최나은
(Na Eun Choi)
aiD
이윤경
(Yun Kyung Lee)
biD
허진
(Jin Hur)
c†iD
-
세종대학교 환경에너지공간융합학과
(Department of Engineering Environment, Energy and Geoinformatics, Sejong University)
© Korean Society on Water Environment. All rights reserved.
Key words
Dissolved organic carbon, Fluorescence EEM, Microplastics, Natural occurring particles, UV-irradiation
1. Introduction
플라스틱은 열이나 압력으로 소성 변형을 시켜 성형할 수 있는 고분자를 총칭하며, 유연한 가공성, 편의성, 내구성 등의 장점으로 인해 전세계에서 광범위하게
사용되고 있다(Borrelle et al., 2020; Rhodes, 2018). 플라스틱 사용 급증으로 인하여 해수, 연안, 하천･호수 등 다양한 자연환경과 수처리 시설에서 충분히 처리되지 않은 플라스틱 파편들의 존재가 보고되고
있다(Estahbanati and Fahrenfeld, 2016; Stanton et al., 2020; Watkins et al., 2019). 수계에 노출된 플라스틱은 햇빛, 미생물, 흡착 등 다양한 풍화작용들을 거치게 된다. 이런 과정에서 생겨난 직경 5 mm 미만의 파편을 미세플라스틱(Microplastics,
MP)이라고 한다(Li et al., 2018; Thompson et al., 2009). 저밀도의 스티로폼(Expanded Polystyrene, EPS, 밀도 11~32 kg/m3) 입자의 경우 6개월간 UV 광 조사 후 다량의 미세한 입자로 부서진다는 연구 보고가 있었다(4,220± 33 particles/pellet에서
12,152±3,276로 증가)(Song et al., 2017). 입자의 크기가 작아질수록 부피 대 표면적 비는 증가하게 되고, 물과 접촉하는 면적이 함께 커지므로 주변 수 환경으로 용존 유기물질(Dissolved
organic matter, DOM) 형태로 용출될 가능성이 높아진다. 플라스틱은 긴 탄소사슬 구조와 더불어 다양한 첨가제로 이루어져 있어 수 환경
노출 시 첨가제와 고분자 부산물을 포함한 상당한 양의 용존 유기화합물들이 혼재된 형태로 방출될 것으로 예상한다. 최근 상업용 미세플라스틱으로부터 주변
해수층으로 상당한 양의 미세플라스틱 유래 DOM이 용출됨을 보고한 바 있다(Romera- Castillo et al., 2018).
자연 유기물질은 여러 수 환경 속 어디에나 존재하는 자연적으로 형성된 유기물질을 총칭한다(Hur et al., 2006). 이들은 다양한 기원을 가진 탄소 구조의 비균질성 유기화합물 복합체이며 작용기에서 기인한 반응성으로 수 환경에 다양한 형태의 영향을 미친다. 자연
유기물질은 입자 크기를 기준으로 용존성과 입자성으로 구분되고, 수 환경 내 입자상 유기물질(Particle Organic Matter, POM)은
보통 0.45 μm에서 2 mm 크기가 다수를 차지한다(Lee et al., 2019). 수중에서 존재하는 POM은 햇빛 하에서 광화학적 풍화를 겪으면서 주변 수층으로 용존 유기물질을 방출할 수 있으며, 이는 하천 시스템에 막대한
양의 DOM과 영양분을 공급하는 역할을 한다(Hur et al., 2007; Mayer et al., 2012; Shin et al., 2004; Worrall et al., 2018). 이와 유사한 방식으로, 미세플라스틱도 수 환경 내에서 화학적 풍화작용을 통해 DOM이 방출될 수 있다(Lee, Murphy et al., 2020; Mayer et al., 2012; Potthoff et al., 2017). 하지만 미세플라스틱이 오염된 환경에서 UV 광조건 하에 입자성 유기물에서 유래한 DOM 용출량과 그 분광특성을 플라스틱 기원과 자연 유래 기원으로
나누어 비교한 연구는 없었다.
일반적으로 미세플라스틱이 오염된 환경에는 자연 유래 입자물질과 미세플라스틱이 혼재되어 있으며, 이들 입자로부터 상당량의 DOM 용출을 예상할 수 있다.
특히 두 가지 기원(플라스틱 vs. 자연 유래)에서 용출된 DOM의 성상이 분광특성으로 구분될 수 있을지가 흥미로운 연구주제가 될 수 있다. 만약
두 입자 기원이 DOM 분석을 통해 쉽게 구분된다면, 이를 통해 환경시료 내 입자성 미세플라스틱 오염정도를 간접적으로 파악할 수 있을 것으로 기대한다.
현재 수중 플라스틱의 검출은 입자 분석을 기반으로 하고 있다. FT-IR과 계수법 등을 이용한 입자 분석기술은 전처리 과정이 복잡하고 많은 시간이
소요되기 때문에 넓은 범위에 적용하기 어렵다(Shim et al., 2017). 최근 플라스틱 유래 DOM을 특성화하는데 형광분석을 적용하는 노력들이 있었다(Luo et al., 2019; Wang et al., 2021). 형광분석법은 DOM 내 분포하는 아미노산/단백질, 휴믹물질 등 다양한 유기 성분에 대한 정보를 제공하기 때문에 DOM 성상 분석에 보편적으로
사용되고 있다. 특히 분석에 필요한 시료의 양이 적고, 전처리 과정이 거의 없어 사용이 간단하며 신속한 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다(Hudson et al., 2007; Hur and Kong, 2008). 또한 DOM 형광 특성에 이미 상당량의 문헌 결과가 있기 때문에 다양한 유기물 기원에 대해 비교할 수 있다는 추가적인 장점도 있다. 이전 연구에
의하면 미세플라스틱 유래 DOM의 형광 특성은 단백질계 형광 영역이 우세하게 나타났으며, 첨가제를 포함한 미세플라스틱 입자 유래 DOM에서 UV 광
노출 시 DOM 농도 대비 형광 세기가 감소하는 특성을 보였다(Lee, Murphy et al., 2020). 이러한 형광 특징을 기반으로 형광분석을 통하여 미세플라스틱의 오염 여부 파악을 기대할 수 있다.
이러한 연구 배경을 토대로 본 연구에서는 다음과 같은 목표를 설정하였다. 1) 미세플라스틱 입자(Polyvinyl Chloride polymer,
PVC와 Poly Styrene polymer, PS)와 자연 유래 입자(Forest Soil, FS와 Litter Leaves, LL)로부터 용출되는
DOM을 대상으로 용출 시간별 입자 질량 대비 유기 탄소 농도를 서로 비교한다. 2) 형광 스펙트럼 분석을 통해 UV 광 조사 시 플라스틱과 자연
유래 입자로부터 용출되는 DOM을 구분할 수 있는 고유한 형광 특성을 제시한다.
2. Materials and Methods
2.1 실험재료
본 연구에서는 PVC와 PS를 대표 플라스틱 시료로 사용하였다. 상업용 플라스틱의 경우 탄소 사슬구조에 산화 방지제 등의 첨가제를 가지고 있다. 본
실험에서는 첨가제 영향을 배제하고 용출 효과를 극대화하기 위해 첨가제가 없는 고분자 플라스틱을 사용하였다(Lee, Murphy et al., 2020). PVC와 PS는 시그마알드리치에서 구매하여 사용하였다. 자연 유래 입자를 대표하기 위한 시료로서 산림토양(FS)과 낙엽(LL)을 선택하였다.
토양과 낙엽은 수중 존재하는 많은 자연 유래 입자 중 그 함량이 높아 자연 유래 입자를 대표하여 사용하였다(Derrien et al., 2020; Lee, Lee et al., 2020). 각 기원 시료들은 2021년 1월 대한민국 태안에서 채취하였다(N 36° 52.0880', E 126° 17.8890'). 토양 시료는 낙엽
등 타 기원 유기물 영향을 최소화하기 위하여 표층 아래 40~50 cm 깊이에서 채취하였다. 낙엽 시료는 토양 시료 주변에서 채취하였다. 채집된 낙엽의
우점종은 활엽수인 굴참나무였다. 수집된 시료들은 완전 건조 후 큰 나뭇가지나 눈에 보이는 고형물 등을 제거하고 그라인더를 이용하여 작은 입자로 분쇄하였다.
분쇄 후 플라스틱 입자와 유사한 크기를 유지하기 위해 500~63 μm로 체질 후 사용하였다.
2.2 용출실험
입자 물질은 수중에서 다양한 풍화작용을 거치게 된다. 특히 미세플라스틱은 수표면에 잔류하는 경우가 많아 UV 광 접촉의 기회가 많고, 이에 따라 관련한
많은 연구가 진행 중이다. 일부 연구에서 미세플라스틱이 UV 광에 의해 상당한 양의 DOM을 방출할 수 있다고 보고되었다(Zhu et al., 2020). 본 연구에서는 미세플라스틱과 자연 유래 입자를 대상으로 DOM 용출 특성을 비교하고, UV 광이 DOM 용출을 촉진시키는 정도를 정량적으로 비교하고자
한다. 이를 위해 입자성 물질로부터 DOM을 얻기 위한 용출 실험을 UV 광 조사 유무(암조건 vs. 광조건)로 나누어 진행하였다. 준비된 각 입자들은
낙엽의 경우 0.5 g/L (Lee et al., 2019), 토양 및 플라스틱 시료의 경우 5 g/L (Lee, Murphy et al., 2020)의 입자-증류수 비율이 되도록 하였고, 모든 용출 실험은 3번 반복하였다. 용출 기간 중 생분해 활동을 억제하기 위하여 NaN3를 25 mg/L 농도가 되도록 증류수에 첨가하였다(Velzeboer et al., 2014; Zhang et al., 2018). 초기 용출 바탕 용액 간 유의미한 pH 차이는 없었다(pH 6.3~6.5). 입자와 시료들이 잘 혼합되도록 용출 기간 중 교반기를 이용하여 150
rpm으로 교반하였다. 용출 기간은 선행 연구를 참고하여 최대 7일로 설정하였다(Lee, Murphy et al., 2020). 또한 시간적 영향에 따른 DOM 농도 및 성상 변화를 관찰하기 위해 용출 시간을 0, 1, 6, 24, 48, 72, 120, 168시간으로
맞추어 실험을 진행하였다.
암조건 용출 실험은 미리 450℃로 태워 유기물질을 제거한 갈색 유리 바이알에 시료를 넣고 용출을 진행하였으며, UV 광 조사 실험의 경우 직경 4.5
cm, 높이 8 cm의 석영 셀에 시료를 넣고 자체 제작한 챔버 내에서 UV 광을 조사하여 용출을 진행하였다. 제작된 챔버 안에는 320~400 nm의
특정 파장을 가진 8W-UVA (F8T5BL, Sankyo Denki, Japan) 램프를 양 옆면에 4개씩 총 8개를 설치하였다. 밀폐된 챔버 내
광 강도는 7월 정오(서울, 대한민국) 자연 태양광과 유사한 수준으로 자외선 계(Model 850009, Sper Scientific, U.S.A.)
기준 약 5000 μW/cm2였다. 챔버 내에는 환풍기를 부착하여 내부 공기를 25±3℃로 유지시켰다(Phong and Hur, 2015). 용출된 시료들은 입자성 물질들을 제거하고, 여과액을 이용하여 분석을 진행하였다. 필터 시 플라스틱의 직접적인 접촉을 피하기 위해 유리 감압필터
및 450℃에 미리 태운 GF/F 필터(Whatman Westchester, PA)를 이용하였다.
2.3 분석방법
2.3.1 용존 유기탄소 분석
용존 유기탄소(Dissolved organic carbon, DOC) 농도는 고온 촉매 산화에 기반한 TOC 분석기(Shimadzu L-series,
Shimadzu, Japan)를 사용하여 측정하였다. 측정방식은 시료 내 탄소를 고온 연소시켜 분해, 산화 반응으로 발생하는 이산화탄소를 비분산형
적외선 방식(Non-dispersive infrared sensor, NDIR)으로 검출하는 Non-Purgeable Organic Carbon (NPOC)
방식을 사용하였다. 하나의 시료에 대해 3번 반복 측정을 실시한 결과 상대 오차는 5% 이내였다.
2.3.2 3차원 형광 Excitation-Emission matrix (EEM) 분석
시료의 3차원 형광 EEM 분석을 위해 형광 분광계(Fluorescence spectrophotometer F-7000, HITACHI, Japan)를
사용하였다. 형광 분광계의 여기 파장(Excitation, Ex)은 220 nm에서 500 nm까지 5 nm 간격에서, 방출 파장(Emission:
Em)은 280 nm에서 550 nm까지 1 nm 간격으로 측정하였으며, 각각 슬릿은 10 nm로 고정하였다. 물 분자 활동을 통해 나타나는 라만
스펙트럼(Raman spectrum)으로 인해 생기는 장파장에서의 2차 랄리 산란(Raleigh Scattering) 효과로 인하여 DOM 형광분석에
영향을 미칠 수 있으므로 측정 시 290 nm cutoff filter를 사용하였다. 형광 측정 전 모든 시료에 대해 흡광 광도계(UV-1800,
Shimadzu, Japan)로 측정된 254 nm에서의 흡광도 값이 0.05 이하가 되도록 희석하여 DOM 자체가 빛을 흡수하여 생길 수 있는 방해요인을
최소화하였다(Murphy et al., 2008). 또한, 시료 내 유기물질 고유형광을 얻기 위해 별도로 3차 증류수 형광 측정을 실시하여 실제 시료에서 나오는 형광 세기로부터 이를 차감하였다.
형광 세기는 350 nm (Em)에서 라만 피크의 형광 세기를 이용하여 라만 단위(R.U.)로 정규화하였다(Lawaetz and Stedmon, 2009).
형광 EEM 결과 및 형광 특성을 비교하기 위하여 형광 EEM 결과 해석에 보편적으로 사용되는 Coble의 EEM 형광 특성 분류법을 이용하여 피크들의
분포 및 변화 추세를 비교하였다(Table 1)(Coble, 1996). Coble은 해수 내 해양 및 육상 DOM의 형광 EEM을 파장에 따라 아래와 같이 다섯 가지 피크로 나누어 정의하였다.
Table 1. Classification of EEM fluorescence peaks defined byCoble (1996)
|
Peak
|
Exmax (nm)
|
Emmax (nm)
|
Definition
|
|
B
|
275
|
310
|
Tyrosine-like, Protein-like
|
|
T
|
275
|
340
|
Tryptophan-like, Protein-like
|
|
A
|
260
|
420
|
Humic-like
|
|
M
|
312
|
400
|
Marin humic-like
|
|
C
|
350
|
450
|
Humic-like
|
본 연구에서는 해석의 편의를 위해 측정되는 형광 피크를 두 개의 분획으로 구분하였다. 단백질 유사 형광 영역은 단백질 영역에서 나오는 두 개의 형광
피크 B와 T의 합으로 산정했으며, 휴믹 유사 형광 영역의 경우 휴믹 영역에서 나오는 세 개의 형광 피크 A, M 및 C의 합으로 나타내었다.
2.3.3 원소분석
미세플라스틱과 자연 입자 시료에 대하여 입자 탄소 대비 DOM 용출량을 알아보기 위하여 각 시료들의 원소분석을 진행하였다. C, H, O, N, S
측정에는 Macro Elemental Analyzer (vario MACRO Cube, Elementar, Germany)을 이용하였다. 기기의 측정방식은
시료를 고온 연소시킨 후 생성된 기체로 분석하였다.
3. Results and Discussion
3.1 UV 광풍화에 의한 용존 유기탄소 용출량 비교
3.1.1 미세플라스틱과 자연유래 입자의 비교
각 기원 입자들은 그 화학적 조성에 따라 서로 다른 원소비를 갖는다. 또한 그 차이로 인해 용출 가능한 탄소 함량도 달라질 것으로 판단된다. 본 연구에서는
기원에 따른 DOC 용출량을 알아보기에 앞서 각 기원 입자들의 탄소 함량을 조사하였다. PS의 경우 탄소 함량이 91.74%인 반면, PVC는 탄소의
비율이 38.13%에 그쳤다. 이는 PVC가 긴 탄소 사슬에 염소(Cl)를 가지는 구조로서 상대적으로 무거운 염소에 기인한 것으로 설명할 수 있다.
비록 PVC의 경우 일부 작용기의 영향이 있을 수 있으나, 플라스틱은 기본적으로 긴 탄소 사슬을 기본으로 하며, 탄소가 상대적으로 높은 함량을 차지함을
알 수 있다. 자연 유래 입자 시료 FS의 경우, ash (무기물)가 92.27%이고 탄소 함량이 1.16%로서 광물의 영향이 크다는 것을 알 수
있었다. 이에 반해 LL의 탄소 함량은 50.05%로서 상대적으로 높은 편이었다(Table 2). 이러한 입자의 탄소 함량 결과를 토대로 미세플라스틱(PS와 PVC)과 자연 유래 입자(FS와 LL) 시료에 대하여 7일간 용출 실험 후 탄소
함량 당 DOC 용출량(%)을 암조건과 광조건 하에서 서로 비교하였다(Fig. 1(a)). 용출 조건에 상관없이 입자 탄소 당 DOC 용출량은 미세플라스틱보다 자연 유래 입자성 시료의 경우가 더 컸다. 플라스틱으로부터의 용출량이
1%에 미치지 못했으나, 무기물 함량이 높은 토양에서의 용출량은 2.44% 이상으로 미세플라스틱과 자연 유래 입자 물질의 DOC 용출량은 차이가 컸다.
본 연구에서는 국내 대표적인 수역인 팔당호의 평균 체류 시간이 5.1일(Kim et al., 2002)이라는 점에 착안하여 7일이라는 용출 시간에 대한 미세플라스틱과 자연 입자 유래 DOC 용출량을 비교하였다. 보다 장기간의 미세플라스틱 유래 DOC
용출을 조사한 이전 문헌에 따르면(Zhu et al., 2020) 광조건에서 미세플라스틱으로부터 용출되는 DOC 농도는 시간이 지남에 따라 지수함수적으로 증가하며 30일 이후 DOC 용출량은 초기의 용출량보다
크다. 이는 미세플라스틱이 긴 탄소 사슬로 이루어져 있기 때문에, 수중에 오래 잔존 시 구조적 손상을 입으면서 지속적으로 용존 유기 탄소를 방출하는
것으로 사료된다. 즉, 7일이라는 비교적 단기간에서는 미세플라스틱보다 자연 유래 입자에서 더 많은 DOC가 방출되었다고는 하나 미세플라스틱의 탄소
함량이 높고 장기간 용출이 보고된 바 있으므로 미세플라스틱으로부터 용출되는 DOC의 양을 무시할 수 없으며, 이에 대한 지속적인 모니터링이 요구된다.
Table 2. Elemental analysis of particulate samples used in the study
|
|
Element (%)
|
|
C
|
H
|
O
|
N
|
S
|
|
PS (Poly styrene)
|
91.74
|
7.46
|
1.40
|
0.00
|
0.04
|
|
PVC (Poly vinyl chloride)
|
38.13
|
4.76
|
1.46
|
0.00
|
0.15
|
|
FS (Forest soil)
|
1.16
|
0.62
|
5.86
|
0.07
|
0.02
|
|
LL (Litter leaves)
|
50.05
|
5.87
|
40.82
|
1.20
|
0.09
|
|
* The remaining products other than the elements C, H, O, N and S were considered
ash.
|
Fig. 1. (a) Leached DOC concentration per carbon mass of particles under dark and UV irradiation conditions after 7 days of leaching. (*p<0.01, student t-test), (b) DOC ratios of DOM leached under light relative to dark conditions after 7 days of leaching.
UV 광 유/무에 의한 DOC 용출량은 기원에 상관없이 모든 입자 시료에 대해 암조건에 비해 광조건에서 더 높게 나타났다(Fig. 1(a)). LL의 경우 암조건에서 용출량이 22.01±0.39%, 광조건에서는 26.14±2.68%로 나타나 그 증가가 유의미하지 않았지만 이를 제외한
나머지 기원(PS, PVC, FS)의 경우 그 유의확률이 0.01 이하(독립표본 t-검정)로 빛의 유무에 따른 DOC 용출량의 차이가 뚜렷하게 나타났다.
또한, 용출량은 같은 기원 그룹(플라스틱 vs. 자연유래) 내에서도 종류에 따라 차이를 보였다. 예를 들어, 플라스틱 입자라 하더라도 PS의 경우
암조건에서 용출량이 0.007±0.00%, 광조건에서 0.02± 0.00%인 반면, PVC의 용출량은 각각 0.03±0.01%, 0.07±0.01%로
PS보다 더 높은 용출량을 보였다.
UV 광 영향을 정량적으로 조사하기 위해 7일간의 용출 후 암조건 대비 광조건 하의 용출 DOC 농도 상대 비율(즉, DOClight/DOCdark)을 기원별로 비교하였다(Fig. 1(b)). DOC 비율의 기준선(DOClight/DOCdark = 1)은 광조건과 암조건의 용출 DOC 농도가 동일함을 나타낸다. 상대 비가 클수록 광조건의 DOC 용출 농도가 암조건에 비해 더 크다는 것을
의미하며, 상대적인 비율 비교를 통해 광조건에서 UV 광에 의해 DOM 용출이 촉진되는 정도를 파악할 수 있다. 미세플라스틱의 용출 DOC 비율은
자연 유래 입자에 비해 유의미하게 컸다(p= 0.017, 독립표본 t-검정)(Fig. 1(b)). 미세플라스틱 시료의 경우 그 종류에 상관없이 비율 평균값이 3.0 이상으로 나타나, UV 광에 의해 용출 DOC 농도가 3배 이상으로 증가함을
알 수 있었다. 그러나, 자연 유래 시료의 경우 그 비율이 미세플라스틱보다 낮게 나타났다. 특히 LL의 경우 1.19로 1.0의 기준선에서 크게 벗어나지
않았다. 이는 자연 유래 입자의 경우 암조건과 광조건의 DOC 농도 차이가 상대적으로 크지 않으며, 따라서 UV 광에 의해 DOC 용출의 증가가 미세플라스틱에
비해 크지 않았음을 의미한다. 이전 연구에서도 토양 및 낙엽의 DOC 비율이 1.2-1.5 수준(50시간 용출)으로 자연 유래 입자 물질이 광에 의해
DOC 용출이 크게 촉진되지 않는 경향을 보였다(Lee et al., 2019). 방출된 DOC 농도 자체는 자연 유래 입자가 더 높았지만(Fig. 1(a)), UV 광에 의해 촉진되는 DOC 방출 증가 효과는 미세플라스틱 입자가 더 클 수 있음을 시사한다(Fig. 1(b)).
3.1.2 용출시간에 따른 용출 농도 변화
네 가지 기원의 입자성 시료에 대해서 용출 시간(0~168시간)에 따른 입자 질량 당 용출 DOC 농도를 암조건과 광조건 하에서 비교하였다(Fig.
2). 기원에 상관없이 용출 시간의 증가에 따라 입자 질량 당 DOC 농도는 증가하였으며, 4가지 입자 중 LL의 경우가 가장 높은 수준을 보였다.
LL의 경우 초기 용출 시간(0~48시간)에 그 증가 추세가 뚜렷하였고, 48시간 용출 이후에는 증가 폭이 크지 않았다. LL을 제외한 나머지 기원에서는
용출 시간이 증가할수록 용출 DOC는 점진적으로 증가하는 추세를 보였다. 광조건에서 용출 시간이 0시간에서 168시간(7일)으로 증가할 때 PS는
0.05±0.00 mg/g에서 0.19±0.03 mg/g로 약 3.7배 증가하였고, PVC의 경우 0.03± 0.00 mg/g에서 0.28±0.03
mg/g로 약 8.7배 증가하였다. 자연 유래 입자인 FS의 경우 0.16±0.01 mg/g에서 0.70±0.04 mg/g로 4.4배, LL은 15.75±3.20
mg/g에서 130.82±13.39 mg/g로 8.3배 증가하였다. 용출 시간에 따른 입자 질량 당 용출 DOC 농도 증가 폭에서는 플라스틱과 자연
유래 기원 간 차이가 없었다. 네 가지 기원 입자 중 PVC가 광조건에서 용출 시간에 따른 증가폭이 가장 높았다.
Fig. 2. Variation of DOC concentration per mass of samples leached from different particles under dark and UV light conditions during leaching: (a), (b) microplastics, (c), (d) natural derived particles.
3.2 UV광 풍화에 의한 용출 DOM 형광 특성 비교
모든 입자성 시료에 대하여 7일 용출 실험 후 얻은 DOM 시료에 대한 형광 EEM 결과를 Fig. 3(a)~(h)에 나타냈다. 미세플라스틱 유래 DOM EEM의 경우 플라스틱의 종류와 빛 조건에 상관없이 단백질 유사 형광 영역의 피크 B 부근이 가장
우세하게 나타났다. 미세플라스틱 DOM에 형광분석을 적용한 이전 연구에서도 MP-DOM의 형광 EEM에서 피크 B 부근의 형광이 두드러졌다(Lee, Murphy et al., 2020). 피크 B는 단백질 또는 페놀 유사 물질 등으로 정의되고 있다. PS의 경우 페놀-유사 물질에 의해 얻어진 피크로 간주되며, PVC의 경우 용출
시간이 증가할수록 이 위치의 형광 세기가 증가하는 것으로 보아 구조적 붕괴로 인해 주변 수층으로 DOM을 방출하는 과정에서 그 크기가 작고 형광 특징이
유사한 물질들이 피크로 확인된 것으로 생각된다. 얻어진 피크 B에 대한 정성적인 연구가 함께 요구되나, 플라스틱의 종류나 빛 조건에 상관없이 피크
B가 얻어진 이 연구 결과는 단백질계 형광 피크가 플라스틱의 형광 지시자로 사용될 수 있음을 시사한다. 다만 플라스틱 기원 DOM에서 관찰되는 단백질계
형광 특성은 수계에 상당수 존재하는 조류/미생물 기원 자연 유래 DOM이 가지는 고유형광 파장대와 중복되기 때문에(Fang et al., 2010; Hur et al., 2006), 이 형광 특성을 직접 환경 시료에서 플라스틱 존재를 확인하는 지시자로 사용하기 어렵다. 자연 유래 입자로부터 용출된 DOM EEM은 암조건에서
MP-DOM의 형광 EEM과 유사하게 단백질 유사 형광 피크(피크 B)가 주요한 특징이었던 반면, 광조건에서는 단백질 유사 형광 피크와 더불어 휴믹
유사 피크(피크 A와 C)도 함께 관찰되었다.
Fig. 3. (a)~(h) Fluorescence EEM plots of DOM leached from MP-polymer and natural particles after 7 days of leaching under dark and UV light conditions. (i)~(p) Pie-charts of the relative distribution of different fluorescence peaks for each sample.
EEM 결과를 이용하여 Coble 형광 피크들의 상대적인 비율을 Fig. 3(i)~(p)에 나타냈다. MP-DOM의 경우 그 종류에 상관없이 형광 피크의 상대적 분포가 유사하였으나 자연 입자 유래 DOM에서는 그 기원에 따라
상대적 형광 분포 특성이 다르게 나타났다. 암조건의 MP-DOM에서는 단백질 피크들(피크 B+T)이 우세했다(PS 94.7%, PVC 91.2%).
광조건에서는 단백질 피크들은 PS 72.1%, PVC 76.4%로 다소 감소하였다. 자연 유래 입자 FS의 경우 암조건에서 단백질 피크(피크 B+T)의
상대적인 분포는 81.4%, 광조건에서는 25.7%로 가장 크게 감소하였다. 반면, LL 시료는 암조건에서 78.5%에서, 광조건에서 64.7%로
소폭 감소하였다. 이는 Fig. 3(a)~(h)에서 모든 기원에 대하여 UV광 조건 하의 용출 실험에서 DOM의 EEM 결과 단백질 파장대 세기(Ex: 270~275 nm, Em:
300~ 320 nm)가 암조건에서의 단백질 영역 형광 세기보다 감소한 결과와 잘 일치한다.
광에 의한 DOM 형광 세기의 변화 추이를 조사하기 위해 7일간 용출 실험 후 단백질 유사 형광 영역(피크 B+T)과 휴믹 유사 형광 영역(피크 A+M+C)을
해당 시료의 DOC 농도 값으로 나누어 Fig. 4에 나타냈다. UV 광 노출 시 기원과 무관하게 단백질 유사 형광 영역의 형광 세기의 감소가 두드려졌다. 특히 미세플라스틱의 경우 유의확률 0.01로서
그 차이가 컸다. 반면, 휴믹 유사 영역의 형광 세기 변화는 기원에 따라 다른 양상을 보였다. 특히 미세플라스틱 용출 DOM 시료에서 그 감소폭이
컸다(PS: 93.1%, PVC: 98.5%). 그에 반해 자연 유래 시료에서는 휴믹 영역 형광세기의 감소가 적었다(p=0.763). 이 결과는 미세플라스틱 용출 DOM 내 휴믹 영역 관련 유기물이 UV 광에 의해 쉽게 분해되는 구조로 구성되어있는 반면, 자연 유래
입자의 경우 휴믹 영역 유기물 구조가 UV 광에 상당한 저항력을 가진 단단한 구조로 되어 있음을 시사한다. 따라서 동일한 휴믹 형광 특성을 보이더라도
광분해 취약성과 관련하여 실제 유기물의 구조에 두 입자 기원 간 상당한 차이가 있음을 알 수 있다.
Fig. 4. Comparison of the DOC-normalized fluorescence intensities (R.U./mg-C) of protein-like and humic-like peaks for MP- and natural particles-leached DOM under dark versus UV condition after 7 days of leaching.
3.3 단백질/휴믹 유사 형광 피크 비율 지시자를 이용한 기원별 용출 DOM 구분
본 연구에서는 입자 용출 DOM에 대해 두 입자 기원(플라스틱 vs. 자연유래)을 구분하기 위한 지시자를 찾고자 하였다. 앞선 형광 EEM 결과에서
UV 조사 시 MP-DOM은 상대적으로 단백질 영역의 형광 피크(피크 B)가 두드러졌고, 자연 입자 유래 DOM의 경우 상대적으로 휴믹 영역의 형광
피크(피크 A 및 C)들이 두드러졌음에 착안하여, 보편적으로 많이 사용되는 Coble 형광 정의를 이용하여 지시자를 제시하였다. 즉, 단백질과 휴믹
유사 영역 피크 비율인 (B+T)/ (A+M+C)을 사용하여 광 조건에 따라 기원별로 비교하였다(Fig 5). 이 비율 값이 높을수록 휴믹 영역에 비해 단백질 영역의 형광 피크가 두드러짐을 나타낸다.
Fig. 5. Relative ratios of protein-like to humic-like fluorescence (peaks(B+T)/peaks(A+M+C)) under (a) dark condition and (b) light condition after 7 days of leaching (definitions and means of peak B, T, A, M, C can be found in Table1.).
암조건에서는 미세플라스틱 용출 DOM 형광 비율 값과 자연 유래 입자의 비율 값 사이에 유의미한 차이가 관찰되지 않았다(p=0.488, 독립표본 t-검정). 이에 반해, UV 광조건에서는 미세플라스틱과 자연 유래 입자의 형광 비율 값 간 유의미한 차이가 있었다(p=0.008, 독립표본 t-검정). 미세플라스틱의 경우 종류에 상관없이 형광 비율 값은 3.0보다 높았다. 이는 단백질 영역의 형광 피크가 두드러졌던
앞선 결과와 일치하였다. 단, 자연 유래 입자의 경우 종류에 따라 값의 차이가 있었다. FS 비율 값은 0.35±0.04였고, LL의 경우 1.89±0.10로
나타났다.
7일간의 용출 이후 UV 광 조건에서 미세플라스틱의 형광 비율 값이 자연 유래 입자보다 높은 결과는 이 비율이 UV 광조건 하에서는 미세플라스틱과
자연 유래 입자를 구분하는 지시자로 사용할 수 있음을 시사한다. 따라서 햇빛을 받는 표층수 및 UV 산화 방식이 적용된 수처리 시설에서 이 형광 비율
값을 이용하여 미세플라스틱 오염 파악에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 사용된 미세플라스틱은 첨가제가 없는 순수 고분자 플라스틱으로서 실제 수계 오염 플라스틱의 대부분이 다양한 첨가제를 포함하고 있다는 점은
고려하지 않았다. 또한, 자연환경에 존재하는 자연 유래 입자성 물질은 그 기원이 다양하며 본 실험에 사용된 산림토양 및 낙엽이 이를 모두 대표하지
않을 수 있음을 유의해야 한다. 따라서 미세플라스틱과 자연 유래 입자 물질을 보다 실질적으로 구분하기 위한 분광 지시자 개발을 위해서 향후 상업용
플라스틱과 더불어 보다 다양한 자연 유래 기원 입자를 사용한 추가 연구가 필요할 것으로 판단한다.
4. Conclusion
UV 광조건과 암조건에서 플라스틱 고분자 PS와 PVC 및 자연 유래 입자(산림토양, 낙엽)의 용출 DOM 변화를 비교 관찰한 결과 다음의 주요 결론을
도출하였다.
(1) 입자 탄소 대비 용출 DOM 탄소 함량(%)은 미세플라스틱에 비해 자연 입자 물질에서 더 높게 나타났으며, 입자 종류에 상관없이 UV 광은
이러한 DOC 용출량(%)을 증가시켰다.
(2) 암조건 대비 광조건 하의 DOC 상대비율 비교결과, 미세플라스틱이 자연 유래 입자에 비해 UV 광에 의한 DOM 용출이 크다. 즉, 미세플라스틱이
UV 광에 더 취약한 구조를 갖는다.
(3) 기원에 상관없이 UV 조사에 의하여 DOM-EEM의 단백질 영역 내 형광 세기는 감소하였다.
(4) 미세플라스틱 용출 DOM의 경우 UV 조사에 따른 휴믹 영역 형광 피크의 감소가 관찰되었다. 반면 자연 유래 입자에서는 이러한 감소 경향이
나타나지 않았다.
(5) 광조건에서 미세플라스틱 용출 DOM의 단백질 영역/휴믹 영역 형광 비율(B+T)/(A+M+C) 값은 자연 유래 입자에서 용출된 DOM에 비해
더 높게 조사되었다. 이는 제시한 형광비율이 광조건 하에서 미세플라스틱과 자연 유래 입자를 구분할 수 있는 지시자로 활용 가능함을 시사한다.
Acknowledgement
본 연구는 한국연구재단(과제번호 : 2020R1A2C2007248)의 연구비 지원으로 수행되었습니다.
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