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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.23 No.4 pp.410-423
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2024.23.4.410

Measurement and distribution of airborne microplastics: A review of their impact on pollutant transport

Bogyeong Kang, Daekeun Kim*
Department of Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology
* Corresponding Author: Tel: +82-2-970-6606 E-mail: kimd@seoultech.ac.kr
23/11/2024 04/12/2024 11/12/2024

Abstract


This review paper provides a comprehensive analysis of the measurement and distribution of microplastics in the atmosphere and their role in the adsorption and transport of organic and inorganic pollutants. Due to their small size, large surface area, and hydrophobic nature, microplastics can adsorb a wide range of pollutants, including volatile organic compounds (VOCs) and heavy metals. These pollutants, strongly bound to the surface of microplastics, can remain suspended in the atmosphere for extended periods, facilitating the widespread distribution of contaminants. Building on existing research, this paper systematically reviews the sampling, pretreatment, and analytical methodologies applied to study microplastics in the air. Furthermore, it examines the influence of environmental factors on the adsorption and desorption dynamics of pollutants associated with microplastics. Various studies indicate that microplastics can interact with pollutants such as heavy metals, organic compounds, and microorganisms to form complex contaminants. These complexes can be transported and redistributed across long distances in the atmosphere, amplifying their environmental and health impacts. This review highlights that microplastics are not merely a pollutant themselves but serve as a vehicle for the migration and dispersion of other contaminants. This dual role emphasizes the significant risks microplastics pose to public health and the environment, necessitating further research and effective mitigation strategies.


Airborne pollutants , Adsorption and transport , Environmental impact , Microplastics

공기 중 미세플라스틱의 측정분석과 분포: 오염물질 이동에 미치는 영향 고찰

강보경, 김대근*
서울과학기술대학교 환경공학과

초록

    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    최근 미세플라스틱(Microplastics)에 대한 연구가 급격히 증가하면서 그 중요성이 부각되고 있으며, 이들의 환경과 인간 건강에 미치는 잠재적 영향에 대한 관심도 함께 높아지고 있다(Rafa et al., 2024). 미세플라스틱은 크기가 5 mm 이하인 작은 플라스틱 입자로, 주로 해양 오염을 중심으로 활발히 연구되어 왔으나, 최근에는 하전, 토양, 대기는 물론 실내 환경에서도 발견되면서 그 영향 범위가 광범위하다는 사실이 밝혀지고 있다(Abbasi et al., 2017;Fu et al., 2021). 이러한 사실은 미세플라스틱이 단순히 해양 오염의 문제를 넘어, 대기질과 실내 공기 질에도 심각한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

    미세플라스틱은 대기 중에서 단순히 떠다니는 입자 이상의 역할을 하며, 유기 및 무기 오염물질을 흡착함으로써 새로운 복합 오염원을 형성할 수 있다 (Menéndez-Pedriza and Jaumot, 2020). 특히, 미세플라스틱은 소수성을 띄어 소수성인 잔류성유기오염물질(Persistent organic pollutants, POPs)과 강한 상호작용을 한다. 미세플라스틱 표면에 다환방향족탄화수소(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs) 및 폴리염화 비페닐(Polychlorinated biphenyls, PCBs)과 같은 오염 물질이 흡착될 수 있으며(Teuten et al., 2009), 이는 공기 중에 새로운 오염원의 역할을 할 가능성을 제기하고 있다. 이러한 복합 오염물질은 공기 중에서 장거리 이동이 가능하며, 특히 도심지와 같은 인구 밀집 지역에서 대기질을 크게 악화시킬 수 있다(Fu et al., 2021).

    공기 중 미세플라스틱이 흡착한 오염물질은 기온 변화, pH, 그리고 다양한 환경적 요인에 의해 다시 탈착될 수 있으며, 이 과정에서 대기 중에 재분포되어 더욱 넓은 범위로 확산될 수 있다. 이러한 현상은 미세플라스틱이 단순히 오염물질의 운반체로서 기능하는 것을 넘어서, 대기 중 오염물질의 농도를 증가시키고, 그로 인해 발생하는 대기질 악화를 유발할 수 있음을 시사한다. 더욱이 악취물질의 경우, 민감한 후각을 가진 사람들에게 심각한 불쾌감을 주며 장기적으로 공공 건강에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 미세플라스틱의 공기 중 역할을 이해하는 것은 단순한 환경오염 관리 차원을 넘어서, 삶의 질을 향상시키기 위한 필수적인 연구과제라고 볼 수 있다.

    본 연구는 공기 중 미세플라스틱의 특성 및 그로 인해 발생하는 오염물질의 이동과 대기질 영향을 조사하는 것을 목적으로 한다. 세부적으로는 첫째, 미세플라스틱 의 정의와 물리·화학적 특성을 고찰하여, 대기 중에서의 분포와 행동 특성을 파악하고자 한다. 둘째, 공기 중 미세플라스틱의 측정 및 분석 방법을 검토하여 그 존재와 농도를 이해하고자 한다. 이를 통해 다양한 대기 환경에서 미세플라스틱 농도를 파악하고, 오염정도와 분포 패턴을 과학적 이해하는데 정보를 제공한다. 셋째, 미세플라스틱이 오염물질을 흡착하여 복합 오염원을 형성하는 과정을 분석하고, 그로 인해 대기질과 냄새환 경에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 특히, 미세플라스틱 표면에 흡착되는 물질의 복합적인 대기오염 가능성을 이해하는데 도움이 되고자 한다. 본 연구는 이러한 종합적인 분석을 통해, 공기 중 미세플라스틱에 대한 이해와 오염물질의 운반체로서 역할을 명확히 하고, 이를 바탕으로 공기 질 관리를 위한 기초 자료를 제공하는 것을 최종 목적으로 한다.

    2. 자료 수집 방법

    2.1 문헌 검색

    본 연구에서는 학술적으로 신뢰할 수 있는 국제 학술 데이터베이스(IEEE Xplore, Web of Science 등 )를 활용하여 포괄적인 문헌 검색을 수행하였다. 검색 전략은 “airborne” 또는 “air” 또는 “indoor”와 “microplastics”의 조합, “microplastics”와 “method” 또는 “pre-treatment” 또는 “measurement”의 조합, 그리고 “review”와 “microplastics” 또는 “airborne microplastics” 또는 “microplastics method”의 키워드와 조합을 사용하였다. 이러한 전략을 통해 미세플라스틱과 관련된 대기 중 존재, 분석방법, 사전처리 및 측정 기술, 그리고 기존 연구에 대한 종합적인 검토를 목표로 문헌을 검색하였다.

    2.2 자료 선별 및 추출

    검색된 논문 중 포괄적이고 상세한 연구를 기반으로 리뷰 논문을 작성하기 위해 초록만 제공되는 자료와 본 연구의 목적에 부합하지 않는 자료는 제외하였다. 측정 및 분석을 중심으로 한 연구에서는 분석 장소, 미세플라스틱의 평균 농도, 주요 폴리머 유형 등의 데이터를 체계적으로 추출하였다. 또한, 연구 간 비교 가능성을 확보하기 위해 공통된 실내 채취 장소를 확인하였으며, 거주 공간, 사무실, 학교 등 주요 실내 환경을 다룬 연구를 선별하였다. 이러한 선별 및 데이터 추출 과정은 연구의 일관성과 재현성을 보장하기 위해 엄격한 기준을 적용하여 수행되었다.

    3. 미세플라스틱의 환경적 영향

    3.1 미세플라스틱의 정의 및 발생원

    미세플라스틱은 크기가 5 mm 이하인 플라스틱 입자를 의미하며, 1차 미세플라스틱과 2차 미세플라스틱으로 구분된다. 1차 미세플라스틱은 처음부터 작은 크기로 제조된 플라스틱으로, 주로 화장품, 산업용 세정제, 의약품 등에서 발견된다. 반면, 2차 미세플라스틱은 더 큰 플라스틱이 물리적 또는 화학적 분해 과정을 거쳐 5 mm 이하로 작아진 입자로, 주로 자외선에 의한 플라스틱 분해, 타이어 마모, 의류 섬유에서 유래하는 것으로 알려져 있다(Moore, 2008;GESAMP, 2015a). Thompson et al. (2004)은 해양에서 미세플라스틱의 양이 급격히 증가하고 있음을 보고하였고, 그 이후로 미세플라스틱은 해양 뿐만 아니라, 하천, 토양, 대기, 그리고 실내 환경까지 다양한 매체에서 오염물질로서 활발히 연구되고 있다(Sridharan et al., 2021).

    3.2 미세플라스틱의 유해성

    미세플라스틱의 유해성은 작은 크기와 환경에서의 광범위한 분포에서 기인한다고 볼 수 있다. 미세플라스틱은 크기가 작아 호흡기를 통해 폐 조직 등 포함한 신체 전역에 도달할 수 있다(Wright and Kelly, 2017). 유엔 해양전문가그룹 GESAMP (The joint group of experts on the scientific aspects of marine environmental protection)에 따르면, 미세플라스틱은 체내에서 중추신경계 이상, 호르몬 교란, 암 등과 같은 다양한 건강 문제를 유발할 수 있다(GESAMP, 2015b). 또한, 미세플라스틱의 종류에 따라 그 유해성도 달라진다. 예를 들어, Polystyrene (PS)은 제브라피쉬의 먹이 반응 저해 및 대사장애를 유발하며(Zhao et al., 2021), Bisphenol A는 실험용 쥐의 생식 기관에 악영향을 미친 것으로 보고되었다(Nagel et al. (1997). Polyethylene (PE) 및 Polyamides (PA), Polypropylene (PP), Polyvinyl chloride (PVC) 등의 플라스틱 입자는 토양과 수중 생물의 성장률 감소와 생존율 저하를 일으킬 수 있다(Huerta Lwanga et al., 2016;Lei et al., 2018). 미세플라스틱은 환경 뿐만 아니라 인체 건강에 다양한 영향을 미칠 수 있는 중요한 오염원으로, 그 축적과 확산은 큰 도전 과제로 등장하고 있다.

    3.3 공기 중 미세플라스틱 분포

    미세플라스틱은 환경대기 및 실내환경 모두에서 중요한 오염원으로, 그 특성과 발생원에 따라 다양한 경로로 발생하며, 인체와 환경에 영향을 미친다. 실내 공기 중 미세플라스틱은 주로 합성 섬유 제품(예, 의류, 카펫 등)이 꼽히며, 이 외에도 플라스틱 가구나 가정용 환기시스템을 통한 플라스틱 입자의 유입 등이 주요 발생원으로 지목되고 있다(Kacprzak and Tijing, 2022). 미세플라스틱은 일반적으로 5 mm 이하의 크기로 정의되지만, 공기 중에 부유하는 미세플라스틱 중 호흡을 통해 체내에 유입될 수 있는 크기는 10 μm 이하이다(USEPA, 2023). 기존의 미세먼지 연구에서 PM10 (10 μm 이하)에 초점을 맞추어 온 것처럼, 공기 중 미세플라스틱 연구에서도 인체 건강 영향 측면에서 10 μm 이하의 입자에 대한 연구가 우선되어야 한다. Cox et al. (2019)의 연구에 따르면, 성인 남성은 하루에 평균 142개의 미세플라스틱 입자를, 성인 여성은 126개의 입자를 호흡을 통해 섭취하고 있다고 보고되었다. 또한, 실내 미세플라스틱 농도가 실외보다 높을 수 있고, 실내 미세플라스틱 노출이 건강에 큰 영향을 미친다고 보고하고 있다(Liao et al., 2021;Amato-Lourenço et al., 2022;Perera et al., 2022).

    3.4 실내외 공기중 미세플라스틱 분포 특성

    실내 공기 중 미세플라스틱의 정성 및 정량 분석을 다룬 연구 논문 20편을 바탕으로, 실내 공간 유형별 미세 플라스틱 농도를 조사하였다(Fig. 1). 분석에 포함된 공간 유형과 표본 개수는 주거공간(n = 25) 사무실(n = 8), 강의실(n = 8), 실외 대기(n = 18)로 구분된다. 채취 방식이 상이하여 동일한 척도로 비교하기 어려운 미세플라스틱 농도 데이터를 0에서 1 사이의 값으로 정규화 (식 (1))하여 비교하였다.

    X n o r m = X − min ( X ) max ( X ) − min ( X )
    (1)

    여기서, Xnorm은 정규화된 값, X는 정규화 이전의 데이터 값, min(X)와 max(X)는 각각 데이터 세트 X의 최소값과 최대값을 의미한다. 각 장소별 모집단의 대표성을 확보하기 위해 통계 분석 기법을 활용하여 이상치를 제거하였다. 이 과정에서 각 방법으로 수집된 값에서 최대값을 제외하였다. 세 가지 샘플링 방법(능동 샘플링, 침강, 먼지 수집)을 종합적으로 고려한 결과, 네 종류의 공간 유형 중 각 최대 미세플라스틱 농도는 가정 (24,590 particles m2/day)에서 발생한 반면, 최소 농도는 대기(0.016 particles/mg)에서 관찰되었다. 실외 공기 중 최대 미세플라스틱 농도는 다른 모든 공간 유형보다 낮았다.

    가정에서의 미세플라스틱 농도는 Fig. 1(a)에서 보는 바와 같이, 다른 장소에 비해 전반적으로 높은 값을 보였다. 이는 플라스틱 재질의 생활용품, 가구, 의류 등의 사용량이 많고, 조리 및 청소 같은 다양한 활동으로 미세플라스틱이 발생하기 때문으로 추정된다. 특히, 침강 및 먼지 수집 방법에서 높은 농도를 보이는 것은 미 세플라스틱이 먼지나 섬유 형태로 존재하며, 바닥이나 가구 등에 침전될 가능성이 높음을 시사한다. 사무실은 가정 환경보다 다소 낮은 농도를 보였으나 여전히 실외 공기보다는 높은 농도가 관찰되었다. 사무실에서는 플라스틱 재질의 사무용품(예, 컴퓨터, 프린터, 가구 등) 사용과 카펫 및 커튼 등 섬유 제품으로 인해 미세플라스틱 농도가 영향을 받을 수 있다. 능동 샘플링에서 상대적으로 높은 농도를 보인 것은 사무실 내 미세플라스틱이 공기 중에 부유하는 형태로 존재하며, 환기 시스템 및 공간 구조와 관련이 있을 가능성을 시사한다.

    교육공간에 해당되는 강의실은 세 가지 실내 공간 중 가장 낮은 미세플라스틱 농도를 보였지만, 실외 대기보다 높은 수준이었다. 강의실에서 사용되는 학용품, 가구, 교구 등 플라스틱 재질의 물품과 학생들의 활동이 미세플라스틱 발생에 기여할 수 있다. 능동 샘플링에서 높은 농도를 보이는 것은 공기 중 부유 미세플라스틱의 영향으로 판단되며, 침강 및 먼지 수집에서 낮은 농도를 보이는 것은 잦은 청소 및 환기의 영향으로 해석된다.

    실외 대기는 모든 샘플링 방법에서 가장 낮은 미세플라스틱 농도를 보였다. 이는 바람, 강우 등 자연적인 요인에 의해 미세플라스틱이 확산되고 제거되는 과정에서 농도가 낮아지는 것으로 해석할 수 있다. Fig. 1(a)는 실내 공간, 특히 가정에서 미세플라스틱 농도가 상대적으로 높음을 보여준다. 사무실과 강의실은 공기 중 부유 미세플라스틱의 영향을 크게 받는 공간으로 보이며, 실외 공간은 실내에 비해 미세플라스틱 오염도가 낮은 경향을 보였다. 향후 공간 유형별 계절적 변화, 미세플라스틱 발생원, 환기 빈도, 청소 습관 등 다양한 요인을 고려하여 분석하면 보다 심층적인 정보를 얻을 수 있을 것으로 기대한다.

    Fig. 1(b)와 (c)는 각각 실외 및 실내 공기 중에서 검출된 미세플라스틱의 종류별 빈도를 레이더 그래프로 나타낸 것이다. 실외 공기에서는 PP, PE, EVAC, PAN 등 다양한 종류의 미세플라스틱이 비교적 균등하게 분포하는 양상을 보였다. 이는 실외 환경에서 미세플라스틱 발생원이 다양하며, 바람 등의 환경적 요인에 의해 여러 종류의 미세플라스틱이 혼합되어 분포하기 때문으로 추정된다.

    실내 공기에서는 PA, PP, PET, Polyester 등 특정 종류의 미세플라스틱이 높은 빈도로 검출되었다. 이는 실내 환경에서 사용되는 가구, 의류, 건축 자재 등의 재질 특성이 실내 공기 중 미세플라스틱 조성에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 예를 들어, 가정에서는 PP재질의 포장재와 PET 재질의 병이 주로 사용되며, 사무실에서는 PA 재질의 카펫과 의자가, 강의실에서는 PET 재질의 필기구와 책 등이 미세플라스틱의 주요 발생원으로 작용할 수 있다. 이 연구 결과는 실내외 환경에서 미세플라스틱 농도와 조성이 명확히 다르며, 이러한 차이는 미세플라스틱 발생원, 측정방법, 그리고 환경조건 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다 점을 분명히 보여준다.

    4. 공기 중 미세플라스틱의 측정 분석

    공기 중 미세플라스틱 측정 분석은 일반적으로 시료 채취, 전처리, 분석의 세단계로 구분된다(Fig. 2). 현재까지 미세플라스틱 측정과 분석에 관한 표준화된 방법 은 존재하지 않으며, 연구자들은 각기 다른 채취 환경과 분석 목적에 따라 다양한 실험방법을 제시하고 있다 (Table 1). 미세플라스틱은 매우 작은 입자로 구성되어 있기 때문에, 실험과정에서 입자의 손실 및 측정 오류를 최소화하는 방법을 선택하는 것이 중요하다.

    4.1 시료 채취

    공기 중 미세플라스틱의 시료채취 방식은 능동 채취법(active sampling)과 수동 채취법(passive sampling)으로 나뉜다. 능동 채취법은 특정 유량과 시간을 설정하여 원하는 부피의 공기를 흡입하는 방식이다. 이 방법은 흡입 펌프에 기체 저장 용기를 연결하거나 필터를 사용해 입자상 물질만 포집한다(O'Brien et al., 2023). 대량의 공기를 짧은 시간 내에 처리할 수 있어 미세플라스틱의 농도를 비교적 정확히 측정하는데 유리하다. 그러나, 장비 사용 시 미세플라스틱 입자의 손실(부식, 마모) 가능성을 최소화하기 위해 스테인리스강, 유리, 석영 등의 재질을 사용하는 것이 중요하다(Gasperi et al., 2015).

    수동 채취법은 대기 중 입자가 중력이나 확산에 의해 자연적으로 침강하는 것을 이용하며, 추가적인 유량 제어 없이 시료를 채취한다. 주요 방법으로는 건식 침강법(dry deposition)과 침강된 먼지의 직접 수집(dust collection)이 있다(Prata et al., 2020). 건식 침강법은 채취 용기를 일정 높이에 설치하여 대기 중 미세플라스틱의 침강률과 농도를 장시간에 걸쳐 분석하는 데 유용하다. 직접 수집법은 특정 환경의 표면에 가라앉은 먼지를 수집하여 미세플라스틱을 분석하는 데 적합하며, 실내 환경에서 자연적으로 축적된 미세플라스틱 연구에 효과적이다.

    4.2 시료 전처리

    공기 중 미세플라스틱 입자는 금속성 입자, 유기물(꽃가루, 곰팡이, 바이러스), 흙먼지 등과 크기와 성질이 다양한 물질과 혼재되어 있다. 이러한 물질들은 미세플라스틱 분석에 오류를 유발할 수 있으므로(Owen et al., 1992), 정확한 분석을 위해 비플라스틱 입자를 제거하는 전처리 과정이 필수적이다. 전처리 과정을 생략하고 시료를 분석할 경우, 육안분석 시 판정 오류가 발생할 수 있으며, 광학 분석에서는 스펙트럼 특성화를 방해하고, 열분해 분석에서는 과도한 피크가 발생하는 등 실험적 오류가 발생할 가능성이 높다(Lavoy and Crossman, 2021).

    밀도 분리는 플라스틱과 다른 입자 간의 밀도 차이를 활용하여 물질을 분리하는 방식이다(Mattsson et al., 2022). 플라스틱의 밀도는 보통 0.01 g/cm3에서 1.41 g/cm3 (EPS에서 PET) 사이에 있으며(Cutroneo et al., 2021), 미세플라스틱과 밀도가 유사하지만 약간 더 높은 밀도의 화합물을 사용하여 분리를 수행할 수 있다. 밀도분리에 사용되는 화합물은 NaCl(밀도, 1.2 g/ cm3), ZnCl2 (1.6 g/cm3), ZnBr2 (1.7 g/cm3), NaI (1.75 g/cm3) 등이 있다(Quinn et al., 2017;Jahan et al., 2019;Mehdinia et al., 2020;Sui et al., 2020;Zhu et al., 2021). 이러한 화합물들은 미세플라스틱에 영향을 주지 않으면서 효과적으로 다른 입자들을 분리할 수 있다. 공기 시료 중의 입자상 물질을 수용액에 주입한 뒤, 적절한 화합물을 용해하여 일정 밀도의 용질을 형성하면, 밀도가 높은 입자들은 침전되고 밀도가 낮은 미세플라스틱 입자는 상등액에 남는다. 이후 상등액만을 추출하여 미세플라스틱을 확보할 수 있다(Bellasi et al., 2021).

    밀도 분리로 제거되지 않은 유기물은 산화과정을 통해 제거한다. 주요 방법으로는 강산(HNO3 등)을 이용한 산화, H2O2와 같은 산화제를 이용한 산화, 펜톤 산화 등이 있다(Hu et al., 2019;Lavoy and Crossman, 2021). 강산을 이용한 산화는 94%에서 98%의 높은 유기물 제거율을 보이지만, 폴리스틸렌(PS) 및 폴리에틸렌(PE)과 같은 일부 플라스틱이 손상되면서 입자가 뭉치는 문제가 발생할 수 있다(Claessens et al., 2013). 산화제를 이용한 산화방식은 강산을 사용하는 방법에 비해 플라스틱 손상을 줄일 수 있지만(Maw et al., 2022), 농도와 방치 시간에 따라 유기물 제거효율이 달라지고 장시간이 소요되는 단점이 있다(Cole et al., 2011;Claessens et al., 2013;Nuelle et al., 2014;Avio et al., 2015;Frias et al., 2018). Hurley et al. (2018)의 연구에 따르면, 펜톤 산화는 86.9 ± 9.87% (SD)의 높은 유기물 제거율을 보였으며, H2O2를 단독으로 사용하는 산화 방법에 비해 시간과 시료 처리량 측면에서 효율성이 뛰어난 것으로 나타났다. 그러나, 펜톤 산화는 상대적으로 높은 비용이 소요되는 단점이 존재한다(Gündoğdu et al., 2018). 따라서 산화를 이용한 전처리 과정에서는 시료의 특성(입자크기, 유형 등)에 따라 적합한 시약과 조건(농도, 방치시간, 온도)을 조절함으로써 플라스틱 입자 손상을 최소화하는 것이 중요하다. 이와 관련 하여 Maw et al. (2022)는 H2O2를 사용한 유기물 처리 방법 두 가지와, H2O2와 펜톤 산화 방식을 결합한 방법 세가지를 포함한 총 다섯가지 전처리 방법을 비교하였다. 그 결과, 30% H2O2와 0.05 M의 펜톤 시약을 결합하여 50°C에서 1시간 동안 방치하는 방식이 가장 높은 유기물 제거 효율을 보였으며, 미세플라스틱 손상도 또한 가장 적은 것으로 확인되었다.

    4.3 분석

    미세플라스틱 분석 방법은 크게 육안분석, 분광학적 분석, 열분해 분석 등으로 나눌 수 있으며, 분석 목적과 시료 특성에 따라 적합한 방법이 선택된다(Table 2). 육 안분석은 광학현미경과 형광현미경을 이용하여 시료의 이미지를 촬영한 후, 분석자가 직접 관찰하거나 이미지 처리 프로그램 등을 통해 미세플라스틱을 식별하는 방식이다. 광학현미경은 미세플라스틱의 초기 식별에 주로 사용되며, 크기, 모양, 색상을 확인할 수 있는 장점이 있다(Rios et al., 2010;Doyle et al., 2011). 또한, 미세플라스틱 외의 미세입자들을 구분할 수 있어 유용하다. 하지만, 이 방법은 상대적으로 큰 입자에 적합하며, 비플라스틱 입자를 미세플라스틱으로 잘못 판별할 가능성이 있다. 형광현미경을 이용한 분석은 소수성 물질에 염색 가능한 시약을 사용하여 시료를 염색한 후 특정 파장에서 발광하는 플라스틱을 관찰한다. 형광 염료로는 Nile Red, Phenanthrenequinone, Rhodamine B 등을 주로 사용한다(Shim et al., 2016;Erni-Cassola et al., 2017;Maes et al., 2017;Mintenig et al., 2020). 이 방법은 투명한 미세플라스틱도 식별할 수 있는 장점이 있지만, 염색으로 인해 색상 구별이 어렵고, 염색강도에 따라 크기와 형태를 식별하는 데 어려움이 있을 수 있다. 또한 형광염색은 주로 소수성 물질을 염색하기 때문에 형광현미경법을 사용할 때는 미세플라스틱 이외의 소수성 물질을 제거하기 위한 전처리가 필수적이다(Tamminga, 2017). Lv et al. (2019)의 연구에서는 0.1~100 μg/mL 농도의 Nile Red를 사용하여 미세플라스틱의 형광염색 강도를 측정한 결과, 0.1~25 μg/mL 에서는 형광 강도가 증가했으나, 25~100 μg/mL 범위에서는 높은 염색시약 농도에 의한 응집 현상으로 형광 강도가 감소하는 것을 확인하였다. 따라서, Nile Red를 이용한 형광 염색 시 적절한 형광 강도를 유지하고 실험적 오류를 최소화하기 위해 10~20 μg/mL 농도의 시약 사용이 권장된다(Tamminga, 2017). 또한, 미세플라스틱의 표면과 내부 구조를 고해상도로 관찰하기 위해 주사전자 현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 사용할 수 있으며, 이는 미세플라스틱의 세부적인 구조적 특성을 분석하는 데 효과적이다(Fries et al., 2013).

    분광학적 분석방법에는 μ-FTIR (micro-Fourier Transform Infrared Spectroscopy), FTIR, 라만 분광법 등이 있다. 분광학적 분석은 비파괴 분석이 가능하고, 시료를 손상시키지 않고도 미세플라스틱의 화학 구조를 식별할 수 있는 장점이 있다. FTIR 분석은 적외선을 시료에 통과시긴 후, 투과된 스펙트럼을 감지하여 미세플라스틱을 식별한다(Fischer et al., 2015). FTIR은 Transmission, Reflectance, Attenuated Total Reflectance (ATR) 세가지 모드로 수행될 수 있으며, 거칠고 두꺼운 미세플라스틱은 Reflectance와 ATR 모드로 분석하는 것이 더 적합하다(Shim et al., 2017). 라만 분광법은 시료에서 산란되는 빛을 측정하여 생성된 스펙트럼을 통해 물질의 정성 및 정량 분석을 수행하는 방법이다(Collard et al., 2015). 이 방법은 고체, 액체, 기체 상태의 시료를 모두 분석할 수 있는 유연성을 가지며, 높은 감도로 인해 미세플라스틱 농도가 낮은 시료 분석에도 적합하다(Ivleva et al., 2017). 열분해 분석은 py-GC/MS (열분해-가스크로마토그래피/질량분석법, Pyrolysis-Gas Chromatography/Mass Spectrometry) 기술을 활용하여 수행된다. 이 방법은 고분자 화합물인 플라스틱을 고온(500°C 이상)에서 열분해하여 저분자 화합물로 분해한 후, 이를 가스크로마토그래피로 분리하고 질량 분석기를 통해 검출한다(Hermabessiere et al., 2018). 열분해 분석은 미세플라스틱의 정성 및 정량 분석이 모두 가능하지만, 분석 과정에서 시료가 손실될 위험이 있다는 단점이 있다.

    5. 오염물질의 이동수단으로서 미세플라스틱

    미세플라스틱은 입자크기가 작고 넓은 표면적이 넓어 유기물과 무기오염물질을 흡착하여 장거리 이동의 매개체 역할을 할 수 있다(Munyaneza et al., 2022). 특히, Table 3에서 확인할 수 있듯이, 미세플라스틱은 중금속, 유기오염물질, 미생물 등 다양한 오염원과 결합하여 복합오염물로 전환될 수 있다는 점에서 그 중요성이 강조된다(Heskett et al., 2012;Fu et al., 2021). 환경 내에서 미세플라스틱은 오염물질의 농축과 이동성을 증가시키며, 이는 오염물질이 인체와 생태계에 미치는 영향을 장기적으로 지속시킬 잠재력을 가지고 있다 (Rafa et al., 2024). 이러한 특성은 미세플라스틱이 단순한 물리적 오염원에서 나아가 화학적, 생물학적 복합 오염의 주요 매개체로 작용함을 시사한다.

    5.1 생물학적 오염 운반

    미세플라스틱은 생물막(biofilm) 형성에 적합한 표면 구조를 가지고 있어 다양한 미생물이 그 표면에 부착될 수 있다. 이로 인해 공기 중이나 수중 환경에서 생물학적 오염을 장거리로 이동시키는 매개체로서 기능할 수 있다. Mammo et al. (2020)은 미세플라스틱 표면에서의 미생물 부착과정은 가역적 부착(Reversible adhesion)과 비가역적 부착(irreversible adhesion) 단계를 거쳐 생물막이 형성된다고 보고하였다. 이 과정에서 Proteobacteria, Firmicutes, Cyanobacteri 등의 다양한 미생물이 부착되는 것이 관찰되었다(De Tender et al., 2017;Dussud et al., 2018;Miao et al., 2019). 또한, Yang et al. (2020)은 미세플라스틱의 기질 특성, 환경조건, 부착시간에 따라 생물막 형성 과정과 구성에 차이가 발생할 수 있다고 보고하였다. 이러한 생물막은 미생물 및 오염물질이 장거리 이동하는 경로를 제공하며, 환경적으로 중요한 역할을 한다. 특히 생물막에 포함된 미생물이 유해 물질을 흡착하거나 병원성 미생물을 포함할 경우, 미세플라스틱은 생물학적 오염의 이동과 확산을 매개하는 중요한 요인으로 작용할 수 있음을 시사한다.

    5.2 중금속 흡착

    미세플라스틱은 중금속을 흡착할 수 있으며, 자외선 등에 의한 광 노화와 물리적 풍화 등 환경적 요인에 의해 표면이 손상될 때 중금속 흡착력이 증가할 수 있다 (Mammo et al., 2020;Kim et al., 2022). 손상된 미세 플라스틱은 표면적이 넓어지며, 이온결합, 수소결합, 정전기적 인력을 통해 중금속과 강하게 결합하는 특성을 갖는다(Wang et al., 2020;Yang et al., 2020). Luo et al. (2020)는 미세플라스틱이 중금속, 특히 철(Fe) 이온과 강하게 결합하는 성질을 관찰하였다. 미세플라스틱의 다양한 중금속 흡착 특성을 연구한 결과를 보면, 납 (Pb)은 12~4,820 ng/g, 크롬(Cr)은 44~430 ng/g, 카드뮴(Cd)은 38~1,980 ng/g, 구리는 80.9~500.60 ng/g의 흡착능을 갖는 것이 확인되었다(Holmes et al., 2012;Massos and Turner, 2017;Wang et al., 2017). 이처럼 미세플라스틱은 중금속을 흡착하는 매개체로 작용하여 환경 내에서 중금속 이동을 증가시킬 수 있다. 미세플라스틱의 중금속 흡착 연구는 수생태계를 중심으로 진행되어 왔으나, 대기 중 미세플라스틱이 중금속을 흡착하고 이를 이동시킬 가능성 역시 중요한 문제로 부각되고 있다.

    5.3 유기오염물질 흡착

    미세플라스틱은 다양한 유기오염물질을 흡착할 수 있으며, 이러한 흡착 능력은 미세플라스틱의 표면적, 화학적 특성, 그리고 유기오염물질의 물리화학적 특성에 따라 달라진다. Fu et al. (2021)은 미세플라스틱이 작은 입자 크기와 넓은 표면적 덕분에 유기오염물질을 흡착하며, 특히 소수성 유기화합물에 대해 높은 흡착을 보인다고 보고하였다. 유기오염물질의 극성, 분자량, 및 소수성/친수성 특성은 미세플라스틱과의 상호작용에 중요한 영향을 미치며(Mei et al., 2020), 이는 미세플라 스틱이 환경 내 유기오염물질을 농축하고 이동시키는 역할을 할 수 있음을 시사한다.

    폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)을 대상으로 한 연구에서는, PAHs는 24,400~164,900 ng/g, DDTs는 1.69~276 ng/g, PCBs는 5~18,700 ng/g의 흡착량을 보이는 것으로 관찰되었다(Endo et al., 2005;Ogata et al., 2009;Karapanagioti et al., 2011;Yeo et al., 2017). 유기오염물질의 흡착 메커니즘은 환경 조건에 따라 달라 질 수 있다. Liu et al. (2019)은 PVC, PE, PS의 세 가지 미세플라스틱을 사용하여 이온의 종류 및 강도가 DBP(Dibutyl phthalate)의 흡착에 미치는 영향을 연구한 결과, 이온 농도가 증가할수록 미세플라스틱의 흡착능이 증가하는 경향을 보였다고 보고하였다. 특히, CaCl2 농 도가 0 mM에서 300 mM로 증가했을 때, DBP 흡착량은 PVC에서 1.23 mg/g에서 1.80 mg/g로, PE에서 1.88 mg/g에서 2.39 mg/g로, PS에서 2.15 mg/g에서 2.69 mg/g로 증가하였다. Fan et al. (2021)은 미세플라스틱 표면에서 소수성 상호작용이 유기오염물질 흡착의 주요 메커니즘임을 밝혔으며, 전기적 상호작용과 비공유 결합 상호작용도 흡착과정에서 중요한 역할을 한다고 보고하였다. Santana-Viera et al. (2021)는 polyaromatic hydrocarbons (PAHs), hexachlorocyclohexane (HCH), polychlorinated biphenyls (PCB), perfluoroalkyl substances, bisphenol 유사체 등의 유기오염물질이 미세플라스틱에 흡착되어 수중 및 대기환경에서 유기오염물질을 지속적으로 흡착하고 있음을 보고하였다. Tan et al. (2019)는 다양한 폴리머의 형태를 분석하여, PE와 PP가 가장 흔한 미세플라스틱의 형태임을 밝혔고, 이들은 주로 필름 형태로 존재하여 입자 크기가 0.6에서 2 mm 사이로 나타났다. 이 연구는 미세플라스틱 표면에서 16종의 PAHs가 검출되었으며, 이는 미세플라스틱이 유기오염물질의 중요한 운반체로 작용할 수 있음을 보여준다. 미세플라스틱의 표면 상태는 흡착능에 영향을 미칠 수 있다, Liu et al. (2019)은 노화된 PS와 PVC가 친수성 유기오염물질인 ciprofloxacin(항생물질)을 흡착할 수 있음을 보여주었고, 노화가 진행된 PS와 PVC의 흡착능력이 각각 123.3%와 20.4% 증가하였다. 이는 미세플라스틱 노화가 유기오염물질 흡착성을 강화시킬 수 있음을 시사한다.

    6. 고 찰

    미세플라스틱은 크기가 작고 넓은 표면적과 소수성을 가진 입자로, 대기 중에서 다양한 오염물질과 상호 작용하여 복합적인 환경 문제를 유발한다. 기존의 “공기 중 미세플라스틱”을 중점으로 다룬 리뷰 논문들은 미세플라스틱의 물리적 및 화학적 특성, 거동, 분포 특성 등을 고찰한 연구가 주를 이루었다(Munyaneza et al., 2022;O’Brien et al., 2023). 본 논문은 이러한 기존 리뷰논문의 관점을 확장하여, 공기 중 미세플라스틱의 주요 발생원과 분포를 조사하고, 이들의 유해성과 오염 물질 운반 능력을 포괄적으로 분석하였다. 이를 통해 공기질 악화 등 환경적 중요성에 대한 새로운 관점을 제시하고자 하였다. 연구 결과와 기존 문헌을 종합적으로 검토한 결과, 미세플라스틱이 단순한 오염원이 아닌 복합 오염물질의 매개체로서 작용함을 확인하였다.

    공기 중 미세플라스틱의 정확한 측정과 분석은 여전히 기술적 과제를 동반한다. 채취 방식으로는 능동 채취법과 수동 채취법이 사용되는데, 능동 채취법은 높은 정밀도를 제공하지만 장비 복잡성과 시료 손실 문제가 있으며, 수동 채취법은 비용이 적게 들지만 채취 시간이 길고 정확성이 낮은 한계가 있다. 전처리 과정에서는 밀도 분리와 산화 기술을 활용하여 유기물 및 비플라스틱 입자를 제거하지만, 이러한 과정에서 미세플라 스틱의 손상을 최소화하기 위한 세심한 조정이 필요하다. 분석 단계에서는 FTIR, 라만 분광법, 그리고 열분해 분석법(Py-GC/MS) 등의 첨단 기술이 사용되지만, 높은 비용과 표준화된 분석 절차의 부재가 문제로 지적된다. 따라서 공기 중 미세플라스틱의 측정 및 분석을 위한 기술적 발전과 표준화가 필수적이다.

    공기 중 미세플라스틱 농도는 실내 환경에서 더 높게 조사되었으며, 특히 가정 내 농도가 두드러졌다. 이는 플라스틱 생활용품, 조리 활동, 청소 등으로 인해 발생한 것으로 보인다. 반면, 실외 공기 중 미세플라스틱은 다양한 입자가 혼합되어 있으며, 바람과 강우 같은 자연적 요인으로 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히 실외 환경에서 미세플라스틱은 입자 크기, 화학적 조성, 물리적 특성이 다양하며, 이는 오염물질 흡착 및 이동의 잠재적 매체체로 작용할 가능성이 높다. 예를 들어, PE와 PP와 같은 미세플라스틱은 PAHs, 납(Pb), 카드 뮴(Cd) 등의 유기 및 무기 오염물질을 흡착하고 농축할 수 있으며, 이러한 복합 오염물질은 장거리로 이동하여 환경에 광범위한 영향을 미칠 수 있다.

    미세플라스틱은 대기의 환경적 요인(기온 변화, 바람 등)에 의해 탈착과 재분포가 발생하기 쉬우며, 이는 대기 중에서 오염물질의 확산을 촉진한다. 특히 PAHs 와 같은 유기화합물은 산화 및 탈착 과정에서 대기질에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 크다. 이러한 특성은 미세먼지 연구에서 확인된 2차 오염 메커니즘과 유사하다. 미세먼지가 악취물질과 오염물질을 흡착하고 장거리 이동 및 재분포를 통해 2차 오염을 유발하듯 (Bottcher, 2001;Meo et al., 2021), 미세플라스틱도 대기 중 주요 오염원의 이동 매개체로 작용할 가능성을 보여준다. 특히, 장기간 환경에 노출된 미세플라스틱은 표면의 물리적·화학적 특성이 변화하며, 중금속 및 유기오염물질과의 상호작용이 강화되는 경향을 보인다. 이러한 노화된 미세플라스틱은 신선한 미세플라스틱에 비해 흡착 능력이 더욱 증대되며, 이는 미세플라스틱이 환경에서 시간이 지남에 따라 오염물질의 농축, 이동, 그리고 재분배 과정에서 점차 더 큰 역할을 수행함을 의미한다.

    본 연구는 미세플라스틱이 오염물질 이동의 중요한 매개체로 작용할 가능성을 강조하였다. 실외 미세플라스틱은 대기 환경에서 오염물질의 농축과 이동성을 높여 도심 대기질을 저하할 수 있는 잠재적 원인으로 부각된다. 따라서 미세플라스틱의 특성과 성상을 심층적으로 연구하고, 실외 환경에서 이들의 오염물질 운반 및 분포 메커니즘을 이해하는 것이 필수적이다. 이를 통해 미세플라스틱의 환경적 영향을 최소화하기 위한 규제 및 관리 방안을 마련하고, 대기질 개선을 위한 기술적 및 정책적 노력이 필요하다.

    감사의 글

    “이 연구는 정부(환경부)의 재원으로 한국환경산업기술원의 녹색융합기술특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행된 연구임”.

    <저자정보>

    강보경(석사과정 학생), 김대근(교수)

    Figure

    JOIE-23-4-410_F1.gif

    Distribution of microplastics in indoor and outdoor air (a), microplastics composition of outdoor air (b) and microplastics composition of indoor air. *PE: Polyethylene, PP: Polypropylene, PS: Polystyrene, PA: Polyamide, PET: Polyethylene Terephthalate, PAN: Polyacrylonitrile, PU:Polyurethane, PVC: Polyvinyl chloride, Nyl: Nylon, LDPE: Lowdensity polyethylene.

    JOIE-23-4-410_F2.gif

    Schematic diagram of the microplastic measurement and analysis process.

    Table

    Overview of indoor microplastics measurement and analysis methods

    Analytic methods for microplastics: advantages and disadvantages

    Types of microplastics and their adsorbed contaminants

    *PE: Polyethylene, PP: Polypropylene, PS: Polystyrene

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