Vol. 48, No. 2 DECEMBER 2022

ISSN 2383 - 5338

마이크로 컬럼

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플라스틱 오염이 환경과 인간에게 미치는 영향
김용학 교수
대구가톨릭대학교 의과대학 의예과 미생물학교실
ykim@cu.ac.kr

[들어가기]

플라스틱은 일상생활을 편리하게 해준 반면 그로 인한 부작용이 커지고 있다. 플라스틱 유로 (Plastics Euro)의 통계 (1)에 따르면 전세계 플라스틱 생산량은 2019년에 368 Mt y-1 (million metric tons per year)에 이르렀고 2020년에 COVID19으로 인해 367 Mt y-1으로 줄었지만, 이 분야의 고용은 높은 수준을 유지하고 있어 전세계 플라스틱 생산과 소비는 계속 증가할 것으로 보인다. 현재 전세계 생산량의 20~30%에 이르는 플라스틱 폐기물이 처리되지 않고 지구에 버려지고 있으며, 2060년에는 그보다 3배 증가한 155~265 Mt y-1속도로 지구를 오염시킬 것이라 분석하였다 (2). 과학자들은 해양으로 유입된 미세플라스틱을 분석하여 주변 환경과는 다른 플라스틱 생물권 (plastisphere)이 형성된다고 보고하였다. 플라스틱 생물권은 새로운 먹이사슬을 형성하여 잔류성유기오염물질 (POPs: Persistent Organic Pollutants) 보다 더 긴 시간 동안 환경과 인간에게 위협이 될 수 있다. 최근의 연구들을 정리하여 문제점을 명확하게 하고자 한다.

[플라스틱 오염]

버려진 어망에 걸리거나 플라스틱 쓰레기가 뱃속에 가득 차서 죽은 해양 동물과 바닷새들의 영상을 흔히 본다. 해양 쓰레기의 46%를 차지하는 어망과 낚시 장비는 대부분 내구성과 유연성이 높은 플라스틱이므로 물의 흐름에 따라 움직이면서 해양 생물과 해양 서식지를 위협하고 있다 (3). 캐나다 세계동물보호는 매년 64만톤의 어망이 손실되어 매년 10만마리 이상의 고래와 해양 동물들이 죽는 피해가 600년 동안 계속 일어날 것이라고 발표했다 (4). 이보다 더 많은 양의 플라스틱 쓰레기가 매년 육지에서 하천과 강을 통해 해양으로 유입된다. 우리나라 해양에서 과거 5년간 수거된 32.6만톤의 쓰레기 중에 67%가 육지에서 유입되었고, 많은 해안 쓰레기의 종류가 플라스틱 (57%)과 스티로폼 (14%)이다 (3). 이전 연구 (2)에 따르면, 전세계에서 잘못 관리한 폐플라스틱이 2015년에 60 ~ 99 Mt y-1 발생하였고 2060년에 3배 증가하여 155 ~ 265 Mt y-1 에 이르게 되며, 대부분 (91%)은 하천과 강을 통해 해양으로 유입된다. 특히 인구밀집도가 높은 개발도상국들의 해안에 일회용 플라스틱병과 비닐, 스티로폼과 같이 비중이 낮은 플라스틱 쓰레기들이 쌓여 있고, 이들이 전세계 해안과 극지까지 밀려들고 있다. 플라스틱을 주로 생산하는 선진국가들과 해양 플라스틱 쓰레기가 주로 발생하는 개발도상국들의 불균형으로 폐플라스틱 회수처리에 대한 비용과 책임이 명확하지 않아 효율적인 대책을 마련하기는 어려운 상태이다. 많은 연구들은 자연계에서 플라스틱의 분해는 물리화학적 반응과 생물학적 작용에 의해 수십 년 또는 수백 년에 걸쳐서 느리게 일어난다고 강조하고 있다 (5). POPs와 마찬가지로 인공적으로 합성된 플라스틱 고분자화합물은 자연계에서 미생물에 의해 완전히 분해되기 어렵다. 일상생활과 건축물 등에서 버려진 주요 플라스틱 종류들인 나이론 (PA), 폴리스티렌 (PS), 폴리염화비닐 (PVC), 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP) 고분자화합물들을 세포 바깥에서 분해하는 효소를 아직까지 찾지도 못하였다. 오래된 플라스틱이 물리화학적 반응으로 미세화되어 분자량이 500 이하로 줄어 세포 안으로 들어가더라도 수용성 나이론 올리고머의 아미드 결합을 가수분해하는 효소 (6)를 제외하고, 다른 플라스틱 올리고머들의 탄소(sp3)-탄소(sp3) 결합을 분해하는 효소들이 밝혀지지 않았다. 생분해가 되지 않은 플라스틱은 다이옥신 (7)을 포함한 어떤 POPs보다 더 오랜 시간 동안 환경과 인간의 몸에 잔류할 수 있다. Geyer 등은 재활용 (7%), 소각 (12%), 매립 (79%) 순으로 폐플라스틱을 처리 및 관리하고 있는 현재의 방식이 개선되지 않을 경우에 생태계에 매립되는 플라스틱 손실은 2050년에 120억톤에 이를 것으로 예상하였다 (8). 전세계 석유 자원 부족과 이산화탄소 배출 규제로 인하여 바이오 플라스틱 생산이 증가하고 있다. Nova 연구소의 보고서 (10)에 따르면, 2021년에 전세계에서 생산한 바이오 플라스틱 2.4 Mt 중에 절반 가량이 포장에 사용되었고, 생분해가능한 PBAT (polybutylene adipate terephthalate), PLA (polylactic acid), PBS (polybutylene succinate) 등은 64% (1.5 Mt) 이고 나머지 34% (0.8 Mt)는 바이오 기반에 포함된 생분해가 안되는 PET (polyethylene terephthalate), PA, PE, PP 등으로 전세계 바이오 플라스틱 생산능력은 2026년에 7.5 Mt으로 3배이상 증가할 것이다 (9). UN의 지속 가능한 성장목표와 EC의 순환경제 전략 (10)에 따르면, 지속적인 바이오 플라스틱 생산은 생분해가 안되는 폐플라스틱을 회수하여 수명이 다할 때까지 재활용하는 복잡하고 새로운 기술과 방법들을 개발하는 문제들이 남아 있다. 폐플라스틱에 의한 환경 오염과 자원 손실을 줄이기 위해서는 생분해 가능한 플라스틱과 같은 지속 가능한 대체물 개발과 함께 폐플라스틱을 안전하게 회수하여 효율적으로 재활용하는 기술과 방법을 개발하는데 많은 노력이 필요하다.

[미세플라스틱 먹이사슬]

플라스틱이 물리화학적-생물학적으로 분해되어 다양한 크기의 미세플라스틱들이 만들어진다. 또한 샴푸, 계면활성제, 화장품, 페인트 등에 포함된 미세플라스틱이 토양과 물뿐만 아니라 공기를 통해 에베레스트산과 극지 빙하까지 오염되었다 (11, 12). 다양한 형태와 밀도 (0.8 ~ 1.4 g/cm3)를 지닌 미세플라스틱에 형성된 생물막은 부유하거나 침전한다 (13). 생물막에는 PHB (polyhydroxybutyrate), PCL (polycaprolactone), PET등을 가수분해하는 효소들의 상동유전자들을 지닌 다양한 미생물 종들이 존재할 수 있다 (14, 15). 그러나 플라스틱 쓰레기의 절반 이상을 차지하는 탄소-탄소 뼈대를 지닌 플라스틱 (PE, PP, PS, PVC)을 분해하는 효소는 알지 못하며, 이러한 플라스틱에 생물막을 형성하는 미생물들이 어떤 기능과 역할은 하는지는 아직도 의문이다. 물에 녹지 않은 미세플라스틱은 생물막에 의해 다양한 표면 변화가 일어나게 되고 크기가 작을수록 다른 계면에 흡착되거나 다른 독성물질 (POPs)을 흡착하는 면적이 증가하여 환경에 오래 잔류할 수 있다. 미세플라스틱에 형성된 생물막은 생물에게 섭취되어 다양한 미생물과 농축된 환경오염물질을 다른 동물과 인간에게 전달되는 새로운 먹이사슬을 형성하게 된다. 최근 연구에서 많은 생선 (71.3 ± 1.2%)이 미세플라스틱에 오염되었고, 심지어 생선 1 kg 당 123.9 ± 16.5 개의 미세플라스틱 – 대부분 PE가 검출되었다 (16). 이는 생선을 섭취한 사람에게 직접 노출되어 오염될 수 있다. 과학자들은 이미 10년전에 700 여종의 어류, 조류, 거북이, 고래 등이 해양 플라스틱 쓰레기에 엉키고 이를 섭취하고 있다고 보고하였고 (17), 2050년 무렵에는 대부분의 바닷새가 플라스틱을 섭취하는 위협을 받게 될 것이라고 예측하였다 (18). 그보다 더 장기적으로 발생할 미세플라스틱의 노출과 위험도는 추적하고 검사하기 어려우므로, 플라스틱 오염을 줄이는 노력과 함께 음식물 오염을 줄이는 지속적인 감시와 개선 노력이 필요하다.

[참고문헌]

  1. Plastics Europe, Plastics—the facts 2021. An analysis of European plastics production, demand and waste data. (2021).
  2. Lebreton, L., Andrady, A., Future scenarios of global plastic waste generation and disposal. Palgrave Commun. 5(1), 6 (2019).
  3. KMI 해양수산해외산업정보포털, 버려진 어구, 전체 해양 플라스틱 쓰레기의 46% 차지 (2018)
  4. World Animal Protection, The ghostly 600-year-old predators killing more than one hundred thousand whales, dolphins, seals and turtles every year (2017).
  5. Geyer, R.; Jambeck, J.R.; Law, K.L., Production, use, and fate of all plastics ever made. Sci. Adv. 3, e1700782 (2017).
  6. Negoro, S., Shibata, N., Lee, Y.H., et al., Structural basis of the correct subunit assembly, aggregation, and intracellular degradation of nylon hydrolase. Sci Rep. 8, 9725 (2018).
  7. Bunge, M., Lechner, U., Anaerobic reductive dehalogenation of polychlorinated dioxins. Appl Microbiol Biotechnol. 84, 429–444 (2009).
  8. Glaser, J. A., Biological degradation of polymers in the environment, in: Gomiero, A. (ed.), Plastics in the Environment. IntechOpen, London (2019).
  9. European Bioplastics, Global bioplastics production will more than triple within the next five years (2021).
  10. European Commission, COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE EUROPEAN PARLIAMENT, THE COUNCIL, THE EUROPEAN ECONOMIC AND SOCIAL COMMITTEE AND THE COMMITTEE OF THE REGIONS: A European Strategy for Plastics in a Circular Economy (2018).
  11. Napper, I.E.; Davies, B.F.; Clifford, H.; Elvin, S.; Koldewey, H.J.; Mayewski, P.A.; Miner, K.R.; Potocki, M.; Elmore, A.C.; Gajurel, A.P., Reaching new heights in plastic pollution—preliminary findings of microplastics on Mount Everest. One Earth. 3, 621–630 (2020).
  12. Stefánsson, H.; Peternell, M.; Konrad-Schmolke, M.; Hannesdóttir, H.; Ásbjörnsson, E.J.; Sturkell, E., Microplastics in Glaciers: First Results from the Vatnajökull Ice Cap. Sustainability. 13, 4183 (2021).
  13. Miao, L.; Gao, Y.; Adyel, T.M.; Huo, Z.; Liu, Z.; Wu, J.; Hou, J., Effects of biofilm colonization on the sinking of microplastics in three freshwater environments. J. Hazard. Mater. 413, 125370 (2021).
  14. Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., Toyohara, K., Miyamoto, K., Kimura, Y., Oda, K., A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science. 351(6278):1196-1199 (2016).
  15. Gambarini, V., Pantos, O., Kingsbury, J. M., Weaver, L., Handley, K. M., Lear, G., Phylogenetic distribution of plastic-degrading microorganisms. mSystems. 6(1), e01112-20 (2021).
  16. Thiele, C. J., Hudson, M. D., Russell, A. E., Saluveer, M., Sidaoui-Haddad, G., Microplastics in fish and fishmeal: an emerging environmental challenge? Sci Rep. 11(1), 2045 (2021).
  17. The Secretariat of the Convention on Biological Diversity UNEP, Impacts of Marine Debris on Biodiversity: Current Status and Potential Solutions, CBD Technical Series No. 67 (2012).
  18. Wilcox, C., Van Sebille, E., & Hardesty, B. D., Threat of plastic pollution to seabirds is global, pervasive, and increasing. Proc Natl Acad Sci USA, 112(38), 11899–11904 (2015).