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  • 제324회 세미나: 한국 연안에서 부유하는 미세플라스틱의 수평, 수직적 분포

  • 19.04.23
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2019년 4월 13

()동아시아바다공동체 오션 이종수

leesavannah@hanmail.net


한국 연안에서 부유하는 미세플라스틱의 수평수직적 분포



이 논문은 제324회 오션 정기세미나에서 공부한 것으로 한국 연안지역의 해수를 표층, 중층과 하부에서 수집한 후 미세플라스틱 농도와 조성을 밝힌 연구를 다루고 있다.


원문

Young Kyoung Song, Sang Hee Hong, Soeun Eo, Mi Jang, Gi Myung Han, Atsuhiko Isobe, and Won Joon Shim, 2018. Horizontal and Vertical Distribution of Microplastics in Korean Coastal Waters, Environ. Sci. & Technol. 52: 12188-12197


요약

이 연구는 한국 여섯 개 만과 두 개의 연안 지역에서 표층, 중층과 하부의 해수를 수집한 후 미세플라스틱의 농도와 조성을 밝힌 첫 번째 연구이다. 전체 41개 정점에서 수집한 미세플라스틱의 평균 농도는 871 개/㎥였고 도심지역 연안 해수에서의 농도 (1051 개/㎥)는 시골지역 농도 (560 개/㎥)보다 유의하게 높았다. 중층 (423 개/㎥)과 하부의 농도 (394 개/㎥)는 표층의 농도 (1736 개/㎥)보다 다섯 배 정도 낮았다. 미세플라스틱의 평균 크기는 플라스틱 조각이 197 ㎛, 섬유질이 752 개/㎥이었다. 폴리머의 조성은 플라스틱 입자의 크기와 밀도에 따라 깊이별로 달랐지만 전체 해수에서 PE와 PP가 가장 많았다. 중층과 하부의 미세플라스틱의 양은 물리적인 해수의 혼합에 기반한 모델에 의해 예측된 양보다 많았다. 이는 생물학적인 상호작용이 밀도가 낮은 미세플라스틱의 하부 이동에 영향을 미침을 의미한다.


주요 내용


서론

미세플라스틱은 입자의 밀도, 형태 뿐만 아니라 환경적인 요인에 의해 해수의 표층에서 하부로 수직적인 움직임을 보인다. 여기에는 동물성 플랑크톤의 섭취와 배출과 같은 요인도 작용한다. 따라서 수중의 양을 알지 못하면서 미세플라스틱의 양을 추정하는 것은 어려운 일이다. 표층의 농도만으로 전체의 양을 추정하면 과소평가할 가능성이 있으며 표층의 농도로 수중의 농도를 외삽하는 것은 과대평가할 가능성이 있다.


특히 연안 지역 표층은 생물체가 많이 살고 이들이 미세플라스틱과 만나 상호 작용할 가능성이 많다. 따라서 연안에서의 미세플라스틱 분포와 동향을 알아내는 것은 중요한 일이다. 하지만 이곳에서의 미세플라스틱의 분포에 관한 연구는 미비한 상태이다. 미세플라스틱연구에서 한 가지 중요한 점은 시료 채취에 메쉬 크기가 300-350 ㎛인 만타트롤이 자주 쓰이는데 이는 더 작은 입자들을 수집할 없기 때문에 적합하지 않다. 우리의 이전 연구에서 <300㎛ 입자들이 미세플라스틱 (<5mm)의 90% 이상을 차지하였다. 따라서 더 작은 메쉬 크기의 망으로 시료를 채취하는 것이 필요하다. 이 연구는 한국의 연안에서 20㎛ 이상 미세플라스틱의 입자를 채취하여 농도, 폴리머 조성, 크기 분포를 밝히는 것에 목적을 두고 있다. 이 연구의 가설은 다음과 같다.


1) 도심 지역 연안에서의 농도가 시골 지역 연안에서의 농도보다 높다.

2) 농도, 폴리머 조성, 크기 분포는 수심별로 다르다.

3) 미세플라스틱의 수직적인 분포는 생물학적 간섭으로 물리적인 혼합만으로 완전히 예측될 수 없다.


방법

1. 시료 채취

- 기간: 2016년 7월, 8월. 2017년 7월, 8월

- 장소: 도심 연안 – 인천, 광양, 부산, 울산, 영일만

           시골 연안 – 천수만, 함평, 득량만

- 시료 채취 깊이: 세 부분(표층(<20cm), 중층(3-27m), 기저부(5-58m))에서 100L의 해수를 벌크시료 채취 방법으로 채취. 표층은 표면 미세층(surface microlayer)에서도 스테인레스 특수망으로 시료를 채취. 부산을 제외한 각 지점에서 5개의 정점을 선정하여 시료를 채취하였고 부산에서는 6개의 정점에서 시료를 채취. 깊이를 고려하면 41개의 정점에서 123개의 시료가 채취됨.

- 시료 분석: 필터로 거르기, 유기물 소화 등의 전처리를 거쳐 현미경과 적외선분광현미경으로 개수와 성분 분석


2. 수직 분포 파악

표층, 중층과 기저부의 미세플라스틱 수를 파악하기 위해 다음의 식을 사용.

z=0 일 때, N=0.


3. 조사 면적에 해당하는 수층에 함유된 미세플라스틱의 수 추정

Ms_total = Atotal x 0.2 x Ms_aver x 106,

Mc_total = Atotal X (Ds_aver – 0.2) x Mc_aver X 106

(Ms_total: 조사된 면적 전체 표층에서의 미세플라스틱의 수, Atotal: 조사 면적, Ms_aver: 표층 평균 농도

Mc_total : 조사된 면적 전체 중증, 기저부에서의 미세플라스틱의 수, Atotal: 조사 면적, Mc_aver: 중층과 기저부 평균 농도


결과

미세플라스틱의 전체 평균은(N=123) 871±979 개/㎥이었고 도심 연안의 평균은 1051±571 개/㎥으로서 시골 연안 평균인 560±184 개/㎥보다 유의미하게 높았다. 또한 연안 유역의 인구와 표층 농도와는 상관관계가 높았다.

표층의 농도는 1736±1179 개/㎥로서 중층(423±342 개/㎥)과 기저부(394±443 개/㎥의 농도보다 네 배가량 높았다.


조사된 8개의 연안 2007㎢의 해수에 떠 있는 미세플라스틱(0.02-5mm)의 수는 13조 개로 추정되었다. 전 세계 해양에 떠 있는 플라스틱의 수를 추정한 에릭슨 등(2014)의 결과와 비교하기 위해 비슷한 크기 범위(0.33-4.75mm)의 수만 고려하면 에릭슨 등의 연구에서는 약 5조 개가, 이번 연구에서는 조사된 연안에서만 약 2조 개의 미세플라스틱이 떠 있는 것으로 추정되었다.


크기별 분포는 비섬유질과 섬유질로 나누어 비교하였다. 비섬유질의 평균 크기는 197±168㎛이었고, 섬유질의 평균 크기는 752±711㎛이었다. 또한 비섬유질의 경우 <300㎛인 미세플라스틱의 비율이 86%인 반면 섬유질의 경우 30%이었다. 섬유질의 경우는 1000-2000㎛인 미세플라스틱이 가장 높은 비율을 차지하였다. 유형별 가장 높은 비율을 차지한 것은 플라스틱 조각으로 81%였으며 다음으로는 섬유질로 18%를 차지하였다. 깊이에 따른 플라스틱의 유형별 조성비는 비슷하였다.


폴리머별 조성을 살펴보면 비섬유질 미세플라스틱에서는 폴리프로필렌이 가장 많아 41±17%를 차지하였고, 다음으로 많이 발견된 것은 폴리에틸렌(21±15%), 에틸렌-비닐 아세테이트(19±20%)이었다. 더군다나 저밀도 폴리머는 수층 전체에서 발견되었다.


섬유질 미세플라스틱에서는 폴리프로필렌이 전 지역과 전 수층에서 발견되었고 92±10%를 차지하여 가장 많이 발견된 폴리머였으며 다음으로는 폴리에스테르로 4.7±7.7%를 차지하였다.

123개 시료의 결과를 주성분분석으로 살펴본 결과 제1주성분이 38.9%, 제2주성분이 29.0%를 설명하는 것으로 나타났다. 시골 연안 미세플라스틱과 도심연안의 미세플라스틱은 다른위치에 모였으며 이를 크기별로 나타낸 그래프와 연관지어 살펴보면 작은 크기(20-100㎛)의 미세플라스틱은 도심 연안에, 큰 크기(300-500㎛, >500㎛)의 미세플라스틱은 시골 연안에서에 많은 것으로 나타났다. 하지만 중간 크기(100-300㎛)의 미세플라스틱 두 지역에서 공통적으로 우세하였다.


크기와 깊이별 분포를 살펴보기 위해 네 가지 폴리머를 주성분 분석 자료로 사용하였다. 제1주성분과 제2주성분은 각각 35.4%, 32.6%를 설명하였으며, 크기 분포를 폴리머 분포와 연관지어 살펴보면 <100㎛인 미세플라스틱은 중층이나 기저부의 고밀도 폴리머로 구성되어 있으며, >100㎛인 미세플라스틱은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌으로 구성되어 있으며 깊이별로는 분화되지 않는 것으로 나타났다. 이 결과 고밀도 폴리머는 중층과 기저부에, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌은 깊이별로 고루 분포하는 것으로 볼 수 있다.


미세플라스틱의 수중 분포를 살펴보기 위해 입자를 <0.3mm, 0.3-0.5mm, >0.5mm으로 나누었고 바람의 세기를 3m/s로 나누었다. 측정한 농도로 깊이별, 입자 크기별 수직 분포를 바람의 세기에 따라 그래프로 그려보면 바람이 3m/s보다 셀 때 입자가 3m이하 깊이까지 분포하는 것을 알 수 있다. 또한 작은 입자들이 낮은 부력 때문에 더 깊은 곳까지 분포하였다(보충자료 그림 S3 참조). 길이가 깊어지면서 농도가 감소하는 패턴은 입자크기나 바람의 세기에 상관없이 비슷하였다. 물리적 혼합 모델을 이용하여 입자의 분포를 알아보기 위해 표면(깊이=0)에서의 농도를 1로 표준화하고 바람의 세기(3m/s보다 셀 때와 약할 때), 파고(0.5m, 1m, 1.5m), 입자 크기별로 나누어 모델식을 이용하여 입자의 분포를 그래프로 나타내었다(본문 그림 3 참조). 결과적으로 바람의 세기가 셀 때, 입자의 크기가 작을 때, 파고가 높을 때 입자는 더 깊이 이동하였으며 이 모델식의 그래프는 깊이 5m까지만 실측치를 반영하였다.


위와 같은 결과는 도심 지역이 시골지역보다 연안으로 더 많은 미세플라스틱을 배출시킨다는 가정을 지지하고 있으며 연안 지역이 생물학적 활동과 생산성이 높기 때문에 이 지역의 미세플라스틱에 대한 연구가 더욱 필요하다는 것을 암시해 준다. 미세플라스틱의 농도는 표층이 수중(중층과 기저부)보다 네 배 정도 높았고 수중의 농도도 다른 지역의 표층보다 높았다. 표층과 수중의 미세플라스틱 총 개수는 표층보다 중층에서 2-58배 많았다. 이는 생물학적 활동이 활발한 수중에 많은 미세플라스틱이 함유되어 있다는 것을 의미하며 이에 대한 이유로는 생물학적 오염(biofouling), 섭취 후 배출과 같은 생물학적 활동, 바닥에 침적된 미세플라스틱의 재부유 등으로 인한 미세플라스틱의 수직적 혼합 등을 들 수 있다. 따라서 미세플라스틱의 연구는 과소평가나 과대평가를 피하기 위해 표층수에 제한할 것이 아니라 수중으로 확대되어야 한다.


미세플라스틱 연구에서 시료 채취시 사용하는 메쉬 크기 역시 정확한 오염도 평가에 중요한 요소이다. 20㎛ 메쉬 크기의 망을 사용한 이 연구에서 비섬유질의 86%는 300㎛보다 작았다. 이 연구에서 비섬유질이 차지하는 비율(81%)을 고려하면 만타 넷을 사용했을 경우 미세플라스틱의 14%만이 수집되었을 것이다. 많은 연구들이 <300㎛인 메쉬 크기의 망을 사용할 것을 강조하는 만큼 이는 미세플라스틱의 연구에서 고려해야할 중요한 요소이다.


토론

이 연구는 연안 지역 해수에서 미세플라스틱의 수직적 분포를 자세히 밝힌 선구적인 논문이다.

입자크기별, 폴리머 종류별 수직적 분포를 바람의 영향을 고려하면서 기술하고 있어 환경에 따른 미세플라스틱의 분포를 이해하는데 큰 도움을 주었다.

이전의 연구보다 훨씬 많은 해양 미세플라스틱 보유량을 제시하여 여기에 대한 심층 연구가 필요해 보인다.


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