지하수 내 미세플라스틱에 대한 국내외 연구동향 및 전망

1. 서 론

플라스틱은 석유에서 분리한 원료를 결합하여 만든 고분자화합물(polymer)의 일종으로 고무, 송진 등의 천연수지와 대비되어 합성수지라고도 불리며 인간의 생활에 혁명적인 변화를 가지고 온 물질이다. 이런 플라스틱은 내산성이 매우 강하며 온도를 가하면 탄력성이 있어 그 모양을 마음대로 성형할 수 있고 한번 세팅하면 원래의 모양으로 돌아가지 않는 소성(plastic)의 특성이 있다. 또한, 가볍고 가격이 비교적 저렴하여 금속과 유리를 대체하여 각종 가구, 자동차, 전자제품, 포장지, 생활용품, 건물 내부 및 외부, 의복 등 우리 삶의 전 분야에서 활용되고 있다.

Tiseo (2020)의 통계에 의하면 1950년 전 세계 연간 플라스틱 생산량은 1.5백만톤에 불과하였으나, 60년이 지난 2010년은 2.70억 톤, 그리고 2020년은 연간 생산량이 3.67억 톤으로 245배나 증가하였으며 연평균 348%의 증가율을 보였다(그림 1). 그러나 플라스틱을 사용한 후 재활용하는 경우는 극히 제한적이며 대부분이 여러 경로를 통해 폐기된다. 2016년 기준 전 세계에서 강, 호수 및 해양으로 배출되는 플라스틱 쓰레기는 연간 9백만에서 2천3백만 톤에 이르며, 육상환경으로도 1천3백만에서 2천5백만 톤의 플라스틱 쓰레기기 배출된다(Lau et al., 2020; Macleod et al., 2021).

Fig. 1.

Worldwide annual plastic production from 1950 to 2020. Data are from Tiseo (2022).

그런데 이런 플라스틱은 시간이 경과함에 따라 소성이 감소하고 작은 크기로 잘게 쪼개지지만, 일반적인 자연환경(해양, 토양, 지하수, 호수 등)에서는 거의 분해되지 않고 매우 장기간 잔류하는 특성을 보인다(Macleod et al., 2021). 이런 난분해성 특성으로 인하여 해양과 육지에 폐플라스틱이 지속적으로 축적되고 이로 인한 환경오염이 전세계적으로 중요한 환경문제의 하나로 대두되었다(Haward, 2018; Kasavan et al., 2021). 특히 해양환경으로 유입된 크고 작은 크기의 플라스틱으로 인해 고래와 같은 대형 포유류, 바다새, 거북 등은 물론 작은 크기의 물고기, 조개와 같은 저서생물 및 산호 등과 이들의 서식지도 치명적인 위협에 직면하고 있다(Li et al., 2016; Senko et al., 2020; Roman et al., 2021). 이러한 해양환경에서의 플라스틱 오염에 대한 우려와 관심은 육지환경까지 확대되었고 강과 하천, 호(소)수 등에서 플라스틱의 오염에 대한 조사와 연구가 상당히 진행되고 있다(Rochman, 2018; Koelmans et al., 2019; Guimarães et al., 2021; Roebroek et al., 2021).

한편 플라스틱 오염에 대한 우려는 비교적 크기가 큰 것은 물론 상당히 작은 미세플라스틱(microplastic)에 대한 관심으로 옮겨가고 있다. 흔히 미세플라스틱이란 크기가 5 mm 이하인 플라스틱을 말하는데 그 생성원인에 따라 1차(primary) 미세플라스틱과 2차(secondary) 미세플라스틱으로 구분한다(Kim et al., 2019; Chia et al., 2021). 1차 미세플라스틱은 처음부터 인위적으로 매우 작은 크기로 생산된 것이며 주로 세안제, 화장품, 치약, 공업용 연마제 등에 사용된다(Lee and Kim, 2017a). 최근에는 이런 1차 미세플라스틱에 대한 각국의 사용규제가 증가하고 있다. 2차 미세플라스틱은 크기가 비교적 큰 플라스틱이 다양한 기계적, 화학적, 생물학적 분해 및 풍화작용을 받아 잘게 부서져서 만들어진 것이다.

그런데 이런 미세플라스틱이 문제가 되는 것은 플라스틱 자체의 독성이나 위해성 보다는 플라스틱 제조에 사용된 첨가제, 예를 들어 프탈레이트(phthalate), 비스페놀A (bisphenol A) 등이 가지는 내분비계 교란 영향(유전독성, 성기능 장애) 때문이다(Cole et al., 2011). 또한 미세플라스틱은 비표면적이 크고 흡착성이 강해 중금속, 내분비계 교란물질과 난분해성 유기오염물질 등을 이동 및 확산시키는 전달자 역할을 한다(Lee and Kim, 2017b; Kim et al., 2019). 최근에는 미세플라스틱 자체의 위해성에 대한 연구도 상당한 진전을 보이고 있는데 토양의 동물과 식물상 그리고 인체에도 직간접적 악영향을 주는 것으로 보고된다(Chia et al., 2021; Xiang et al., 2022). 인체 위해성에 대한 우려는 사람들이 직접 음용하는 먹는물과 먹는샘물(생수)에서 상당한 미세플라스틱이 있는 것으로 보고되면서 증폭되고 있는 실정이다(Oßmann et al., 2018; Eerkes-Medrano et al., 2019; Kim and Lee, 2020; Jung et al., 2022).

미세플라스틱의 동정과 정량화에는 흔히 μ-FTIR, Raman Spectroscopy를 사용한다. 전자는 주로 20 μm 이상 크기의 미세플라스틱 분석에 사용하고 라만의 경우 1 μm 크기까지 가능하다. 두 기기는 개수 농도의 정량화에 주로 사용되고 있으나 그보다 작은 크기는 질량농도로 분석하며 주로 py-GCMS와 FED-GCMS를 이용한다(Choi et al., 2020; Viaroli et al., 2022). 최근에는 크기와 모양에 기반하여 개수 농도를 질량농도도 환산하는 연구도 수행중이다(Anger et al., 2018). 그러나 아직 농도 표시방법, 분석방법 및 분석기기에 대한 국제적 표준은 마련되지 않은 상황이다.

한편 미세플라스틱은 플라스틱 중합체의 화학조성에 따라 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 페트(PET), 폴리우레탄(PUR) 등이 있다. 이들은 종류에 따라 밀도, 녹는점 등의 물리화학적 특성이 다르며 상기 중에서 사용빈도와 사용량에 따라 비례하여 자연환경 중에서 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이 가장 흔히 발견된다(Koelmans et al., 2019). 그런데 미세플라스틱의 모양(shape)의 경우 일반적으로 2차 미세플라스틱에 해당하는 부정형의 파편(fragment)이 흔하고 장단축비가 3:1 이상인 섬유상(fiber)도 많으며 구상으로 나타나기도 한다.

상기한 여러 매체에서의 미세플라스틱 관련 연구에도 불구하고 현재까지 지하수 내의 미세플라스틱의 존재 및 발현(occurrence), 거동(transport) 등에 대한 조사와 연구는 전 세계적으로도 매우 미미한 수준이다(Lee et al., 2020). 2019년 세계에서 처음으로 카르스트지역 지하수에서 미세플라스틱의 존재가 국제학술지(Groundwater)에 공식적으로 보고되었다(Panno et al., 2019). 그러나 가장 최근에 발간된 저명 학술지(Science of the Total Environment, IF=)의 지하수 미세플라스틱 리뷰 논문(Viaroli et al., 2022)에서 조차 전 세계적으로 단 5건의 미세플라스틱 현장 연구결과 보고가 있을 뿐이라고 언급할 정도이다. 2022년 현재 미국의 몇몇 주정부, 중국과 인도 등의 공공기관 및 대학에서 지하수 미세플라스틱 조사가 진행 중인 것으로 알려져 있지만 품질보증 및 관리(QA/QC) 등에 있어서 신뢰할 만한 연구보고들은 미미하다.

본 리뷰에서는 지하수 내 미세플라스틱에 대한 국내외 연구 동향을 검토하고 조사와 연구에 있어 어떤 어려움과 문제점이 있는지 살펴보고 향후 관련 연구가 지향해야 할 방향에 대하여 논의하였다. 이를 위해 주로 구글 학술검색(google scholar) 도구를 통해 관련 연구와 논문을 검색하고 또한 관련 저명학술지에 대한 개별 검색도 병행하였다.

2. 국내 연구동향

국내에서 지하수 내 미세플라스틱에 대한 조사와 연구는 극히 미미하다. 저자의 연구그룹이 수행하는 연구가 거의 대부분이다(Jeong et al., 2020, 2021; Kim et al., 2020; Lee et al., 2020; Myeong and Kwon, 2020; Ryu et al., 2020; Cha et al., 2021). 다만 Kim et al. (2019)이 선제적으로 지중환경(토양과 지하수)에서 미세플라스틱의 발현과 이동성에 대한 의미있는 리뷰논문을 발간한 것은 평가할 만하다. 최근에 와서 한국지질자원연구원, 한국수자원공사 등 몇몇 기관에서 지하수 미세플라스틱에 대한 관심을 가지고 조사연구를 수행중인 것으로 알려진다.

한편 상기한 저자의 연구그룹은 국내 지하수에 대한 미세플라스틱의 발현, 거동 그리고 위해성에 대한 연구를 수행하고 있다. 국내에서 환경부(한국환경산업기술원)의 지원을 받아 공식적으로 수행하는 최초의 그리고 유일의 지하수에 집중한 미세플라스틱 조사 및 연구사업으로 지난 3년간 농업지역, 카르스트 지역 그리고 투수성 현무암지역의 지하수에서 미세플라스틱의 존재, 농도 그리고 종류, 모양 등을 분석하고 있다(Lee et al., 2020). 그런데 국내는 물론 세계적으로도 미세플라스틱 분석용 지하수 시료를 채취할 때 시료의 양, 전처리, 채취도구 등 채취방법에 대한 표준절차가 마련되어 있지 않아 연구자들마다 각기 다른 방법을 적용하고 있어 분석결과에 대한 신뢰 및 비교가 어려운 상황이다(Koelmans et al., 2019).

이런 이유로 국내에서도 상기 연구그룹에서 현장에서 지하수 시료를 채취하는 방법(사전준비, 전처리, 채취장비 및 절차 등)을 정립하고 정도 관리하는 방법을 개발하는데 많은 노력을 기울이고 있다. 이런 인식하에 소수이지만 저명학술지에 나온 지하수 내 미세플라스틱 분석연구와 그 결과에 대하여 지속적으로 문제점을 지적하고 개선을 요구하고 있다(Lee et al., 2021; Cha et al., 2022; Chia et al., 2022a, 2022b; Jeong and Lee, 2022). 현장에서 잘 통제되고 제대로 된 절차를 준수하지 않은 시료채취로 분석한 결과는 신뢰하기 어렵고 그에 기반한 후속연구는 의미가 없다. 2022년 연초에 환경부 산하 국립환경과학원에서 토양·지하수 미세플라스틱 분석을 위한 표준화된 전처리 및 분석방법 도출 그리고 적용성 평가와 시범조사를 통한 실태조사를 위한 기반구축 사업을 시작한다고 천명한 것은 의미 있는 진전이라고 할 수 있다.

3. 해외 연구동향

앞서 언급한 바와 같이 세계적으로도 지하수 내의 미세플라스틱에 대한 조사 및 연구 자료는 극히 미미하다. 국내는 물론 세계 각국에서 수행하는 다수의 조사연구가 있다하더라도 적절한 동료평가와 발간경로(학술논문, 학술발표 자료 등)를 거치지 않은 경우는 파악도 어렵고 신뢰도가 낮다. 표 1은 구글 학술검색과 개별 저널검색을 통해 찾은 지하수 내 미세플라스틱에 대한 연구논문(리뷰 등을 제외하고 실제로 조사한 결과)을 보여준다.

Table 1.

Summary of investigations of microplastics (MPs) in groundwater conducted until March 2022.

국제적으로 최초로 지하수 내 미세플라스틱의 조사사례를 보고한 것은 Panno et al. (2019)이다. 이들은 일리노이주 남서 및 북서 카르스트 지역에서 2017년 11월 각각 8개의 샘(spring)과 3개의 관정(<65 m) 그리고 6개의 샘에서 미세플라스틱 분석을 위한 지하수 시료를 채취하였다. 지하수 시료는 한 지역에서는 라텍스 장갑을 끼고 2 L의 HDPE 병에 채취하였고 다른 지역에서는 1L 유리병에 담았다. 현장에서 수온, pH, 전기전도도(EC), 용존산소(DO) 그리고 산화환원전위(ORP)를 측정하였다. 채취한 지하수 시료는 0.45 μm 필터로 필터링을 하였고 분석은 현미경과 py-GCMS로 하였다. 분석결과 샘의 미세플라스틱의 농도는 0.00~15.2개/L이며 지하수 관정은 0.86~4.35개/L이다.

확인된 미세플라스틱의 모양은 모두 섬유상(fiber)으로 파악되었고 이 지역의 미세플라스틱의 오염원은 인위적인 쓰레기와 개인 정화조의 폐수로 추정하였다. 이 논문에서 아쉬운 점은 지하수위 측정과 유동해석 등의 수리지질학적 조사가 없었고 채취한 지하수량이 적어 미세플라스틱의 농도가 왜곡될 우려가 있다는 것이다(Koelmans et al., 2019). 또한 시료채취에 플라스틱 재질의 HDPE 시료병을 사용한 것은 바람직하지 않다. 그리고 관정에서 어떤 도구를 이용하여 시료를 채취한 것인지 설명이 없으며 단 한차례의 시료 채취만으로 어떤 해석을 한 것은 성급하다고 할 수 있다. 다만 이 논문이 세계 최초로 지하수 내 미세플라스틱의 존재를 보고하였다는 점은 평가할 만하다.

Manikanda et al. (2021)은 인도 첸나이 지역 두 곳의 도시쓰레기 매립장 인근 지하수의 미세플라스틱 존재를 조사하였다. 지하수 심도 3~30.48 m의 20개 관정에서 각각 1 L의 지하수를 유리병에 채수하였다. 현장에서 필터링 없이 채수 즉시 뚜껑을 닫고 실내 분석까지 4℃ 냉장 보관하였으며 분석은 현미경, SEM, EDS와 ATR-FTIR로 하였다. 분석 결과 지하수 내 미세플라스틱의 농도는 2~80개/L로 나타났으며 색깔은 주로 백색과 흑색을 보였다. 이 논문은 플라스틱의 종류(type)와 모양(shape)을 잘못 기술하고 있어 본 저자들로부터 지적을 받은 바 있으며 특히 미세플라스틱의 근원을 설명함에 있어 지하수 유동방향 등 기초적인 수리지질학적 분석이 없는 것이 약점으로 평가된다(Lee et al., 2021).

한편 Selvam et al. (2021)은 인도 타밀나두 해안지역의 지하수에 대한 미세플라스틱을 조사하였다. 총 44개의 물시료 중에서 24개가 지하수 시료였으며 약 20 L (지하수 2~5 m 깊이)를 테프론 펌프로 양수하였고 50 μm의 철재 필터를 통과시켰다. 각 시료마다 이중시료를 채취하였다. 미세플라스틱은 올림포스 현미경으로 확인하고 화학조성과 종류는 μ-FTIR로 분석하였다. 증류수 20 L를 이용하여 블랭크(blank)를 제조하여 분석한 결과 평균 3.11개의 미세플라스틱이 검출되었다. 지하수에서 검출된 미세플라스틱의 농도는 0~4.3개/L로 나타났으나 이 논문 또한 농도계산 및 분류 오류 등이 지적되었다(Jeong and Lee, 2022).

Shi et al. (2022)은 지하수 미세플라스틱과 항생제의 상관관계를 연구하였다. 조사지역은 북중국 평원의 520 km²의 한 도시로 2020년 9월 지하수관측정에서 81개의 지하수 시료를 채취하였다. 미세플라스틱의 검출을 위해 한 관정 당 1 L의 시료를 3개 수집하였다. 여기서 단순히 시료채취 절차와 방법에 대하여 일반적인 가이드라인을 따랐다고 기술되어 있을 뿐 상세한 사항이 없어 적절한 시료채취인지는 평가는 하기 어렵다. 미세플라스틱의 동정과 정량화는 광학현미경과 μ-FTIR을 이용하였다. 분석결과 모든 지하수 관정에서 미세플라스틱이 검출되어있으며 농도는 4~72개/L (평균 29개/L)로 나타났다.

다른 지역과 달리 이렇게 많은 수의 지하수 미세플라스틱이 나온 것은 하수처리장과 매립지의 영향으로 분석하고 있다. 미세플라스틱의 크기는 주로 0~50 μm이며 종류는 주로 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), PVC 및 폴리스테렌(PS)으로 나타났다. 본 연구에서는 미세플라스틱의 크기가 항생제의 농도에 영향을 준다고 결론을 맺고 있다. 이 연구는 다른 연구와 비교적 지하수 시료의 개수가 많으며 품질관리를 위해 세심한 주의를 한 것이 돋보이지만 지하수 관정, 대수층에 대한 기술 및 지하수 유동분석 등 수리지질학적 조사는 매우 미흡하다.

한편 Samandra et al. (2022)은 호주 빅토리아주의 비피압 대수층의 지하수에서 미세플라스틱을 조사하였다. 7개의 상부 덮개가 있는 지하수 관정이 대상이며 지하수 심도(1.81~14.8 m), 스크린 구간(2~29 m), 전기전도도, pH 등의 정보가 제시되었다. 지하수 시료는 7개 관정에 대하여 1 L 유리병에 각각 3개의 시료를 채취하였다(총 21개). 흥미로운 것은 본 연구에서는 미세플라스틱은 균등하게 용존되어 있는 오염물질과 달리 퍼징을 하면 초기에 제거되어 과소평가되므로 양수를 하지 않았다고 설명하고 있다.

지하수 미세플라스틱 분석결과 크기는 18~491 μm (평균 89 μm)를 보였으며 개수는 16~97개/L (평균 38개/L)로 나타났다. 플라스틱의 종류는 주로 PE, PP, PS, PVC이며 모양은 94%가 파편상(fragment)이며 나머지 6%만이 섬유상을 보였다. 품질관리를 위해 현장배경 및 실내 블랭크를 각각 3개 준비하였으며 0~8개로 상당히 적은 미세플라스틱이 검출되었다. 본 연구는 비교적 관리가 잘된 지하수에 대한 미세플라스틱 연구이며 품질관리를 위한 노력도 상당하다는 가치가 있어 보인다. 하지만 다른 연구와 마찬가지로 여전히 지하수 내 미세플라스틱의 이동과 확산 그리고 분포에 상당한 영향을 미치는 수리지질학적 조사나 분석은 없다는 것이 약점이다.

지하수 미세플라스틱으로 찾은 마지막 최신 논문은 Wan et al. (2022)이다. 이들은 중국 광동지역의 도시고형물쓰레기 매립장의 상류 및 하류 총 3지점의 관정(2.3~3.7 m)에서 지하수를 채취하여 분석하였다. 4 L의 지하수 시료를 채취하였고 광학현미경과 μ-FTIR로 분석하였다. 실내분석에서 있어 단계마다 알루미늄 호일로 밀봉하고 면재질의 실험복을 착용하였고 블랭크는 0~4개 정도의 미세플라스틱만이 검출되었다. 분석결과 지하수에서는 11~17개/L의 미세플라스틱이 검출되었으며 종류는 PU, PA, PP, PE, PS, PET 등 다양하게 나타났다. 크기는 대체로 20~150 μm를 보였다. 이 논문은 지하수 시료를 다루기는 하지만 관정 개수가 적고 간이 관측정을 이용한 한계를 보였으며 수리지질학적 접근이 없었다.

위에서 살펴본 바와 같이 외국이라고 하여도 관정의 지하수 미세플라스틱을 분석한 연구는 극히 드물며 있다고 하여도 단순히 미세플라스틱의 존재여부 및 개수 파악정도에 머물러 있으며, 깊이 있는 수리지질학적 조사와 해석 그리고 계절적 변화, 동반되는 오염물질과의 관계 규명 등은 매우 요원해 보인다.

4. 해결과제와 전망

5. 결 론

본 리뷰에서 최근 신규 환경오염물질로 관심 받고 있는 지하수 내 미세플라스틱에 대하여 국내외 연구동향을 살펴보았다. 주지한 바와 같이 전세계적으로 지하수 내 미세플라스틱에 대한 조사 및 연구논문은 손에 꼽을 정도도 미미하다. 이는 현장에서 지하수 시료를 채취하는 방법 또 실내분석 하는 방법 등에 대한 표준절차 및 기준이 아직 확립되어 있지 않은 것과 무관치 않다. 또한 아직은 미세플라스틱을 분석하는데 많은 시간과 노동이 소모되어 분석단가도 매우 높은 실정이다. 다만 최근 기계학습 등을 통한 분석의 자동화 등 기술발전이 이루어지고 있어 미세플라스틱 연구에 상당한 탄력을 받을 것으로 기대된다. 미세플라스틱의 인체 위해성에 대한 우려들이 고조되는 가운데 우리나라에서도 이와 관련한 조사 및 연구가 탄력을 받을 수 있기를 기대한다.

Acknowledgments

본 연구는 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 미세플라스틱 측정 및 위해성평가 기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다(2020003110010). 또한 이 논문은 2022년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No.2019R1A6A1A03033167).

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