미세 플라스틱이 인체에 미치는 영향

서론

약 100여년 전인 1907년에 최초의 인공 플라스틱인 베이크라이트(Bakelite)가 합성된 이후로 다양한 플라스틱 제형이 개발되어 인류의 삶은 혁명적으로 바뀌게 되었다[27]. 플라스틱이 상업적으로 이용되기 시작한 것은 1930~1940년대이나 1950년대 들어 대량생산에 이르게 되었고 이후 플라스틱의 생산은 급속히 증가하였다.

Geyer 등에 의하면 1950년부터 2015년까지 약 83억 톤의 플라스틱이 생산되었고, 그 이후로 약 63억 톤이 생산된 것으로 추정되었다. 이 중 재사용된 플라스틱은 약 9%에 불과하였고, 12%는 소각되었으며 나머지 79%는 매립되거나 자연환경으로 유출되었다[31]. 연간 생산되는 플라스틱의 약 10%는 해양 환경으로 유출되는 것으로 추정된다.

해양으로 유출되는 플라스틱은 포장용 플라스틱, 그물, 자동차 타이어 등 다양하며 광분해, 파도와 모래에 의한 마모, 동물 또는 물과의 직접적 접촉에 의해 절단되어 크기에 따라 나노플라스틱(nanoplastic: 직경 0.1 μm 이하), 미세플라스틱(microplastic: 직경 0.1 μm~5 mm) 또는 대형플라스틱(macroplastic: 직경 5 mm 이상)을 생성한다.

해양을 비롯하여 자연환경으로 유출된 플라스틱은 약 100년 간 남아 있는 것으로 알려져 있어 플라스틱에 의한 환경 오염은 인간뿐 만 아니라 지구에 사는 모든 생명체에 큰 위협이 되고 있다. 특히 최근 들어 해양의 나노플라스틱과 미세플라스틱이 어류는 물론, 조개, 해조류, 두족류 등 거의 모든 해양 생명체에 영향을 끼치는 것으로 보고되고 있다.

따라서, 본 총설에서는 미세플라스틱의 해양 생명체에 미치는 영향에 관한 최근의 연구 동향과 인간에게의 노출 가능성 및 질병과의 관련성에 대해 논하고자 한다.

플라스틱의 해양 유출

현대사회에서 플라스틱은 포장재, 건축자재, 음료용기 등 일상생활에서 흔히 사용되는 가장 중요한 산업재들 중 하나이다. 2018년 기준으로 전 세계 플라스틱 생산량은 3억 5,900만 톤에 이르렀고 이 중 중국이 약 25%를 생산하였으며 유럽은 6,200만 톤을 생산하였다.

미국에서는 생산량이 1960년 39만 톤에서 2018년에는 3,568만 톤으로 약 91.5배 증가하였다. 이 중 75.6%는 매립되었고 재사용한 비율은 약 8.7%에 불과하였다[62]. 전 세계적으로 해양으로 유출되는 플라스틱의 양을 정확히 알기는 어려우나 연간 약 800만 톤의 플라스틱이 해양으로 유출되는 것으로 알려져 있다.

또한 지금의 추세로 판단할 때 2025년에는 해양의 플라스틱 양은 약 2배가 되어 2억 5,000만 톤에 이를 것으로 추정하고 있다[43]. 해양의 플라스틱은 75~90%가 육지에서 유래하며 그물, 양식장 등 해양 유래 플라스틱은 상대적으로 적어 약 10~25%로 추정되었다.

육지-기원의 플라스틱 유출은 주로 강을 통해 일어난다. 최근의 연구에 따르면 전 세계에서 연간 115만 톤에서 241만 톤의 플라스틱이 강을 통해 유출된다. 주목할 만한 점은 전 세계에서 플라스틱 유출이 심각한 상위 20개 강 중 67%가 아시아 지역에 위치하고 있고 이 중 6개가 중국에 위치하고 있다.

또한 아시아 지역의 강을 통한 플라스틱 유출이 전 세계 강을 통한 플라스틱 유출의 약 86%를 차지하고 있다. 이러한 현상은 아시아 강 유역의 인구 밀도가 높고, 플라스틱 제품 생산이 많으며 강수량이 많아 강을 통한 유출이 용이하기 때문으로 분석된다. 따라서 플라스틱 오염으로 인한 피해를 줄이기 위해서는 육지에서 유래하는 플라스틱 배출을 획기적으로 줄이는 것이 무엇보다도 중요하다.

미세 플라스틱의 독성 및 미세 플라스틱 크기와의 상관성

 

2016년 UN 보고서에 따르면 약 800 종의 동물이 섭취나 얽힘(entanglement)에 의해 미세 플라스틱에 오염되어 있는데 이는 1977년에 비해 약 69%가 증가한 수치이다.

이 중 약 220 종은 미세 플라스틱 조각을 자연스럽게 섭취한다. 미세 플라스틱에 의한 독성은 1차와 2차 미세 플라스틱 사이에 차이를 보인다. 예를 들어, 세 종류의 물벼룩(Daphnia magna, Daphnia pulex, Ceriodaphnia dubia)을 이용한 생식독성 연구에서 일차 미세플라스틱과 이차 미세플라스틱은 용량 의존적으로 생식 기능을 감퇴시켰으며 일차 미세플라스틱이 이차 미세플라스틱보다 독성이 보다 강한 것으로 보고되었다.

플라스틱에 의한 독성은 크기와도 상관성이 있는 것으로 보고되고 있다. 예를 들어, 평균 지름이 1 μm 크기인 미세플라스틱과 1 mm 크기인 대형 플라스틱을 이용하여 해조류인 코스타툼 골편돌말(Skeletonema costatum)에서의 독성을 연구한 결과 대형 플라스틱에서는 성장을 억제하지 않았으나 미세 플라스틱은 독성이 강하여 성장이 최대 39.7% 억제되었다[79]. 이러한 크기와의 상관성은 동물세포에서도 관찰된다.

사람 세포를 이용한 실험에서 10~100 μm 크기의 polystyrene 플라스틱은 유의한 독성을 나타내지 않았으나 460 nm 이하의 작은 polystyrene 미세플라스틱은 용혈작용을 일으키는 것으로 확인되었다[41]. 또한 미세플라스틱은 노출 24시간 이내에 사람 피부 섬유아세포와 단핵구의 세포질에서 발견되어 세포내로 유입될 수 있는 것으로 보고되었다. 

미세 플라스틱의 세포 내 유입 기전은 아직까지 정확히 밝혀지지 않았으나 일반적으로 입자의 세포 내 유입은 크기와 표면 전하에 따라 다르며 이전의 연구들에서 700 nm 이하의 입자는 수용체 매개 엔도시토시스(endocytosis)에 의해 유입되고 이보다 큰 입자는 식작용에 의해 유입됨이 보고되었다. 따라서 미세 플라스틱의 경우에도 이와 유사한 기전으로 유입될 것으로 예상되나 추가적인 연구가 필요하다.

해양의 미세 플라스틱 오염 실태

해양의 미세 플라스틱 오염은 인간에 의해 사용 후 해양으로 유입된 1차 미세 플라스틱과 해양으로 유출된 큰 플라스틱의 물리적, 화학적 절단에 의해 생성되는 2차 미세 플라스틱의 합으로써 전 세계의 모든 바다에서 관찰된다.

먼저 프랑스, 벨기에 그리고 독일 북부 약 80 km 해안에서 2011년에 채취된 샘플에서 미세 플라스틱(<1 mm)의 농도는 해수에서는 0.4±0.3 particles/L (range: 0.0-0.8 particles/L), 침전물(sediment)에서는 6.0±5.7 particles/kg dry (range: 1.5-23.4 particles/L)를 기록하였다[70]. 미국 샌프란시스코 만에서 채취된 해수에서는 평균 700,000 particles/km2 (range: 15,000- 2,000,000 particles km2)의 미세플라스틱이 발견되었고 이러한 수치는 Great Lakes, Chesapeake Bay, Salish Sea 등 유사한 시기에 다른 북미 지역에서 보고된 미세플라스틱 농도보다 높다[70]. 남미의 브라질 연안에서도 미세 플라스틱 오염이 심각하다.

2016년에 브라질 수도 리오데자네이로 Guanabara Bay에서 채취된 표층수의 미세플라스틱 농도는 1.40-21.3 par-ticles/m3를 기록하였다. 또한 미세 플라스틱의 종류를 분석한 결과 81.7%가 polyethylene이었고 16.20%는 polypropylene로 나타났다[28]. Polyethylene과 polypropylene은 각각 전 세계 플라스틱 생산의 38%와 24%를 차지한다.

비교적 청정 해안으로 생각되는 호주 연안에서도 미세 플라스틱 농도가 측정된 바 있다. 2013년에 보고된 논문에서 호주 연안의 표층에는 4,256.4 particles/km2의 플라스틱이 관찰되었으며 이 중 약 98.5%는 polyethylene, polypropylene이었다[66]. 그러나 해당 연구 보고에서 분석된 플라스틱이 주로 미세 플라스틱으로 제시 되었으나 정확한 비중은 제시되지 않았다. 최근 남아프리카 공화국에서 진행된 연구에서도 연안 150 km에서 채취한 샘플에서 미세 플라스틱의 농도는 평균 139 particles/m3 (range: 114-164 particles/m3)를 기록하였다.

이러한 보고는 해양 미세플라스틱 오염이 주로 북미, 유럽, 아시아에서 보고되었으나 아프리카 대륙의 해안도 이미 미세 플라스틱 오염이 심각한 수준에 이르렀음을 의미한다. 2017년 통계를 기준으로 전 세계 플라스틱 생산량은 약 3억 4,800만 톤에 이르렀으며 이 중 아시아가 전체의 약 50.1%, 유럽이 18.5% 그리고 NAFTA에서 17.7%를 생산하였다.

아시아권에서는 중국이 전 세계 생산량의 약 29.4%를 생산하였고 일본이 3.9%로 그 뒤를 이었다. 중국은 전 세계 플라스틱의 주요 생산국이면서 주요 소비국이다. 2012년을 기준으로 중국은 약 4,800만 톤을 생산하였고 플라스틱 소비는 거의 6,600만 톤에 이르렀다. 따라서 중국의 해변 및 연안에도 많은 미세 플라스틱이 축적되어 있을 것으로 추측되는데 중국 연안에서의 미세 플라스틱 오염도는 2014년에 이르러서야 보고가 시작되었다.

중국의 5개 해변(Shapawan, Haikou, Wanning, Sanya, Beihai)에서 2014년에 채취된 침전물에서 미세 플라스틱의 농도를 측정한 결과 침전물 50 g 당 최소 251개에서 최대 436개의 미세 플라스틱이 검출되었다. 2018년도에는 보하이 해(Bohai Sea) 등 중국 연안의 72개 지점에서 침전물을 채취하여 분석한 결과가 보고되었다.

그 결과 보하이 해, 북부 황해 그리고 남부 황해에서 평균 미세 플라스틱의 양은 각각 171.8, 123.6 그리고 72.0 items/kg dry가 발견되었다[75]. 타입 별로 보면 전체의 93.88%가 섬유질이었고 약 71.06%는 지금 1 mm 미만의 입자였다.

미세 플라스틱이 인간의 건강에 미치는 영향

바다는 우리가 버린 플라스틱이 결국 모이는 곳으로 물리적, 화학적, 생물학적 분해와 절단을 통해 미세 플라스틱으로 변화된다.

미세 플라스틱은 해양 생물자원에 축적되고 해양 생물자원은 인간의 주요 식품 원료이므로 미세 플라스틱은 결국 인간에게로 돌아온다. 보고된 자료에 따르면 섭취한 미세 플라스틱은 소화관 내에만 머무르지 않고 전신 순환계로 흡수되어 간, 신장을 비롯하여 여러 조직 내에서 발견된다

설치류를 이용한 연구에서는 경구로 투여한 20 μm 크기의 미세 플라스틱도 전신의 모든 조직으로 분포되고 간 조직에서 ATP 감소와 lactate dehydrogenase 분비 증가, 혈중 총 콜레스테롤과 중성지방의 감소, 그리고 항산화 효소인 glutathione peroxidase와 superoxide dismutase가 증가하는 것을 발견하였다.

또 다른 연구들에서는 미세 플라스틱이 acetylcholinesterase의 활성을 억제시키는 것을 보여준다. Acetylcholinesterase의 활성 억제는 신경독성 가능성을 제시하며 활성이 30% 이상 억제될 때 신경계 기능이 장애를 일으킬 수 있다. 일부 연구에서는 농도에 따라 미세 플라스틱이 acetylcholinesterase의 활성을 30% 이상 감소시킨 것으로 나타나 미세 플라스틱에 의한 신경 독성에 관한 연구가 추가적으로 진행될 필요가 있다.

미세 플라스틱 섭취에 따른 해양 생물의 영향에 관한 연구는 많이 진행되고 있는 반면 해산물 섭취에 따른 플라스틱의 간접적 노출과 인간의 건강에 미치는 영향에 관한 연구는 이제 시작 단계이다. 최근에 Ibrahim 등[42]은 말레이시아 반도 북동부에 거주하는 11명(대장암 환자 9명, 정상인 2명)을 대상으로 대장절제술을 실시하여 미세 플라스틱 함유 여부를 분석하였다.

그 결과 11명 모두에서 미세 플라스틱이 발견되었으며 평균 함유량은 검체 1g 당 28.1±15.4개에 달하였다. 해당 연구의 피험자들은 해산물과 어류를 주식으로 하는 해안 지역에 장기간 거주한 사람들로서 실험 결과는 미세 플라스틱에 오염된 해산물과 어류를 장기간 섭취하여 간접적으로 노출된 것으로 추측된다.

 

결론

해양으로 유출된 플라스틱은 이미 오래전에 시작되어 매우 광범위하고 부유물은 물론 침전물 형태로 존재하여 제거가 불가능하다. 전 인류의 노력으로 1차 미세 플라스틱의 사용과 배출을 억제하여 해양 미세 플라스틱 유출을 감소시키는 데 기여할 수 있으나 해양 플라스틱의 물리적, 화학적, 생물학적 분해에 의해 생성되는 2차 미세 플라스틱의 증가는 억제가 불가능하다.

이에 따라 해양으로 유출되는 플라스틱의 양이 지금 당장 0이 된다 하더라도 지름 0.5 cm 이상의 대형 플라스틱(macroplastics)의 양은 서서히 감소하게 되나 해양 미세 플라스틱의 양은 수십년 동안 지속적으로 증가하게 된다.

따라서 해양 미세 플라스틱은 앞으로도 지속적으로 인간에게 노출되어 인간의 건강과 삶의 질을 위협할 것으로 보이나 이에 대한 연구는 아직 초보 단계이다(Fig. 1).

주목할 만한 점은 조개류, 어류 및 설치류에서 미세 플라스틱 섭취로 인해 소화관을 비롯하여 인체 조직에서 미세 플라스틱이 검출되었고 이로 인해 각 장기에서 조직학적, 생화학적, 기능적 이상이 보고된 반면, 인간에서는 이제 소화관에서 미세 플라스틱이 검출되는 수준에 도달하였다. 따라서 조개류, 어류 및 설치류의 연구 경과와 그 결과들을 고려할 때 인간에서도 노출 농도에 따라 조직학적, 생화학적, 기능적 이상이 나타날 가능성이 있다.

앞으로 해양 미세 플라스틱의 오염 실태와 위해 요인에 대한 깊이 있는 연구, 인간에서 미세 플라스틱 노출과 질병과의 상관성에 관한 많은 연구가 필요하며, 이러한 연구 결과를 바탕으로 미세 플라스틱의 오염 방지 및 관리를 통해 인간의 건강을 지켜 나아가야 한다.

 

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