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  • 제 365회 세미나: 미세플라스틱이 토양의 생물리 환경에 미치는 영향

  • 20.04.22
    조회수 57
첨부파일

김여훈
(사)동아시아바다공동체 오션 연구원
yhkim@osean.net




 미세플라스틱의 유형과 농도가 토양의 미생물 활동과 물리적 구조에 미치는 영향 실험



제 365회 오션 정기 세미나에서는 우리 주위에서 흔하게 볼 수 있는 네 가지 미세 플라스틱을 이용하여 유형과 농도에 따라 토양의 미생물 활동과 물리적 구조에 미치는 영향을 실험한 논문을 소개하였다.


원문
Anderson Abel de Souza Machado, Chung Wai Lau, Jennifer Till, Werner Kloas, Anika Lehmann, Roland Becker, Matthias C. Rillig, 2018, Impacts of Microplastics on the Soil Biophysical Environment, Environ. Sci. Technol., 52(17):9656-9665,
https://doi.org/10.1021/acs.est.8b02212

 

요약문
토양의 미세플라스틱 오염에 대한 보고가 증가하고 있으나, 미세플라스틱 오염이 토양의 어떤 특성에 영향을 미치는 지에 대한 정보는 부족한 실정이다. 이 연구는 미세플라스틱이 토양과 물의 관계뿐만 아니라 토양의 구조 및 미생물의 기능까지 교란시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이들은 5주간의 정원 실험에서 양질 사토를 4가지 미세 플라스틱 유형(폴리아크릴 섬유, 폴리아미드 구슬, 폴리에스터 섬유, 폴리에틸렌 조각)의 설정 농도에 노출시켜 밀도, 보수력, 투수계수, 토양 입단화 그리고 미생물의 활동을 측정하였다. 미세 플라스틱은 밀도와 보수력, 그리고 미생물의 활동과 내수성 입단의 기능 관계에 영향을 미쳤다. 이 연구는 미세플라스틱의 토양 내 영향 평가를 위해서는 유형과 농도를 충분히 고려해야 하며, 장기적으로 미세 플라스틱이 육상 생태계의 인공적 스트레스 요인이자 전지구적 변화의 동력이 될 수 있음을 시사하고 있다.


소개
토양은 탄소 제거, 생지화학 순환과 생물다양성 증진에 관여하고 이 과정에서 토양 미생물의 활동은 매우 중요하다. 미생물의 활동은 그들이 노출된 토양의 생물리적 특성(서식환경, 토양구조와 수문학적 특성 등)과 밀접한 관련이 있으나 미세플라스틱 오염에 의한 이러한 특성 변화 연구는 미비한 실정이다. 미세플라스틱의 비자연적 특성 및 지속성은 환경변화 요인이 될 수 있기 때문에 미세플라스틱 오염이 토양 입자와 생물 간 관계에 어떠한 영향을 미치는지 조사가 필요하며, 이 연구에서는 토양의 건강도와 기능을 나타내는 대리지표(proxy)를 사용하여 미세플라스틱이 토양의 물리적 인자와 구조 그리고 미생물 기능에 미치는 영향을 보고하였다.


연구 방법
토양의 입단화 수준 변화를 측정하기 위해서 630 μm 체로 체질하여 630 μm 이하의 토양 입자만 실험에 사용하였다. 형태(선형/비선형)로써 유형을 구분한 4가지 미세플라스틱-폴리아크릴 섬유, 폴리아미드 구슬, 폴리에스터 섬유, 폴리에틸렌 조각-을 각각의 설정 농도에 따라 실험 토양에 첨가하였다. 이후 평균 입도와 폴리머 밀도를 토대로 미세플라스틱 입자수와 표면적 그리고 체적을 추산하였다. 실험 토양은 미리 무게를 잰 검은색 폴리플로필렌 화분에 담아 정원 내에서 무작위로 선정된 위치에 부분적으로 묻었다. 모든 시료의 표면은 풀로 덮어주고 5주 후 표면에 보이는 생물과 발아한 씨를 제거한 뒤, 실험토양 표면의 미생물 활동을 측정하였다. 또한 토양의 수문학적, 구조적 특성 분석을 위해서 투수계수와 겉보기 밀도, 내수성 입단화 등을 분석하였다. 자료의 통계처리에는 R version 3.4.4.를 이용하였다.


결과 및 토의
5주간의 정원 실험이 끝난 뒤, 현미경으로 실험토양을 관찰하였다. 폴리에틸렌 조각은 토양 입자와의 결합이 매우 느슨했고, 선형인 폴리아크릴과 폴리에스터 섬유는 토양 입자와 효과적으로 결합하여 흙덩어리의 뼈대를 이루고 있었다. 폴리아미드 구슬은 현미경 아래에서 토양 입자와 구분이 매우 어려웠다. 이처럼 크기가 매우 작은 미세플라스틱은 효과적인 추출하지 못하면 시각적인 방법에 의존하는 미세플라스틱 정성-정량적인 영향 평가에 큰 영향을 미칠 수 있다. 4가지 미세플라스틱 모두 토양의 겉보기 밀도에 영향을 미쳤다. 이는 플라스틱이 토양에 존재하는 자연적인 물질보다 대부분 밀도가 작기 때문이다. 그러나 폴리아크릴 섬유와 폴리에틸렌 파편은 폴리에스터 섬유보다 밀도가 작음에도 불구하고 뚜렷한 감소 경향이 관찰되지 않았고, 폴리에스터 섬유는 농도가 증가할수록 겉보기 밀도가 낮아지는 경향이 나타났다. 결국, 미세플라스틱의 유형에 따라 토양의 공극과 입자의 상호관계에 미치는 영향이 달라지는 것으로 보인다. 폴리에스터 섬유는 토양의 보수력에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 토양의 투수력은 뚜렷한 변화가 나타나지 않았다. 토양의 안정도를 보여주는 내수성 입단화의 경우, 폴리에스터 섬유 농도가 증가함에 따라 내수성 입단화가 크게 감소하였다. 이처럼 실험 후 폴리에스터 섬유가 다른 미세플라스틱과 다르게 뚜렷한 토양의 생물리 특성 변화를 보여주는 이유는 선형 구조 때문으로 판단된다.토양의 생물리적 특성 변화를 살펴봤을 때 흥미로운 점은 미세플라스틱 오염에 대한 반응에서 비단조성이 나타난다는 것이다. 이 연구에서 비단조성이란 높은 농도의 다른 미세플라스틱보다 낮은 농도의 특정 미세플라스틱이 오히려 큰 영향을 미치는 것을 말한다. 이러한 비단조성이 나타나는 이유는 다양한 미세플라스틱을 실험 토양에 첨가하면서 토양의 물질, 입자 유형 그리고 입자 수가 동시적으로 변화하기 때문이다. 결국 다양한 인자들이 토양의 다양한 작용에 영향을 미치고 이들의 상호작용이 비단조성을 만들어내는 것으로 생각된다. 앞에서 보고된 토양의 특성 변화는 미생물 활동과 관련이 있다. 미세플라스틱 유형별 농도에 따른 미생물 활동은 뚜렷한 변화가 나타나지 않았으나 폴리에틸렌 파편에 노출된 토양의 경우, 미생물 활동과 토양 집적 간의 연관성이 비교적 증가하였다. 이 연구에서 사용된 미생물 활동 지수는 전체 미생물 군집의 대사율을 측정한 것으로 이러한 미생물 활동 변화는 군집 변화를 반영하거나 유기물질 분해 과정의 변화를 반영하는 것으로 생각된다.


토론
이 논문은 흔히 사용되는 4가지 미세플라스틱(폴리아크릴 섬유, 폴리아미드 구슬, 폴리에스터 섬유, 폴리에틸렌 조각)을 이용한 정원 실험을 통해 미세플라스틱이 토양 구조를 물리적으로 변화시키고 결국 물과 토양의 상호 작용과 미생물 기능에까지 영향을 미침을 보여주고 있다. 통계 결과에서는 미세플라스틱 유형별 농도에 따른 뚜렷한 변화나 요인 간의 상관관계가 나타나지 않았지만 이것이 토양의 생물리적 특성에 영향을 미치는 특정 유형의 미세플라스틱과 각 요인들의 상호작용으로 인한 비단조성의 결과임을 시사하는 부분은 흥미롭다. 다소 짧은 실험 기간으로 미세플라스틱에서 용출된 독성 물질의 영향 평가 미실행과 양질 사토만을 사용한 부분이 아쉽지만, 추후 다른 유형의 플라스틱과 토양 종류로까지 연구를 확장했을 때 결과가 기대되는 논문이다.


세미나 동영상 링크
https://youtu.be/HpVXzH-dIWw

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