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  • 제301회 세미나: 풍력발전지역의 미세플라스틱- 황해 루동 풍력발전지역의 사례 연구

  • 18.08.20
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풍력발전지역의 미세플라스틱- 황해 루동 풍력발전지역의 사례 연구

 

 

박신영

(사)동아시아바다공동체오션 연구원

psy92korea@gmail.com

 

2018년 8월 14일, 오션의 제301회 정기 세미나에서는 '풍력발전지역의 미세플라스틱- 황해 루동 풍력발전지역의 사례 연구'에 대한 논문을 다뤘다.

 

<원문>

Teng Wang, Xinqing Zou, Baojie Li, Yulong Yao, Jiasheng Li, Hejiu Hui, Wenwen Yu, Chenglong Wang. 2018. Microplastics in a wind farm area: A case study at the Rudong Offshore Wind Farm, Yellow Sea, China. Marine Pollution Bulletin. 128, 466-474.

 

<요약문 번역>

풍력 발전소의 신속한 건설에도 불구하고, 떠오르는 오염 물질, 특히 미세플라스틱과 관련하여 이러한 유형의 개발 위험에 관한 정보는 거의 없다. 이 연구에서 우리는 2016년 중국 황해 해상 풍력 발전소에서 미세플라스틱 오염 수준을 정량화했다. 미세플라스틱의 양은 표층수에서 0.330±0.278 items/m3이고, 퇴적물에서는 2.58±1.14 items/g이었다. 우리가 아는 한, 우리 연구 지역의 미세플라스틱 오염수준은 전 세계 해안 지역보다 약간 더 높았다. 표층수와 퇴적물에서 발견된 미세플라스틱은 주로 섬유였으며(각각 75.3%68.7%), 일부 입자와 필름으로 이루어져 있었다. 샘플의 미세플라스틱은 폐수 배출을 통해 의복 또는 로프에서 유래했을 수 있다. 풍력발전지역에서 채취한 표층수와 퇴적물 샘플의 플라스틱 함량은 풍력 발전소 밖에서 채취한 샘플에서보다 적었다. 인위발생적인 유체역학 영향은 미세플라스틱의 지역적인 분포에 영향을 미치는 주요 요인이다. 풍력 발전소의 존재는 썰물 때 저면 전단응력을 증가시키게 되는데, 이는 하상퇴적물을 방해하고, 침전과 이동을 용이하게 하고, 궁극적으로 퇴적물에 부착된 미세플라스틱을 씻어내게 된다. 이 연구는 유사한 해양 이용을 하는 연안 지역에서 미세플라스틱의 분포와 이동에 대한 추가 연구를 위한 참조 자료로 활용될 것이다.

 

<주요 내용>

1. 결과

1.1. 미세플라스틱의 풍도와 공간적 분포

표층수에서의 미세플라스틱 밀도(d<5mm)는 평균이 0.330±0.278 items/m3이었고, 0.117~0.506 items/m3범위였다. 이 양은 관찰된 총 플라스틱 항목의 약 92%를 차지했다. 퇴적물에서의 미세플라스틱 밀도(d<5mm)dry sample의 평균이 2.58±1.14 items/g(dry)(wet sample의 평균은 2.024±0.963 items/g)이었고, 1.190~4.920 items/g(dry)범위였다. 이 양은 관찰된 총 플라스틱 항목의 94%를 차지했다. 미세플라스틱 풍도는 표층수 샘플보다 퇴적물에서 더 많은 공간적 분산을 보였다.

 

WF I, WF II, OWF의 표층수와 퇴적물 표본의 미세플라스틱 농도는 크게 달랐다(Kruskal-Wallis test, 각각 P=0.0300.041). 표층수와 퇴적물의 평균 미세플라스틱 개수는 OWF에서 가장 높았으며 WF I에서 가장 낮았다. 통계 분석 결과 OWF(3.37±1.53 items/g(dry))에서 채취한 퇴적물 시료의 평균 미세플라스틱 개수는 WF II(2.86±0.70 items/g(dry); Mann-Whitney U test, P<0.05)WF I(1.35±0.28 items/g(dry), Mann-Whitney U test, P<0.05)에서보다 높았다. 따라서 풍력 발전소 내부에서 수집된 표층수와 퇴적물 시료에서의 플라스틱 존재량은 풍력 발전 지역 외부에서 채취된 샘플보다 적었다.

 

1.2. 연구 지역의 미세플라스틱 특성

연구 분야에서 채취한 표층수와 퇴적물 시료는 형태면에서 유사한 미세플라스틱 물질을 가지고 있다. 섬유가 표층수와 퇴적물 시료의 각각 75.4%68.7%를 차지하고 있으며, 그 다음으로 입자와 필름형이 뒤따랐다. 색상이 있거나 검은색 미세플라스틱은 표층수 샘플에서 플라스틱 제품의 대부분을 구성했으며, 투명과 백색 플라스틱 제품 아주 적었다. 반면, 투명한 색의 미세플라스틱은 퇴적물 시료에서 상당 부분을 차지했으며, 이 샘플은 흑색과 백색 플라스틱 품목의 비율이 더 낮았다. 흥미롭게도, 형광 보라색과 분홍색의 섬유형 미세플라스틱이 퇴적물 샘플에서 발견되었으며, 이들은 주로 셀로판으로 구성되었다. 관찰된 미세플라스틱 크기는 주로 0.05mm에서 5mm 범위였고, 표층수 샘플에서 미세플라스틱 입자의 크기는 퇴적물 샘플에서 관찰된 크기보다 컸다.

 

섬유형 플라스틱의 상당히 많은 부분이 WF I의 표층수 샘플에서 발견되었는데, 이는 다른 두 영역에서 발견된 것보다 높았다(평균값: 90.6%>76.4%, P=0.036, p<0.5). WF I의 표층수에서 큰 입자 크기(>1mm)를 갖는 플라스틱의 비율이 다른 두 영역보다 훨씬 높았다(평균값: 56.1%>41.3%, P=0.033, p<0.5). 퇴적물 샘플의 플라스틱 모양과 크기는 풍력 발전소의 내부와 외부 영역 사이에 명확한 차이를 보이지 않았다.

 

모든 샘플에서 플라스틱의 가장 일반적인 유형은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)이고 그 다음은 셀로판과 폴리에틸렌이었다. 또한, 일부 유형의 폴리프탈아미드, 폴리비닐 아세테이트 섬유, 폴리염화 비닐, 알킬화 수지, 직쇄형 저밀도 폴리에틸렌, 모노 멜리딘이 샘플에서 확인되었다. 현미경 분석 결과, 셀룰로오스 섬유와 탄산칼슘 펠릿이 주요 방해물이라는 것이 밝혀졌다.

 

1.3. 연구 지역의 수력학 및 지형학적 조건

풍력 발전소와 풍력 발전소 외부지역에서의 파랑과 해류의 상호작용에 의한 저면 전단응력(τcw)과 조수의 밀물과 썰물을 반영할 수 있는 수심을 그림 5에 제시했다. 본 연구 지역은 썰물에 의해 지배된다. 밀물 단계에서 풍력 발전소와 풍력 발전소 외부지역에서 저면 전단응력에 유의한 차이는 관찰되지 않았다(τcw(OWF)=0.1033N/m2, τcw(CS)=0.0995N/m2, P>0.05). 썰물 단계에서 풍력 발전소의 평균 전단 응력(0.2081N/m2, 0.0821-0.2835N/m2)은 풍력 발전소 외부지역(0.0875N/m2, 0.0183-0.2215N/m2, P=0.01, <0.05)에 비해 현저히 높았다. 또한 표고 변화(elevation changes)는 침식과 침적 조건을 반영할 수 있으며(Shi et al., 2017; Shi et al., 2012), 표고 변화에 기초하여 우리는 풍력 발전 단지가 바람과 파도의 영향으로 침식에 보다 취약하다는 결론을 내릴 수 있다.

 

1.4. 퇴적물의 물리적 특성

모래는 해상 풍력 발전 지역의 전체 퇴적물 입자 중에서 우세했고, 내용물의 큰 공간적 변화가 관찰되었다. 실트와 점토의 함량은 큰 공간적 차이를 보였다. 풍력 발전소 밖의 지역에서 퇴적물의 평균 미사(silt) 함량은 풍력 발전소 지역보다 높았다. 그러나 퇴적물의 유기 함량의 공간적 차이는 WF II에서 현장 S5에서의 것을 제외하고는 작았다(RSD = 28.92%). 퇴적물 수분 함량은 약 25%였다.

 

2. 토론

2.1. 연구 지역의 미세플라스틱 오염 수준

미세플라스틱은 본 연구지역에서 수집한 모든 샘플에서 발견되었다. 본 연구의 자료를 다른 문헌에서의 수치와 비교하는 것은 어려운데, 그 이유는 논문들이 서로 다른 방법과 다른 크기의 체를 사용하였기 때문이다. 이 연구에서 우리는 비교 목적을 위해 유사한 샘플링 방법과 하한선 체 크기를 기준으로 데이터를 수집하여 순서 차이의 일반적인 비교를 수행했다. 우리 연구 지역의 표층수에서 추정된 평균 미세플라스틱 풍도는 동중국해 외해에서 발견된 수준보다 거의 2배 더 높았다(Zhao et al., 2014). 그러나 표층수의 오염도는 발해보다 2배 정도 낮았다(Zhou, 2016). 양쯔강 하구, Jiaojiang 하구, Oujiang 하구, Minjiang 하구(동중국해와 연결)와 같이 중국의 하구 오염수준과 본 연구에서 표층수의 오염 수준을 비교한 결과, 본 연구의 결과가 4-5배 더 낮았다(Zhao et al., 2015; Zhao et al., 2014). 본 연구의 연구 영역에서 표층수의 미세플라스틱 오염 수준은 유럽의 연안 해역보다 약간 높았고(Cole et al., 2014; Collignon et al., 2012; Frias et al., 2014), 한국보다는 더 3배정도 낮았다(Song et al., 2014).

 

이 지역의 퇴적물 미세플라스틱 오염 수준은 캐나다의 핼리팩스 항구와 유사했고, 미국의 캘리포니아와 버지니아 해변, 벨기에 해안, 영국의 드래곤 베이, 아프리카의 모잠비크 해변, 심지어는 일본의 해변들보다 현저히 높았다(Browne et al., 2011; Cauwenberghe et al., 2013; Claessens et al., 2011; Endo et al., 2005). 또한 본 연구의 오염 수준은 한국의 해변과 남중국해 해안보다 낮았으며, 홍콩과 중국의 주해 해안과 같이 매우 도시화된 해안에서 검출된 수준보다는 현저히 낮았다(Lee et al., 2013; Qiongxuan et al., 2015; Zhao et al., 2015). 그러나 현재의 연구에서 퇴적물의 미세플라스틱 오염 수준은 중국 발해 연안보다 10배 정도 더 높았다(Yu et al., 2016; Zhou, 2016)(S2). 우리가 아는 한, 우리 연구 지역의 퇴적물에서의 미세플라스틱 오염은 전 세계 해안에서 발견된 평균 수준보다 약간 더 높았다.

 

2.2. 연구 지역의 미세플라스틱 특성

섬유는 연구 지역에서 채집된 표층수와 퇴적물 시료 모두에서 가장 많이 발견된 입자 형태 였고, 입자도 많이 발견되었다. 수집된 플라스틱의 가장 일반적인 화학 성분은 폴리에틸렌 테레프탈레이트이고, 그 다음은 셀로판과 폴리에틸렌 화학 섬유이다. 샘플에서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 셀로판은 주로 섬유의 형태로 존재하였다. 재료 측면에서 볼 때 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 폴리에스테르 사이에 뚜렷한 관계가 있다. 특히, 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 중요한 유형의 직물인 폴리에스테르 섬유로 방사되는 원료이다(Yang, 2017). 셀로판은 식품 포장재, 고무와 유리 섬유 제품 제조시 이형제(release agent)로 사용되는 유기 셀룰로오스계 중합체이다. 셀로판은 일부 환경 시료에서 검출되었지만(Castillo and Obbard, 2015; Cole et al., 2011, Li et al., 2016), 현재 연구에서 많이 발견된 이유는 불분명하다. 한편, 셀로판은 종종 코팅으로 사용된다(Yang et al., 2015). 많은 셀로판 미세 섬유가 연구 지역 근처의 지역 세탁기에서 배출된 폐수에서 발견되었다. 한편, 검출된 미세플라스틱의 결과나 명칭은 다른 유형의 분광기를 사용하여 얻은 기준 스펙트럼에 의해 영향을 받을 수 있다(Yang, 2017). 일부 셀로판 섬유는 다른 인조 섬유를 지칭할 수 있다.

 

그럼에도 불구하고, 의류나 로프 섬유는 본 연구에서 조사된 샘플에서 지배적인 미세플라스틱이었고, 이는 폐수 배출을 통한 의류에서 유래했을 수 있다. Browne et al. (2011)은 단일 합성 의류가 세척 당 1,900개 이상의 미세플라스틱 섬유를 방출할 수 있음을 보여주었다. 조석 활동에 따라 육지에서 바다로 여러 개의 강, 유출수, 배수구가 흘러 나오며(그림 1), 이 유출수는 하수나 쓰레기를 바다로 운반한다. WF I 지역은 해안에 더 가깝고 WF I의 수역에서 섬유 플라스틱의 비율이 다른 두 지역보다 훨씬 높았다. 또한, 일부 마이크로 섬유는 연구 지역의 빈번한 어획 활동에 사용된 로프 소재에서 유래했을 수 있다(Andrady, 2011; Zhao et al., 2014).

 

특히 섬유 형태의 미세플라스틱은 유기체에 심각한 해를 끼칠 수 있다. Benthic scavenger는 섬유형 미세플라스틱에 노출에 매우 민감하며, 소화기관 분석은 Nephrops norvegicus에서 나일론 섬유를 검출했다(Murray and Cowie, 2011). 게다가, Benthic holothurian(저서 해삼)은 미세플라스틱을 발견했을 때 섬유질 모양에 대한 선호를 보였다(Thompson et al., 2009). 미세 섬유는 매우 얇아서 미세종이나 많은 수의 생물체에 접근할 수 있다(Frias et al., 2010). 그것들은 소화관 폐쇄를 일으킬 수 있고 생물체 내의 다른 조직으로 옮겨져서 생체 축적을 일으킬 수 있다(Wright et al., 2013). 그러므로 저서 생물의 서식지인 퇴적물에서의 미세 섬유의 풍부성은 지역의 저서 생물에 영향을 미칠 수 있다.

 

2.3. 플라스틱의 공간적 특성과 수력학적 영향

미세플라스틱의 풍부함은 표층수와 퇴적물 시료 모두에서 큰 공간 변동성을 보여 주었지만 공간 분포는 두 가지 시료에서 일관되었다. 표층수와 퇴적물에서 평균 플라스틱 함량은 풍력 발전 단지 밖의 지역에서 가장 높았으며 WF I에서는 가장 낮았다. 미세플라스틱의 수준은 인위적 활동과 관련이 있다고 알려져 있다(Cole et al., 2011). 몇 개의 강물과 유출수가 이 지역으로 스며들고 강어귀는 해안선에 거의 균등하게 분포하지만 풍력 발전소 내부의 미세플라스틱은 풍력 발전 단지 외부에서보다 현저히 낮았다(그림 1). 따라서 수력학적 조건은 이 지역의 부유 플라스틱에 주요한 영향을 줄 수 있다(Cole et al., 2011; Fischer et al., 2016). 풍력 발전 기지의 존재는 조수의 밀물과 썰물동안 OWF 지역의 양 측면을 통해 플라스틱을 많이 함유하고 있는 해수가 통과 할 수 있게 한다. 따라서 풍력 발전소의 부유플라스틱은 OWF 지역보다 적게 존재한다.

 

플라스틱은 퇴적물의 안정성으로 인해 표층수보다 퇴적물에서 더 천천히 이동한다(Su et al., 2016). 이전 연구에 따르면(Cole et al., 2011; Mathalon and Hill, 2014; Wright et al., 2013), 플라스틱의 공간 분포는 근원지, 유체역학, 퇴적물 특성을 포함한 여러 요인에 의해 주로 영향을 받는다. 풍력 발전소 내부의 퇴적물에서의 플라스틱 함량은 OWF 지역보다 작았다. , 해안에 가까운 퇴적물에서의 미세플라스틱 함량은 본 연구에서 해안에서 떨어진 퇴적물에 비해 현저히 낮았다. 또한 WF I(6552.23±480.07m)OWF(7017.06±853.32m)의 위치는 근원지와 비슷한 거리에 위치한다(그림 12). 그러므로 근원지로부터의 거리가 지역의 공간 분포에 영향을 주는 주요인이 아닐 수도 있다.

 

해상 풍력 발전소 건설은 한 지역의 수력학적 특성을 변화시킬 수 있다. 일반적으로 연안 하구는 파도와 조류, 특히 갯벌의 얕은 수심 환경에 영향을 받는다. 갯벌과 파도의 영향은 저층 퇴적물의 침전과 이동에 중요한 영향을 미친다(Grant and Madsen, 1979). 따라서 전단 응력을 분석 할 때, 두 힘의 결합 효과를 고려해야한다. 풍력 발전 지역과 대조 지역 (OWF 갯벌)의 조수와 파도에 대한 위의 비교 연구에서, 우리는 OWF에서 조수와 파도의 상호작용을 통해 추정한 저면 전단응력(τcw)이 대조 지역에 비하여 썰물 단계에서 더 높았다. 더 큰 전단 응력은 보다 쉬운 퇴적물 침적과 이동에 관련이 있다(Larsen et al., 2009; Wilcock, 1988). 특히, 저층 퇴적물에 있는 플라스틱은 미세 입자에 부착되어 더 쉽게 운반되고 씻겨 나갔다.

 

다른 학자들도 풍력 발전 기둥 주위의 현장 효과를 탐구했고, 이것이 저면 전단응력에 영향을 준다는 것을 발견했다(Segtnan and Christakos, 2015). 첫째, 기둥 앞에 말발굽 모양의 와류가 형성된다. 다음으로, 기둥의 역류에 와류(Karman vortex street)가 나타나고, 풍력 발전기 양측의 유선은 수축한다(그림 S4)(Yang, 2010). 이러한 지역 유동 체제의 변화는 저면 전단응력을 증가시켜 퇴적물의 운반 능력을 증가시키고 퇴적물의 동적 환경을 변화시킨다. 퇴적물의 평균 입자 크기는 퇴적 환경의 평균 운동 에너지를 반영한다(McLaren and Bowles, 1985; Wang et al., 2004). 강한 유체동력은 미세 입자를 줄임으로써 퇴적물 입자를 거칠게 만든다. 미세플라스틱 농도는 퇴적물의 평균 크기(R=0.622*, N=12)와 음의 상관관계가 있었다(그림 7). 다시 한 번 이 상관관계를 통해 유사한 인위적 교란을 겪은 조간대 지역에서 미세플라스틱의 분포와 이동에서 유체역학 효과의 역할을 확인했다. 앞으로 이 유형의 조간대에서 미세플라스틱의 분포와 이동의 기본 메카니즘을 탐구 할 것이다.

 

3. 결론

이 연구는 루동 풍력 발전 지역의 표층수와 퇴적물에 있는 여러 형태의 미세플라스틱을 확인했다. 미세플라스틱 풍도는 표층수에서는 0.330±0.278 items/m3이었고, 퇴적물에서는 2.698±1.284 items/g(dry)이었다. 우리 연구 지역의 미세플라스틱 오염 수준은 전 세계 해안에서 발견된 것보다 약간 더 높았다. 표층수와 퇴적물에서의 미세플라스틱은 주로 섬유형(75.3%68.7%)이었고, 그 다음에 입자와 필름이었다. 샘플의 미세플라스틱은 폐수 배출을 통해 의복이나 로프에서 유래했을 수 있다. 관찰된 미세플라스틱의 대부분은 0.1mm에서 5mm 크기였다. 흥미롭게도 형광 분홍색 섬유질 미세플라스틱이 퇴적물 샘플에서 발견되었다. 풍력 발전 지역에서 수집된 표층수와 퇴적물 샘플의 플라스틱 함량은 풍력 발전소 외부에서 수집된 샘플의 플라스틱 함량보다 낮았다. 인간 활동의 영향을 받는 유체역학 효과는 지역의 미세플라스틱 분포에 영향을 미치는 주요 요인이다. 풍력 발전소의 존재는 저면 전단응력을 증가시켜 불안정성과 퇴적물 이동을 유발할 수 있으며, 이로 인해 퇴적물에 부착된 미세플라스틱을 더 쉽게 씻어 낼 수 있다. 이는 풍력 발전소에서 발견되는 미세플라스틱 풍도가 풍력 발전소 외부에서 보다 더 낮은 것을 설명한다. 비슷한 연안 지역에서 미세플라스틱의 분포와 이동을 담당하는 특정 메카니즘이 앞으로 탐구 될 것이다.

 

                                 
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