[워터저널] 컬럼비아대 연구팀, “시판 생수에 수십만개의 작은 플라스틱 조각 들어 있다”

새로운 현미경 기술 이용하여 조사한 결과, 생수 1L에 7종류의 플라스틱 입자 24만개 발견…이 가운데 나노플라스틱이 90% 달해

컬럼비아대 연구팀, 혈액·세포 및 뇌로 전달될 수 있는 나노플라스틱의 제대로 탐구되지 않은 세계에 초점 맞춰 연구조사 

미국서 시판되는 생수 3개 제품 조사…미국 국립과학원회보(PNS) 저널 최근호에 게재

미국 컬럼비아대학교 연구팀은 미국 국립과학원회보(PNAS) 최근호에 실린 연구논문에서, 생수 1L에서 7종류의 플라스틱 입자 24만개가 나왔으며 이 가운데 나노 플라스틱이 90%에 달했다고 밝혔다. [사진출처(Photo source) = 컬럼비아대학교(Columbia University)]

최근 몇 년 동안 미세플라스틱(microplastic)으로 알려진 작은 입자가 극지방의 얼음에서부터 토양, 식수, 음식물에 이르기까지 지구의 모든 곳에서 기본적으로 나타나고 있다는 우려가 높아지고 있다.

플라스틱이 점점 더 작은 조각들로 분해될 때 형성되는 이러한 입자는 인간과 다른 생물체들에 의해 소비되고 있으며, 잠재적인 건강 및 생태계 영향에 어떠한 피해를 입히는지 대해 잘 알려지지 않았다. 

이에 미국  컬럼비아대학교(Columbia University) 연구팀은  PET병 등 각각의 용기에 담긴 생수 속에 함유된 미세플라스틱과 나노플라스틱(nanoplastic)의 함유량을 조사했다. 조사결과, 각 용기에는 수만 개의 식별 가능한 파편이 포함되어 있는 것으로 나타났다.

이 연구팀은 새롭게 개선된 기술을 사용하여 완전히 새로운 플라스틱 세계, 즉 잘 알려지지 않은 나노플라스틱의 영역에서 조사한 결과, 훨씬 더 분해된 미세플라스틱이 많이 함유되어 있는 것을 밝혀냈다.

컬럼비아대 연구팀들은 처음으로 페트(PET)병에 담긴 생수에서 이러한 미세한 입자들을 세고 확인했다. 연구팀들은 평균적으로 1리터(L)에 약 24만 개의 감지 가능한 플라스틱 조각이 포함되어 있다는 사실을 발견했는데, 이는 주로 더 큰 크기를 기준으로 한 이전 추정치보다 10배에서 100배 더 많은 양이었다.

이 연구는 미국 국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNS) 저널에 최근호 게재되었다.

나노플라스틱은 너무 작아서 미세플라스틱과 달리 인체의 장과 폐를 통과해 직접 혈액 속으로 직접 들어가 심장과 뇌를 포함한 장기로 이동할 수 있을 정도로 매우 작다.

이들 물질은 각각의 세포로 침입하여 태반을 통해 태아의 몸으로 들어갈 수 있다. 의학자들은 다양한 생물학적 체계에 미칠 수 있는 영향을 연구하기 위해 경쟁하고 있다.

컬럼비아 기후학교(Columbia Climate School)의 라몬트-도허티(Lamont-Doherty) 지구관측소의 환경화학자이자 이번 연구논문의 공동 저자인 베이잔 옌(Beizhan Yan) 교수는 “이전에는 이곳이 미지의 어두운 지역이었다. 독성 연구는 단지 거기에 무엇이 있는지 추측하는 것이었다”라면서 “이것은 우리에게 이전에 노출되지 않았던 세계를 들여다볼 수 있는 창을 열어준다”고 말했다.

새로운 현미경 기술에 의해 이미징된 폴리스티렌 플라스틱의 작은 입자. 가로 200나노미터, 즉 미터당 2천 억분의 1에 해당한다. [사진출처(Photo source) = 컬럼비아대학교(Columbia University)]

전세계 플라스틱 생산량은 연간 4억 미터톤(metric ton, 1M/T는 1kg의 1천 배)에 육박하고 있다. 매년 3천만 톤 이상이 물이나 땅에 버려지고 있으며, 합성섬유를 비롯한 플라스틱으로 만든 많은 제품은 사용 중에도 입자를 배출한다.

천연 유기물과 달리 대부분의 플라스틱은 비교적 양성물질로 분해되지 않는다. 그들은 단순히 동일한 화학적 조성을 지닌 점점 더 작은 입자로 나누고 재분배한다. 단일 분자를 넘어 얼마나 작아질 수 있는지에 대한 이론적 한계는 없다.

미세플라스틱은 5mm(1/4인치 미만)부터 1㎛(마이크로미터. 1㎛는 100만분의 1ｍ, 또는 1/2만5천 인치)까지의 조각으로 정의된다(사람 머리카락의 지름은 약 70㎛). 1㎛ 미만의 입자인 나노플라스틱은 10억분의 1ｍ 단위로 측정된다.

생수에 들어 있는 플라스틱은 2018년 연구에서 L당 평균 325개의 입자가 발견된 이후 크게 대중의 관심사가 되었다. 이후 연구에서는 그 수를 몇 배로 늘렸다. 과학자들은 지금까지 계산한 것보다 더 많은 것이 있을 것이라고 의심했지만 좋은 추정치는 나노 세계의 경계인 1마이크로미터 미만의 크기에서 멈췄다.

이 새로운 연구의 주 저자이자 컬럼비아대 대학원생인 나이신 키안(Naixin Qian)은 “사람들은 나노 입자를 볼 수 있는 방법들을 개발했지만, 그들이 무엇을 보고 있는지 알지 몰했다”고 이 말했다. 

나이신 키안은 “이전 연구에서 나노 질량에 대한 대량 추정치를 제공할 수 있었지만 대부분의 경우 개별 입자를 계산할 수 없었고 어느 것이 플라스틱인지 또는 다른 것인지 식별할 수 없었다”고 지적했다.

새로운 연구는 컬럼비아대 생물물리학자인 연구 공동저자인 웨이 민(Wei Min)이 공동 발명한 ‘유도 라만 산란 현미경(stimulated Raman scattering microscopy)’이라는 기술을 사용했다. 여기에는 특정 분자가 공명하도록 조정된 두 개의 동시 레이저를 사용하여 샘플을 조사하는 작업이 포함되었다.

연구팀은 7가지 일반 플라스틱을 대상으로 결과를 해석하기 위해 데이터 기반 알고리즘(algorithm)을 만들었다. 웨이 민은 “감지해야 하는 것과 무엇을 감지하고 있는지 아는 것은 별개의 문제”라고 말했다.

연구팀은 미국에서 판매되는 세 가지 인기 생수 브랜드(어떤 브랜드인지는 밝히지 않음)를 테스트하여 크기가 100나노미터(㎚)에 불과한 플라스틱 입자를 분석했다.

그들은 L당 11만 개에서 37만 개의 플라스틱 조각을 발견했는데, 그 중 90%는 나노플라스틱이었고, 나머지는 미세플라스틱이었다. 연구팀들은 또한 7개의 특정 플라스틱 중 어떤 것이 그것인지를 알아내었고, 그것들의 형태와 생물 의학 연구에서 가치가 있을 수 있는 품질들을 도표로 작성했다.

일반적인 것 중 하나는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 또는 PET이였다. 많은 물병이 바로 이 소재로 만들어졌기 때문에 이는 놀라운 일이 아니다. 병에 든 탄산음료, 스포츠 음료, 케첩과 마요네즈와 같은 제품에도 사용된다.

검출 감도 및 해상도 특성화를위한 표준 PS 마이크로 나노 구체의 SRS 이미징. [그림출처(picture source) = 미국 국립과학원회보(PNAS)]

병을 압착하거나 열에 노출되면 조각이 떨어져 나가면서 물 속에 들어갈 수 있다. 최근 한 연구에 따르면 뚜껑(cap)을 반복적으로 열거나 닫을 때 많은 입자들이 물 속으로 들어가고 작은 조각들이 물 속으로 들어가는 것으로 나타났다.

그러나 PET는 나일론의 일종인 폴리아미드에 비해 압도적이었다. 아이러니하게도 Beizhan 베이잔 얀(Beizhan Yan)은 “아마도 물을 병에 담기 전에 정수하는 데 사용되는 플라스틱 필터에서 나온 것일 수 있다”고 말했습니다. 

컬럼비아대 연구팀들이 발견한 다른 일반적인 플라스틱으로는 폴리스티렌(polystyrene), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate) 등 모두 다양한 산업 공정에서 사용된다.

연구팀들의 다소 충격적인 생각은, 그들이 검색한 7가지 플라스틱 유형은 샘플에서 발견된 전체 나노입자의 약 10%만을 차지했다. 그들은 나머지가 무엇인지 전혀 모른다. 만약 그것들이 모두 나노플라스틱이라면, 리터당 수천만 개가 될 수 있다는 것을 의미한다.

그러나 연구팀들은 “겉으로 보기에 단순해 보이는 물 샘플 내부의 복잡한 입자 구성을 나타내는 거의 모든 것이 될 수 있다”라면서 “천연 유기물의 공통적인 존재는 확실히 신중한 구별을 필요로 한다”고 연구논문에서 밝혔다.

연구자들은 이제 수병의 범위를 넘어서고 있다. 웨이 민(Wei Min)은 “연구해야 할 나노플라스틱의 세계는 엄청나다”면서 “나노플라스틱이 질량적으로는 미세플라스틱보다 훨씬 덜 포함되지만, 그것은 중요한 크기가 아니다. 왜냐하면 작은 것들이 더 쉽게 우리 안으로 들어갈 수 있기 때문”이라고 강조했다.

무엇보다도 연구팀은 생수보다는 훨씬 적지만 미세플라스틱을 함유한 것으로 밝혀진 수돗물을 살펴볼 계획이다. 

베이잔 옌(Beizhan Yan) 교수는 “사람들이 세탁을 할 때 하수로 들어가는 미세플라스틱과 나노플라스틱을 연구하는 프로젝트를 진행하고 있다. 지금까지 그가 계산한 바에 따르면 10파운드당 수백만 개가 많은 항목을 구성하는 합성물질에서 배출된다”고 말했다. 그와 동료들은 상업용 및 주거용 세탁기의 오염을 줄이기 위한 필터를 설계하고 있다.

SRS 맞춤형 데이터 기반 스펙트럼 매칭 알고리즘으로 중합체 식별을 위한 화학적 특이성을 복구. [그림출처(picture source) = 미국 국립과학원회보(PNAS)]

컬럼비아대 연구팀들은 곧 남극 서부를 도보로 횡단하는 영국 협력자들이 현재 수집하고 있는 눈 속의 입자들을 확인할 예정이다. 그들은 또한 환경보건 전문가들과 협력하여 다양한 인체 조직에서 나노플라스틱을 측정하고 발달 및 신경학적 효과를 조사하고 있다.

나이신 키안(Naixin Qian)은 “이렇게 많은 물건을 발견한 것은 전혀 예상치 못한 일이 아니다”라면서 “아이디어는 작은 것이 될수록 더 많은 것이 있다는 것”이라고 역설했다.