리옌(李燕)
국가해양환경예보센터
liy@nmefc.cn
미세플라스틱 오염은 현재 뜨거운 이슈가 되었으며, 이 글에서는 미세플라스틱의 근해-대양 이동 메커니즘에 대한 연구를 요약하고 일부 문제점에 대해 논의하고자 한다.
우선, 미세플라스틱의 생성에 대해 알아보기로 한다. 플라스틱은 환경에 노출된 후, 기계, 풍화, 생물학적 등의 작용으로 점차 분해되어 큰 플라스틱에서 작은 플라스틱 또는 플라스틱 조각으로 변한다. 이러한 작은 플라스틱 조각은 2004년 《Science》지에 발표된 글을 통해 처음으로 언급되었으며, 크기가 5mm 미만인 것을 미세플라스틱으로 정의하였다.
해양의 미세플라스틱은 1차 미세플라스틱과 2차 플라스틱으로 나눌 수 있다. 1차 플라스틱은 공업, 농업, 의료, 운송 등 생산과정에서 애초부터 작은 크기의 플라스틱 입자로 제조되는 것을 가리킨다. 2차 플라스틱 입자는 비교적 큰 플라스틱 제품의 파쇄와 풍화로 인해 형성된다.
그렇다면 해양의 미세플라스틱은 주로 어디에서 온 것일까? 전반적으로 해양에 유입되는 미세플라스틱은 주로 하천 유입, 해변 관광, 해양 양식 및 어업, 선박 운송, 대기 침적을 포함한 5가지 경로를 통해 생성된다. 하천 유입을 통한 경우는 하천 유역에 거주하는 사람들이 소비하는 플라스틱과 산업 및 농업 생산과정에서 직접 하천으로 배출되는 플라스틱이 포함된다. 해변 관광에 의한 유입은 관광객들이 버린 플라스틱 쓰레기가 바람과 조석 작용으로 바다에 유입되거나, 바다에 직접 버려지는 경우에 의해 발생한다. 이 부분은 관광산업이 활성화 됨에 따라 매년 증가세를 보이고 있지만, 향후 이에 대한 관리 강화에 따라 줄어들 것으로 예상된다. 양식 및 어업에서 생성된 것은 주로 스티로폼 플로트, 플라스틱 그물 및 기타 양식에 필요한 재료에서 생성된 것이고, 어업 및 양식 종사자가 생성한 생활 폐기물도 포함한다. 선박 운송에서 발생하는 플라스틱 폐기물은 주로 생활 쓰레기와 스티로폼 상자이다. 대기 침적에 의한 이동 역시 해양 표층 수역에 미세플라스틱이 유입되는 잠재적이면서도 매우 중요한 유입 경로 중 하나이며, 해양 미세플라스틱 오염의 중요한 요인이기도 하다.
미세플라스틱은 해양에 유입된 후, 많은 물리적·생화학적 과정을 거치게 되는데 여기에는 미세플라스틱이 해류를 따라 표류 및 확산되는 과정, 파도 등의 작용에 의한 추가 파쇄 및 분해, 생물학적 퇴적과 분해, 침강 및 재부유 과정, 태양 자외선의 풍화작용, 그리고 생물에 의해 섭취된 후 그에 따른 이동, 해양 부유과정에서의 집적과 침강, 해저에 침강 후 생물교란으로 인해 바닷물로 복귀하는 과정 등이 포함된다. 유엔환경계획(UNEP)의 2016년 통계분석 자료에 따르면, 해양 미세플라스틱 매장량 비중은 대양 39%, 연안역 33.7%, 근해 해역 26.8%이고, 표층 해수 속 비중은 0.5%에 불과하였다.
그림 1. 해양 미세플라스틱의 귀착 및 분포에 영향을 미치는 자연 과정과 해양 미세플라스틱 저장량 분포도
(출처: 참고문헌 1)
해양에서 미세플라스틱이 거치는 복잡한 과정으로 인해 사실 우리는 아직까지 해양 미세플라스틱의 이동 및 귀착의 물리적, 화학적 및 생물학적 메커니즘을 정확히 파악하지 못하고 있다.
1. 미세플라스틱의 해양 유입 플럭스 추산 연구 및 문제점
다음은 중국 주요 하천의 실측 및 모형 연구결과를 예로 들어 해양 유입 플럭스 추산에 대한 현재 연구진행 상황을 분석하고, 문제점을 논의하고자 한다.
미세플라스틱의 해양 유입 플럭스와 관련하여 비교적 이른 시기에 진행된 유명한 연구로는 2017년 Lebreton et al.가 발표한 전 세계 하천 미세플라스틱의 해양 유입량 추산 연구를 꼽을 수 있다. 해당 연구에서는 전 세계 40,760개 하천의 미세플라스틱 연간 해양 유입 플럭스는 115∼241만 톤으로 추정되며, 하계(river system)의 해양 유입 플라스틱 플럭스는 명백한 시공간적 변이성을 가지고 있다고 주장하였다. 상위 20개 하천 중에 중국이 7개를 차지하였으며, 장강(长江)이 31만~48만 톤으로 1위를 차지하였다.
이후에는 하천 유입 플럭스 추산에 관한 많은 연구가 발표되었는데 주로 MFA(Material Flow Analysis) 모형, MPW(Mismanaged Plastic Waste) 모형, HDI(Human Development Index) 모형이 포함된다. MFA 모형의 주요 구성 부분은 재료의 출처, 경로, 중간체, 최종 집적을 포함한다(Van Eygen et al., 2017). MPW 모형은 기여도와 관련하여 선진국은 과소평가하고, 개발도상국은 과대평가하여 다양한 경제발전수준에서 발생하는 지역적 차이를 심각하게 확대하였다. HDI는 기대수명, 지식획득능력, 1인당 국민 총소득이라는 세 가지 기본 요인을 포함한다. 그러나 이러한 연구는 기본적으로 대형 유역에 집중되어 있고, 중소형 유역에 대한 연구는 상대적으로 적으며, 모형을 통해 추산된 하천 유입 플럭스는 일반적으로 현장 관측치보다 높게 나타난다.
연구의 심화 및 다양한 평가방법 확립에 따라, 우리는 대량의 하천 유입 미세플라스틱 플럭스를 관측하고, 관측 데이터를 이용하여 다양한 추산 방법을 검증했으며, 기존 계산방법이 미세플라스틱 유입 플럭스를 2~3개 자릿수(Orders of magnitude)로 과대평가하고, 해양 미세플라스틱이 예상보다 더 오래 지속적으로 존재하고 분해될 수 있음을 발견하였다.
현재, 하천 미세플라스틱에 대한 연구는 아직 초기단계에 있으며, 여전히 많은 불확실성이 존재한다. Bai는 2022년 발표한 논문에서 2021년 6월 이전까지 발표된 하천 미세플라스틱 플럭스에 관한 83편의 과학 문장과 논평을 분석하고, 각 국가와 기관의 관측 방법 및 자료에 주로 두 가지 문제가 있음을 발견하였다.
1) 일원화되지 않은 샘플링 방법 때문에 관측 데이터를 이용한 전 세계 미세플라스틱의 하천 유입 플럭스를 취합 및 추산하는 데 문제가 존재한다. 트롤을 이용한 전체 수층 샘플링이 68.49%를 차지하는데 트롤에 활용되는 그물과 메시의 크기가 모두 다르다. 제한된 수층에서의 직접 샘플링은 24.66%, 펌프를 이용한 전체 수층에 대한 샘플링은 6.85%를 차지하였다.
2) 하천 성질, 미세플라스틱 성질 등의 영향으로 인한 하천 속 미세플라스틱의 현저한 시공간적 변화도 하천 미세플라스틱 플럭스 추산에 중요한 영향을 미친다.
이러한 이유로 인해 각 하천의 비교 가능한 플럭스 집합을 얻기가 매우 어렵고, 전반적인 상황을 이해하고 파악하는 것 역시 쉽지 않다.
그림 2. 83편 문헌의 샘플링 측정방법별 비율 예시(출처: 문헌 2)
중국의 많은 학자들도 최근 수년간 주요 하천의 미세플라스틱 해양 유입 플럭스에 대한 관측을 진행하였다. 아래 그림은 중국에서 비교적 대표적인 연구팀(누락 가능성도 있음) 및 관련 내용을 포함하고 있다. 연구 지역은 주로 장강하구와 주강(珠江)하구에 집중되어 있으며, 회색은 모형 데이터이다. 그리고 그림을 보면 모형 데이터와 실제 관측 데이터 결과에 비교적 큰 차이가 있음을 알 수 있다.
그림 3. 중국 국내 주요 하천의 미세플라스틱 유입 플럭스 연구에서 대표적인 연구팀 예시
(출처: 샤먼(厦门)대학교 차이밍강(蔡明刚) 교수 미세플라스틱 연구팀)
국가해양환경예보센터(NMEFC)도 중국 미세플라스틱의 하천 유입 플럭스 추산 연구를 진행했다. 이들은 '중국어업통계연감' 및 관련 성·시 통계연감 데이터와 국가통계국 인구통계 데이터를 바탕으로 연안 인구와 하천의 선박 운송 등 활동의 영향을 고려한 추산 모형을 구축했고, 그 결과(아래 그림 참조)는 2017년 Lebreton의 결과에 비해 10배 이상 작게 나타났다.
그림 4 하천 미세플라스틱 해양 유입 플럭스 추산방법 및 결과
(출처: NMEFC 미세플라스틱 연구팀)
전반적으로 미세플라스틱의 해양 유입 플럭스에 대한 관측은 여전히 미흡한 수준이며, 유역-하구 결합 과정, 장기 시계열 및 생지화학적 과정의 영향에 대한 관측을 강화해야 한다. 또한, 현재의 해양 유입 플럭스 연구는 주로 장강하구, 주강하구와 같은 대형 유역에 집중되어 있는데 중소형 유역에 대한 연구도 중시해야 한다. 유역 미세플라스틱의 이동 메커니즘은 수문과 토지이용 파라미터의 결합을 고려해야 한다. 마지막으로, 실제 측정 데이터와 모형 정량화 예측 결과 간의 상호 검증 및 상호 촉진을 강화할 필요가 있다.
2. 연해-대양 이동 메커니즘, 분포 특징에 관한 연구 및 문제점
하구에서 근해까지 미세플라스틱의 이동 과정은 지형, 해양 유입 하천 플럭스, 조석, 외해 환류, 바람 등 다양한 요인의 종합적인 영향과 함께 층화, 혼합, 전선면, 지균작용 등 역학 과정의 영향도 받으며, 대양에 흘러든 후 해류의 영향은 더욱 현저하게 나타난다. 해당 요인들과 관련하여 아래와 같이 분석하였다.
1) 하구 플륨(plume) 확산의 영향 복잡성 및 계절적 변화
미세플라스틱은 하천을 통해 바다로 흘러 하구 기수(brackish water) 형태와 그 역학적 조건은 기수 영향 해역에서 미세플라스틱의 표류 경로, 집적 및 이동과정을 결정하여 원천적으로 시공간 분포에 영향을 미친다. 하구-근해에서 미세플라스틱의 이동은 주로 하구 기수에 의해 형성된 부유 플륨에 의존한다. 전형적인 기수의 형태는 Source, lift off / Near field, Tidal plume front / Mid-field plume, bulge / Farfield, coastal current를 포함한다.
2) 조석작용이 미세플라스틱 이동 확산 및 분포 특징에 미치는 영향 연구
연안지역은 복잡한 유체역학구조를 가지고 있어 조석, 하구 플륨 및 해류와 상호작용하며 미세플라스틱 입자의 해안-해양 간 이동에 중요한 역할을 한다. 조석은 연안지역에 머무르는 미세플라스틱 입자의 양 뿐만 아니라，이동경로 및 이동시간에도 영향을 미친다. 조석은 미세플라스틱이 중국 해역을 떠나는 데 소요되는 시간을 크게 연장시켰다. 향후 미세플라스틱 이동 연구에서 핵심적인 해안 역학 과정에 대한 심층적인 연구를 진행할 것을 제안하며, 글로벌 No Tidal Model 데이터를 통한 연해지역의 미세플라스틱 이동 또는 육지 미세플라스틱의 공해로의 이동 및 확산 과정을 시뮬레이션하는 것은 결과의 정확도에 영향을 미칠 것이다.
그림 5는 장강하구 배출 미세플라스틱의 계절별 방출 입자, 조석이 있을 때와 없을 때의 이동경로, 다양한 해협 통과 시 비율 차이 비교도 (출처: 참고문헌3)
3) 해양환류가 미세플라스틱 이동에 미치는 영향 연구
많은 수치 시뮬레이션 사례와 관측 사례를 통해 우리는 해양에서 미세플라스틱의 집적 영역 및 농도 분포의 계절적 변화가 해양환류 구조와 높은 상관관계가 있음을 발견하였다(UNEP and GRID-Arendal, 2016). NMEFC에서 중국 연안의 37개 도시에서 배출된 미세플라스틱의 해수면 표류에 대해 10년간의 수치 시뮬레이션을 실시한 결과, 미세플라스틱의 해수면 표류 분포 특징, 집적 지역 특징 등은 해양환류 구조와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 벵골만의 주요 해양 유입 하천에서 해양으로 배출되는 미세플라스틱에 대한 시뮬레이션을 실시한 결과, 해수면 미세플라스틱의 해양 속 집적 지역 및 농도 분포의 계절적 변화는 해양환류 구조와 높은 상관관계를 보였다.
다양한 유형의 미세플라스틱은 밀도가 다르고, 장기간의 해수 집적 또는 생화학적 작용으로 인해 밀도 변화가 발생하여 다양한 수층에서 이동 및 표류된다. NMEFC에서 다양한 밀도의 미세플라스틱이 연안에서 바다로 유입된 후의 분포 특징을 수치 시뮬레이션한 결과, 밀도가 높은 것은 기본적으로 연안 해역에 가라앉지만, 소량의 입자는 해수층에 떠서 중국 해의 바깥 해역으로 들어갔고, 중간 밀도의 미세플라스틱도 해수층에 떠서 중국해 바깥 해역으로 들어갈 기회가 많았으며, 밀도가 낮은 경우 대량의 입자가 해수 표층에 부유하며 해류를 따라 심해로 이동되었다. 그리고 이 과정에서 해양환류의 구조와 그 계절적 변화 특징이 미세플라스틱의 이동 및 귀착에 중요한 작용을 하는 것으로 나타났다.
그림 6 해양 미세플라스틱 대양 분포 계통도 (출처: 참고문헌 1)
그림 7. 중국 37개 연해도시 배출 미세플라스틱의 다양한 해류에서의 재분석 데이터에 따른 해상 표류 및 확산 10년간 분포 특징도(출처: NMEFC 미세플라스틱 연구팀)
그림 8. 벵골만의 주요 해양 유입 하천의 해양 배출 미세플라스틱 표류 이동 2년간 시뮬레이션 결과
(출처: NMEFC 미세플라스틱 연구팀)
그림 9. 미세플라스틱 밀도별 연안-해양 유입 수치 시뮬레이션 5개월간 표류 및 확산 분포 특징
(출처: NMEFC 미세플라스틱 연구팀)
4) 생지화학적 행위
해양에서 미세플라스틱의 생지화학적 행위, 생태계에 미치는 영향, 생태계 먹이사슬에서의 전파 과정 등은 더욱 복잡한 과정이며, 현재 연구의 수준이 매우 미숙하고, 수치 모형에서는 일반적으로 이 과정을 고려사항으로 반영하지 않고 있어 자세한 소개는 생략한다.
요컨대 미세플라스틱이 육지에서 주변 해역으로 유입되고, 이어서 대양으로 표류 및 이동되는 과정은 매우 복잡한 과정이므로 그 운동법칙에 대한 심도 있는 연구가 필요하다. 실측 외에 수치 시뮬레이션 역시 해양 미세플라스틱의 이동 연구를 위한 효과적인 방법이며, 해양 미세플라스틱의 분포를 보다 포괄적으로 표현할 수 있고, 해양에서 미세플라스틱의 이동 및 확산 메커니즘을 탐색하는 효과적인 수단이자 방법이다. ‘기원’에서 ‘집적’까지의 이동 그리고 이동과정에서의 생물학적, 화학적 및 물리적 프로세스에 의한 부유, 침강, 재부유 등 이동 프로세스의 메커니즘에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. 미세플라스틱의 이동 및 분포 특징에 대한 생태계의 영향에 대해서는 여전히 평가 및 심층적인 연구가 필요하다.
3. 기존 관측 데이터의 특징 및 이용 문제
현재 우리는 대양, 주변 해역 등에 대한 관측 데이터를 어느 정도 축적하고 있다. 단, 이러한 데이터는 어떤 특징이 있고 또 어떻게 사용되어야 할까?
NMEFC와 샤먼대학교는 공동으로 해양관측 관련 연구 논문 37편을 수집 및 정리하여 657개 유효 지점의 관측 데이터를 얻었다. 이러한 관측 데이터는 주로 트롤 샘플링을 통해 확보되었으며, 데이터의 글로벌 분포가 불균형적이다. 태평양과 북극해는 연구가 비교적 많이 이뤄지고 있고, 주변 해역은 대양과 비교해 데이터가 더 풍부한 편이다. 이러한 관측 데이터에 대한 대수 분석 및 렌더링을 거친 후, 상이한 시각에서의 그래프는 양극의 농도는 낮고, 인도 근처는 상대적으로 높은 것을 보여준다. 이러한 관측 자료를 분석하는 과정에서 샘플링 방법, 샘플링 깊이, 입경 분류, 관측 위치의 분포 등에 큰 차이가 있음을 발견하였고, 이는 관측 자료의 사용에 어려움을 가중시켰다. 구체적으로는 다음과 같다:
샘플링 방법: 펌핑, 트롤링을 통해 확보된 데이터는 1~2개 이상 자릿수의 차이가 존재하는데 이 두 가지 유형의 데이터는 반드시 분류하여 사용해야 할까? 어떤 상황에서 어떤 유형의 데이터를 사용하여 연구 분석을 진행해야 할까?
샘플링 깊이: 샘플링 방법에 따라 표층 샘플링의 구체적인 깊이에 차이가 존재한다. 미세플라스틱 농도, 유형 등은 이러한 깊이 차이로 인해 그 결과가 다르게 나타날 수 있다.
입경 분류: 현재 입경 분류는 각자 분류한 것으로 비교적 큰 차이를 나타내고 있고, 통계적 어려움이 비교적 크다. 정리 차원의 분류 및 통계를 진행하고, 모두가 보편적으로 수용하는 대 분류로 분류할 계획이다(중점은 0-1mm 분류).
정보 불균형: 태평양 인근 해역에 대해서는 관련 문헌이 많고, 관측 지점이 밀집되어 있는 반면, 다른 해역에 관한 문헌은 비교적 적어 추정 및 모형 시뮬레이션이 상대적으로 어렵다. 중점 주변 해역 및 대양(또는 그 일부 구역)을 선택하여 모델링 연구를 수행할 것을 제안한다.
위와 같이, 이 글에서는 근해-대양에서 미세플라스틱의 이동 메커니즘에 대한 연구성과를 정리하고, 문제점을 논의하였다. 이 내용이 관련 연구자들에게 참고가 되고, 미세플라스틱 관련 연구와 교류를 촉진함으로써, 공동으로 미세플라스틱 관측 기술과 방법, 기원지의 배출 추산 방법의 규범화ž표준화를 도모하고, 관측 데이터를 충분히 이용하여 미세플라스틱 연구사업을 더욱 잘 추진될 수 있기를 바란다. 또한, 기존 연구방법과 성과를 보급하여 국제적으로도 더욱 인정 받고, 국제적인 미세플라스틱 정책 수립을 위한 신뢰할 수 있는 기술지원과 가이드를 제공함으로써, 지구 환경보전 사업에 기여하고, 공동으로 푸른 바다를 보호하기를 희망한다.
참고문헌：
1. UNEP and GRID-Arendal, 2016. Marine Litter Vital Graphics. United Nations Environment Programme and GRID-Arendal. Nairobi and Arendal. www.unep.org, www.grida.no.
2. Mengyu Bai, et al.. Controlling Factors of Microplastic Riverine Flux and Implications for Reliable Monitoring Strategy. Environmental Science & Technology, 2022, 56, 48−61.
3. Zhiwei Zhang, et al.. Coastal ocean dynamics reduce the export of microplastics to the open ocean. Science of the Total Environment, 2020, 713, 136634.
4. Laurent C.M. Lebreton, et al.. River plastic emissions to the world’s oceans. NATURE COMMUNICATIONS, 2017, DOI: 10.1038/ncomms15611.
5. Lei Mai, et al.. Global Riverine Plastic Outflflows. Environmental Science & Technology, 2020, 54, 10049−10056.
