격하게 생산량이 증가하면서 2020년에는 약 3억6천7백만톤이 생산되었다 [1]. 최근 20년 동안 생산된 플라스틱은 이전 50년 동안 생산된 플라스틱의 양을 능가하였고, 그로 인한 플라스틱 폐기물 또한 이전과는 비교할 수 없을 정도로 빠르게 증가하기 시작했다. 플라스틱은 석유에서 추출한 화학물질인 탄화수소로 이루어진 단위체가 중합되어 고분자를 이루고 이것을 사출과 성형이라는 과정을 통해 우리가 원하는 모양과 형태로 만들어진 제품이다. 이러한 플라스틱 제품은 기술이 발전하면서 성능과 내구성이 향상되어 식기, 칫솔과 같은 일상 생활용품부터 가전, 가구, 자동차, 선박과 우주 로켓까지 인간의 거의 모든 활동에서 쓰이지 않는 곳을 찾기가 어려울 정도로 우리는 플라스틱 속에 살고 있다.

보통 플라스틱 제품의 수명은 짧게는 수 초에서 길게는 몇 년에 이르는데, 2017년 보고에 따르면 사용된 플라스틱 중 약 9%는 재활용, 12%는 소각, 그리고 나머지 79%는 매립과 투기를 통해 환경에 노출되어 환경오염의 원인이 되기도 한다 [2]. 거기에 코로나19 팬더믹 기간 동안 필수적으로 사용해야 했던 마스크과 일회용 장갑, 코로나 진단키트와 개인보호장비까지 모두 플라스틱 재료로 만들어졌을 뿐만 아니라, 사회적 거리두기와 함께 늘어난 배달음식과 포장용기 모두 플라스틱의 사용과 소비를 증폭시키는 요인으로 작용하여 코로나 팬더믹과 함께 플라스틱 팬더믹으로 불리기까지 하였다. 이렇게 증가된 플라스틱 폐기물은 분해되지 않고 자외선과 풍화과정을 거쳐 작게 쪼개져 미세플라스틱을 발생시키며 플라스틱 제조 과정에서 첨가된 유해화학물질을 배출하거나 환경 내 유해물질과의 흡착을 통해 유해물질 이동의 매개체가 되기도 한다.

본 보고서에서는 최근 신규 환경유해인자로 인식되는 ①미세플라스틱의 특성을 살펴보고 ②미세플라스틱이 생체에 미치는 영향에 대한 최신 연구동향을 소개하고자 한다. 또한, ③미세플라스틱의 인체 유해성을 검증하기 위한 분석기술에 대해 기술하고 이를 위한 ④국제 연구 네트워크를 살펴보고자 한다. 이를 통해 미세플라스틱의 생체 영향에 대한 이해를 높이고 미세플라스틱 연구의 확대와 국제 공동연구의 가능성을 넓히는데 도움이 되고자 한다.

2. 미세플라스틱의 종류와 분석법

가. 미세플라스틱의 종류별 특성

미세플라스틱은 통상적으로 5mm 이하의 작은 플라스틱 조각을 일컫으며, 생성 과정에 따라 처음부터 작게 만들어진 미세플라스틱을 1차 미세플라스틱, 제조 당시에는 큰 플라스틱이었다가 풍화와 마모로 인해 크기가 5mm 이하로 작아진 미세플라스틱을 2차 미세플라스틱으로 구분 짓는다. 2010년대 후반 마이크로비즈로 대두되는 1차 미세플라스틱의 생산과 사용에 대한 규제가 시작되면서 1차 미세플라스틱은 통제가능하게 되었으나 대부분의 미세 플라스틱은 플라스틱 폐기물로부터 생성되는 2차 미세플라스틱이 차지하고 있다 [3].

대체적으로 미세플라스틱은 5 mm 이하를 통칭하여 부르지만 크기가 1 마이크로미터 이하의 미세플라스틱은 나노플라스틱으로 구분짓기도 한다. 모양에 따라 섬유형, 필름형, 거품형 등이 있지만 대다수는 불규칙적인 모양을 띈다. 또한 성분에 따라 폴리에틸렌 (polyethylene, PE), 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP), 폴리스타이렌 (Polystyrene, PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (Polyethylene terephatlate, PET), 폴리비닐클로라이드 (Polyvinylchlroide, PVC), 폴리아마이드 (Polyamide, PA) 등으로 나눌 수 있다 [4].

[그림 1] 미세플라스틱의 정의와 발생원에 따른 구분

출처 : 한국환경연구원, 미세플라스틱 인포그래픽 2021

각 조성에 따라 물리화학적 특성이 달라지고 특성에 따라 사용되는 용도와 분야가 나눠진다. 예를 들어, PE는 밀도가 낮고 안전성이 좋아 음식을 싸거나 담는 용기에 주로 쓰이고, PP는 내열성이 높고 강도가 높아 건축용 부품과 장난감, 포장용기, 섬유와 카펫 등에 사용된다. 이 두 가지 플라스틱은 전체 플라스틱 사용량의 약 50%를 차지하며 플라스틱 폐기량과 미세플라스틱의 다수를 차지하기도 한다.

[그림 2] 미세플라스틱의 종류별 구조와 특성 그리고 형태

출처 : Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 102(6), 2019

나. 미세플라스틱의 분석법

미세플라스틱을 분석하는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 분광분석법인 μ-FTIR 분석법과 μ-Raman 분석법과 질량분석법인 TED-GC/MS와 Py-GC/MS가 있다. 분광분석법은 적외선이나 라만 스펙트럼 측정을 통해 샘플의 스펙트럼과 레퍼런스 물질의 스펙트럼과 대조하여 미지의 샘플의 성분을 파악할 뿐만 아니라 현미경을 통해 미세플라스틱의 크기와 형태를 파악할 수 있어 미세플라스틱의 정성적 분석에 매우 유용한 분석법이다. 단점은 분해능의 한계로 크기가 μ-FTIR은 최소 10 μm 이상, micro-Raman은 1 μm 이상의 미세플라스틱이 분석 가능하다는 것이다. 이와 달리, 질량분석법은 시료를 태워 단위체 단위의 질량을 측정함으로써 고분자 조성을 확인하고 나아가 시료의 양까지 분석할 수 있어 미세플라스틱의 정량분석에 주로 활용되는 분석법이다 [5]. 다만, 미세플라스틱을 모두 태우기 때문에 크기나 모양에 대한 정보는 얻을 수 없고 분해능이 1 μg 수준이라 그 이하의 미세플라스틱은 아직까지 분석이 어려운 것이 사실이다.

[그림 3] 미세플라스틱 분석법 종류에 따른 특성

출처 : Trends in Analytical Chemistry 109, 214 (2018)

미세플라스틱 분석법이 중요한 이유는 미세플라스틱의 생체영향을 명확히 파악하기 위해서는 체내 축적된 미세플라스틱의 정성/정량분석이 선행되어야 하기 때문이다. 체내 축적된 미세플라스틱의 크기, 형태, 조성, 그리고 양에 따라서 미세플라스틱이 생체에 미치는 영향을 보다 정확하게 파악하고 원인을 분석할 수 있다. 그러나 현재의 분석법으로는 크기가 1 μm 이하인 나노플라스틱은 정성 분석이 어렵고 체내 미세플라스틱의 양이 1 μg 이하는 측정이 되지 않아 정량 분석에 한계가 있는 상태이다. 이를 극복하기 위해서는 나노플라스틱 분석이 가능한 Nano-IR의 개발과 더불어 생체 시료의 전처리 기술의 발전이 함께 이루어져야 한다.

...................(계속)

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