<C7D1B8B2BFACB1B8BAB8B0EDBCAD2D C7C3B6F3BDBAC6BD20BFC0BFB020C7F6C8B2B0FA20B1D720C7D8B0E1C3A5BFA120B4EBC7D120B0FAC7D0B1E2BCFA20C1A4C3A52D2D2D BCF6C1A42E687770>

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3 위원장 김규원 ( 한국과학기술한림원정회원, 서울대학교명예교수 ) 위원계형산 ( 목원대학교교수 ) 김남득 ( 부산대학교교수 ) 손태권 ( 서울대학교선임연구원 ) 이현승 ( 서울대학교선임연구원 ) 정해영 ( 한국과학기술한림원정회원, 부산대학교교수 ) 홍수열 ( 자연순환사회경제연구소소장 )

4 요약문 연구과제명 국문 영문 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 연구책임자성명김규원한림원소속부의약학부플라스틱은경제성과사용의편리성으로다양한분야에소모용품과일회용품으로사용되고있어, 오늘날플라스틱이없는세상은상상하기가어렵다. 그러나플라스틱의장점으로일회용플라스틱제품이범람하게되었고, 사용후쉽고빠르게쓰레기로버려지게되었다. 이렇게버려지는일회용및소모용플라스틱때문에지구환경은많은위협을받고있는현실이다. 일반적으로플라스틱은사용후적절한회수 운반 처리를거쳐재사용, 재활용또는최종적으로열회수등을거쳐처리할수있는유용한자원이지만, 국내에서발생된후관리되는폐플라스틱의 5% 가매립, 34% 는소각되고있고수거되어재활용되는폐플라스틱은 61% 정도이다. 그러나플라스틱으로만들어진포장지, 완구, 식기, 의류등의소비재와산업부품, 수산업또는양식업과관련된제품등은각자의목적에맞게사용된후제대로수거되지못한채무분별하게버려지고있다. 이렇게관리되지못하고버려지는플라스틱은해양으로유입되는전체쓰레기의대부분을차지하는데, 전세계의해안쓰레기를수집하여조사한결과약 75% 가플라스틱류일정도로지구생태계는플라스틱에의해심각한위협을받고있다. 플라스틱쓰레기는금속, 목재등과같이인간의활동에의해소비되는다른물질들과달리자연상태에서완전히생분해되지못한다. 해양으로유입된플라스틱쓰레기는분해되지못한채장기간에걸쳐자외선에의한광분해와부식및풍화작용에의해 5mm 이하크기의미세플라스틱과이보다작은초미세플라스틱으로부서진다. 미세플라스틱은작은크기로인해수거가거의

5 불가능하여, 이미해양과연안뿐만아니라갯벌의퇴적물에서도발견되고있다. 또한육지와식수에서도미세플라스틱의검출이보고되고있어, 생태계에미세플라스틱이광범위하게오염되어있을것으로짐작이된다. 이러한미세플라스틱이해양생태계로편입되면서야기되는문제는매우심각하다. 바다표면에서플랑크톤을채취하여조사하였을때플랑크톤내에미세플라스틱이존재하는것이확인되고플랑크톤을먹이로하는무척추동물 ( 단각류, 따개비, 조개, 갯지렁이등 ) 과이를먹이로하는척추동물인어류에서도미세플라스틱이발견되고있어, 생물축적 (bioaccumulation) 과정을통한인체의미세플라스틱섭취에대한우려가점차확대되고있다. 미세플라스틱은그자체로도인체에위해성을나타날가능성이높을뿐만아니라, 플라스틱제조과정중에사용된중합체와첨가제는미세플라스틱으로부서지는동안용출될수가있다. 즉다양한플라스틱들은간독성, 신경독성, 면역독성, 기형유발등인체에독성물질로서작용할수있다. 뿐만아니라플라스틱의특성을구현하기위해사용되는가소제 ( 프탈레이트 ), 브롬화난연제 (BFRs), 비스페놀 A(Bisphenol A), 노닐페놀 (Nonylphenol) 등과같은플라스틱첨가제들도내분비계교란물질로서기형유발, 유전독성, 생식독성을일으킬수있으며, 발암성을가진다는보고도있다. 그리고플라스틱은일반적으로높은소수성 (hydrophobicity) 을가지고있어서, 소수성이강한잔류성유기오염물질 (Persistent organic pollutants, POPs) 에대해높은흡착특성을보인다. 또한크기가작아진미세플라스틱은큰플라스틱에비해표면적이커지기때문에주변해수중에존재하는 POPs를중량대비더많이흡착하게된다. 따라서, 미세플라스틱입자는주변해수에비해 POPs를 10 5 ~10 6 배의높은농도로축적할수있다. 이와같이플라스틱에흡착될수있는물질들은산업, 농업, 살충제등에널리사용되는 PCBs, DDT, 중금속등과같은소수성물질과플루오렌 (Fluorene), 플루오란테인 (Fluoranthene), 안트라센 (Anthracene), 벤조피렌 (Benzo(a)pyren) 등이있고, 이들미세플라스틱에흡착된독성물질들도신경독성, 면역독성, 유전독성, 신장독성, 암유발등

6 인체에미치는영향이심각하다. 이처럼미세플라스틱은그자체가독성물질로작용할뿐만아니라독성물질의전달자가될수가있다. 하지만, 현재미세플라스틱이얼마나인체에축적되고있는지, 어느정도섭취해야위험한지, 어떤기전으로위해성을나타내는지, 검출방법과기준조차마련되어있지않아미세플라스틱에대한연구가극히미진한실정이다. 플라스틱중높은독성과위해성을유발하는미세플라스틱문제를해결하기위해서는토양, 하천, 해양에산재된미세플라스틱의검출과수거뿐만아니라분해기술의연구가시급하다. 또한, 분해성플라스틱은물성의한계로인해사용범위가제한적이고, 제작비용이높다는단점이있다. 따라서플라스틱대체재기술이보편화되기전까지는합성플라스틱분해기술활용이증가하는플라스틱폐기물문제를대처하는데매우중요하다고할수있다. 분해기술은플라스틱분해능을가진미생물, 곤충등신규생물을동정하고, 분해능을확인하는연구와분해능을가진생물체내의플라스틱효소분해능을확인하고개량하는분야로진행되고있다. 특히, 극지방, 심해, 오지등다양한환경에서분해능을가진미생물의탐색과동정이이루어지고있다. 이처럼국외에서는세균, 방선균, 진균, 곤충에이르기까지플라스틱분해능을가진다양한생물종의연구가이루어지고있으며, 그분해기작및효소의규명을통해새로운합성플라스틱분해기술개발이활발히진행되고있다. 하지만국내에서는플라스틱분해효소인 PETase 변이효소연구결과를제외하면, 플라스틱분해기술연구가극히미미한실정이며, 개발된분해기술의실용화, 대량화등을위한연구인프라도매우부족하다. 또한, 합성플라스틱분해효소의대량생산을위해분해미생물의최적배양조건및배양기술연구와효소대량생산기술개발이필요하다. 그리고폐기장의특수한환경조건에서도안정적인효소의활성이유지되어야하고, 대량의플라스틱폐기물을신속하게처리할수있어야하기때문에대량플라스틱폐기물의신속한처리를위한효소효율성향상연구가진행되어야한다. 한편으로, 플라스틱분해능이있는미생물을살포하였을때생태계에미치는영향이나환경교란등부작용에대한연구도뒤따라야할것이다.

7 플라스틱쓰레기와미세플라스틱에의한생태계에대한위협이대두되면서, 기존의플라스틱을대체하기위한다양한해결방법들이모색되고있다. 그중에플라스틱의가공성, 내구성, 기계적성질을유지하면서추가로, 분해성이라는기능이부가되어미세플라스틱의발생없이자연분해가될수있는생분해성플라스틱의수요가증가하고, 이에따른개발연구역시빠른속도로확대되고있다. 초기분해성플라스틱의개발은기존의플라스틱에전분과같이자연적으로분해되는물질을혼합한생붕괴성플라스틱으로시작하였으나, 최근에는천연의식물자원을사용하고, 자연계내에서미생물에의해물과이산화탄소로완전히분해될수있는 2세대생분해성플라스틱이주류를이루고있다. 하지만, 플라스틱의물성, 제조단가측면에서기존석유기반플라스틱소재들에장점을갖지못하여활용성면에서많은제한이있는것또한사실이다. 현재실용화되고있는생분해플라스틱은지방족폴리에스테르및전분과지방족폴리에스테르를혼합한플라스틱들이고, 이중가장잘알려진 PLA, PHA, PBS에대한연구가활발하다. 따라서멀지않은미래에경제성과산업성, 그리고활용성이우수한바이오플라스틱소재들이시장에다수등장할것으로예측된다. 이처럼플라스틱오염문제, 특히미세플라스틱의문제를해결하기위한대체재개발을위한노력은생분해성플라스틱의개발에그칠것이아니라, 혁신적인대체소재물질의개발이이루어져야한다. 그리고이를활용하여지속가능한순환형플라스틱대체재의생산시스템이구축될수있도록중장기적인과학기술정책이필요한시점이다.

8 목차 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 목차 I. 플라스틱의종류와오염실태 1 1. 플라스틱개요 3 2. 플라스틱폐기물발생현황 플라스틱및미세플라스틱의환경오염실태 24 II. 미세플라스틱의독성및위해성현황 해양플라스틱쓰레기의종류및미세플라스틱성분 생태계에서의미세플라스틱 해양미세플라스틱의생태계위해성 미세플라스틱에의한생태계와인간의피해상황 플라스틱성분별독성및위해성 첨가제 (additives) 의독성및위해성 흡착성물질의독성및위해성 64 III. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 플라스틱분해미생물균주 플라스틱분해효소 플라스틱분해를위한미생물균주및효소연구의국내현황 113 IV. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 바이오플라스틱 분해성플라스틱 실용화단계의분해성플라스틱 국내외분해성플라스틱의기술개발동향 플라스틱대체재로서의바이오플라스틱의전망 143

9 목차 V. 결론 : 플라스틱문제에대한과학기술정책제안 미세플라스틱의검출과수거방안 미세플라스틱의인체독성및위해성해결방안 미세플라스틱의생분해방안 플라스틱대체재개발방안 156 표목차 < 표 1.1> 플라스틱종류별용도 6 < 표 1.2> 합성섬유종류별용도 7 < 표 1.3> 분해, 생분해, 퇴비화에대한용어정의 10 < 표 1.4> 년전세계플라스틱사용량 15 < 표 1.5> 2016년기준폐합성고분자화합물발생및처리현황 22 < 표 1.6> 2016년기준폐합성수지발생및처리현황 23 < 표 1.7> 2010년기준플라스틱폐기물해양유입상위 20개국가 27 < 표 2.1> 플라스틱의종류와밀도 38 < 표 3.1> 플라스틱분해세균 86 < 표 3.2> PET 를분해하는세균 89 < 표 3.3> 플라스틱을분해하는방선균 90 < 표 3.4> 플라스틱을분해하는진균 91 < 표 3.5> 추운환경에서플라스틱을분해하는능력을지닌해양미생물 94 < 표 3.6> 플라스틱표면에서발견된해양미생물 96 < 표 3.7> PHAs 분해미생물 98 < 표 3.8> PCL 분해미생물 99 < 표 3.9> PBSA 분해미생물 100 < 표 3.10> 생분해성플라스틱의효모에의한분해 100

10 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem < 표 3.11> 생분해성플라스틱의균류 (fungus) 에의한분해 101 < 표 3.12> C-C backbone을가진플라스틱을분해하는미생물의효소 105 < 표 3.13> PUR 을분해하는미생물의효소 107 < 표 3.14> PET 를분해하는미생물의효소 108 < 표 3.15> 이중효소반응계 109 < 표 3.16> 플라스틱분해에있어유용한 Pseudomonas sp. 유래효소 112 < 표 4.1> 바이오플라스틱의분류 128 < 표 4.2> 분해성플라스틱의용도및적용수지 133 < 표 4.3> 분해성플라스틱의분해형태별장단점 133 < 표 4.4> 의료용으로적용되는생화학적고분자 136 < 표 4.5> 국내의생분해성플라스틱 / 고분자산업현황 142 그림목차 < 그림 1.1> 고분자화합물의종류 4 < 그림 1.2> 합성고분자화합물제조과정 4 < 그림 1.3> 플라스틱종류구분 6 < 그림 1.4> 반 ( 半 ) 합성고분자섬유및필름의종류 8 < 그림 1.5> 화석연료 / 바이오매스플라스틱의재활용성과생분해가능성 9 < 그림 1.6> 바다에서발견되는플라스틱폐기물크기 12 < 그림 1.7> 년전세계용도별플라스틱사용량 14 < 그림 1.8> 년전세계재질별플라스틱사용량 14 < 그림 1.9> 2016년세계플라스틱원료생산량비율 16 < 그림 1.10> 국내합성고분자화합물원료생산및사용현황 17

11 목차 < 그림 1.11> 국내플라스틱 ( 합성수지 ) 원료생산및사용현황 17 < 그림 1.12> 국가별플라스틱원료사용량 18 < 그림 1.13> 플라스틱제품종류별수명분포함수 19 < 그림 1.14> 년전세계용도별플라스틱폐기물발생량 20 < 그림 1.15> 년전세계재질별플라스틱폐기물발생량 20 < 그림 1.16> 년플라스틱생산, 폐기물발생및처리량 21 < 그림 1.17> 년누적플라스틱폐기물발생및처리량 21 < 그림 1.18> 2016년기준폐합성고분자화합물처리현황 23 < 그림 1.19> 2010년기준해양으로유출되는플라스틱폐기물의양 26 < 그림 1.20> 전세계상위 10대강에서해양으로연간유입되는폐기물의양 28 < 그림 1.21> 4개지점 ( 지중해, 흑해, 발틱해, 북해 ) 해변폐기물모니터링결과 29 < 그림 1.22> 전세계해양내미세플라스틱상대분포추정 30 < 그림 1.23> 2016년국내해안폐기물모니터링결과 31 < 그림 2.1> 물벼룩내장에들어있는미세플라스틱 41 < 그림 2.2> 플라스틱해양쓰레기의크기에따른생물영향 45 < 그림 2.3> 먹이사슬을통한미세플라스틱의생체축적 49 < 그림 3.1> 미생물과플라스틱의상호작용 93 < 그림 3.2> 플라스틱의생분해과정 103 < 그림 3.3> 비정질및결정질영역 ( 회색영역 ) 을모두포함하는반결정질중합체 104 < 그림 3.4> Esterase, protease 그리고 urease에의한 PUR 결합의분해 106 < 그림 4.1> 바이오플라스틱의정의 127 < 그림 4.2> 다양한형태의생분해성플라스틱 (bio-based/biodegradable) 137

12 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 약어목차 ABS Acrylonitrile butadiene styrene 아크리로니트릴부타디엔스티렌 BA Benz(a)anthracene 벤즈안트라센 BBP Butyl benzyl phthalate 부틸벤질프탈레이트 BFRs Brominated flame retardants 브롬계난연제 BP Benzo(a)pyrene 벤조피렌 BPA Bisphenol A 비스페놀 A DBP Dibutyl phthalate 디부틸프탈레이트 DDE Dichlorodiphenyldichloroethylene 디클로로디페닐디클로로에틸렌 DDT Dichloro-Diphenyl-Trichloroethane 디클로로디페닐트리클로로에탄 DEHP Di(2-ethylhexyl) phthalate 디에틸헥실프탈레이트 DEP Diethyl phthalate 디에틸프탈레이트 DIBP Diisobutyl phthalate 디이소부틸프탈레이트 DIDP Diisodecyl phthalate 디이소데실프탈레이트 DINP Di-isononyl phthalate 디이소노닐프탈레이트 DNOP Di-n-octyl phthalate 디엔옥틸프탈레이트 DMP Dimethyl phthalate 디메틸프탈레이트 EP Epoxide 에폭사이드 EPS Expanded polystyrene 발포성폴리스티렌 GESAMP Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Environmental Protection 해양환경보호를위한전문가그룹 GPGP Great Pacific Garbage Patch 북태평양의거대한쓰레기구역 HDPE High-density polyethylene 고밀도폴리에틸렌 LDPE Low-density polyethylene 저밀도폴리에틸렌 LiP Lignin peroxidase 리그닌페록시다아제 LLDPE Linear low-density polyethylene 선형저밀도폴리에틸렌 LMWPE Low molecular weight polyethylene 저분자량폴리에틸렌

13 목차 MCL-PHA Medium chain length polyhydroxyalkanoates 중간사슬길이폴리하이드록시알카노에이트 MF Melamine-formaldehyde 멜라민수지 MnP Manganese peroxidase 망간페록시다아제 MHET Mono-2-hydroxyethyl terephthalate 메틸히드록시에틸테레프탈레이트 OECD Organization for Economic Co-operation and Development 경제협력개발기구 PAH Polynuclear Aromatic Hydrocarbon 다환방향족탄화수소 PA Polyamide 폴리아미드 PC Polycarbonate 폴리카보네이드 PAN Polyacrylonitrile 폴리아크릴로니트릴 PBAT Polybutyrate 폴리부티레이트 PBS Polybutylene succinate 폴리부틸렌숙시네이트 PBSA Polybutylene succinate adipate 폴리부틸렌숙시네이트아디페이트 PBTA Polybutylene terephthalate 폴리부틸렌테레프탈레이트 PCBs Polychlorinated biphenyls 폴리염화비페닐 PCL Polycaprolactone 폴리카프로락톤 PE Polyethylene 폴리에틸렌 PEF Polyethylene furanoate 폴리에틸렌퓨라노에이트 PEG Polyethylene glycol 폴리에틸렌글리콜 PES Polyethylene succinate 폴리에틸렌숙시네이트 PET Polyethylene terephthalate 폴리에틸렌테레프탈레이트 PFOA Perfluorooctanoic acid 퍼플루오로옥탄산염 PGA Polyglycolic acid 폴리글라이콜산 PHA Polyhydroxyalkanoate 폴리하이드록시알카노에이트 PHB Polyhydroxybutyrate 폴리하이드록시부티레이트 PHV Polyhydroxyvalerate 폴리하이드록시발레레이트 PHBV Poly(3- hydroxybutyrate-co-3 -hydroxyvalerate 폴리하이드록시부티레이트 - 코 - 하이드록시발레레이트 PLA Polylactic acid 폴리락트산 PMMA Polymethyl methacrylate 메타크릴수지 POPs Persistent organic pollutants 잔류성유기오염물질

14 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem PP Polypropylene 폴리프로필렌 PPA Polyphthalamide 폴리프탈아마이드 PS Polystyrene 폴리스티렌 PTFE Polytetrafluoroethylene 폴리테트라플루오로에틸렌 PVA Polyvinyl alcohol 폴리비닐알코올 PVC Polyvinyl chloride 폴리염화비닐 PVAc Polyvinyl acetate 폴리비닐아세테이트 PUR Polyurethane 폴리우레탄 RPF Refuse Plastic Fuel 폐플라스틱고형연료 RDF Refuse Derived Fuel 성형고체연료 SBR Styrene butadiene rubber 스티렌부타디엔고무 sp. Species 종 SRF Solid Refuse Fuel 고형폐기물연료 TDI Toluene diisocyanate 톨루엔디이소시안산 TPS Thermoplastic starch 열가소성전분 TPA Terephthalic acid 테레프탈산 UNEP United Nations Environment 유엔환경계획 Program UP Unsaturated polyester 불포화폴리에스테르 UV Ultraviolet 자외선 VCM Vinyl chloride monomer 염화비닐단량체

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16 Ⅰ 플라스틱의종류와오염실태

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18 Ⅰ 플라스틱의종류와오염실태 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 1. 플라스틱개요가. 플라스틱의정의 플라스틱 (plastic) 은그리스어플라스티코스 (plastikos) 에서유래한것으로, 조형이가능한 또는 금형으로가공이가능한 이라는의미를지니고있다 ( 진정일, 2013). 원하는모양으로가공이가능한물질을뜻하는것으로인류가오랫동안사용해왔던전통적인소재인돌, 나무, 금속, 유리에비해가공성이뛰어났기때문에이러한명칭이사용된것으로보인다. 플라스틱은탄화수소혹은바이오매스 (biomass) 1) 를원료로가공공정을거쳐제조한유기합성고분자화합물 (synthetic polymer) 2) 을통칭하는광의의개념으로사용되기도하고, 협의의개념으로합성고분자화합물중합성수지 (synthetic resin) 혹은합성수지와합성섬유만을지칭하는개념으로사용되기도한다. 해양의미세플라스틱오염등을지칭할경우플라스틱은합성수지와합성섬유를포괄하는개념으로사용되고있다. 3) 본보고서에서플라스틱은별도의언급이없을경우에는합성수지를지칭하는용어로사용하고, 합성수지와합성섬유, 합성고무를포괄할경우에는합성고분자화합물이라는용어를사용하도록한다 (< 그림 1.1> 참조 ). 1) 태양에너지를받은식물과미생물의광합성에의해생성되는식물체및균체와이를섭취하는동물체를포함하는생명체의양. 나무와농산물, 사료작물, 농산폐기물, 해양생물등에서추출된재생가능한재료로서에너지로의전환이가능한유기물질을말한다. 2) Polymer란분자량이큰 (poly) 개체 (mer) 란뜻이다. 3) 해양에서검출되는미세플라스틱종류로폴리에스테르섬유까지포괄하고있다. 3

19 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.1> 고분자화합물의종류 자료 : 강신호, 고분자화합물은분자량이 10,000 이상인화합물로서, 천연고분자화합물과합성고분자화합물로나눌수있다. 합성고분자화합물은합성수지, 합성섬유, 합성고무로세분된다. 현재우리가사용하는합성고분자화합물은대부분석유를원료로만든것으로석유를정제하는과정에서발생한나프타 ( 납사 ) 를분해하여에틸렌, 프로필렌등기초유분을생산한후중합반응등의공정을거쳐다양한합성고분자화합물을생산한다. 합성고분자화합물은각종생활용품에서부터컴퓨터, 자동차, 건설등에이르기까지다양한용도로사용되고있다 (< 그림 1.2> 참조 ). < 그림 1.2> 합성고분자화합물제조과정 자료 : 한국석유화학협회, 4

20 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 플라스틱은뛰어난기능성으로인해 신이내려준물질 혹은 기적의소재 라는찬사를들으며산업과생활의각분야에서기존의천연소재를대체하여광범위하게사용되고있으며, 사용범위와사용량이지속적으로확대되고있다. 인류의역사를석기시대, 청동기시대, 철기시대로구분한다면, 현대는플라스틱시대라고말할수있을정도로플라스틱은현대문명을지탱하는핵심소재로사용되고있다. 나. 플라스틱의종류플라스틱분자구조의핵심이되는탄소는화석연료혹은바이오매스로부터원료를조달하며, 분자의결합구조및성형가능성에따라열가소성플라스틱과열경화성플라스틱으로구분된다 (< 그림 1.3> 참조 ). 열가소성플라스틱은선형혹은가지형구조로결합력이약하기때문에열을가하면분자구조가변하면서쉽게변형이가능한반면, 열경화성수지는고분자사슬이교차하면서그물구조를이루기때문에열을가해도변형이일어나지않는다 (< 표 1.1> 참조 ). 열가소성플라스틱은폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE), 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP), 폴리스티렌 (Polystyrene, PS), 폴리카보네이트 (Polycarbonate, PC) 등으로써전세계에서생산된플라스틱의 91% 를차지하고있다 (CISION, 2015). 5

21 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.3> 플라스틱종류구분 자료 : UNEP, < 표 1.1> 플라스틱종류별용도 구분 종류 용도 PET 용기, 섬유, 카페트, 식품포장 HDPE 용기, 식품포장, 파이프, 장난감 PVC 창문틀, 장판, 파이프, 벽지, 용기, 의료용품 열가소성 LDPE 랩필름, 용기 PP 요구르트및마가린통, 자동차부품, 섬유, 우유통 PS 식품용기, 계란판, 1회용칼, 발포용기, 단열재 Others(PC 등 ) 다양한용도 UP 유리섬유강화플라스틱 열경화성 Epoxide 접착제, 스포츠장비, 전기및자동차부품 Phenolic resins 오븐, 토스트, 자동차부품, 인쇄회로기판 자료 : OECD,

22 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 섬유및로프용으로사용되는합성섬유는대부분폴리에스테르 (Polyester) 가차지하지만, 그외폴리아크릴로니트릴 (Polyacrylonitrile, PAN), 폴리아미드 (Polyamide, PA), 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP) 등이있다 (< 표1.2> 참조 ). 대부분의합성섬유는화석연료를원료로만들며, PET 섬유 ( 폴리에스테르섬유의한종류 ) 의경우에는 PET 수지로만들고있다 (UNEP, 2018). 전세계합성섬유시장에서폴리에스테르섬유의시장점유율이 83% 를차지하여압도적이며, 면섬유를대체하여생산량이증가하고있다 (UNEP, 2018). < 표 1.2> 합성섬유종류별용도 고분자 용도 Polyacrylonitrile PAN 보온의류, 방화복, 카페트, 인조모피, 붙임머리, 보호의류 Polyamide(aliphatic) PA 나일론 PA6, PA66 - 의류, 기타섬유, 로프, 낚싯줄 Polyamide(aromatic) PA 방탄복, 돛, 자전거타이어, 로프등 Polyester 의류, 기타섬유 Polyethylene terephthalate (polyester) PET 아웃도어의류, 기타섬유 Polypropylene PP 보온의류, 슬리핑백충전재 Polyether-polyurea Spandex 스포츠의류, 수영복, 속옷등 자료 : UNEP, 반 ( 半 ) 합성고분자섬유및필름 (Semi-synthetic fibers and films) 은바이오매스, 특히셀룰로오스를원료로하여만든고분자물질이다 (< 그림 1.4> 참조 ). 셀룰로오스는농업계폐기물, 우드칩, 대나무등을원료로만든것이다. 반 ( 半 ) 합성고분자 (semi-synthetic) 라는용어는바이오매스를원료로하여다양한화학적공정을사용하여만든것으로, 가황고무, 레이온섬유, 셀로판, 셀룰로오스아세테이트섬유및필름을포함한다 (UNEP, 2018). 이러한반 ( 半 ) 합성고분자는바이오매스를원료로하기때문에폐기물로배출될경우분해가가능하다는장점이있다고예상되었지만, 바다쓰레기모니터링결과에의하면레이온섬유및셀룰로오스아세테이트담배필터가그대로검출되고있어, 이들폐기물이자연환경에서분해되는것이한계가있다는것을보여준다 (UNEP, 2018). 7

23 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.4> 반 ( 半 ) 합성고분자섬유및필름의종류 자료 : UNEP, 바이오플라스틱 (bio-plastics) 은크게두가지종류로구분된다. 생분해플라스틱 (biodegradable plastics) 은미생물의분해작용에의해물과이산화탄소로분해 ( 호기성조건에서호기성분해 ) 되거나물과메탄으로분해 ( 혐기성조건에서혐기성분해 ) 될수있는플라스틱을말하며, 바이오매스를원료로하거나화석연료를원료로하여만들고있다. 바이오기반플라스틱 (bio-based plastics) 은사탕수수나사탕무, 옥수수, 감자, 곡물, 식물성기름등을원료로만들며, 바이오기반플라스틱중생분해가되지않는플라스틱도있다 (< 그림 1.5> 참조 ). 어떤종류의바이오기반플라스틱은화석연료로만든플라스틱과동일한화학적성질을가지고있기때문에화석연료로만드는플라스틱생산라인에서화석연료로만든플라스틱원료와혼합하거나대체할수있지만, 생분해는되지않는다. 바이오플라스틱은현재대략 21 종류가생산되고있거나개발중에있으며, 플라스틱시장에서시장점유율이 1% 미만에불과하고, 바이오플라스틱중생분해플라스틱의 8

24 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 비율은 23.2% 로서, 대부분바이오원료가첨가된 PET 혹은 PE 형태로생산되고있다 (OECD, 2018). < 그림 1.5> 화석연료 / 바이오매스플라스틱의재활용성과생분해가능성 자료 : OECD, 다. 플라스틱의분해모든플라스틱은유기성화합물이기때문에자연환경내에서분해가가능하지만, 통상적인화석연료로만든플라스틱의경우수백년이상의기간이필요하다. 따라서플라스틱종류중생분해플라스틱의구분및생분해플라스틱의재활용성을평가하기위해서는개념정의가필요하다. 분해는미생물뿐만아니라광분해 ( 자외선노출 ), 산화분해등과같이여러환경적요인의작용에의해플라스틱의색깔이변하거나작은파편으로쪼개지는것까지를포함하는것으로플라스틱이물과이산화탄소 / 메탄으로궁극적으로분해되는것만을의미하는것은아니다 (< 표 1.3> 참조 ). 생분해는정해진시간및조건 9

25 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 속에서분해가일어나는것을말하는것으로, 생분해성을측정할수있는보편적으로합의된기준은현재없으나, 퇴비화가능플라스틱에대해서대략 58±2 조건에서 6개월이내에중량기준으로최소 90% 이상이생분해가되어야하고, 12주이내에 2mm 미만으로쪼개져야하는것으로기준으로하고있다. 생분해조건을충족시킬경우에는퇴비화시설에서퇴비화방식으로재활용이가능할수있지만, 현실적으로현재상업적퇴비화시설의경우에경제성을확보하기위해서는퇴비화기간이 8주에불과하기때문에생분해플라스틱이퇴비화시설에서퇴비화로재활용이되는것은어려움이있을것으로예상된다 (OECD, 2018). < 표 1.3> 분해, 생분해, 퇴비화에대한용어정의 용어분해 (Degradation) 생분해 (Biodegradation) 퇴비화시설내퇴비화가능성 (Compostable-industrial) 가정에서퇴비화가능성 (Compostable-domestic) 정의자외선, 산화, 미생물, 온도등의복합적작용에의해부분혹은완전히분자구조가깨지는것을말함. 이용어는탈색, 표면균열, 파편으로쪼개지는것의의미까지포함미생물 ( 박테리아, 곰팡이 ) 에의한생물학적인과정을통해부분혹은완전히물과이산화탄소 / 메탄, 에너지, 새로운바이오매스로분해되는것을말함퇴비화공장에서특정조건과시간동안인위적으로높인온도에서생분해가가능한것을말함가정용퇴비화용기에서상온의낮은온도에서퇴비화가가능한것을말함 자료 : UNEP, 라. 미세플라스틱 (microplastics) 의정의본보고서에서는플라스틱오염에의한문제중최근생태계와인체에중대한위협이되고있는미세플라스틱에초점을맞추고, 그로인한문제점에대해현황을정리하고앞으로의대책을심도깊게모색하고자한다. 이번장에서미세플라스틱의발견과정의에대해간략히소개하고, 다음장에서 10

26 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 미세플라스틱의독성및위해성현황에대해자세하게다루도록한다. 바다표면을떠다니는작은플라스틱조각은 1970년대초반부터학계에보고되기시작하였으나, 2000년대초반까지는미세플라스틱에대한명확한정의는없었으며, 2000년대후반에기준이제시되었다. 통상적으로현미경으로관찰할수있는정도의크기를지칭하는용어로사용되었고, 밀리미터크기에서그이하의미세한크기까지의플라스틱조각을말하는것이었다 (GESAMP, 2015). 미세플라스틱 이라는용어는 2004년영국의 Thompson이현미경수준에서식별되는미세플라스틱의양이해양환경에서증가하고있다는연구결과를 Science 지에발표하면서처음으로사용되기시작하였다 (Thompson et al., 2004). 미세플라스틱크기에대한정의는 2008년미국해양대기청 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 에서주최한바다미세플라스틱영향에대한국제워크숍에서처음으로논의되었으며, 생물군에의해쉽게섭취될수있고, 다양하게생태계에위협을가할수있는플라스틱조각크기의기준으로 5mm 미만이채택되었다 (GESAMP, 2015) 4) (< 그림 1.6> 참조 ). 해양플라스틱폐기물은 1미터가넘는대형크기에서나노미터단위의미세한크기까지다양하다. 밧줄, 그물, 비닐봉투와같이크기가큰플라스틱폐기물은대형해양생물이먹거나그물에걸려서죽게만드는피해를야기하는반면, 크기가작은플라스틱폐기물은주로해양생물들이섭취를통해생태계먹이사슬을따라광범위한피해를야기할수있다. 4) 미세플라스틱크기기준에대해서학술적으로엄격한기준을설정하기어렵기때문에실용적 (pragmatic) 관점에서임의적 (arbitrary) 으로설정되었다. (GESAMP, 2016 ; UNEP, 2018) 11

27 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.6> 바다에서발견되는플라스틱폐기물크기 자료 : GESAMP, 미세플라스틱은발생기인 (origin) 에따라 1차미세플라스틱 (primary microplatics) 과 2차미세플라스틱 (secondary microplastics) 으로구분된다. 1차미세플라스틱은세정용으로사용되는알갱이, 플라스틱성형에사용되는플라스틱분말, 화장품에사용되는마이크로비드, 산업용으로다양하게사용되는나노입자들, 플라스틱제품의원료가되는펠렛을말한다 (GESAMP, 2015). 2차미세플라스틱은플라스틱이환경에노출되면서작은입자로쪼개진것을말하며, 플라스틱폐기물이환경에노출되었을때햇빛, 미생물등의작용에의해쪼개지면서발생한다 (GESAMP, 2015). 12

28 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 2. 플라스틱폐기물발생현황가. 플라스틱생산량 1) 전세계플라스틱생산현황전세계플라스틱생산량은 1950년연간 2백만톤에서 2015년 407백만톤 5) 으로 65년동안 2백배이상증가하였다. 플라스틱의용도별사용량 (2002~2014년) 을보면포장용으로가장많이사용 (45%) 되고있으며, 그다음으로건축용 (19%), 소비재제품 (12%) 순으로많이사용되고있다 (< 그림 1.7> 참조 ). 플라스틱의재질별사용량 (2002~2014년) 을보면 PE(36%), PP(21%), PVC(12%), PET(10%) 순으로사용되고있다 (Geyer et al., 2017) (< 그림 1.8>, < 표 1.4> 참조 ). 현재의추세대로라면 2050년이되면플라스틱생산량은 1,503백만톤 6) 이될것으로보고있다. 2015년기준으로전세계석유소비의 6% 가플라스틱생산에사용되고있지만, 2050년이되면 20% 가사용될것으로예상이된다. 따라서현재전세계탄소배출량의 1% 가플라스틱생산및소비로인한것이지만, 2050년이되면 20% 로증가할것으로예상이된다 (World Economic Forum, 2016). 5) 플라스틱원료 (resin) 생산량은 2015년기준으로연간 381백만톤이지만, 첨가제사용량 ( 약 7%) 까지포함한플라스틱생산량은 407백만톤이다. 6) 플라스틱원료생산량기준이며, 첨가제사용까지포함한플라스틱생산량은이보다많다. 13

29 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.7> 년전세계용도별플라스틱사용량 자료 : Geyer et al., < 그림 1.8> 년전세계재질별플라스틱사용량 자료 : Geyer et al.,

30 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 < 표 1.4> 년전세계플라스틱사용량 시장분야 LDPE, LLDPE HDPE PP PS PVC PET PUR 기타합계 수송 0.1% 0.8% 2.6% 0.0% 0.3% 0.0% 1.6% 1.4% 6.7% 포장 13.5% 9.3% 8.2% 2.3% 0.9% 10.1% 0.2% 0.1% 44.8% 건물및건설 1.1% 3.3% 1.2% 2.2% 8.1% 0.0% 2.4% 0.5% 18.8% 전기 / 전자 0.5% 0.2% 0.9% 0.6% 0.4% 0.0% 0.4% 1.0% 3.8% 소비자제품 2.9% 1.7% 3.8% 1.8% 0.6% 0.0% 1.0% 0.2% 11.9% 산업기계 0.2% 0.1% 0.2% 0.0% 0.0% 0.0% 0.3% 0.0% 0.8% 기타 1.7% 0.9% 4.2% 0.7% 1.4% 0.0% 2.5% 1.7% 13.2% 합계 20.0% 16.3% 21.0% 7.6% 11.8% 10.2% 8.2% 4.9% 100.0% 자료 : Geyer et al., 년기준지역별플라스틱원료생산현황을보면, 아시아지역에서전세계생산량의 50% 를차지하고있으며, 특히중국이전세계생산량의 29% 를생산하고있다 (< 그림 1.9> 참조 ). 플라스틱원료생산량은중국및기타아시아지역에서지난 10년동안지속적으로증가하였으며, 유럽및북미지역은 2008~2009년경제위기로인해생산량이급격하게감소한후현재경제위기전수준으로회복한상황이다 (PlasticsEurope, 2017 ; OECD, 2018). 15

31 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.9> 2016 년세계플라스틱원료생산량비율 주 : 열가소성수지및폴리우레탄수지만을대상으로집계 자료 : PlasticsEurope, ) 국내플라스틱생산및사용현황국내합성고분자화합물원료사용량은 2016년기준으로 11.2백만톤이며, 이중플라스틱 ( 합성수지 ) 원료사용량은 6.2백만톤이다 ( 한국석유화학협회, 2017) (< 그림1.10>, < 그림 1.11> 참조 ). 국내합성고분자화합물원료소비량은전세계사용량의약 3% 를차지하고있다 (< 그림 1.11>, < 그림 1.12> 참조 ). 16

32 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 < 그림 1.10> 국내합성고분자화합물원료생산및사용현황 자료 : 한국석유화학협회, < 그림 1.11> 국내플라스틱 ( 합성수지 ) 원료생산및사용현황 자료 : 한국석유화학협회,

33 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 2015년기준으로국내 1인당연간플라스틱원료소비량은 132.7kg으로세계최고수준 (EUROMAP, 2016) 이지만, 이것은국민 1인당최종플라스틱제품의소비량을의미하는것이아니라플라스틱원료를사용하는생산자의원료소비량을말한다 (< 그림 1.12> 참조 ). 플라스틱원료로플라스틱최종제품 ( 플라스틱제품, 자동차, 전자제품등 ) 을생산한후수출하는양이많기때문에이를감안하면플라스틱최종제품이국내에서소비되는양은미국, 일본등과비교하여높지는않을것으로판단된다. < 그림 1.12> 국가별플라스틱원료사용량 자료 : EUROMAP, 나. 플라스틱폐기물발생현황 Geyer et al.(2017) 은 1950년부터 2015년까지플라스틱생산량과플라스틱제품용도별수명분포함수를이용하여플라스틱폐기물발생량을추정하였다 (< 그림 1.13> 참조 ). 포장재로사용되는경우에는 1년이내에소비되기때문에연간생산량을폐기물발생량으로볼수있지만, 건축용제품과같이수십년이상사용되는내구재의경우에는수명분포함수를이용하여폐기물발생량을추정하고있다. 18

34 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 < 그림 1.13> 플라스틱제품종류별수명분포함수 자료 : Geyer et al., Geyer et al.(2017) 의연구결과에따르면 2015년기준으로전세계플라스틱폐기물발생량은 302백만톤으로, 전세계폐기물발생량 (70~100억톤 ) 의약 3~4% 를차지하고있다 (OECD, 2018). 2015년플라스틱폐기물발생량중포장재폐기물발생량이 47% 로가장많고, 섬유폐기물이 14%, 기타 13%, 건설폐기물이 12% 를차지하고있으며 (< 그림 1.14> 참조 ), 재질별로는 PE가 32% 로가장많고, PP가 18%, PPA 섬유가 14%, PET가 11% 순으로많다 (Geyer et al., 2017) (< 그림 1.15> 참조 ). 2015년까지 8,300백만톤의플라스틱이생산되었고, 이중 5,800백만톤이폐기물로배출되었다 (< 그림 1.16> 참조 ). 플라스틱폐기물중 4,600백만톤은바로매립혹은투기되었고, 700백만톤은소각되었고, 500백만톤은재활용되었다. 재활용된양중 100만톤은다시한번재활용이되었고, 300백만톤은매립혹은투기되었고, 100백만톤은소각되었다. 재활용이된후다시재활용되거나소각혹은매립된양까지포함할경우플라스틱폐기물발생량은 6,300백만톤이며, 이중 600백만톤이재활용되었고, 4,900백만톤이매립혹은투기되었고, 800백만톤이소각되었다. 현추세대로갈경우 2050년까지소각되는양은 12,000백만톤, 매립혹은투기되는양은 12,000백만톤, 재활용되는양은 9,000백만톤이될것으로예상된다 (Geyer et al., 2017) (< 그림 1.17> 참조 ). 19

35 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.14> 년전세계용도별플라스틱폐기물발생량 자료 : Geyer et al., < 그림 1.15> 년전세계재질별플라스틱폐기물발생량 자료 : Geyer et al.,

36 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 < 그림 1.16> 년플라스틱생산, 폐기물발생및처리량 ( 단위 : 백만톤 ) 자료 : Geyer et al., < 그림 1.17> 년누적플라스틱폐기물발생및처리량 ( 단위 : 백만톤 ) 자료 : Geyer et al.,

37 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 국내폐기물통계에따르면 2016년기준으로폐합성고분자화합물의발생량은연간약 1,000만톤이다 (< 표 1.5> 참조 ). 이중폐합성수지발생량은 7백만톤으로폐합성고분자화합물의약 70% 를차지하고있다 (< 표 1.6> 참조 ). 연간발생하는폐합성고분자화합물중 1백만톤은매립되고있고, 4백만톤은소각되고있으며, 5백만톤은재활용되고있다 (< 표 1.5> 참조 ). 재활용량중 1.5백만톤은물질로재활용되고있으며, 3.3백만톤은에너지로회수되고있다 (< 그림 1.18> 참조 ). 불법으로처리되는양과환경에투기되는양도있을것으로보이지만, 정확한양에대해서는파악할수없는실정이다. < 표 1.5> 2016년기준폐합성고분자화합물발생및처리현황구분생활폐기물사업장폐기물건설폐기물합계 ( 단위 : 톤 / 년 ) 매립 977,689 35,369 5,694 1,018,752 소각 2,464,590 1,355, ,813 4,066,429 소계 1,725,179 2,987, ,991 4,982,294 재활용 종량제 689,303 필름류 622,258 플라스틱 413, 합계 5,167,458 4,377, ,498 10,067,475 주 : 1) 생활폐기물재활용중종량제는종량제봉투로배출된고무피혁류와플라스틱류중재활용된양을말하며, 필름류와플라스틱은재활용품으로분리배출된양을말함 2) 사업장폐기물은폐합성고분자화합물 ( 폐섬유류, 폐합성수지, 폐합성고무, 폐피혁 ) 의매립, 소각, 재활용양을말함 3) 건설폐기물은폐합성수지및폐섬유의매립, 소각, 재활용양을말함자료 : 환경부,

38 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 < 표 1.6> 2016년기준폐합성수지발생및처리현황구분생활폐기물사업장폐기물건설폐기물합계 ( 단위 : 톤 / 년 ) 매립 329,084 31,354 4, ,928 소각 902,937 1,274, ,295 2,421,265 소계 1,379,591 2,669, ,589 4,318,681 재활용 종량제 342,005 필름류 623, 플라스틱 413,618 합계 2,611,612 3,974, ,374 7,104,874 주 : 1) 생활폐기물재활용중종량제는종량제봉투로배출된고무피혁류와플라스틱류중재활용된양을말하며, 필름류 와플라스틱은재활용품으로분리배출된양을말함 2) 사업장폐기물은폐합성고분자화합물 ( 폐섬유류, 폐합성수지, 폐합성고무, 폐피혁 ) 의매립, 소각, 재활용양을말함 3) 건설폐기물은폐합성수지및폐섬유의매립, 소각, 재활용양을말함 자료 : 환경부, < 그림 1.18> 2016 년기준폐합성고분자화합물처리현황 주 : 1) 폐합성고분자화합물의발생량, 매립및재활용, 소각량은 2016년기준환경부통계자료 ( 환경부, 2017). 다만생활폐기물, 가연성폐기물중기타폐기물, 건설폐기물중혼합건설폐기물은반영하지않음 2) 수출량은 2015년기준올바로시스템의수출입폐기물포탈시스템통계자료 ( 3) 시멘트소성로투입량은 2016년기준한국시멘트협회통계자료로폐타이어 ( 국내수집 ) 가포함된양 4) 폐기물고형연료폐기물반입량은 2016년기준한국환경공단통계자료 ( 한국환경공단, 2018) 5) 소각열에너지폐기물반입량은 2016년기준환경부내부집계자료 ( 총반입량 715,506톤중폐합성수지, 폐고무, 폐섬유반입량만을별도집계 ) 23

39 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 3. 플라스틱및미세플라스틱의환경오염실태가. 개요 플라스틱과관련된환경문제는생산단계, 소비단계, 폐기단계로구분되어각단계별로쟁점이되고있으며, 단계별로살펴보면다음과같다. 플라스틱생산과관련한환경및인체유해성과관련한영향을정리한보고서에따르면강화플라스틱제조업체에서스티렌단량체 (Styrene monomer) 에노출된노동자의암발생률증가사례가보고된바가있으며, 염화비닐단량체 (Vinyl chloride monomer, VCM) 공장의노동자들이 VCM 질병이라불리는유전독성, 간암, 신경장애에걸린사례가보고된바도있다. 또한자동차용플라스틱생산공장의노동자들은사출성형과정에서발생하는스프레이와증기에노출되고있으며, 이산업에종사하고있는북미지역의여성노동자들중비정상적으로높은유방암발병및생식장애가보고되고있다 (UNEP, 2018). 플라스틱소비와관련된인체유해성논란은플라스틱에가소제등첨가제로사용되는프탈레이트 (Phthalates), 노닐페놀 (Nonylphenol), 비스페놀A(BPA), 브롬계난연제 (BFR) 등이원인이될것으로보인다. 이들첨가제는환경호르몬이라고불리는내분비계교란물질혹은발암물질 (Carcinogenic) 로확정이되거나논란중에있기때문이다. 내분비계교란물질이유방암, 당뇨병, 대사증후군, 심혈관및생식장애와연관이있다는역학조사결과가있고, 산모의내분비계시스템에도영향을미쳐태아의뇌발달에이상을초래할수있다. 임신기간중특정프탈레이트에노출될경우남자아기의신경활동장애와연관이있다는연구결과도있다 (UNEP, 2018). 플라스틱폐기단계에서는플라스틱폐기물을처리하는가장보편적인방법은매립혹은소각, 재활용인데, 이단계에서도환경문제가야기된다. 즉, 매립의경우장기간에걸쳐땅속에서플라스틱이분해되면서매립가스발생및첨가제등의화학물질이침출수로유출될수있는문제가있다. 소각의경우에는연소되면서연소가스를통해오염물질이대기중으로유출될수있다. 재활용의경우에도재활용산업에종사하는노동자들이플라스틱을용융하는과정에서 24

40 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 발생하는유해물질에노출될수있다. 플라스틱과관련된이상의환경문제는수십년동안이미많은논의및연구가축적된문제들로서, 플라스틱내인체유해를야기할수있는첨가제는일부사용금지가되고있거나대체물질이개발되고있다. 또한작업장내의환경문제나폐기물을처리하는과정에서발생하는문제에대해서도오염방지시설의개선및기준의강화등을통한해결이시도되고있다. 이외에플라스틱과관련하여최근에새롭게부각되고있는환경문제는해양플라스틱폐기물및미세플라스틱문제이다. 초기에는환경에투기된플라스틱폐기물이바다로유출되어바다표면을떠돌면서해양생물의피해를야기하는문제가부각되었으나, 점차연구가진행되면서작은조각으로쪼개진미세플라스틱이생태계먹이사슬을따라생체조직에광범위하게축적되고있고, 인체이상을일으킬수있다는사실이알려지면서문제의심각성이드러나고있다. 해양을비롯하여환경에광범위하게투기된플라스틱폐기물은미세화가진행되면서인간이기술적으로관리할수있는범위를넘어섰기때문에기존의방법으로는대응하기어려운상황이다. 따라서플라스틱오염실태와관련하여본보고서에서는기존의플라스틱오염문제보다는새롭게국제적인환경문제로대두되고있는해양플라스틱오염및미세플라스틱문제와관련하여국내외실태를집중적으로살펴보고자한다. 나. 국외플라스틱및미세플라스틱의오염실태 Jambeck et al.(2015) 의연구에의하면 2010년기준으로해양으로유입되는플라스틱폐기물의양이 4.8백만 ~12.7백만톤에달하는것으로추정하였다. 바다와접하고있는 192개해안가에서 50킬로미터이내의주거지역에서발생하는플라스틱폐기물의양이 99.5백만톤이며, 이중 31.9백만톤이제대로관리되지않고투기되고있는폐기물이며, 이중 4.8백만톤에서 12.7백만톤이해양으로유입되고있다고추정하였다. 연간해양으로유입되는플라스틱 25

41 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 폐기물의양은 192개국가에서발생하는플라스틱폐기물총량의 1.7%~4.6% 를차지하는양이다. 해양으로유입되는플라스틱폐기물상위 20개국가를보면, 중국이압도적으로많고, 중국을비롯하여인도네시아, 필리핀, 베트남, 스리랑카등동남아시아국가가상위 5위까지차지하고있다 (< 그림 1.19>, < 표 1.7> 참조 ). Schmidt et al.(2017) 은전세계 10개의큰강을대상으로강에서해양으로유입되는플라스틱폐기물의양을추정하였는데, 중국의양자강을통해해양으로연간유입되는폐기물의양이약 1.5백만톤으로나머지 9개강에서유입되는양보다 3배이상많은것으로나타났다 (< 그림 1.20> 참조 ). < 그림 1.19> 2010 년기준해양으로유출되는플라스틱폐기물의양 자료 : Jambeck et al.,

42 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 < 표 1.7> 2010 년기준플라스틱폐기물해양유입상위 20 개국가 순위국가 해안가거주인구 ( 백만명 ) 폐기물발생원 (kg/ 인 일 ) 플라스틱폐기물비율 (%) 투기되는폐기물비율 (%) 투기되는플라스틱폐기물 ( 백만톤 / 년 ) 투기되는플라스틱폐기물비율 (%) 해양유입플라스틱폐기물 ( 백만톤 / 년 ) 1 중국 인도네시아 필리핀 베트남 스리랑카 태국 이집트 말레이시아 나이지리아 방글라데시 남아프리카 인도 알제리 터키 파키스탄 브라질 버마 모로코 북한 미국 자료 : Geyer et al.,

43 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.20> 전세계상위 10 대강에서해양으로연간유입되는폐기물의양 자료 : Schmidt et al., 플라스틱폐기물로인한해양오염에관한자료는시민모니터링활동에서부터과학적조사에이르기까지다양하지만, 조사방법이상이하기때문에결과비교및해석의어려움이있다. 이러한한계를고려하여, 유사한모니터링방법을적용하여조사한 4개지점 ( 바르셀로나-지중해, 콘스탄타-흑해, 리가-발틱해, 오스텐데-북해 ) 의결과를보면다음과같다 (< 그림 1.21> 참조 ). 해변가의경우 1회용플라스틱소비재제품 ( 플라스틱포장재등 ) 의비율이전체플라스틱폐기물의 54~59% 에달할정도로압도적으로높다. 영국이나중국등의조사결과에서도플라스틱폐기물의비율이매우높은데비해, 중국의경우에는양식장에서사용되는스티로폼부표의비율이매우높게나타나는것이특징이다 (UNEP, 2018). 28

44 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 < 그림 1.21> 4 개지점 ( 지중해, 흑해, 발틱해, 북해 ) 해변폐기물모니터링결과 자료 : UNEP, 해양으로유입된폐기물은연안지역의플라스틱폐기물오염도를높이지만, 해류를따라떠돌면서전세계해양을오염시키고있다. 특히비중이가벼운플라스틱폐기물 ( 비중 1 미만의 PE, PP, EPS 등재질의플라스틱폐기물 ) 의경우에는바다표면을떠다니면서파편화되어미세플라스틱문제를야기하고있다. 해안가에서해양으로플라스틱폐기물을대량으로배출하는중국및동남아시아국가연안의경우에는미세플라스틱의농도가가장높은고위험군에속한다 (< 그림 1.22> 참조 ). 육상에서배출된플라스틱폐기물은해류를따라순환하면서해양의미세플라스틱의농도를높일뿐만아니라확산시키기도한다 (GESAMP, 2015). 북태평양지대에형성되어있는거대한폐기물지대 ( 해양내플라스틱폐기물밀도가높은지대, Great Pacific Garbage Patch, GPGP) 는면적이 160만km2로대한민국의약 16배이며, 8만톤의플라스틱폐기물이있고, 1.8조개의미세플라스틱이떠돌고있는것으로추정된다 (Lebreton et al., 2018). 29

45 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 그림 1.22> 전세계해양내미세플라스틱상대분포추정 자료 : GESAMP, 민간단체인 Orb Madia가 2017년세계주요권역별로 14개의나라를임의로선정하여 159개지역수돗물속미세플라스틱을조사한결과, 전체 83% 에서미세플라스틱이검출되었다. 미국은 94%, 레바논은 90% 이상이오염된것으로확인되었다 (Orb Media 홈페이지 ). 수돗물뿐만아니라, 병에들어판매되는생수에서도미세플라스틱이발견되었으며, 일회용및 PET로만든재사용병과유리병에서미세플라스틱이발견되었다 (Oßmann et al., 2018). 유럽에서는농업비료로사용하기위해퇴비와저온살균처리슬러지를사용하고있는데, 하수슬러지에서플라스틱으로제조된개인위생용품과가정용품에서유래된미세플라스틱, 합성섬유등이발견되었다는보고가있다. 육상에서도플라스틱폐기물의매립에의한토양오염뿐만아니라, 미세플라스틱을포함한비료에의한농지오염이일어나고있으며, 실제하수슬러지를비료로사용한토양에서미세플라스틱의농도가높다고보고되고있다 (Zubris et al., 2005). 30

46 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 다. 국내플라스틱및미세플라스틱의오염실태우리나라의해안폐기물모니터링결과에따르면, 플라스틱류가 56% 를차지하고, 항목별로보면페트병과비닐봉투, 마개, 밧줄, 스티로폼부표등이비율이높은것으로나타났다 ( 이종명, 2018) (< 그림 1.23> 참조 ). < 그림 1.23> 2016 년국내해안폐기물모니터링결과 자료 : 이종명, 한국해양과학기술원 (Korean Institute of Ocean Science & Technology, KIOST) 은낙동강하구와인접한거제동부의내 외해역의 21개정점에서해수표면의미세플라스틱의분포를조사하였고, 전국 18개해변가의미세플라스틱분포를조사하였다. 조사결과해수표면의미세플라스틱분포의경우거제동부연안의풍도 (abundance) 가외국의결과와비교했을때유사하거나상대적으로높은값을보였다. 7) 18개해변의플라스틱폐기물분포의경우중대형플라스틱폐기물은외국과비슷하였지만, 소형플라스틱폐기물의풍도는매우높은수준으로나타났다. 이것은다른플라스틱에비해파편화가매우잘되는어업용의스티로폼입자에의한영향으로나타났다. 따라서해양으로 7) 다만이결과는지역별차이보다는시료채취방법차이에따른것일수있다. 31

47 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 배출되는스티로폼을수거하지않는한풍화를통해끊임없이파편화될수있기때문에새로운스티로폼폐기물의유입을완전차단한다고하더라도환경중의미세플라스틱은지속적으로증가할것으로예상된다 ( 한국해양과학기술원, 2015). 한국해양과학기술원의국내패류내미세플라스틱잔류실태결과에따르면, 굴에서 0.07±0.31개 /g, 담치에서 0.12±0.10개 /g, 바지락에서 0.34±0.31개 /g, 가리비에서 0.08±0.08개 /g이검출되었으며, 바지락이다른 3종의패류에비해유의미하게높은값을보였다. 검출된미세플라스틱은폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 4종이었다. 이번조사결과는국외에서보고된값보다는상대적으로낮은값을보였다. 패류 4종의체내에함유된미세플라스틱양과최근 3년간 (2013~2015년) 국민 2만여명을대상으로한건강영양조사상의 4종의패류평균섭취량을종합하면패류 4종을통한 1인당연간미세플라스틱섭취량은 212개로산정되었다 ( 한국해양과학기술원, 2017). 환경부의수돗물미세플라스틱실태조사결과에의하면국내정수과정을거치지않은원수 12곳중에서인천수산정수장 1곳의원수에서 1리터당 1개의미세플라스틱이검출되었고, 24개정수장중서울영등포, 인천수산, 용인수지등 3개정수장의정수과정을거친수돗물에서 1리터당각각 0.4개, 0.6개, 0.2개의미세플라스틱이검출되었다 ( 환경부보도자료, 2017). 해양수산부가목포대에의뢰하여 2017년부터 2018년초까지국내에시판중인천일염내미세플라스틱잔류실태를조사한결과에따르면조사대상 6개천일염에서모두미세플라스틱이검출되었다. 프랑스산천일염에서는 100g당최대 242개, 중국산천일염에서는 17개, 국내산천일염에서는 28개가검출되었다 (MBC 뉴스데스크, 2018년 9월 3일보도 ). 32

48 Ⅰ. 플라스틱의종류와오염실태 참고문헌 강신호 (2018), 플라스틱, 어떻게할것인가, 제5차시민정책포럼, 환경정의연구소, 한반도발전연구원, 녹색전환연구소, 시민환경연구소. 나근배 (2011), 플라스틱바로알기, ( 사 ) 한국플라스틱포장용기협회. 미셰리발 (2013), 역사상가장위대한발명 150, 예담. 이종명 (2018), 해양쓰레기현황과대응과제, 해수욕장이용문화개선토론회, 해양수산부, 해양환경공단. 진정일 (2013), 우리는지금플라스틱시대에살고있다, GS칼텍스미디어허브. 한국석유화학협회 (2017), 2017 석유화학편람. 한국해양과학기술원 (2015), 미세플라스틱에의한연안환경오염연구. 한국해양과학기술원 (2017), 미세플라스틱식품안전관리방안연구. 한국환경공단 (2018), 고형연료제품제조 사용 수입실적현황. 환경부 (2017a), 2016 년전국폐기물발생및처리현황. 환경부 (2017b), 수돗물중미세플라스틱함유실태조사결과 ( 환경부보도자료 ). CISION(2015). Global Thermosetting Plastics Market - Segment by type, Industry and Geography - Trends and Forcasts. EUROMAP(2016). Plastics Resin Production and Consumption in 63 Countries Worldwide. Geyer, R., Jambeck, JR.. & Law, KL.(2017). Production, use, and fate of all plastics ever made, Science Advance, Vol.3 No.7, e , pp. 1~5. GESAMP(2015). Sources, fate and effects of microplastics in the marine environment: a global assessment. Jambeck, JR., Geyer, R., Wilcox, C., Siegler, TR., Perryman. M., Andrady, A., Narayan, R. & Law, KL.(2015). Marine pollution. Plastic waste inputs from land into the ocean, Science, Vol.347 No.6223, pp. 768~771. Lebreton, L., Slat, B., Ferrari, F., Sainte-Rose, B., Aitken, J., Marthouse, R., Hajbane, 33

49 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 S., Cunsolo, S., Schwarz, A., Levivier, A., Noble, K., Debeljak, P., Maral, H., Schoeneich-Argent, R., Brambini, R. & Reisser, J.(2018). Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumulating plastic, Scientific Reports, Vol.8 No.1, pp. 1~15. OECD(2018). Improving Markets for Recycled Plastics. Oßmann, BE., Sarau, G., Holtmannspötter, H., Pischetsrieder, M., Christiansen, SH. & Dicke, W.(2018). Small-sized microplastics and pigmented particles in bottled mineral water, Water Research, Vol.141, pp PlasticsEurope(2017). Plastics-the facts 2017, An analysis of European plastics production, demand and waste data. Schmidt, C., Krauth, T. & Wagner. S.(2017). Export of Plastic Debris by Rivers into the Sea, Environmental Science & Technology. Thompson, RC., Olsen, Y., Mitchell, RP., Davis, A., Rowland, SJ., John, AWG., McGonigle, D. & Russell, AE.(2004). Lost at see: Where is all the plastic?, Science, Vol.304, pp. 838~838. UNEP(2018). Exploring the potential for adopting alternative materials to reduce marine plastic litter. World Economic Forum(2016), The New Plastics Economy Rethinking the future of plastics. Zubris KA V. & Richards, BK.(2005). "Synthetic fibers as an indicator of land application of sludge, Environmental Pollution, Vol.138 No.2, pp. 201~

50 Ⅱ 미세플라스틱의독성및위해성현황

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52 Ⅱ 미세플라스틱의독성및위해성현황 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 1. 해양플라스틱쓰레기의종류및미세플라스틱성분 해양으로유입되는쓰레기의종류는매우다양하지만플라스틱류가주를이루고있고, 9개북동대서양국가를포함하여전세계의해안에버려진쓰레기를수집하여조사한결과, 수집된쓰레기의약 75% 가플라스틱류로조사되었다 (OSPAR Commission, 2007). 해양플라스틱쓰레기들은주로비닐봉투, 식품포장지, 컵, 플라스틱패트병, 풍선및산업관련부품, 수산업또는양식업과관련된제품과같은소비재들이다 (Gold et al., 2013). 플라스틱쓰레기가바다로유입되면해류와바람에의해장거리를이동하다가해류와바람이약해지는 5개특정지역 (gyre) 에모이게된다. 특히북태평양의쓰레기지역 [North Pacific Gyre 혹은 Great Pacific Garbage Patch(GPGP)] 의면적은약 160만km2로보고되고있다. 놀랍게도플라스틱쓰레기는바다표면뿐만아니라해저퇴적물과해변모래사장등전세계바다전체에분포하고있고, 또플라스틱제조에사용된재료들인폴리머의종류도아주다양하다 (< 표 2.1> 참조 ). 이러한플라스틱재료들이미세플라스틱의주성분이된다. 37

53 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 2.1> 플라스틱의종류와밀도 폴리머종류 밀도 (g/ml) 비고 Polyolefins Polypropylene(PP) 0.90 부유성해양폐기물의 80-90% Polyethylene(PE, LDPE, HDPE) 부유성해양폐기물의 5-15% Polystyrene(PS) 1.05 폼 (foam) 형태로확장 ( 예, 스티로폼 ) Acrylonitrile-butadiene-styrene(ABS) 1.07 Nylon 1.09 Polycarbonate 1.36 Cellulose acetate 1.42 Polyvinyl chloride(pvc) 1.4 Polyethylene terephthalate(pet) 1.55 음료수병 주 : 1) 플라스틱의밀도는가공조건에따라달라질수있음 2) 해수의밀도 : 온도와염도에따라보통약 g/mL 자료 : Engler, 플라스틱은다양한밀도로제조되기때문에물보다밀도가낮은플라스틱은표면에뜨고, 물보다밀도가높은플라스틱은가라앉는다. 부유성해양플라스틱쓰레기중에는주로 PP( 요구르트용기, 음료수병등 ) 과 PE( 플라스틱쇼핑백, 음료수걸이등 ) 로제조된플라스틱쓰레기가대부분을차지한다. 그리고고밀도플라스틱쓰레기는해저로가라앉고, 미생물이플라스틱에부착하여플라스틱 sink가되기도한다 (Engler, 2012). 38

54 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 2. 생태계에서의미세플라스틱 Carpenter와 Smith(1972) 가북대서양의플라스틱쓰레기들이생태학적위협이될수있다는연구결과를발표한이래해양플라스틱에관한연구가최근에활발하게수행되고있다. 그리고국내에서도환경부, 해양수산부, 식품의약품안전처, 한국해양과학기술연구원, 해양수산과학기술진흥원, 한국환경정책평가연구원, 한국해양쓰레기연구소, 환경운동연합, ( 사 ) 바다살리기국민운동본부, ( 사 ) 동아시아바다공동체오션등다양한정부기관, 정부출연연구소, 민간연구소, 환경보호단체외여러대학에서플라스틱쓰레기및미세플라스틱의위해성에대한연구들이진행되고있다. 이들보고서따르면현재미세플라스틱이생태계에미치는영향에관한연구는다섯가지로분류하는데, ➀ 퇴적물에서의미세플라스틱, 2 플랑크톤샘플내의미세플라스틱, 3 무척추동물의미세플라스틱섭취, 4 척추동물의미세플라스틱섭취, 5 오염물질과미세플라스틱의상관성등이다 ( 박정규 간순영, 2014; 홍상희, 2015). 가. 해변 ( 모래사장 ) 과퇴적물에서의미세플라스틱미세플라스틱은세계각지의해변뿐만아니라갯벌의퇴적물에서도발견되고있다 (Juliana et al., 2014). Thompson et al.(2004) 은영국의 18개해변, Browne et al.(2010) 은영국타마해안의퇴적물에서 1mm이하의초미세플라스틱이존재하고있음을보고하였고, Costa et al.(2010) 은브라질북동부에위치한 Boa Viagem 해변의경우관광지에버려진플라스틱으로인해 1차와 2차플라스틱쓰레기가발생하고있다고보고했다. 그외에도일일이보고가되지는않았지만전세계에존재하는해변 ( 모래사장 ) 에미세플라스틱이퇴적되어있는것은자명한사실이다. 그렇기때문에이들을포함한전세계관련연구자들은한목소리로해양으로유입되는플라스틱의양을줄이는것이야말로미세플라스틱의문제를해결하는최선의방법이라고제시하였다. 39

55 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 나. 해양플랑크톤내의미세플라스틱바다표면에서수집된플랑크톤샘플을분석하여바다에떠다니는플라스틱의양과미세플라스틱의존재유무를연구한결과들이 1970년대초부터보고되었다 (Carpenter & Smith, 1972). 1970년대초기북대서양의해양표면에서채취한모자반 (Sargassum fulvellum) 군집샘플에서많은양의폴리스티렌플라스틱펠릿 ( 크기 1~2mm) 이발견되었다. 이것은플라스틱쓰레기가 1970년대이전부터바다에존재하였으며, 플랑크톤샘플에서채취된플라스틱펠릿의양이증가하고있음을암시한다. 그후플랑크톤샘플에서의미세플라스틱에관한여러연구결과에의하면플라스틱의양과크기가해양에따라다르게나타났다. Law et al.(2010) 은북대서양서부와카리브해 ( 북위 22~38도 ) 에있는쓰레기수렴대에는해양플라스틱이대량으로모여있으며, 이곳에서는주로 10mm 이하의작은플라스틱이 88% 를차지하는것으로나타났다. 그러나적도근처의대서양에서는암초어류 (reef fish) 와새우, 가재, 게등과같은십각류 (Decapoda) 유충에서뿐아니라해저근처에서도플라스틱쓰레기 (5mm 이하크기가 85%) 가발견되었다 (Ivar do Sul et al., 2013). 그리고 Shaw와 Day(1994) 에따르면, 1980년대에수행된연구에서도태평양에다양한플라스틱쓰레기들이대량으로존재함을보고하였다. 다. 해양및담수무척추동물들의미세플라스틱섭취해양무척추동물의미세플라스틱섭취에관한연구는주로통제된실험실에서실시된다. Thompson et al.(2004) 은해양무척추동물이미세플라스틱을섭취하는지를조사하기위해미세플라스틱을단각류, 갯지렁이와따개비들에섭취시킨결과, 미세플라스틱이섭취되는것을관찰하였다. 이외에도홍합 (Mytilus edulis) 은미세플라스틱섭취와관련한연구에서가장일반적으로활용되는생물이다. Browne et al.(2008) 은홍합이미세플라스틱 (1mm이하 ) 을 12시간이내에섭취하고또조직내에미세플라스틱이축적되는것을보고하였다. 40

56 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 또다른생물은해삼류 (Holothuria) 가활용되는데, 퇴적물이나부유물이많은곳에서채취된해삼이나일론과 PVC 조각 (0.25~15mm) 을섭취함을확인하였다. 따라서사람이직접플라스틱을먹지않더라도이러한해삼섭취는유기오염물질이인체에도달하는새로운경로가될수있다고제시하였다. 담수생태계의대표적인수서무척추동물인물벼룩 (Daphnia) 의체내에미세플라스틱이관찰되었다 (< 그림 2.1> 참조 ). 물벼룩의먹이는작은녹조류이고, 물벼룩은물고기의좋은먹이임을고려할때물벼룩을통한미세플라스틱의이동경로또한우려할사항이다. 국내의담수생태계에서미세플라스틱을조사한결과유리물벼룩 (Daphnia galeata) 알주머니까지미세플라스틱이침투해생식및발달을저해하는현상을발견했다고보고했다 (Cui et al., 2017). 특히미세플라스틱에노출된유리물벼룩알의 83% 가량이사망했고, 체내지방저장을조절하는지방소립의개수가알형성전후로 27~42% 감소하는것을확인하였다. 이러한현상은물벼룩의지방소립이생식의주요한에너지원인만큼, 지방소립의개수감소가주요독성기전일것이라고추론했다. < 그림 2.1> 물벼룩내장에들어있는미세플라스틱 주 : 내장채로먹는수산물을통해미세플라스틱 ( 형광을띤초록색물질 ) 과미세플라스틱에함유된유기오염물질이몸속으로고스란히들어올수있다. 자료 : Orb Media,

57 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 라. 해양척추동물의미세플라스틱섭취경골어류에의한미세플라스틱섭취가발견된이후유충과치어에서도미세플라스틱이발견되는등미세플라스틱과해양생물사이의상호작용에대한연구가시작되었다. Boerger et al.(2010) 에따르면최근 GPGP에서식하는플랑크톤섭식어류 (planktivorous fish) 의 35% 에서위장에미세플라스틱이발견되면서척추동물의미세플라스틱섭취에대한우려가심해지고있다고보고하였다. 지난 40여년동안바닷새 (seabird) 들의플라스틱섭취량과잔류성분을조사한결과에의하면, 이들이섭취한플라스틱은대부분육안으로확인이가능하고 macroplastic(5mm이상 ) 과미세플라스틱 (5mm이하 ) 이함께존재하고있는것으로나타났다. 척추동물에의한미세플라스틱섭취의문제는미세플라스틱에흡착된유기오염물질이이들의몸속에잔류할수있기때문이다. 실제로 Teuten et al.(2009) 과 Tanaka et al.(2013) 의연구에따르면, 슴새 (Calonectris leucomelas) 와쇠부리슴새 (Puffinus tenuirostris) 에서플라스틱으로부터유래한유기오염물질들이검출되었다고보고하였다. 마. 미세플라스틱과유기오염물질의상관성최근에는미세플라스틱의오염물질흡착에관한연구들이다양하게진행되고있다. 일본의해안에서채취한 PP 플라스틱스크랩에는바닷물로부터흡착된 PCBs, DDE 및노닐페놀등이다량으로함유되어있는것으로나타났다 (Mato et al., 2001; Ogata et al., 2009). 또한북태평양의 GPGP와캘리포니아해변근처에서수거된플라스틱쓰레기에 PCBs, PAHs 및 DDT 등이흡착되어있다는연구결과가보고되었다 (Rios et al., 2007). Gouin et al.(2011) 도소수성유기오염물질들이플라스틱쓰레기에흡착된다고보고하였다. 플라스틱종류별유기오염물질의흡착량을파악하기위한연구도진행되었는데, Rochman et al.(2013) 은 HDPE, LDPE 및 PP가 PET와 PVC보다 PAHs와 PCBs를더많이흡착한다고하였고, 그결과 HDPE, LDPE 및 PP를포함한플라스틱제품은 42

58 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 PET와 PVC를포함한제품보다해양동물에더큰위해를줄수있다고보고되었다. 43

59 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 3. 해양미세플라스틱의생태계위해성 해양미세플라스틱은두가지관점에서해양생태계에심각한위해를줄수있다. ➀ 생태계영향의확대와 2 독성물질들의이동매개체로서의역할이다. 밧줄, 그물, 비닐봉지등과같은대형플라스틱쓰레기들은, 상대적으로해양생물의 얽힘 (entanglement) 영향이 섭취 (ingestion)' 에비하여큰데반해, 미세플라스틱의경우 섭취 를통해생태계에영향을미친다. 플라스틱입자의크기가작아지면이들을섭취하고영향을받는생물이범위가해양포유류, 조류에서부터해양무척추동물까지크게확대될수있다 (< 그림 2.2> 참조 ). 북태평양환류대에서채집한어류, 북유럽풀마슴새 (Fulmarus glacialis), 바다쇠오리류 (Alcidae), 브라질마젤란펭귄 (Spheniscidae) 들의위장에서미세플라스틱조각이확인되었으며, 유럽연안의바닷가재, 홍합류등의무척추동물의체내에서도미세플라스틱이확인되었다. 실제, 해양의플라스틱쓰레기의크기가작아지면서이들을섭취하는해양생물종의숫자는꾸준히증가할것이고, 나아가나노미터크기로작아질경우생물에미치는독성학적기전과영향에관한패러다임이다시변할수있다. 한국해양과학기술원실시한가속풍화실험결과스티로폼에서나노입자크기의초미세미세플라스틱이생성될수있음이밝혀졌다. 그러나자연풍화환경에서초미세플라스틱이생성되고또실제로해양환경에존재하는지여부를결정하기위해서는체계적인과학적연구가필요하다. 44

60 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 < 그림 2.2> 플라스틱해양쓰레기의크기에따른생물영향 주 : 크기가큰플라스틱쓰레기는 얽힘 의위험이높고크기가작은쓰레기일수록 섭취 에의한피해가증가된다. 자료 : GESAMP, 미세플라스틱에함유된오염물질은그기원에따라흡착성유기오염물질과플라스틱첨가제등두가지유형으로나눌수있다. 흡착성유기오염물질은플라스틱자체에함유되지않았으나, 플라스틱 ( 입자또는제품 ) 이해양으로유입된뒤흡착된유기오염물질을통칭한다. 플라스틱은높은소수성 (hydrophobicity) 을갖고있어소수성이강한잔류성유기오염물질 (Persistent Organic Pollutants, POPs) 에대해높은흡착특성을보인다. 크기가작아진미세플라스틱은큰플라스틱에비해비표면적이커져주변해수중에존재하는 POPs를중량대비더많이흡착하게된다. 플라스틱입자는주변해수에비해 POPs를 10 5 ~10 6 배의높은농도로축적할수있다 (Mato et al., 2001). 플라스틱에는제조과정에서성형의용이성과플라스틱의기능성을향상하기위해다양한화학물질이첨가되어있다. 즉, 폴리머의기본골격사이에가소제, 난연제, 열 자외선안정제, 산화방지제등의다양한화학물질이혼합되어있으며, 플라스틱제품이사용되는과정이나분해되는과정에서이들이주변환경으로용출될수있다 (Rochman et al., 2013). 이와같이흡착성또는첨가성유기오염물질이함유된미세플라스틱을해양생물이섭식하였을경우, 미세플라스틱에의한물리적인영향과더불어미세플라스틱으로부터유기오염 45

61 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 물질을흡수하여 2차적인영향을받을수있다. 그결과 미세플라스틱이해양생물에독성물질을전달하는매개체이며해양생물의건강에영향을미칠수있다 는가설을규명하기위한연구들이최근활발히추진되고있다. 그러나미세플라스틱이독성물질의전달자가될수있고생물의생리적기능에도영향을미칠수있다는여러편의연구논문이발표되었음에도불구하고 (Browne et al., 2008; Browne et al., 2010), 아직까지실제환경에서명확하게증명된바없다. 그렇기때문에미세플라스틱의위해성에대해회의적인학자들도있다. 이들은해양생물에미세플라스틱이미치는영향은미약하며오히려독성물질을제거하는역할을할수있다고주장한다 (Koelmans et al., 2013). 미세플라스틱이해양생태계에미치는영향을규명하기위한연구가 2010년이후급물살을타고있으나, 대부분이실험실에서확인하는수준이며, 현재까지구축된정보역시매우미약한수준이다. 무엇보다도실제환경에서의영향이규명되어야하며, 이를근거로미세플라스틱의위해성이평가되어야할것이다. 2015년 5월부터해양수산부의 해양수산환경기술개발사업 의일환으로 해양미세플라스틱에의한환경위해성연구 사업을한국해양과학기술원이주관하고, 안전성평가연구소 (Korea Institute of Toxicology) 가협동기관으로참여하여시작되었으며, 2020년까지 6년동안연구과제가진행되고있다. 이연구과제의최종목표는 미세플라스틱의오염과영향을평가하기위한요소기술을개발하고우리나라해양환경에서미세플라스틱에의한환경위해성을규명하는것 이다. 환경위해성평가의기본틀에따라, 노출평가 (exposure assessment) 와영향평가 (effect assessment) 를위한요소기술을우선적으로확립하고확립된기술을바탕으로국내연안해역의미세플라스틱오염평가를시행하여최종적으로우리나라해양환경의미세플라스틱에의한위해성수준을제시할예정이다. 중점연구개발분야로서오염평가, 유입 이동 확산, 풍화 ( 미세화 ), 생물영향을설정하고있다. 연안해역과외해역, 해변과부유를아우르는국내해양환경전반에걸친미세플라스틱오염수준과생물축적현황을규명함으로써, 환경중미세플라스틱의노출수준과실태를종합적으로평가할것이다. 46

62 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 4. 미세플라스틱에의한생태계와인간의피해상황가. 물리적피해 여러형태의플라스틱쓰레기는해양환경에살고있는생물에큰위협이된다. 가장눈에띄는영향은플라스틱쓰레기섭취와얽힘으로인한죽음인데, 이러한형태의어업을유령어업 (ghost fishing) 이라고한다. 이것은해양생물이낚시어망, 어업활동이나태풍으로인해손실된어망이나쓰레기그물에갇혀죽게되는것을말한다. 작은해양생물에서고래에이르기까지생물체에서플라스틱섭취가관찰되며, 이로인해질식, 기아및식욕감퇴, 소화불량및내부장기손상등과같은여러가지나쁜영향이나타나고있다. 매년수백만마리의바닷새, 바다거북, 물고기및해양포유동물들이플라스틱조각을섭취한뒤소화기질환으로죽어가고있고매년 3만마리의북방바다표범 (Phocidae) 들이그물에걸려질식사하고있다. 어류뿐만아니라바다거북종의 86%, 바닷새종의 44%, 해양포유류의 43% 를포함하여, 적어도 267종의해양생물이플라스틱에의해영향을받고있는것으로나타났다 (Laist, 1997). 매우다양한해양생물들이미세플라스틱을대량으로섭취할수있기때문에미세플라스틱은해양환경에아주큰잠재적위협요인으로작용하고있다. 2011년미국 UC-San Diego의 Scripps Institution of Oceanography 연구팀의보고에의하면북태평양의 GPGP에서포획한 27종 141마리의어류중 9.2% 의생선위장에서다양한종류의플라스틱조각들을발견하였으며, 이들어류들이연간약 12,000~24,000톤의플라스틱을삼키고있는것으로평가되었다. 이렇게피해를받고있는어종의수는예측하기어려우며, 이로인한피해는과소평가되고있다. 나. 화학적피해미세플라스틱으로인한피해는물리적피해뿐만아니라화학적피해를일으킬수있다. 첫째, 여러종류의화학물질들이미세플라스틱표면에흡착될수있으며, 그결과미세플라스틱이먹이사슬을통하여상위단계의생물로전달될수있다. 미세플라스틱은산업, 농업, 살충제등에널리사용되는 PCBs, DDT, 중금속 47

63 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 등과같은소수성물질을흡착할수있는것으로밝혀졌다 (Mato et al., 2001). 그리고 Betts(2008) 의연구결과에따르면, 미세플라스틱에흡착된 PCBs 농도는주변물에함유된 PCBs 농도보다약 1백만배더높았음을보고하였다. 또한오래된플라스틱이새플라스틱보다오염물질을더많이흡착할수있다고하였다 (Engler, 2012). 플라스틱제조에사용되었던 PCBs, DDT 및노닐페놀과같은첨가제들은장기간환경에잔존할수있으며, 소수성과반휘발성 (Semi-Volatile) 외에도생체축적 (bioaccumulation) 특성으로인해오랫동안환경에남아있고또쉽게이동할수있는독성물질이다. 특히 POPs 물질의가장중요한특징중하나는유기체에축적될수있고, 그농도가먹이사슬을통해상위수준으로옮겨감에따라서점차적으로증가한다는것이며, 이러한과정을생체축적이라고한다. 이것은환경에서적은농도가검출되더라도오염물질이영양단계에서점진적으로전이되고또축적되기때문에잠재적인오염원이될수있음을시사한다 (Moore et al., 2002; Ilyina & Tatjana, 2006). 하위단계의해양생물이 POPs들이흡착된미세플라스틱을섭취한뒤먹이사슬의상위단계로갈수록 POPs들이고농도로축적된다. 그리고상위단계의해양생물의경우 < 그림 2.3> 에서볼수있듯이낮은밀도로인해해수표면에부유하는미세플라스틱들을직접섭취할수도있다. 이로인해생식기계장애나죽음을초래할수있고또질병위험을증가시키거나호르몬이상을초래하기도하고, 최종에는인간에게까지그악영향을미칠수있다 (Ryan, 1988; Lee et al., 2001). 둘째, 미세플라스틱에함유된첨가제가용출되는것이다. 플라스틱제품을제조할때플라스틱의특성을살리기위해비스페놀 A, 가소제 ( 프탈레이트 ), 브롬화난연제 (BFRs) 등과같은다양한종류의첨가제들이첨가될수있다. 이들첨가제들은해양환경에서플라스틱으로부터용출될수있으며해양생물이이러한물질들을섭취하면내분비계교란물질로작용하여 < 그림 2.3> 과같이먹이사슬을통해생체축적이된다. 섭취한내분비계교란물질이먹이사슬을통해각단계에서흡수되는정도 ( 농도 ) 와전이되는효율성에대한기전은아직까지알려지지않았고, 또해양생태계에미치는잠재적인피해에대해서도계량화되지않았기 48

64 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 때문에, 이부분에대한추가연구가필요하다 (Gold et al., 2013). < 그림 2.3> 먹이사슬을통한미세플라스틱의생체축적 주 : 1) 파란색 = 해수보다밀도가낮은폴리머 (PE, PP 등 ) 2) 붉은색 = 해수보다밀도가높은폴리머 (PVC 등 ) 3) 화살표는가정된미세플라스틱의생체축적경로를나타냄자료 : Juliana et al., 다. 수돗물과생수속의미세플라스틱미세플라스틱의잠재적위해에관한연구는대부분해양생태계의오염에관한것이었다. 그러나최근에는하천수도미세플라스틱에오염된것으로밝혀졌으며 (Erkes-Medrano et al., 2015), 2017년 9월미국의비영리언론기관 Orb Media는미네소타대학교공중보건대학과의공동조사를통하여미국과유럽, 아시아등의 14개나라수돗물샘플 159개중 83% 에서미세플라스틱이검출됐다고보고했다. 이로인해우리나라환경부는 2017년 9월 7일국내수돗물오염실태를파악하기위한조사를추진할계획이라고밝혔다. 49

65 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 그러나수돗물만은아니다. 그수돗물로씻고조리한음식, 하천에서서식하는물고기, 하천수를농업용수로사용하여재배한작물등이모두미세플라스틱오염에서벗어날수없다. 바다에서나는조개, 새우, 게, 생선등물고기나김, 미역등다양한해양수산물도마찬가지다. 사실상거의모든식재료와음료수에도미세플라스틱이오염되었다고봐야할것이다. 그렇기때문에언제부터인가우리는미세플라스틱과그것에흡착된유해화학물질을함께먹고마시고있는실정이다. 그리고전세계인이매일마시는생수에도미세플라스틱이함유되어있다는놀라운결과가최근에발표되었다. 세계적인제품인아쿠아피나, 다사니, 에비앙, 네슬레퓨어라이프, 생펠레그리노 외에아쿠아 ( 인도네시아 ), 비스렐리 ( 인도 ), 에푸라 ( 멕시코 ), 게롤스타이너 ( 독일 ), 미날바 ( 브라질 ), 와하하 ( 중국 ) 등나라별대표생수속에눈에보이지않는미세한크기의플라스틱성분이검출되었다는연구결과가미국프리도니아소재뉴욕주립대지구환경과학과교수연구진에의해발표되었다 (BBC 뉴스, 2018년 3월 ). 이들은미국비영리언론기관 Orb Media의의뢰를받아, 중국, 미국, 브라질, 인도, 인도네시아, 멕시코, 레바논, 태국, 독일등 9개국에서판매되는 11개브랜드생수 259개를대상으로연구를진행한결과, 조사대상생수중 93% 에서미세플라스틱이발견되었다. 주목할사실은생수 1리터당사람머리카락굵기 ( 평균 100μm ) 보다큰미세플라스틱이평균 10.4개, 머리카락굵기보다작은미세플라스틱은평균 325개가확인되었다는것이다. 라. 먹이사슬속의미세플라스틱 미세플라스틱은작은크기때문에생태계뿐만아니라사람에게도전혀예상치못하게직접적인문제를야기할수있다. 미세플라스틱은크기가작기때문에동물성플랑크톤과같은매우작은유기체를비롯하여, 다양한식이패턴을가진유기체몸속에서미세플라스틱이발견된다. 우리나라도예외가아니어서, 한국해양과학기술진흥원의 해양미세플라스틱에의한환경위해성평가 ( 한국해양과학기술진흥원, 2016) 에따르면, 경남거제와마산일대의양식장과 50

66 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 근해에서잡은굴, 담치, 게, 갯지렁이가운데 97% 인 135개개체의몸속에서미세플라스틱이발견되었다 ( 해양수산환경개발사업중간평가, 해양미세플라스틱에의한환경위해성연구, 한국해양과학기술진흥원, ). 이는크기가큰플라스틱조각뿐만아니라생태계먹이사슬바닥에서부터광범위하게미세플라스틱의오염이진행되고있음을보여준다. 유엔에소속된해양환경보호과학전문가그룹 (GESAMP) 이 2016년에발간한보고서 해양환경속미세플라스틱의발생원, 동태와영향 (GESAMP, 2016) 을보면, 해양생물의몸속으로들어간미세플라스틱대부분은소화기관에머물다배설된다. 따라서내장을제거하고먹는물고기를통해서인간이미세플라스틱에노출될가능성은크지않지만, 내장까지모두먹는홍합, 굴, 새우등의섭취를통해미세플라스틱에오염될가능성이높다고예상된다. 이연구에서유럽인은홍합과굴섭취를통해서해마다평균적으로 1만 1,000개의미세플라스틱을먹는다고한다. 어패류와물고기의내장까지즐겨먹는한국인의식습관을고려하면국내의상황은더욱나쁠것이라고예상이된다. 뿐만아니라, 나노미터 (10억분의 1m) 수준의작은미세플라스틱은세포벽을통과해내장이외의조직까지침투한다고하니내장을제거하더라도일부는여전히몸속에남아있을가능성이있다. 유엔환경계획 (UNEP) 은 2016년 5월보고서 해양플라스틱쓰레기와미세플라스틱 (UNEP, 2016) 에서 나노크기의미세플라스틱은태반과뇌를포함한모든기관속으로침투할수도있다 는연구결과를소개하고있으며, 실제로도내장이외의체내조직에박혀있는미세플라스틱이이미관찰되고있다. 51

67 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 5. 플라스틱성분별독성및위해성 지금까지플라스틱쓰레기에서발생하는미세플라스틱의위해성에대해전반적인내용을기술하였다. 여기서는각종미세플라스틱의제조과정에사용된여러성분들의용도및독성에대해기술하고자한다. 독성중발암성여부는국제연합세계보건기구 (WHO) 의산하인국제암연구소 (International Agency for Research on Cancer, IARC) 에서분류한바를참고하였다 (2018년 7월 30일기준 ). 확실히사람에게암을일으키는물질은 1군 (carcinogenic to humans) 120종, 사람에게암을일으킬가능성이높은물질은 2A군 (probably carcinogenic to humans) 82종, 사람에게암을일으킬가능성이있는물질은 2B군 (possibly carcinogenic to humans) 302종, 사람에게암을일으키는것으로분류가되지않는물질은 3군 (not classifiable as to its carcinogenicity to humans) 501종, 사람에게암을일으키지않을물질은 4군 (probably not carcinogenic to humans) 1종이다. 미국국립환경보건과학연구소 (National Institute of Environmental Health Sciences, NIEHS) 산하의독성물질국가관리프로그램 (National Toxicology Program, NTP) 은 IARC와는다르게두군으로분류하는데 인체발암물질로알려진군 (known to be human carcinogen) K군 62종과 인체발암물질로충분히예측되는군 (reasonably anticipated to be human) R군 186종으로분류한다. 그리고미국산업위생전문가협회 (American Conference of Governmental Industrial Hygienists, ACGIH) 에서는인체발암물질로확인된 A1군, 인체발암물질로의심되는 A2군, 동물에서는발암물질이지만인체와의관련성이알려지지않은 A3군으로분류한다. 가. 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE) 용도 : 전기절연체로서아주높은인성과내화학성을가지는플라스틱으로고밀도 (high density), 저밀도 (low density), 선형저밀도 (linear low density) 폴리에틸렌으로구분되며, 플라스틱상자, 주방용품, 필름, 종이코팅및섬유경화제, 전선및케이블코팅, 배관섬유, 휘발유및기름용기등에사용된다. 52

68 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 독성 : 고형폴리에틸렌는무독성물질로알려져있다. 급성독성은거의없으며, 분진을흡입한실험동물의폐에서가벼운염증이일어날수있다. 열분해산물에노출시점막, 눈, 피부자극, 두통, 메스꺼움, 호흡곤란, 기침과감기와같은증상을보인다 (Cosmetic Ingredient Review, 2007). 동물실험에서간의독성을나타내었으며열분해산물을장기흡입한경우신경계의부작용을나타내었다. IARC는인체발암물질로분류할수없는 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 나. 폴리프로필렌 (Polypropylene, PP) 용도 : 내화학성, 고순도, 낮은수분흡수율및전기절연성, 인장강도, 압축강도, 충격강도가양호하다. 이러한물성으로큰사이즈의화학용기, 하수구및식품수송부품, 포장재, 어망, 자동차내장재, 의료제품등에사용된다. 독성 : 의료기기로이용이될정도로 PP는독성이거의없다고알려져있다. 고형의폴리프로필렌이눈에유입되면결막이나각막에자극을유발할수있으며, 열분해산물인폴리올레핀이유해화합물로분류된다 (Grant, 1974). IARC는인체발암물질로분류할수없는 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 다. 폴리염화비닐 (Polyvinyl chloride, PVC) 용도 : 내열성과절연성이우수하고, 경제성이뛰어나이상적인건축자재로서생산량의 50% 이상이건설부분에서사용된다. 고무대체물, 인조가죽, 바닥재, 포장재, 불연성실내장식물, 농업용필름, 파이프, 전선용파이프에사용된다. 독성 : 고형의 PVC에의한독성사례등을보고되지않았다. 하지만, 분진입자에반복적또는장기간노출되면폐에영향을주어진폐증을유발할수있다. 하지만, PVC 제조과정중원료물질인염화비닐 (vinyl chloride) 은과량중독시중추신경계를억제하고심부정맥을유발할수있다. 또한신경독성, 면역독성, 기형유발, 간독성등을유발할수있다. IARC는 PVC가암을유발할수있는증거가부족한 3등급으로규정하였다 (IARC, 1979). 하지만, PVC의원료물질인염화비닐은인간에서드문간암형태인간혈관육종을 53

69 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 발생시키는발암물질이며, 뇌종양, 폐, 혈액, 소화기암과인과관계가있으며, IARC는 1군인체발암물질로규정하였다 (IARC, 1979). 라. 폴리우레탄 (Polyurethane, PUR) 용도 : 탄성및강인성이풍부하고, 인열강도가크며, 내마모성이뛰어나다. 주로쿠션제, 흡음재, 에어필터, 구두밑창, 합성피혁, 도료, 섬유등에사용된다. 독성 : 폴리우레탄의주된원료가되는톨루엔디이소시안산 (toluene diisocyanate, TDI) 은피부, 폐, 각막, 위장관에대한자극성이있다. 다행감 (euphoria), 운동실조, 정신착란, 민감화 ( 주로호흡기 ), 기관지염, 폐기종, 폐인성심질환이일어날수있다 (McKerrow et al., 1970; Le Quesne et al., 1976). 장기적으로지속되는증상으로인격장애, 과민함, 우울, 기억력상실, 발기부전 ( 심인성 ) 을유발할수있다 (McKerrow et al., 1970; Le Quesne et al., 1976). 피부에대한자극으로수포형성, 홍반, 부종이일어날수있다 (US DHHS, 1988). 액체또는고농도의증기에노출된후에심한각막자극및눈물이나타날수있다 (Axford et al., 1976; Siribaddana et al., 1998). IARC는 PUR이암을유발할수있는증거가부족한 3군으로규정하였다. 하지만, IARC는원료물질 TDI는인체발암가능물질 (possibly carcinogenic to humans) 등급인 2B군으로분류하였으며, NTP에서는인체발암물질로충분히예측되는물질군으로분류하였다 (IARC, 1979). 마. 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethylene terephthalate, PET) 용도 : 밀도가높은폴리에스테르수지로 PET의특성은높은투명성을가지지만, 낮은인장강도와낮은슬라이딩특성을가지고있어주로병이나포장용으로사용된다. 우수한강도, 낮은수분흡수율등의열적특성과우수한치수안정성으로인해, PET 소재는복잡한부품과치수정밀도및표면품질이까다로운분야에매우적합하여, 전기전자부품의케이스, 자동차내외장재, 의료기기등에도사용되고있다. 독성 : PET의인간에대한독성사례는보고되지않았다. 동물실험에서도 PET 54

70 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 병에몇달간접촉한와인추출물을먹였을때독성을나타내지않았으며, 또한 PET 병에서몇달간방치한물에서유전독성물질이추출되지않았다. 바. 폴리스티렌 (Polystyrene, PS) 용도 : 내수성, 치수안정성이좋으나내충격성이약하며, 가전제품의완충포장제, 스티로폼용기, 건축재, 단열재등으로사용된다. 독성 : 내열성이매우약해서열이가해지면녹아버리거나형태의변형을가져올수있을뿐아니라원료물질로들어간발암물질인포름알데히드가나올수있다. IARC는인체발암물질로분류할수없는 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 사. ABS 수지 (Acrylonitrile butadiene styrene, ABS) 용도 : 내구성과내충격성이우수한고기능성플라스틱으로, 가공성이뛰어나고다양한색상구현이가능하다. 배관, 자동차부품, 기기부품, 산업용기계부품, 전화및전기및전자장비, 파이프피팅, 레크리에이션차량부품에사용된다. 1977년 9월이후, ABS는음료용기제조에더이상사용될수없게되었다. 독성 : 대만에서실시된역학조사에따르면 ABS 수지성형공정에서방출되는열분해산물이후각기능을악화시킬수있다고보고되었다 (Cheng, 2004). ABS 분해생성물의급성독성은다른일반적인고분자물질의열분해생성물의독성과유사함이발견되었다. IARC는인체발암물질로분류할수없는 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 아. 메타크릴수지 (Polymethyl methacrylate, PMMA) 용도 : 투명도가좋아가시광선투과율이두께 3mm에서 93% 가되며, 아크릴이나플라스틱제품, 치과보철물제작에사용된다. 독성 : 흡입과복강내투여로중등도의독성이나타나고섭취시약한독성을 55

71 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 나타낸다. 피부, 눈, 코, 인후, 기관지점막을자극한다. 높은농도로노출시폐부종을일으킬수있으며어지러움, 과민증, 집중력장애, 기억력감소를유발할수있다 (Scolnick & Collins, 1988). 태아발달에장애를줄수있고, 피부알레르기를일으킬수있다. IARC는암을유발할수있는증거가부족한 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 자. 폴리테트라플루오로에틸렌 (Polytetrafluoroethylene, PTFE) 용도 : 일반적으로테프론 (teflon) 이라고불리는 PTFE는테트라플루오르에틸렌단량체 (-C 2 F 4 -) 가매우길게연결된분자량이매우큰중합체로, 매우안정한열가소성고분자물질이다. 주요사용분야는씰및피스톤링 ( 유체전달시스템, 유압실린더및무윤활압축기 ) 과기계베어링및베어링패드및기계테이프및함침유리섬유에사용된다. 또한의료용으로심장판막및대동맥이식이나혈액투석장비등에이용될수있으며, 주방용품의코팅에도사용된다. 독성 : 과열된냄비로인해발생할수있는연기의위험성이외에테프론코팅조리기구로인하여사람에게알려진위험은없다 (Sittig, 1985). IARC는암을유발할수있는증거가부족한 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 하지만, 원료물질인테트라플루오로에틸렌은인체발암가능물질인 2B군으로분류하였다. 차. 발포성폴리스티렌 (Expanded polystyrene, EPS) 용도 : 열가소성수지인폴리스티렌을발포해만든소재로, 스티로폼이란이름으로더잘알려져있다. 단열성, 완충성, 방수성, 방음성이우수하여, 가전제품의완충포장재, 건축단열재, 식품포장용기로사용된다. 독성 : 독성관련연구가미진하다. IARC는암을유발할수있는증거가부족한 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 56

72 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 카. 폴리카보네이트 (Polycarbonate, PC) 용도 : 무색투명한무정형의열가소성플라스틱중합체이며, 안전유리, 저중량안경렌즈등에사용된다. 독성 : 독성관련사례가보고되지않았고, 암유발관련인과관계도보고되지않았다. 타. 폴리아미드 (Polyamide, PA) 용도 : 나일론으로알려져있는폴리아미드는밀도가낮고, 열안정성, 기계적물성, 내충격성, 내마모성이우수하고, 낮은마찰계수로인해가장많이사용되는플라스틱중하나이다. 자동차부품, 산업용밸브등과같이금속으로만들어진부품의대체재로쓰인다. 독성 : 독성관련사례가보고되지않았고, 암유발관련인과관계도알려지지않았다. 파. 에폭시 (Epoxy) 용도 : 전기적으로성질이우수하고, 내열성, 방한성, 내수성, 내습성이좋고, 금속, 목책, 시멘트등과의접착성도좋다. 가죽생산의마무리단계, 금속, 목재, 콘크리트및기타플라스틱의보호코팅, 접착제, 라미네이트, 공구및다이캐스팅, 바닥및전기장비에사용된다. 독성 : 알레르기성접촉피부염, 천식을유발할수있다. 하. 불포화폴리에스테르 (Unsaturated polyester, UP) 용도 : 저점도의기계적및전기적성질, 내수성과내산성을가지고있으며, 사용법에따라상온에서경화되는장점을가지고있다. 유리섬유를혼합하여강화플라스틱을제조할수있다. 특히이러한우수한물성에도불구하고다른플라스틱재료에비하여가격이저렴하며대형플라스틱성형에매우광범위하게적용되고있으며, 물탱크, 어선, 욕조, 간이화장실, 정화조등에 57

73 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 사용된다. 독성 : 독성관련사례가보고되지않았다. 암유발관련인과관계도보고되지않았다. 갸. 멜라민수지 (Melamine-formaldehyde, MF) 용도 : 멜라민과포름알데히드를염기성촉매하에반응시킨무색투명의열경화성수지이다. 비중이 1.48 정도이며충전재에의해 2.0 정도까지가능하고표면경도가현재생산되고있는합성수지중가장단단하여, 식기류, 1회용커피컵, 일용품, 전기부품, 도료등에사용된다. 독성 : 독성관련사례가보고되지않았고, 암유발관련인과관계도보고되지않았다. 58

74 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 6. 첨가제 (additives) 의독성및위해성가. 부틸벤질프탈레이트 (Butyl benzyl phthalate, BBP) 용도 : 가소제로사용되는부틸벤질프탈레이트는아크릴수지, 접착제, 플라스틱, 자동차코팅, 손톱광택, 공기투과성콘택트렌즈에사용된다. 독성 : 에스트로겐성환경호르몬으로간주되고있다. 중추신경계를억제하여오심, 두통, 메스꺼움, 운동조절불능, 의식소실등을나타내며만성적으로노출시다발성신경증이발생할수있다 (Doull et al., 1980). 눈과피부에접촉시자극을유발하고흡입시기관지의자극을유발하며기관지협착이발생할수있다. 동물에서의발암성에관한데이터는제한적으로암컷집쥐에서골수단핵구성백혈병의위험성이증가한다는보고가있다 (NTP, 1982). IARC는암을유발할수있는증거가부족한 3군으로규정하였다 (IARC, 1979). 나. 디에틸헥실프탈레이트 (Di(2-ethylhexyl) phthalate) 용도 : 가소제로사용되는디에틸헥실프탈레이트는모조가죽, 레인코트, 신발류, 실내장식품, 바닥재, 전선및케이블, 식탁보, 샤워커튼, 식품포장재및어린이장난감과같은소비재에사용된다. 독성 : 접촉시눈, 피부, 점막에자극을일으킬수있다. 또한 1년이상장기간의디에틸헥실프탈레이트섭취시, 간기능손상을야기할수있다 (National Research Council, 1986). 랫드를이용한급성 / 반복노출독성실험에서세포사멸과는관련이없었다. 또한생식 / 발달독성, 유전독성, 면역독성관련인과관계도찾을수없었다. IARC는디에틸헥실프탈레이트를인체발암의심물질인 2B군으로분류하였다 (IARC, 1979). 다. 디에틸프탈레이트 (Diethyl phthalate, DEP) 용도 : 디에틸프탈레이트는무색, 무취또는매우약한방향성냄새를띄는유성액체로향기희석제, 알코올변성제, 니트로셀룰로오스와초산섬유소의 59

75 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 용매, 고체로켓추진제의가소제, 염료매개체, 습윤제, 향수의고정제등에사용된다. 독성 : 인체에서발암성은없다. 노출시두통, 현기증, 구역, 눈물흘림, 다발성신경병증, 전정기능장애, 통증, 감각이상, 쇠약, 팔다리의연축증상을포함한다. 민감한사람에서천식과유사한알레르기반응이나타날수있다. 반복노출시신경손상을일으킬수있다 (Sittig, 2002). 눈과피부를약하게자극하며, 눈에튀기면많은양의눈물이분비되며찌르는듯한아픔을유발한다 (Bingham et al., 2001). 접촉시접촉피부염이발생할수있다. IARC 발암물질분류에포함되어있지않다. 라. 디부틸프탈레이트 (Dibutyl phthalate, DBP) 용도 : 디부틸프탈레이트는엷은황색의은은한방향성의향을내는유성의액체이다. 주로가소제, 살충제, 거품방지제, 방직섬유의윤활제, 향수의휘발방지제및용매로사용된다. 독성 : 디부틸프탈레이트는동물실험에서급성독성정도가낮게나타났다. 그러나장기간투여시요도하열, 잠복고환, 전립선, 부고환, 정관의발달장애, 성상피의퇴화, 고환내간질세포의과다형성과같은생식독성이유도되는것이관찰되었다. 또한인체에요도하열, 잠복고환, 정자수감소등의생식독성을일으키는것으로보고되었다 (Spade et al., 2014). IARC 발암물질분류에포함되어있지않다. 마. 디이소부틸프탈레이트 (Diisobutyl phthalate, DIBP) 용도 : 디이소부틸프탈레이트는무취의가소제로내열성및내광성이우수하여높은경제성의가소제로서사용된다. 그리고 DBP보다낮은밀도와빙점을가지고있어 DBP 대체재로사용된다. 독성 : 디이소부틸프탈레이트는낮은독성을나타내나, 장기간투여시동물의체중, 간중량, 성발달변화를유도한다는보고가있다. 디이소부틸프탈레이트가신경독성물질이라는증거는부족하다. IARC 발암물질분류에 60

76 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 포함되어있지않다. 바. 디이소데실프탈레이트 (Diisodecyl phthalate, DIDP) 용도 : 유연성을높이기위해플라스틱및플라스틱코팅생산에일반적으로사용되는가소제이다. 가구, 조리기구, 약품, 식품포장지의코팅에사용된다. 독성 : 미국과유럽연합에서프탈레이트의독성및생물농축성에대해주목하고연구하고있다. 사. 디이소노닐프탈레이트 (Di-isononyl phthalate, DINP) 용도 : 디이소노닐프탈레이트는플라스틱을유연하게만드는데사용되는가소제로서정원호스, 수영장라이너, 바닥타일및방수포에사용된다. 식품포장에는사용이제한되어있다. 미국은어린이의입에넣을수있는어린이장난감및보육용품에 0.1% 이상의양으로 DINP, DIDP, DNOP 사용을금지하고있다. 독성 : 동물을이용한만성독성실험에서간과신장독성및발암성을나타내었다. 하지만인간에서발암성과의인과관계는확인되지않았다. 아. 디엔옥틸프탈레이트 (Di-n-octyl phthalate, DNOP) 용도 : 디엔옥틸프탈레이트는투명한유상의액체이며, 주로플라스틱제조에서가소제로이용된다. 독성 : 동물을이용한독성실험에서경구나피부경로를통해노출시독성이낮은것으로여겨진다. 지속적인섭취시중추신경계억제가일어날수있으며지속적인피부접촉으로건조, 갈라짐, 발진을유발할수있다 (EPA, 1985). 장기간투여시동물의체중, 간중량, 생식의변화를유도하고, 동물과세포실험에서돌연변이를일으킬수있다는보고가있다. 하지만발암성여부는확인되지않았다 (Huber et al., 1996). 61

77 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 자. 디메틸프탈레이트 (Dimethyl phthalate, DMP) 용도 : 디메틸프탈레이트는플라스틱의유연성을증가시키기위한가소제로서사용된다. 로켓연료, 코팅제, 안전유리, 필름등에사용된다. 독성 : 동물실험에서생식독성이있는것으로알려져있으나, 확정적이지는않다 (ACGIH, 2013). 차. 브롬화난연제 (Brominated flame retardants, BFRs) 용도 : 플라스틱, 전기, 인테리어섬유, 자동차쿠션, 도로및철도제방, 포장재료, 전기및전자장비, 케이블및섬유코팅, 군사적목적의보호용페인트의발화방지용난연제로서폴리브롬화비페닐 (Polybrominated biphenyls, PBBs), 폴리브롬화디페닐에테르 (Polybrominated diphenyl ether, PBDEs), 헥사브로미네이티드사이클로도데케인 (hexabromocyclododecane, HBCD/ HBCDD), 테트라브로모비스페놀 A(Tetrabromobisphenol A, TBBPA) 등이대표적이다. 독성 : 헥사브로미네이티드사이클로도데케인은동물을이용한급성독성실험에서경구, 피부, 안점막노출시독성또는자극이없었다. 또한반복독성실험에서도간독성이나발암여부가확인되지않았다 (EPA/Office of Pollution Prevention and Toxics, 2009). 카. 비스페놀 A(Bisphenol A, BPA) 용도 : 투명용기, 접착제, 전자코팅재, 보트선체를만드는데사용되는플라스틱원료의핵심성분인가소제로서사용되며, 소비재, 재사용가능한음료용기, 식품보관용기, 통조림식품, 어린이장난감및영수증등다양한목적으로상품화되고있다. 독성 : 비스페놀 A는잘알려진에스트로겐활성을갖는내분비계장애물질이다. 급성독성이높지는않지만, 지속적인섭취시생식과발생및대사를포함하는다양한생리기능에영향을미친다 (Delfosse et al., 2012). 또한 DNA 손상과 62

78 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 세포독성을유발하며, 동물실험에서암을유발할수있다고보고되었다 (Murray et al., 2007). 그러나 IARC 에서는아직발암물질분류에포함시키지않고있다. 타. 노닐페놀 (Nonylphenol) 용도 : 플라스틱식품포장제의안정제로서사용되며, 폴리염화비닐 (PVC) 의열안정제로도쓰인다. 세제, 도료, 살충제, 유화제및용해제제조에도사용된다. 독성 : 생물학적인분해가잘이루어지지않으며표층수또는토양에서분해되는데수개월혹은그이상이소요된다. 비생물학적인분해는매우미미하다. 에스트로겐과유사한활성을나타낼수있는능력을가진관계로내분비계장애물질이될수있다 (Nagao et al., 2000). 면역독성, 생식독성등이관찰되었으며, IARC에서는아직발암물질분류에포함시키지않고있다. 63

79 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 7. 흡착성물질의독성및위해성가. 폴리염화비페닐 (Polychlorinated biphenyl, PCB) 용도 : 폴리염화비페닐은전기절연용도로많이사용되고있는물질이다. 또한, 전기변압기및축전기등, 전기장치에많이사용되며, 작동액 (hydraulic fluid), 윤활제, 가스터빈, 석유첨가제, 열전달액, 무탄소용지, 살충제증량제, 탈진제, 방화제, 가소제에도사용된다. 독성 : 폴리염화비페닐은화학적으로안정하여환경및생체내에잔류하는특성을보인다. 대개여러가지폴리염화비페닐화합물들이혼합된형태로, 오염된식품, 호흡, 피부를통해인간에게오염된다. 먹이사슬농축을통해노출이증가될수있으며, 염소함유량이높은구조에서농축이더높게나타난다. 폴리염화비페닐은수용체를활성화시킴으로서발암성을나타내는것으로보고되었고, 염소성여드름 (Chloracne) 및특징적인피부증상, 암으로인한사망율증가등이확인되었다. 염증반응을유발하며, 면역체계, 간손상을일으킨다고보고되었다. 또한내분비장애물질로알려져있으며유전독성을나타내기도한다. 따라서, 2016년, IARC에서는폴리염화비닐화합물을인간에게암을유발하는것이확실한 1군으로분류하였다 (IARC, 2016). 나. 디클로로디페닐디클로로에틸렌 (Dichlorodiphenyldichloroethylene, DDE) 용도 : 엔드린, 클로데인, 톡사펜, 케폰, DDT, 미렉스, 엔도설판, 헤파타클로, 린데인과페테인등을포함하는유기염소계살충제이다. 또한, 살충제 DDT의대사산물로서, DDT 제조시의불순물이기도하다. 독성 : 디클로로디페닐디클로로에틸렌에노출되면오심, 두통, 피로, 현기증, 무감각, 사지의부분마비, 중증의운동실조증, 일부반사, 약한발작, 사지의고유수용감각과진동감각의상실, 과민성슬개반사, 흥분, 혼돈, 호흡증대등이나타난다. 다른증상으로는머리와목의떨림현상, 심장과호흡장애가나타나며사망할수도있다. 혀와입술, 안면의마비를유발할수있으며, 64

80 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 과민증 (hypersensitivity), 어지럼증이나타나기도한다. 긴장성-간대성발작을유발할수도있으며, 황시증 (xanthopsia) 을유발하기도한다. 세포실험에서는염색체손상이나타났으며 (USEPA, 1980), 동물실험에서 DDE에노출되었을때간암발생이증가하였다 (IARC, 1991). 다. 아세나프텐 (Acenaphthene) 용도 : 아세나프텐은염료매개체, 살충제, 살진균제로사용된다. 또한플라스틱제조와약제조에도이용된다. 독성 : 아세나프텐은암을일으킬것으로의심되며, 수생생물에매우유독한물질이다. 과량삼켰을경우급성구토를야기할수있으며, 피부, 눈및점막에자극을줄수있다. 미생물실험에서아세나프텐증기는형태적돌연변이빈도를증가시키며, 세포호흡활성감소를보이는돌연변이도일으킨다. 돌연변이의빈도는아세나프텐작용시간에의존한다 (Imshenetskii et al., 1985). 또한아세나프텐은다환방향족탄화수소 (PAH) 의일종으로피부및폐흡입을통해노출되면피부암과폐암발병률이증가된다. 라. 플루오렌 (Fluorene) 용도 : 플루오렌은플라스틱생산원료와물감색소로사용되고, 플루오렌유도체는제초제와성장조절제로사용된다. 독성 : 동물실험에서특이한독성은나타나지않았으나, 장기노출시생식세포에영향을미칠수있다는보고가있다. 플루오렌에 90일간노출시세정관에거대생식세포가나타나고, 노출된수컷에서는성숙정자의숫자가줄어들었으며, 고환무게의감소가확인되었다. 발암성에대해서 IARC는암을유발할수있는증거가부족한 3군으로분류하였다. 마. 플루오란테인 (Fluoranthene) 용도 : 플루오란테인은콜타르및아스팔트유래석유제품의구성성분이며, 65

81 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 상수도관과저장탱크의강철및연철내벽을보호하는내막물질로사용된다. 독성 : 인체발암성의물질로분류되지는않았으나, 장기간노출시피부염을일으킬수있다. 플루오란테인에노출시피부와눈의접촉성화상, 오심, 빈맥, 심부정맥, 간손상, 폐부종, 호흡정지등이나타날수있다. 피부질환환자에민감한영향을끼칠수있다. IARC 발암성등급분류는 3군으로인체발암물질로분류할수없음에해당한다. 동물연구에서는피부에서광독성을나타내었고, 눈에서최대홍반반응을나타냈다 (Kochevar et al., 1982). 바. 안트라센 (Anthracene) 용도 : 안트라센오일은다양한용도의물품제조와산업현장및제조과정에서제형또는재포장에이용된다. 독성 : 안트라센은동물실험에서모발손실및체중감소등의모체독성과유산, 기형유발등, 배아독성이관찰되었다. EU의발암성평가는 1B( 인간에게발암가능성이있다고추정되는물질 ) 이다. 사. 크리센 (Chrysene) 용도 : 크리센은유기합성및연구용시약으로사용된다. 독성 : 피부접촉에의해서홍반, 피부화상, 여드름성병변, 자극감등이나타나며, 만성독성으로눈의광과민성과자극감, 호흡기자극과기침, 기관지염, 백반증등이나타난다. 그외간독성과신독성, 혈뇨가나타날수있다. 발암성등급분류는 IARC 기준 2B군이고 (IARC, 1979), ACGIH 기준 A3군, 즉사람과의상관성은알수없으나동물에는확실한발암물질에해당한다. 크리센은병리학적으로화학적발암성을나타내는것으로알려져있다. 66

82 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 아. 벤조피렌 (Benzo(a)pyrene, BP) 용도 : 연구및실험용으로이용되고있다. 독성 : 피부에오랜동안노출하면홍반, 색소화, 낙설현상이나타나며, 사마귀가생기기도한다. 실험동물에장기간노출하면재생불량성빈혈, 백혈구감소증등의혈액적변화로인해사망하기도한다. 마우스에서는저형성빈혈이나타나기도한다. IARC 발암성등급분류는인체발암물질인 1군이다 (IARC, 1979). 벤조피렌은돌연변이를유발하며발암효과도알려져있다. 벤조피렌에노출되면성장이지연되며, 부종과사지이상증세가나타나고, 또한실험동물에장기간노출하면재생불량성빈혈, 혈구감소증등의혈액적변화로인해사망하기도한다. 자. 벤즈안트라센 (Benz(a)anthracene, BA) 용도 : 벤즈안트라센은연구용화학물질로사용된다. 독성 : 환경에존재하는다핵방향족탄화수소화합물의주요조성으로서발암원이다. 체내염색체와 DNA에이상을일으킨다. 흡연및오염된공기흡입, 폐수에의해오염된음식과물의섭취를통해인체내로흡수가된다. 벤즈안트라센은동물에서방광과피부의암을일으킨것으로나타났으며인간에서도발암원으로알려져있다. 그외인간에서생식기계손상을일으킬가능성이보고되어있다. 따라서, 벤즈안트라센은실험동물에서확인된발암원이며, 에임스 (Ames) 테스트에의해돌연변이원으로확인되었다. IARC 발암성등급분류는인체발암가능물질인 2B군이다 (IARC, 1979). 차. 알드린 (Aldrin) 개요 : 알드린은유기염소계의토양해충살충제이다. 무색의고체로채소해충, 보리해충등에살충제및살균제로사용된다. 알드린이산화된형태인에폭사이드디엘드린은더강력한살충효과를가진다. 독성 : 경구로 10mg/kg를초과하는농도에급성으로노출될경우중추신경계 67

83 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 이상이발생할수있고, 3~7g를섭취할경우사망할수있다. 독성영향의주요표적은중추신경계이다. 중추신경흥분, 근간대성경련, 재발성발작이발생할수있다. 그리고, 혼수를동반하는호흡기억제가발생할수있고이것이일반적으로직접적사망원인이된다. 발암성등급분류는 IARC 기준 3군이다 (IARC, 1974). 세포연구에서는세포의 DNA 손상이발견되었고, 염색체이상등, 돌연변이를유발하였다 (HSDB, 1997, RTECS, 1997). 알드린은동물실험에서배자독성이나태자독성이보고되었으며 (Schardein, 1985), 급성으로노출된동물에서는간괴사가나타났다 (Proctor et al., 1988). 역학연구결과, 6~12개월동안알드린을함유한밀을섭취한환자에서심전도이상이나타났다. 또한, 알드린에심하게노출된근로자들에게간질형발작이보고되었다 (Gupta, 1975). 카. 디엘드린 (Dieldrin) 용도 : DTT 대용광범위살충제로많이사용되어왔으나최근에는독성으로인해사용이제한되고있는유기염소계물질이다. 알드린과구조적으로유사한물질로알드린은해충구제효과가없으나체내에서디엘드린으로분해되면서해충구제효과를내는것으로알려져있다. 독성 : 자연계에서잘분해가되지않고생체농축되기때문에매우해로운것으로판단된다. 생식독성, 중추신경계독성, 면역독성, 암유발등다양한독성을지니고있다. 임신한여성이노출되었을때태아의남성생식기발생시문제를일으키는것으로보고된바있다. 파킨슨병및유방암관련성이의심되기도한다. 발암성등급분류는 IARC 기준 3군이고 (IARC, 1979), ACGIH 기준 A3군으로, 사람과의상관성은알수없으나동물에게는확실한발암물질로알려져있다. 타. 퍼플루오로옥탄산염 (Perfluorooctanoic acid, PFOA) 용도 : 퍼플루오로옥탄산염은 C8로알려진인공산으로, 공업용으로많이사용하고있다. 68

84 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 독성 : 동물실험에서기형을유발하고간독성을나타내며성적인발달을지연시키는것으로확인되었다. 사람에게직접노출시중증통증, 기침, 질식, 기도자극, 폐부종, 혼수, 경련및심할경우사망한다. 인간세포연구에서퍼플루오로옥탄산염을처리하면 DNA 손상및세포사멸을유발할뿐만아니라세포주기를교란시킨다. 장기간동안고농도의퍼플루오로옥탄산염에노출되었을때에는세포가일차및이차괴사를나타낸다. 동물실험에서고환의종양형성을유발하였다 (Klaassen, 2001). 69

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96 Ⅱ. 미세플라스틱의독성및위해성현황 (2018 년 3월 15일 ) Plastic particles found in bottled water (2018년 9월 4일 ) 국내판매천일염 6종에서미세플라스틱검출 (2018 년 9월 10일 ) Microplastics found in global bottled water 81

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98 Ⅲ 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황

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100 Ⅲ 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 플라스틱은저렴한가격, 우수한기능으로현대인의풍요로운생활에크게기여하고있는반면, 플라스틱폐기물을매립하거나소각할경우심각한환경오염의문제가발생하고있다. 즉, 반영구적이고편리한합성플라스틱이분해되는데 300~400년이걸리는데, 이는난분해성환경오염물이라는부메랑이되어우리앞에나타나고있다. 이를해결하기위한방법중하나로미생물이나효소를이용한생물학적분해과정이있으며, 이것은환경오염이없는플라스틱폐기물처리기술이다. 이러한생물학적분해과정에는세균등의원핵생물과진균, 효모등의진핵생물들을활용한플라스틱분해연구가최근활발히진행되고있으나, 아직까지플라스틱제품을분해하기에는너무나미미한분해능을가지고있다. 따라서환경친화적이고무해한생분해성플라스틱의제조를통해원가절감, 강도, 물성, 가격등의단점을극복한우수소재개발과, 보다쉽고강력하게생분해할수있는미생물발굴도아울러필요하다. 따라서본장에서는합성플라스틱 ( 플라스틱으로이하명기 ) 과생분해성플라스틱의분해미생물 ( 세균, 방선균, 진균 ) 과분해효소에대한최근연구동향에대해살펴보도록한다. 1. 플라스틱분해미생물균주가. 플라스틱분해세균 < 표 3.1> 은플라스틱분해세균들의목록이며, 이들은 Pseudomonas, Streptococcus, Corynebacterium, Arthrobacter, Bacillus 및 Rhodococcus 등이있다. 이들중, Pseudomonas, Streptomyces에대해많은연구들이되어있으며, 특히 Pseudomonas는 PE, PUR, PVC 등여러종류의플라스틱분해능을가진다고보고된바있다. 하지만, 아직까지 Pseudomonas 종이외다른균주들은플라스틱분해에대해자세히알려지지않았고, 분해속도가 85

101 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 미미하여적은양을분해하더라도오랜기간이걸린다. < 표 3.1> 플라스틱분해세균 Type of Plastic Used Microorganisms PUR Corynebacterium sp., Pseudomonas sp., Bacillus sp., Pseudomonas cepacia, Pseudomonas sp., and, Arthrobacter globiformis Isotactic PP Pseudomonas chlororaphis, Psudomonas stutzeri, and Vibrio sp. Degradable PE Bacillus mycoides, Rhodococcus cepaciarhodocorrous ATCC and Nocardia steroids GK 911 PE bags and plastic cups Streptococcus sp., Staphylococcus sp., Micrococcus sp., Moraxella sp., and Pseudomonas sp., Bacillius cerreus, Bacillus sp., Staphylococcus sp., Diplococcus sp., Micrococcus sp., Pseudomonas sp. Serratia marcescens, Serratia marcescens 724, Bacillus cereus, Streptococcus aureus (B-324), Micrococcus lylae (B-429), Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, and Bacillus subtilis Natural and synthetic PE Pseudomonas sp. (P1, P2, and P3) PVC powder Pseudomonas aeruginosa LDPE Rhodococcus ruber C208, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa PAO1 (ATCC15729), Pseudomonas aeruginosa (ATCC15692), Pseudomonas putida (KT2440 ATCC47054), Pseudomonas syringae (DC3000 ATCC10862), Brevibacillus borstelensis 707, Staphylococcus epidermis and Bacillus cereus C1 HDPE Arthrobacter sp. and Pseudomonas sp. LDPE and LLDPE Bacillus cereus, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis, and Brevibacillus borstelensis HDPE and LDPE Bacillus sp., Mcrococcus sp., Listeria sp., and Vibrio sp. HDPE, LDPE, and LLDPE Rhodococcus rhodochorus ATCC LDPE powder Pseudomonas sp., Staphylococcus sp., and Bacillus sp. Degradable plastic Pseudomonas sp., Bacillus subtilis, staphylococcus aureus, Streptococcus lactis, Proteus vulgaris, and Micrococcus luteus 자료 : Chandra,

102 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 1) 플라스틱분해 Pseudomonas sp. 일상생활에서널리사용되는플라스틱은서서히분해되는고분자환경폐기물로최근에는플라스틱의분해를가속화하는미생물들이발견되고있다. 특히 Pseudomonas sp. 의균이여러종류의합성플라스틱을분해하는능력을가지기때문에, 이에대해좀더구체적으로소개하고자한다. Pseudomonas sp. 은 PE, PP, PVC, PS, PUR, PET, PES, PEG와 PVA를다양한효율의정도에서분해하는것이확인되었다. Pseudomonas sp. 의분해능력을조절하는요인으로는 biofilm 내부와세포표면, 고분자폴리머의산화또는가수분해에관여하는촉매인자, 고분자단편화와흡수및분포를담당하는생물학적분해과정에관여하는화학적요인들이관여할것으로보고되었다 (Wilkes & Aristilde, 2017). PE는가장널리생산되는플라스틱소재로서플라스틱가방, 물통, 우유통, 식품보관류와장난감생산등에주로사용되며에틸렌결합을가진긴사슬의포화된폴리머로서높은소수성을나타낸다. PE는밀도에따라두가지로나뉜다. 결정구조가단단한패킹을방해하는가지사슬을가질때를저밀도 PE(LDPE) 라하며, 가지사슬이거의없고분자들사이의강한힘을형성할경우고밀도 PE(HDPE) 라한다. 해양생태계에서분리된 15개의 HDPE를분해하는박테리아종으로부터 Pseudomonas sp. 는가장효율적으로분해하는것으로밝혀졌다. Pseudomonas sp. 는 PE의긴사슬폴리머중합체에친수성을증가시키고, 그결과 carbonyl기를생성하고저분자량구성성분의사슬을절단시켜폴리머를분해한다. 플라스틱폐기물 LDPE을질산으로전처리후, P. aeruginosa로분해를유도한결과 2개월동안폐기물의 50.5% 를분해할수있다고보고되어있다. 그러나 Pseudomonas AKS2는 LDPE를분해하는데화학적전처리가필요하지않고질량의 5% 정도가 45일내로분해되는결과를보였다. 또한종의구별이확인되지않는 Pseudomonas sp. 는어떠한전처리도없이 LDPE의무게의 28.6% 를 45일안에분해한다는것을확인하였다. 따라서 PE와그와관련된플라스틱의생물학적인분해는고분자폴리머중합체의구조적배열과폴리머에 Pseudomonas sp. 의노출형태둘다에의해서플라스틱 87

103 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 분해능이결정된다 (Wilkes & Aristilde, 2017). PS는가볍고뻣뻣하며일회용컵, 포장재및실험실장비에서효과적인단열재로사용되며구조는탄화수소사슬과함께 phenyl기로구성되어있다. 비록 PS에대한생물학적분해에대한연구는부족하지만이러한 PS 폴리머중합체는 Pseudomonas sp. 에서스티렌, 톨루엔그리고벤젠과같은화합물로분해될수있다. 또한 Pseudomonas NCIM2220은 PS를이중단량체로분해할수있으며미량의젖당, 설탕또는포도당을가진무수말레익산으로분해할수있다 (Wilkes & Aristilde, 2017). PUR은 polyisocyanate와 polyol의축합으로부터형성된 urethane으로폴리카프로락톤 (polycaprolactone, PCL), 폴리에테르또는폴리에스터등쓰임새에따라다양한구조를가진다. PUR는타이어, 스펀지, 냉장고단열재, 가구쿠션, 가스켓, 범퍼그리고페인트에서사용되며내적특징으로는불꽃에대한단열효과와항미생물활성을보이고있으며온도, ph, 화학약품그리고미생물의분해효과를감소시킨다. 이와같이 PUR은생물학적인분해에역효과를가지고있음에도불구하고 P. fluorescens, P. aeruginosa, P. cepacia, P. protegens 그리고 P. chlororaphis를포함한몇몇의 Pseudomonas sp. 는생물학적분해과정에서 PUR을분해한다고알려져있다 (Wilkes & Aristilde, 2017). PET는소수성이강하며화학물질에내성이있으며, 열 화학적으로다소안정하여전자제품의부품, 자동차부품및섬유에사용되며현재전세계적인생산량은증가하고있고합성플라스틱제품의약 50% 로추정된다. 화학전처리유무에관계없이 PET는생물학적분해가쉽지않으나자외선으로전처리한후, P. azotoformans와 P. stuzeri 등에의해플라스틱폴리머중합체의최소중량손실은 1년후에나타난다 (Wilkes & Aristilde, 2017). PET를생물학적으로분해하거나 PET에의해번식하는미생물과관련되어서는극히소수의연구결과가보고되어있다 (Muller et al., 2005; Nimchua et al., 2007; Nimchua et al., 2008; Ronkvist et al., 2009; Sharon & Sharon, 2012; Yoshida et al., 2016). 88

104 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 2) Ideonella sakaiensis 201-F6 최근에 Yoshida et al.(2016) 은흔히사용되는플라스틱 PET의분자결합을해체하는박테리아종 (Ideonella sakaiensis 201-F6) 을발견하였고, 저급플라스틱을 6주만에거의완벽히분해하는것으로드러났다. 이는다른플라스틱분해박테리아들이나최근 PET를분해한다는사실이밝혀진곰팡이보다도훨씬빠른효능을나타냄을의미한다. 유전자조사에의하면해당박테리아는지난 70년간환경에축적된플라스틱에대응하여 PET를분해할수있는효소를생성하도록진화했을가능성이있는것으로밝혀졌다. 그러나플라스틱병에사용되는고결정 PET를분해하는데에는오랜시간을소요되므로, 이를산업재활용또는오염정화작업에효과적으로활용하기위해서는많은개선이필요할것으로보인다. 그외현재까지보고된 PET를분해하는미생물의종류는아래와같이수종이알려졌다 (< 표 3.2> 참조 ). < 표 3.2> PET 를분해하는세균 Microorganisms Reference Hermobifida fusca DSM43793 (bacteria) Muller et al., 2005 Pseudomonas mendocina (bacteria), Thermobifida fusca (bacteria) Ronkvist et al., 2009 Microbes (bacteria) Sharon et al., 2012 Ideonella sakaiensis 201-F6 (bacteria) Yoshida et al., 2016 자료 : Yoshida et al., 나. 플라스틱분해방선균호기성및혐기성조건에서 PHB를분해하는토양미생물과 PHB 필름의움푹들어간표면에서다양한세균, 진균, 방선균등이발견되었다. 이사실은다양한균들이복합적으로상호작용하여플라스틱의분해가일어난다는것을보여준다. 89

105 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 3.3> 에제시된바와같이이와관련된미생물중 Streptomyces 종은 LDPE, PUR 등을분해한다고보고된바있으며, Actinetobacter는 PUR을분해한다고알려져있다 (Chandra, 2015). < 표 3.3> 플라스틱을분해하는방선균 Type of Plastic Used Starch polyethylene-prooxidant degradable polyethylene Starch polyethylene-prooxidant degradable polyethylene Disposable plastic films LDPE powder PE PUR Microorganisms Streptomyces badius 252 Streptomyces setonii 75Vi2 and Streptomyces viridosporus T7A Streptomyces sp. (8 strains) Streptomyces KU8, and Streptomyces KU5, Streptomyces KU1, and Streptomyces KU6 Streptomyces sp., Pseudonocardia, Actinoplanes, Sporichthya Actinetobacter calcoaceticus, Actinetobacter gerneri P7 자료 : Chandra, 다. 플라스틱분해진균플라스틱을분해하는다수의호기성및혐기성곰팡이는토양이나활성슬러지 (sludge) 와같은다양한환경에서 < 표 3.4> 와같이발견되었다. Trametes는 HDPE, Poliporusoersicolor, Pleurotus, Pleaurotus, Aureobasidium은 PVC, Cladosporium, Penicillium은 PUR, Fusarium sp. 는 LDPE, Aspergillus versicolor, Phanerochaete는 PVC를분해한다고알려져있다 (Chandra, 2015). 또한 Aspergillus flaous는 LDPE 뿐만아니라 HDPE도분해가가능하다. Phanerochaete chrysosporium, Lentinus tigrinus, Aspergillus niger, Aspergillus sydowii 균들은 PVC를다른균주들보다상당히빠른속도로분해할수있다. 그러나이들진균들도 PVC를완벽하게 90

106 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 분해한다는보고는아직없으며, PVC를분해하는속도도실용적으로사용하기에는느리기때문에앞으로많은연구를필요로한다. < 표 3.4> 플라스틱을분해하는진균 Type of Plastic Used Microorganisms PE Penicillium simplicissmum PE bags and cups Phanerochaete chrysosporium, Pleurotus ostretus, Aspergillus niger, Aspergillus glaucus, Aspergillus ornatus, Aspergillus nidulans, Aspergillus cremeus, Aspergillus flavus, Aspergillus candidus, and Aspergillus glaucus Degradable PE Cladosporium cladosporides, Penicillium frequentans PUR Chaetomium globosum, Aspergillus terreus Curvularia senegalensis, Fusarium solani, Aureobasidium pullulans, and Cladosporium sp. Disposable plastic films Aspergillus flavus and Mucor rouxii NRRL 1835 PVC Poliporus versicolor, Pleurotus sajor caju, Phanerochaete chrysosporium ME 446, Pleurotus ostreatus, Pleurotus sapidus, Pleurotus eryngii, Pleurotus florida Plasticized PVC Aureobasidium pullulans, Rhodotorula aurantiaca, and Kluyveromyces spp. PVC powder Aureobasidium pullulans, Geotrichum candidum, Alternaria alternaria, Cladosporium sp., Aspergillus sp., Penicillium sp., and Ulocladium atrum LDPE Aspergillus niger, Penicillium funiculosum, Chaetomium globosum, Gliocladium virens, Pullularia pullulans Aspergillus oryzae, Fusarium sp. AF4, and Aspergillus sp. LDPE powder Penicillium pinophilium, Aspergillus niger, Aspergillus nidulans and Aspergillus flavus HDPE Phanerochaete chrysosporium ME-446 and Trametes versicolor(ifo 7043, IFO 15413), Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, and Aspergillus flavus Degradable plastic Phanerochaete chrysosporium, Aspergillus niger, Aspergillus nidulans, Aspergillus flavus, Aspergillus glaucus and Penicillium sp. LDPE powder Aspergillus versicolor and Aspergillus sp. 자료 : Chandra,

107 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 라. 플라스틱분해해양미생물인간의일상생활에서나오는플라스틱은바다에유입되는주요쓰레기중하나이다. 바다는식량, 에너지, 수자원등의중요한자원을공급하고국제무역의주요통로가되며, 기후를조절하는중요한역할도수행한다. 그러므로플라스틱오염과같은해양생태계의변화는전세계적인규모로엄청난악영향을일으킬수도있다. 이러한해양플라스틱오염문제를해결할수있는방안중하나가플라스틱분해능을가진해양미생물들을발굴하는것이다. 특히, 해저속추운지역에서발견될수있는해양미생물의활용에대한것이주목받고있다. 최근에보고된추운해양서식지에서플라스틱분해와플라스틱-미생물의상호작용에대해다음과같이정리하고자한다 (Urbanek et al., 2018). 1) 해양미생물들과플라스틱의상호작용하천을통해바다로유입되는플라스틱은단편화, 분해, 풍화, 자외선그리고미생물들을통해미세플라스틱으로그크기가줄어들며일부는해저에침전되고, 일부는 biofouling( 생물오손 ) 이라는과정을거친다. biofouling 은바다에가라앉은플라스틱등에군체형성이일어나는과정을의미하며, adsorption( 흡착 ), immobilization( 부동화작용 ), consolidation( 경화 ), microfouling( 미생물이관여 ) 등의과정을거친다. 미생물들은 microfouling( 미세오손 ) 과정에중요하게작용하는데특히군체형성과정에관여한다고알려져있다. 즉미생물들은플라스틱의표면에붙어 biofilm 을형성하며, 점차적으로플라스틱의분자구조를변화시키는생물학적분해를일으킨다 (Muthu, 2014). 이과정을통해플라스틱은작은분자구조로분해되어 nanoplastic 또는단순유기화합물로분해되어부유물로존재하거나해저에침착또는탈착하는과정을거치게된다 (Harrison et al., 2011) (< 그림 3.1> 참조 ). 92

108 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 < 그림 3.1> 미생물과플라스틱의상호작용 자료 : Urbanek et al., ) 해양환경에서플라스틱을분해하는능력을지닌미생물현재추운서식지에서플라스틱분해에대한연구는크게두가지방향으로진행되고있다. 하나는해양생태계와미생물서식지와의상호작용을연구하는것이고, 또하나는해양미생물들과플라스틱과의관계를연구하는것이다. 이러한연구에서플라스틱을분해하는미생물이정확히어떤것인지동정하기위해서 16s rrna의염기서열을이용한다 (Ravenschlag, 1999). 상당수의플라스틱분해미생물은심해침전물에서다수발견이되는데, 심해가 4 미만의온도를가진추운환경이라는점에서추운환경에서해양미생물이플라스틱을먹이나서식지로사용할수있을것으로예측된다 (Ravenschlag, 1999). 이들심해의플라스틱폐기물에서발견된균주에서주목할만한플라스틱분해능을가진미생물이발견되었으며, 대표적으로다음과같다 (< 표 3.5> 참조 ). 93

109 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 3.5> 추운환경에서플라스틱을분해하는능력을지닌해양미생물 Microorganism Source Plastic Shewanella, Moritella sp., Psychrobacter sp., Pseudomonas sp. Vibrio alginolyticus, Vibrio parahemolyticus Pseudomonas sp., Clonostachys rosea, Trichoderma sp., Deep-sea sediment, the Kurile and Japan Trenches Benthic zones of marine nvironments The Arctic soil Zalerion maritimum Marine environment PE Aspergillus versicolor, Aspergillus sp. Pseudomonas sp. Pseudomonas sp., Alcanivorax sp., Tenacibaculum sp. 자료 : Urbanek et al., Kovalam coast off the Bay of Bengal, 500m away from shore at the depth of 5m Deep seawater of Tottori Prefectureand offshore in Toyama bay Deep seawater PCL PVA-LLDPE PCL, commercial available bag based on potato and corn starch LDPE PCL Monofilament fibers of PCL, PHB/V, PBS < 표 3.5> 에의하면플라스틱분해미생물들은대부분심해나북극의흙에서발견되는데, 특히수온이 4 미만인심해의침전물에서다수발견되었다 (Russell, 1990; Ravenschlag et al., 1999). 대표적으로일본도야마만깊이 320m 의해저에서분리된균주는 Pseudomonas 속으로이균은 4 에서 PCL을분해할수있다. 심해 5,000~7,000m의침전물에서도 Shewanella, Moritella, Psychrobacter 및 Pseudomonas속등의해양미생물이발견되었고, 이들균주는생분해성 PCL에대해우수한분해능을나타내었다. 또한, 심해해수에서낮은온도에도불구하고 PCL, PHB 및 polybutylene succinate(pbs) 섬유의분해가관찰되었다 (Urbanek et al., 2018). 그외 320~650m 깊이의해수에서는 Pseudomonas, Alcanivorax 및 Tenacibaculum 속등 5종의 PCL 분해균주가동정되었다. 94

110 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 최근 Raghul et al.(2014) 은폴리비닐알콜 (PVA) 과저밀도폴리에틸렌 (LDPE) 을 Vibrio alginolyticus와 Vibrio parahaemolyticus 2종의박테리아와함께 15주간함께배양한결과플라스틱표면에서박테리아에의해균열과홈이발생함을확인했으며, 2종이상의세균으로더욱용이하게플라스틱이분해됨을보고하였다 (Raghul et al., 2014). 2018년 Urbanek et al.(2018) 에의해실시된최근연구에서는 polylactic acid(pla), PCL, PBS 및 Polybutylene succinate adipate(pbsa) 에대한미생물활성검사결과, Clonostachys rosea 및 Trichoderma sp. 등의곰팡이균주와 Pseudomonas 및 Rhodococcus gena 속의박테리아균주는 PCL 필름분해기능과 PLA 필름에서도빠른성장이관찰되어, PLA 분해능에대한가능성을보여주었다 (Urbanek et al., 2018) (< 표 3.5> 참조 ). 3) 플라스틱을분해할수있는해양미생물후보군앞에서언급한바와같이미생물들은인간이살기힘든환경인해저의추운서식지에서도존재할수있으며, 이렇게추운환경에서살아가는미생물의여러능력중에서도플라스틱을분해할수있는능력이주목받고있다 (Pauli et al., 2017). 바다로흘러들어가는플라스틱은해저미생물들에게새로운기층 ( 붙어서자랄수있는물질 ) 으로활용되어질수있으며, 용해된유기탄소를방출하여미생물들의활성을증가시키거나미생물들이새로운형질을가지게만든다. 대표적인형질이바로저온활성효소 (cold-active enzyme) 로서이효소는추운지역에서도활성화가잘되므로온도를높이기위해에너지를많이사용할필요가없어배양온도에필요한비용을절감할수있으므로, 산업적으로도입하는데관심이증대되고있다 (Yadav et al., 2017). 다음표는추운환경에서플라스틱에붙어발견되는해양미생물들을정리하였으며, 이미생물들도플라스틱을분해하는잠재력을가진후보로평가받고있다 (< 표 3.6> 참조 ). 95

111 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 3.6> 플라스틱표면에서발견된해양미생물 Microorganism Source Plastic Phormidium, Lewinella Microbial communities attached to PET PET drinking bottles submerged in the North Sea off the UK coast Phormidium sp., Rivularia Microplastic from the North Atlantic PP, PE Stanieria, Microbial communities attached to PET PET Pseudophormidium drinking bottles submerged in the North Sea off the UK coast Pseudophormidium sp., Plastic particles harvested off the coasts of PP, PE Phormidium sp. the UK, Germany, and Denmark Proteobacteria, Bacteroides Microplastic harvested off the Belgian part of the North Sea Micropl astic Arcobacter, Colwellia sp. Coastal marine sediments within the LDPE Humber Estuary, UK 자료 : Oberbeckmann et al., < 표 3.6> 과같이 Oberbeckmann 등은북해의영국쪽해안에가라앉아있던 PET 병에부착한미생물군집을발견했으며, 이미생물종은 Phormidium과 Lewinella 였다고보고했다 (Oberbeckmann et al., 2016). 또한, Zettler 등은북대서양에서 PP, PE의미세플라스틱조각을입수했는데, 이미세플라스틱에서 Phormidium sp. 와 Rivularia 등의미생물이부착된것을발견하였다 (Zettler et al., 2013). 그리고영국의북쪽에위치한 Humber Estuary( 험버어귀 ) 에서는바다와접하는지역에서 LDPE의침전물을채취하여분석한결과 Arcobacter, Colwellia sp. 가부착되어있음을확인하였다 (Harrison et al., 2011). 그외에도 Pseudomonas, Streptomyces, Corynebacterium, Arthrobacter, Micrococcus, Rhodococcus 등이폐플라스틱에서발견되었다 (Pathak & Navnett, 2017). 뿐만아니라, Polaromonas, Micrococcus, Subtercola, Agreia, Leifsonia, Cryobacterium, Flavobacterium 등의미생물들이빙하의 cryoconite( 먼지들이눈 / 빙하에퇴적되어쌓인것 ) 에서발견되었으며이들 96

112 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 균주들은 lipase를생성한다고보고되어플라스틱을분해할수있는미생물로예측된다 (Singh et al., 2014). 마. 생분해성플라스틱을분해하는미생물기존플라스틱의환경오염문제점을해결하기위한대책중하나로생분해성플라스틱이주목을받고있으며, 이들생분해성플라스틱의분해를더욱촉진시킬수있는미생물들에대한연구가진행되고있다. 생분해성플라스틱에관해서는 IV장, 생분해성플라스틱부분에서자세히다루도록한다. 1) PHAs를분해하는미생물 PHAs는생분해성플라스틱으로서높은잠재력을갖는열가소성의폴리에스테르이다. 가장많이알려진 PHA는 PHB인데 (Quinteros et al., 1999), 이것은탄수화물을발효하는다양한세균에의해생성되며세균세포내의탄소원과에너지저장물질로서축적되는자연발생적인물질이다 (Shimao, 2001). 이러한 PHA를분해하는미생물은토양, 담수및퇴비등의다양한환경에분포하고있다. 토양에서분리된 Pseudomonas lemoignei, Comamonas sp. 등이있으며, 활성슬러시, 담수, 해수, 강하구퇴적물, 혐기적하수슬러지에서 Alcaligenes faecalis, Comamona sp., Comamonas testosteroni, Ilyobacter delafieldii, Clostridium sp. 등이분리되어이들은 PHA를분해하여영양분으로사용한다 (Colak & Guner, 2004) (< 표 3.7> 참조 ). 97

113 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 3.7> PHAs 분해미생물 Microorganism Source Plastic Ps.fluorescens GK13 MCL-PHA Streptomyces exfoliatus K10 MCL-PHA P. Maculicola MCL-PHA Paucimonas lemoignei 토양 호기성및혐기성 PHB Comamonas sp. 토양 호기성및혐기성 PHB Alcaligenes faecalis 활성슬러지 호기성및혐기성 PHB Comamonas testosteroni 해수 호기성및혐기성 PHB Ilyobacter delafieldii 강하구퇴적물 호기성및혐기성 PHB Clostridium sp. 혐기적하수슬러지 호기성및혐기성 PHB 자료 : 김말남, ) PCL을분해하는미생물 PCL 분해효소에대해많이알려져있지는않지만 PHA 분해세균과유사하게 PCL 분해세균은토양및수서환경에다양하게분포한다. PCL을분해하는미생물로는진균인 Fusarium sp., Aspergillus fumigutus 등과세균으로는 Bacillus pumilis, Paenibacillus sp. 등이 < 표 3.8> 과같이보고되어있다. 98

114 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 < 표 3.8> PCL 분해미생물 Microorganism Fusarium sp.,aspergillus fumigutus,. Rhizopus delemar Paecilomyceslilacinus Bacillus pumilis, Paenibacillus sp. Paenibacillusamylolyticus Alcaligeneas faecalis Amycolatopsis sp. Pseudomonas sp., Erwinia sp., Bacillus sp. Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter junii, Pseudomonas pavonaceae, Pseudomonas rhodensiae, Pseudomonas veronii, Pseudomonas lemoignei, Ralstoniapickettii, Matsuebacterchitosanotabidus, Filamentous bacterium and Variovorax paradoxus Source 토양토양토양토양토양토양토양토양 자료 : 김말남, ) PBS와 PBSA을분해하는미생물 PBS와 PBSA의합성은석유화학에기반을두고있으며 PBS는쉽게구조형성이되고 LDPE film과유사할정도로좋은친수성을갖지만우리가생활하는자연환경에서는생분해가어렵다는단점이있다 (Zhu et al., 2003). 현재까지발표된 PBS 분해미생물로는 Aspergillus vesicolor, Psnicillium sp., Bacillus sp. 및 Thermopolyspora sp. 등이분리되었다. PBSA 분해미생물로는토양, 퇴비및활성슬러지등에널리분포하고있으나 PBSA 분해미생물에대한특성연구는아직미미한편이다. 지금까지알려진 PBSA 분해미생물로는 Uchidaet et al.(2000) 은 Acidovorax delafieldil을, Hayase et al.(2004) 은 Bacillus pumilus를토양으로부터분리하여보고하였다. 그리고 Tomita et al.(2000) 은토양에서 Bacillus stearothermophilus를분리하였다. Teeraphatpornchai et al.(2003) 은일본의다양한지점에서채집한토양에서 PBSA 분해세균 Paenibacillus amylolyticus를분리하였으며이세균은 PBSA뿐만아니라 PLA, PCL 및 PES 등의다양한폴리에스테르를분해하는것으로조사되었다. 또한, 진균인 Aspergillus versicolor를 Zhao et al.(2005) 도토양에서분리하였다. < 표 3.9> 에제시된것과같이수종의 PBSA 분해미생물이보고되었다. 99

115 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 3.9> PBSA 분해미생물 Microorganism Source Aspergillus vesicolor, Psnicillium sp., Bacillus sp. and Thermopolyspora sp. Acidovoraxdelafieldil Bacillus pumilus Bacillus stearothermophilus Paenibacillus amylolyticus 토양에서강화배양 채집한토양을 clear zone method 자료 : 김말남, ) 생분해성플라스틱을분해하는효모 < 표 3.10> 은자연계에존재하는생분해성플라스틱을분해하는효모들의목록이다. < 표 3.10> 생분해성플라스틱의효모에의한분해 Cultivar Origin Yeast population(cfu/g) Strain Phenotype Species name YM PBSA no designation Shinei Hokkaido GB-1 Smooth C. flavus Akamai Tohoku GB-2 Wrinkled P. antarctica Akinishiki Niigata GB-3 Wrinkled P. antarctica Tankei Ibaraki GB-4(0) Wrinkled P. antarctica GB-4(1)S Smooth C. laurentii Tankei Ibaraki GB-4(0)W Wrinkled P. antarctica Nourin18 Kumamoto GB-5S Smooth C. rajasthanens GB-5W Wrinkled P. antarctica Kanan 2 Taiwan GB-6 Smooth C. laurentii Matsumae Hokkaido GB-7 Wrinkled P. antarctica Ouu 52 Akita GB-8 Wrinkled P. antarctica Chibanishiki Chiba not found GB-10S Smooth C. rajasthanens Saikai 124 Fukuoka GB-10W Wrinkled P. antarctica Kantou 135 Saitama GB-11S Smooth C. laurentii GB-11W Wrinkled P. antarctica 주 1) YM: yeast-malt-glucose-peptone agar medium 자료 : Kitamoto,

116 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 PBSA를분해할수있는효모의개체군은 10종의종자껍질에서 ~ cfu/g 범위로존재한다. 대부분의 PBSA 분해효모개체군은동일한형태학적인특징을가지지만, Tankei 9001, Nourin 18, Saikai 124 및 Kantou 135 등과같은 PBSA 분해효모개체군은다른형태학적인특징을가진두개체군이같이존재한다 (Kitamoto, 2011). 5) 생분해성플라스틱분해활성균류 < 표 3.11> 에제시된바와같이생분해성플라스틱을분해하는균류에는 MAFF 6종과 B47-9가있다. MAFF 6종은 P. chrysanthemicola 균주와 P. radicina 균주로구성되어있으며, B47-9 균주는강력한생분해성플라스틱분해능을가지고있다. < 표 3.11> 생분해성플라스틱의균류 (fungus) 에의한분해 DDBJ accesion no. Degradation area (%) Strain Species ITS region PBSA PBS MAFF Paraphoma chrysanthemicola LC MAFF Paraphoma chrysanthemicola LC MAFF Paraphoma chrysanthemicola LC MAFF Paraphoma radicina LC MAFF Paraphoma radicina LC MAFF Paraphoma chrysanthemicola LC B47-9 Unidentified AB 주 1) DDBJ: DNA Data Bank of Japan 2) ITS: Internal transcribed spacer 자료 : Koitabashi et al., 모든 MAFF 균주는 PBSA를분해하였으며, PBSA와 PBS로구성된필름도분해하였다. 이에비해 B47-9 균주는 PBSA와 PBS 모두를잘분해한다. 따라서 Paraphoma 속에속하는모든 MAFF 균주가강력한생분해성플라스틱분해능력을가지고있을것으로예측이된다 (Koitabashi et al., 2016). 101

117 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 2. 플라스틱분해효소가. 플라스틱분해효소개요 플라스틱을생분해할수있는효소에는 lipase depolymerase(pha depolymerase, PHB depolymerase, PLA depolymerase, PCL depolymerase), esterase, proteinase(proteinase K against PLA), cutinase, urease, 그리고 dehydratase 등이있다. 이들효소가분해하는플라스틱은대부분생분해성합성수지지만, Ideonella sakaiensis 균은합성플라스틱분해도가능하다 (Austin et al., 2018). 합성플라스틱을분해할수있는효소로 PETase가있다. 이 PETase는지난 2016년일본연구팀이탄소와에너지의원천으로 PET를먹을수있는 Ideonella sakaiensis 박테리아에서처음발굴한효소이다. PETase는 PET를분해하여 mono-(2-hydroxyethyl) terephthalate(mhet) 로변형시키고, 이것을다시단위체인 terephthalic acid로바꾼다. 국내에서도 Ideonella sakaiensis 균의 PETase의단백질결정구조를밝히고, 단백질엔지니어링을통해 PET 분해에우수한효소원리규명및새로운활성증가변이효소를최초로개발한바가있다 (Joo et al., 2018). 또한 Harry et al.(2018) 은플라스틱분해능력을향상시키기위해효소를유전적으로조작하여, PET의대체물질인 PEF(polyethylene-2,5-furandicarboxylate) 도분해할수있다고밝혔다. 나. 플라스틱분해효소및생물학적분해최근에난분해성합성고분자를변형또는분해할수있는미생물효소들이밝혀졌고이효소들이플라스틱원료물질을환경지속가능한방식으로회수할수있는생물촉매플라스틱재활용공정의개발후보로부상되고있다. 여기에서는 PE, PS, PUR 그리고 PET와같은합성플라스틱의분해를포함한미생물의효소촉매에초점을맞추고있다. 즉 PET building block을회수하기 102

118 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 위한폴리에스터가수분해효소의적용과플라스틱폐기물재활용공정에서이러한효소의적용에대해많은논의가진행되고있다 (Wei & Zimmermann, 2017). 생분해과정은많은비생물적및생물적요인들의결합의결과로간주된다 (< 그림 3.2> 참조 ). 비생물적요인및미생물이협력하여플라스틱을변질시킨후, 노출된표면부터잘게부수어진다. 플라스틱분해효소는합성중합체의분해과정에서결정적인역할을하며, 합성중합체의분자크기가 10~50 탄소원자의범위로감소되면, 분해생성물은세포내로흡수되어추가적인신진대사를가능하게한다. < 그림 3.2> 플라스틱의생분해과정 자료 : Wei et al., 대부분의합성고분자는결정질 (crystalline) 및비정질 (amorphous) 영역을모두포함하는 semi-crystalline 중합체이며, 비정질영역은미생물의영향을받기쉽다 (< 그림 3.3> 참조 ). 따라서중합체의결정화도는생분해성에강한 103

119 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 영향을미치게되고열로전처리된 PE 샘플의결정성분획은비정질부분의완전한분해반응후에분해된다. < 그림 3.3> 비정질및결정질영역 ( 회색영역 ) 을모두포함하는반결정질중합체 자료 : Wei & Zimmermann, 다. Carbon-carbon backbone을가진플라스틱의효소에의한분해 PE은 C-C backbone을가진플라스틱중가장흔하게사용되는종류이다. 그러므로최근수년간다양한종류의 PE에대한생물적분해의연구가활발히진행되고있다. 최근연구에따르면, 미생물의효소들중식물세포벽에서발견된산화성 C-C bond를가지고있는십자형 phenol성폴리머인 lignin을분해할수있는효소들은 PE의생물적분해능도포함하고있다고보고된바있다 (Wei & Zimmermann, 2017). 이러한효소들로는 laccase, manganese peroxidase (MnP), lignin peroxidase(lip) 가있다. Rhodococcus ruber C208는구리의존재하에서 laccase 라는효소를이용하여 UV-irradiated PE film을분해하며, Trametes vericolor도같은효소를이용하여 1-hydroxybenzotriazole 존재하에 PE 막을분해하는것으로알려져있다 (< 표 3.12> 참조 ). < 표 3.12> 는 C-C 104

120 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 backbone을가지는플라스틱을분해하는미생물의효소들과반응조건을나타낸것이다. < 표 3.12> C-C backbone 을가진플라스틱을분해하는미생물의효소 Enzyme Condition Plastic Microorganism Laccase In culture supernatants and in cell-free extracts in the presence of copper, 2weeks of incubation, 37 UV-irradiated PE films Rhodococcus ruber C208 Laccase In presence of 1-hydroxybenzotriazole PE membrane Trametes vericolor Manganse peroxidase (MnP) Surfatants(Tween80, 20, CHAPSO) promote degradation of PE by partially purified MnP PE membrane Phanerochaete chrysosporium ME-446 MnP - PE membrane IZU-154 Genes encoding the most active MnP - Oxidation of 2,6-dimethoxyphenol, degradation of nylon-66 IZU-154 Laccase, MnP - UV-irradiated PE Bacillus cereus Lignin peroxidase (LiP) Extracellular LiP, MnP Alkane hydroxylase (AH) Alkane monooxygenase, Rubredoxin, Rubredoxin reductase Hydroquinone peroxidase (EC) Have not been identified yet 자료 : Wei & Zimmermann, % of PE sample, 15 days of incubation - PE fraction of a heattreated plastic blend Converted 20% of the low molecular weight PE sample to CO2, 80 days of incubation, 37 C A recombinant E. coli strain simultaneously expressing the complete AH system from Pseudomonas aeruginosa E7 degraded about 30% of this PE sample In a two-phase system consisting of dichloromethane and water preoxidized high molecular weight PE sample PE sample PE sample PS Streptomyces species Phanerochaete chrysosporium MTCC-787 Pseudomonas sp. E4 expressed in Escherichia coli BL21 Pseudomonas aeruginosa E7 Azotobacter beijerinckii HM121 - PE and PS Novel bacterial strains isolated from the guts of insect larva 105

121 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 C-C backbone을가진또다른중요플라스틱인 PVC는현재까지효소들이직접적으로분해한다는결과는아직보고된바없다. 그러나미생물군집또는혼합배양물을이용하면단일미생물에비해 PVC분해에서향상된효능이나타난다고보고되었다 (Wei & Zimmermann, 2017). 라. PUR의효소에의한분해 PUR은 carbamate(urethane) bond로연결된 di- 또는 polyisocyanate 그리고 polyol로구성된폴리머이다. PUR은플라스틱의 urethane과 ester bond를가수분해하는 urease, esterase, 그리고 protease에의해단량체로분해될수있다 (< 표 3.13> 참조 ). Protease는 amide와 urethane 결합을가수분해하는반면, urease는 urea 결합을가수분해한다. 또한 esterase 및 protease들은효소에의한중합분해반응을주요메커니즘으로하여 polyester PUR의 ester 결합을가수분해한다 (< 그림 3.4> 참조 ). PUR을분해하는미생물효소로는 polyhydroxy-alkanoate depolymerase와융합된 polyamidase와 esterase 등이있지만이에대한연구는아직도초기단계이다. < 그림 3.4> Esterase, protease 그리고 urease 에의한 PUR 결합의분해 자료 : Wei & Zimmermann,

122 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 < 표 3.13> PUR 을분해하는미생물의효소 Enzyme Condition Plastic Microorganism Polyamidase fused to polyhydroxyalkanoate depolymerase Compared with the wild-type enzyme, an increased yield in degradation products was observed following the incubation of a solid polyester PUR with a polyamidase from Nocardia farcinica fused to the hydrophobic polymer binding module of the polyhydroxyalkanoate depolymerase from Alcaligenes faecalis. Solid polyester PUR Nocardia farcinica + Alcaligenes faecalis Esterase - PUR Delftia acidovorans 자료 : Wei & Zimmermann, 마. PET의효소에의한분해 PET의내구성및낮은생분해성을나타내는이유는 backbone에반복적인방향족테레프탈레이트단위의존재및중합체사슬로인한제한된이동성때문이다. 반결정성 PET 폴리머는비정질 (amorphous) 및결정질 (crystalline) 분획물을포함하고있어생분해성에강력한영향을미친다. 65 이상의 PET의유리전이온도 (Tg) 에가까운온도에서폴리머의비정질부분은유연해지므로효소와의반응이보다쉽게일어날수있다. 결과적으로, 높은 Tg의 PET를분해하기위해서는이온도범위에서높은안정성을갖는효소가필요하다. 최근 30 의반응온도에서비정질 PET의효소가수분해가보고된바있으나분해속도가매우느린것으로관찰되었다 (Wei & Zimmermann, 2017). 곰팡이및방선균종의많은 lipase 및 cutinase가비정질 PET를가수분해하여 PET 필름및섬유의표면을변형시킨다 (< 표 3.14> 참조 ). Lipase의구조는뚜껑구조 (lid structure) 가매립된소수성촉매센터를가지고있어폴리머형태의기질에대한접근성이제한되어있기때문에 PET에대한낮은활성을나타낸다. 대조적으로, 뚜껑구조가없는 cutinase는비정질 PET 필름에대해분해활성을나타낼수있다. 특히, Thermomyces(formerly Humicola) insolens에서분리된내열성 cutinase HiC 효소는 70, 96시간이면 PET film을완전히 107

123 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 분해할수있으며, Thermobifida fusca KW3 균주의 polyester hydrolase TfCut2 효소는금속이온이없는 70 의조건에서무정형 PET film을분해할수있다고알려져있다. < 표 3.14> PET 를분해하는미생물의효소 Enzyme Condition Plastic Microorganism Carboxyl-ester ase Thermostable cutinase HiC Thermostable bacterial LC-cutinase Several polyester hydrolase Polyester hydrolase TfCut2 Esterase Polyester hydrolase PETase - PET fibers, PET oligomers HiC hydrolysed a low crystalline (7%) PET film almost completely, 96h, 70 Approximately 25% of a low crystalline PET film for 24 h, 70 Bivalent metal ions,such as Ca2+ and Mg2+ enhanced the thermostability of several polyester hydrolases Degraded amorphous PET films at 70 C in the absence of metal ions A truncation of 71 N-terminal residues of an esterase facilitated its adsorption to PET and improved its hydrolytic activity By modification of the size and the hydrophobicity of these residues, the hydrolytic activity against PET could be increased A recently described enzyme from Ideonella sakaiensis 201-F6, which catalysed specifically the hydrolysis of MHET, could be a further candidate for a one-pot system to promote PET hydrolysis in an enzyme reactor. PET film PET film PET Amorphous PET films PET PET PET, MHET Bacillus licheniformis, Bacillus subtilis, Thermobifida fusca Thermomyces (formerly Humicola) insolens Thermostable bacterial LC Actinomycete Thermobifida fusca KW3 Clostridium botulinum Fusarium solani, Thermobifida fusca Ideonella sakaiensis 201-F6 IsPETase - PET (Enzyme variant) 자료 : Wei & Zimmermann,

124 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 결정성이 30% 이상이고 PET 섬유가 40% 이하인 PET 음료수병은일반적인 PET 제품으로효소분해에대한높은저항성을가지고있다. 일부폴리에스터가수분해효소는 50 이상의온도에서반응시비정질 PET 물질에대해높은활성을나타냈지만, 결정성및이축연신성 ( 수지를압축하여형틀에서압축시킬때가로및세로방향으로중합체의사슬을잡아당겨배향시키는것으로충격강도와투명성을증가시킴 ) PET는동일한반응조건에서훨씬적게분해된다. 따라서결정성또는이축연신성의비율이높은 PET 섬유및음료수병을짧은반응시간내에완전히분해시키는것은현재어려운실정이다. Ethylene glycol, terephthalate, mono-(2-hydroxyethyl) terephthalate (MHET) 와 bis-(2-hydroxyethyl) terephthalate(bhet) 은 PET의효소가수분해로부터얻어지는주요수용성생성물들로서, PET를가수분해하는 polyester hydrolase TfCut2 효소에대해강력한저해작용을나타낸다 (< 표 3.15> 참조 ). 따라서, 초미세여과막이장착된효소반응기에서무정형 PET 필름의가수분해를수행함으로써발생하는 MHET 및 BHET를연속적으로제거하여효소억제를막을수있는기술이개발되고있다 (Wei & Zimmermann, 2017). 하지만 PET 분해효소의이중효소반응계에대한연구는미미한편이다. < 표 3.15> 이중효소반응계 Enzyme Condition Plastic Microorganism TfCut2 + TfCa HiC + CalB With a dual enzyme reaction system composed of TfCut2 and the immobilized carboxylesterase TfCa, a twofold higher yield of degradation products could be obtained compared with those without TfCa. The fungal polyester hydrolase HiC and the lipase CalB also showed a 7.7-fold increase in the yield of terephthalate obtained due to the concomitant degradation of MHET catalysed by CalB. 자료 : Wei & Zimmermann, PET TfCa:MHET, BHET PET, CalB:MHET Thermobifida fusca KW3 Candida antarctica 109

125 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 바. 기존의 IsPETase보다 PET 분해능이뛰어난 IsPETase의개발 PET 분해성세균인 Ideonella sakaiensis에서분리된 PETase(IsPETase) 의결정구조가보고되어활성부위에 Ser-His-Asp 촉매삼중체를가지고있으며 PET가갖는 4개의 MHET 부분을수용하기위한최적의기질결합부위를함유하고있다고알려졌다. 그후돌연변이유발실험에의해, PET를분해하여 MHET, terephthalic acid 및 ethylene glycol로만드는상세한과정이규명되었고, 잠재적으로높은 PET 분해활성을갖는다른 PETase 후보효소들도제시되었다. 최근에는 IsPETase와 PET를대체할수있는유사기질간의도킹시뮬레이션을진행하여 PET에특이적인 IsPETase 분해능의원리를구조적특징으로재입증하였고이를기반으로효소엔지니어링을진행하여야생형 IsPETase보다우수한변이효소 IsPETase를개발하였다 (Joo et al., 2018). 사. Pseudomonas sp. 유래의플라스틱분해효소 일반적인효소적분해는질량감소와작용기의첨가라는두가지의중요한과정을포함한다. 효소적분해에대한화학적또는생물학적산화반응은박테리아를흡착시키거나분해를향상시킬수있는관능기즉, alcohol기또는 carbonyl기를첨가하여친수성을증가시킴으로써효소적분해를가능케한다. Carbonyl기의분해로생성된생성물은 TCA cycle에의해세포안으로들어가 β-oxidation을통해대사된다. Depolymerase와 hydrolase 와같은세포외효소는큰플라스틱중합체에작용하여더작은분자로분해하는역할을한다. 가수분해는중합체사슬말단 (exo-attack) 또는중합체사슬의중간부위 (endo-attack) 둘다에서일어날수있다. Exo-attack 은박테리아가세포내로동화될수있는작은올리고머또는단량체를생성하며 endo-attack 은일차적으로폴리머의분자량을감소시키고그결과생성물은더이상의분해가없어세포내로동화될가능성도없게된다. Pseudomonas sp. 으로부터분리된세포외 depolymerase는브롬처리된 PS를분해하는데효과적이며 P. stutzeri JA1001 에의한 PEG의분해는 glyoxylic 110

126 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 acid를생성하는세포내 PEG dehydrogenase 에의하여플라스틱을분해하는데도움이된다. Esterase, lipase 그리고 cutinase는플라스틱분해에있어유용한가수분해효소이다 (< 표 3.16> 참조 ). 이러한가수분해효소는이전산화반응에의해생성된 carbonyl탄소원자에대해친핵성공격을통해에스테르결합을억제하고효소중합체를절단하는매우중요한역할을한다. 생물학요소들이증가된토양에서 Pseudomonas AKS2에의한 PES의분해는효소학적분석에의해결정되는가수분해효소와탈수소효소활성에의해촉진된다 (Wilkes & Aristilde, 2017). < 표 3.16> 에제시된바와같이 PE, PS, PUR, PET, PE가 hydrolase, esterase, protease, lipase, polyurethanase, alkane monooxygenase, alkane hydroxylase 등에의해분해된다는것이알려져있다. 111

127 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 3.16> 플라스틱분해에있어유용한 Pseudomonas sp. 유래효소 Plastic Microorganism Enzymes PE LDPE Pseudomonas sp. AKS2 Hydrolase LMWPE Pseudomonas sp. E4 Alkane hydroxylase PS High impact Pseudomonas sp. Esterase Vinyl chloride P. putida AJ Alkene monooxygenase PUR Polyester P. chlororaphis Polyurethanase Polyester P. aeruginosa Esterase Polyester P. aeruginosa MZA-85 Esterase Polyester Pseudomonas sp. Lipase Polyester P. fluorescens Esterase Polyester P. fluorescens Protease Polyester P. protegens BC2-12 Lipase Polyester P. protegens CHA0 Lipase Polyester P. protegens Pf-5 Lipase Polyester P. fluorescens A506 and Pf0-1 Lipase Polyester P. chlororaphis Lipase Polyester P. fluorescens Esterase/protease PET Pseudomonas sp. Lipase PES Pseudomonas sp. AKS2 Esterase PEG P. stutzeri PEG dehydrogenase PVA P. vesicularis PD Esterase 자료 : Wilkes & Aristilde,

128 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 3. 플라스틱분해미생물균주및효소연구의국내현황 우리나라과학기술부는 2018년생활폐기물재활용기술개발사업에 57억원의연구예산을배정하였고, 미래선도기술개발현안해결형사업으로 재활용필요없이자연분해되는플라스틱대체소재개발 ' 의공모를하는등, 폐플라스틱분리, 선별, 재활용분야및생분해, 친환경플라스틱등분해를고려하여생산하는분해성플라스틱분야에는지속적인연구가진행되고있다. 그결과로천연고분자, 펄프, 생분해고분자, 복합분해, 바이오플라스틱등다양한분해성소재기반의기술이개발되어있지만, 국내의합성플라스틱분해기술연구는대단히미흡한상황이다. 그리고분해성플라스틱은물성의한계로인해사용범위가제한적이고, 제작비용이높다는단점이있다. 따라서, 플라스틱대체재기술이보편화되기전까지는합성플라스틱분해기술활용이증가하는플라스틱폐기물문제를대처하는데유용할것으로예상이된다. 플라스틱분해효소에대한국내연구사례는다음과같다. 2018년국내연구팀은기존알려진효소보다우수한 PET 분해능력을가지는효소의구조를밝히고, 이효소의우수한 PET 분해원인규명및 PET 분해활성이증가된변이효소를개발하였다 (Joo et al., 2018). 그들은 PET 분해효소가높은분해능을갖는원인을탐색하여단백질구조에있다는것을확인하였으며, 이효소특정부위의돌연변이유도를통해 PET 분해기작에중요한역할을하는잔기 (residue) 를규명한후, 효소엔지니어링을거쳐개발된 PETase 변이효소는기존효소에비해증가된 PET 분해활성을가지고있다고보고하였다. 그러나이효소를플라스틱폐기물처리현장에투입하기위해서는실용화를위한생산비용의절감과대량생산공정개발이뒤따라야할것으로예상이된다. 플라스틱분해효소의실질적인이용을위해서는, 생산비용절감을위한합성플라스틱분해효소의분해능향상연구가필요하다. 합성플라스틱분해효소의대량생산을위해분해미생물의최적배양조건및배양기술연구와효소대량생산기술개발이필요하다. 또한, 폐기장의특수한환경조건에서도안정적인효소의활성이유지되어야하고, 대량의플라스틱폐기물을신속하게처리할수 113

129 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 있어야하기때문에대량플라스틱폐기물의신속한처리를위한효소효율성향상연구가진행되어야한다. 한편으로, 플라스틱분해능이있는미생물을살포하였을때생태계에미치는영향이나환경교란등, 부작용에대한연구도뒤따라야한다. 국외에서는세균, 방선균, 진균, 곤충등플라스틱분해능을가진다양한종의연구가이루어지고있으며, 그분해기작및효소의규명을통해새로운합성플라스틱분해기술개발이활발히진행되고있다. 그러나국내에서는위변이효소연구결과를제외하면, 플라스틱분해기술연구가극히미미한실정이며, 개발된분해기술의실용화, 대량화등을위한연구인프라도부족하다. 따라서플라스틱분해원천기술개발및실용화를위해서는더많은연구와지원이필요하다. 114

130 Ⅲ. 플라스틱분해미생물균주및효소의개발현황 참고문헌 김말남 (2007). Microorganisms capable of plastics degradation, 자연과학연구, 제 18 권, pp Austin, H. P., Allen, M. D., Donohoe, B. S., Rorrer, N. A., Kearns, F. L., Silveira, R. L., Pollard, B. C., Dominick, G., Duman, R., El Omari, K., Mykhaylyk, V., Wagner, A., Michener, W. E., Amore, A., Skaf, M. S., Crowley, M. F., Thorne, A. W., Johnson, C. W., Woodcock, H. L., McGeehan, J. E. & Beckham, G. T.(2018). Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol.115 No.19, pp. 4350~4357. Chandra, R.(2015). Environmental Waste Management, CRC Press, pp. 341~370. Colak, A. & Gune, S.(2004). Polyhydroxylakanoate degrading hydrolase-like activities by Pseudomonas sp. isolated from soil, International Biodeterioration & Biodegradation, Vol.53, pp. 103~109. Harrison, P., Sapp, M., Schratzberger, M. & Osborn, A. M.(2011). Interactions between microorganisms and marine microplastics: a call for research, Marine Technology Society Journal, Vol.45 No.2, pp. 12~20. Hayase, N., Yano, H., Kudoh, E., Tsutsumi, C., Ushio, K., MiYahara, Y., Tanaka, S. & Nakagawa, K.(2004). Isolation and characterization of poly(butylene succinate-co-butylene adipate)-degrading microorganism, Journal of Bioscience and Bioengineering, Vol.97 No.2, pp. 131~133. Joo, S., Cho, I. J., Seo, H., Son, H. F., Sagong, H. Y., Shin, T. J., Choi, S. Y., Lee, S. Y. & Kim, K. J.(2018). "Structural insight into molecular mechanism of poly(ethylene terephthalate) degradation", Nature Communication 9, No.382, pp. 1~12. Kitamoto, H. K., Shinozaki, Y., Cao, X. H., Morita, T., Konishi, M., Tago, K., 115

131 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 Kajiwara, H., Koitabashi, M., Yoshida, S., Watanabe, T., Sameshima-Yamashita, Y., Nakajima-Kambe, T. & Tsushima, S.(2011). Phyllosphere yeasts rapidly break down biodegradable plastics, AMB Express, Vol.1 No.44, pp. 1~11. Koitabashi, M., Sameshima-Yamashita, Y., Koike, H., Sato, T., Moriwaki, J., Morita, T., Watanabe, T., Yoshida, S. & Kitamoto, H.(2016). Biodegradable Plastic-degrading Activity of Various Species of Paraphoma, Journal of Oleo Science, Vol.65 No.7, pp. 621~627. Muthu, S.S. (Ed.).(2014). Roadmap to Sustainable Textiles and Clothing, Springer, pp. 83~123. Oberbeckmann, S., Osborn, A. M. & Duhaime, M. B.(2016). Microbes on a bottle: substrate, season and geography influence community composition of microbes colonizing marine plastic debris, PLoS One, Vol.11 No.8, pp. e Pathak, V. M. & Navneet, P.(2017). "Review on the current status of polymer degradation: a microbial approach, Bioresources and Bioprocessing, Vol.4, pp. 15. Pauli, N. C., Petermann, J. S., Lott, C. & Weber, M.(2017). "Macrofouling communities and the degradation of plastic bags in the sea: an in situ experiment, Royal Society Open Science, Vol.4 No.10, pp Quinteros, R., Goodwin, S., Lenz, R. W. & Park, W. H.(1999). "Extracellular degradadingof medium chain legth poly(β-hydroxyalkanoates) by Comamonas sp., International Journal of Biological Macromolecules, Vol.25 No.1~3, pp. 135~143. Raghul, S. S., Bhat, S.G., Chandrasekaran, M., Francis, V. & Thachil, E.T.(2014). Biodegradation of polyvinyl alcohol-low linear density polyethylene-blended plastic film by consortium of marine benthic vibrio, Int. J. Environ. Sci. Technol., Vol.11 No.11, pp. 1827~1834. Ravenschlag, K., Sahm, K., Pernthaler, J. & Amann, R.(1999). "High Bacterial Diversity 116

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136 Ⅳ 플라스틱대체재의개발및관련산업현황

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138 Ⅳ 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 플라스틱이라는소재는이미현대인의생활에있어서매우다양한분야에서필수불가결한소재로자리매김을하였다. 다양한재료가개발되었고특정플라스틱은구조물로써기존의금속과무기물소재가사용되던토목 건축분야의상당부분을대체하면서문명의발전에일익을담당하기도하였다. 또한디자인과접목되면서플라스틱은인테리어소재및가정용소품으로인류의생활에다양한편익을제공하고있는소재이다 (Sudesh & Iwata, 2008). 오늘날플라스틱이없는세상은상상하기어려울정도로우리의일상속구석구석어디를둘러봐도플라스틱이사용되지않는곳이없다. 플라스틱은다양한가공방법으로제품생산이가능할뿐만아니라, 첨가제및타소재와의배합과생산방법의변화에의해특정한물성을가진제품생산이가능하다. 또한플라스틱은성형이쉽고가벼우며썩지않는다는장점때문에각종포장재, 일상용소비제품, 부품충진재및포장용으로가장널리쓰이는소재이다. 이렇게플라스틱은대량생산이용이하고생산비가저렴하고편리하다는이유로다양한분야에소모용품과일회용품으로적용되었다. 그결과일회성소모품용플라스틱제품이범람하게되었으며사용후쉽고빠르게쓰레기로버려지게되었다. 이렇게버려지는일회용및소모용플라스틱때문에지구환경은많은위협을받고있는현실이다. 플라스틱쓰레기가지구환경에미치는영향을생각하면일회용및소모용플라스틱은당연히퇴출이되어야하겠지만위와같은다양한이유등으로플라스틱의전면적퇴출은현실적으로불가능한상황이다. 일반적으로플라스틱은사용후적절한회수 운반 처리를거쳐재사용, 재활용또는최종적으로열회수등을거쳐처리할수있는유용한자원이지만통계에의하면발생되는폐플라스틱의 5% 가매립, 34% 는소각되고있고수거되어 123

139 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 재활용되는폐플라스틱은 61% 정도로발표되고있다 (< 표 1.6> 참조 ). 재활용용도를살펴보면다른제품의생산에적용되는비율이 60%, RPF, RDF 등의연료물질로재생산하여발전 (25%) 에사용된바있었으나 RPF, RDF를 SRF 원료로바꾸면서발열량등의문제로열병합발전소등에서사용하지않고있는실정이다. 이웃하는일본의경우폐플라스틱의 83% 를재활용하고있으며그중발전 (32%), 열이용소각 (9%) 등전체재활용량의 41% 를에너지회수로처리하고있다고발표된바있다 (2015년기준, 일본플라스틱순환이용협회 ). 일본의재활용통계를보면폐플라스틱은버려지는쓰레기라기보다는아주유용한자원으로거듭남을알수있으며따라서우리나라도플라스틱의사용금지혹은전면적인퇴출보다는우선재활용처리방안을논의하여야할것이다. 하지만한정된처리공간과방법의한계를고려하고, 또사용후폐기되는플라스틱에의한 2차피해를생각할때이피해를최소화하기위한노력이시급한상황이도래하였다고판단된다. 통계에의하면현재생산하는플라스틱의 40% 정도가일회용품을만드는데사용되고있다. 일회용플라스틱이사용후수거가되지않고버려지면서결국국토의오염과하천을통한해양유입으로해양오염또는수생물에대한 2차, 3차피해가발생하는것으로알려져있다. 이러한문제를인식하고전세계적으로쓰레기와환경오염을줄이기위한다각도의노력을하고있으며, 생분해성과광분해성, 생붕괴성, 광붕괴플라스틱및천연재료의이용분야등이그대상이되고있다. 아직은품질의달성도, 제조단가측면에서획기적인성공을거두지는못하고있지만, 향후생체적합성소재, 천연자원을이용한고분자물질의제조가플라스틱대체재로서다음과같이활발히이루어질것이다 (ReSEAT 분석리포트 ). 124

140 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 1. 바이오플라스틱 대량으로발생되는각종폐비닐, 스티로폼, 플라스틱용기와같은합성플라스틱소재등은쉽게분해되지않아소각이나매립으로처리하였고그결과환경호르몬누출, 맹독성의다이옥신검출, 폐기물의불완전연소에의한대기오염발생등과같은심각한환경오염의원인이되었다. 이러한플라스틱폐기물의문제를해결하기위하여사용할때는플라스틱의가공성, 내구성, 기계적성질을유지하면서추가로, 분해성이라는기능이부가되어자연분해가될수있는생분해성플라스틱의수요가빠른속도로증가하고있다. 그에따른기술개발연구또한활발히진행되고있을뿐만아니라, 생분해성플라스틱의실용화및의무화압력도거세지고있다 ( 유영선외, 2011; Brown, 1992; Chung et al., 2003). 독일, 이탈리아, 미국등선진각국에서의쇼핑백및플라스틱병의분해성수지사용의무화추세등, 세계각국은앞다투어환경규제를강화하고있고, 우리정부도기존의일반난분해플라스틱제품에부과되는폐기물부담금을인상하는정책을마련하고있는것으로발표되고있다 ( 대한민국환경부, 2018). 우리나라는생분해등바이오플라스틱의실용화가미미한편이었지만, 2001년쓰레기종량제봉투에생분해소재를 30% 이상의무사용하기위한환경부지침의개정과각시, 군, 구자치단체의조례개정작업완료등으로우리나라도생분해플라스틱시장이급속하게성장할것으로예상했었다. 그러나생분해플라스틱이가진물성및원가의한계점들로인해서현재는거의사용되지않고있다. 그대안으로서기존제품의물성개량및경제성등을고려한산화생분해플라스틱과바이오베이스플라스틱의개발및상업화연구가활발하게추진되고있다. 최근바이오플라스틱과관련한지식재산권을선점하기위한국내외특허출원이급증하는추세이며, 특히중소기업위주로특허, 기술개발, 상업화가재편되어가고있는실정이다. 특허청에의하면 선진국에서는이미바이오플라스틱사용을의무화하는등실용화가상당한수준에있으나우리나라는 125

141 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 미미해, 이에대한대책이필요하다 며, 햇빛과미생물에의해분해되는정도를조절할수있는신개념분해성제품이개발되고있다 (Lee, 2011; You et al., 2014). 전세계에서인체에무해하고, 재활용이용이하면서도, 가격경쟁력을유지하고, 또한기존플라스틱의물성을유지하는원료및제품개발에박차를가하고있다. 실제적으로업계및학계에서는기존생분해제품의단점을보완하기위한블랜딩 (blending) 및컴파운딩 (compounding) 기술이개발되고있으며, 이를상용화하는업체들이계속출현하고있다. 또한, 이산화탄소저감및자연계에서분해되어환경부하가적은대체품연구개발이지속적으로이루어지고있다. 그러한연구결과로상당수의생분해플라스틱, 산화생분해플라스틱, 탄소저감형바이오베이스플라스틱등친환경고분자물질이출시되었고, 이중일부는실용화단계까지도달해있다. 가. 바이오플라스틱의정의및특성바이오플라스틱이란바이오매스와같은생물자원을이용하여제조된바이오기반고분자 (bio-based polymer) 를의미하며, 친환경플라스틱, 그린플라스틱, 환경배려플라스틱등으로불리고있다 (< 그림 4.1> 참조 ). 바이오플라스틱은바이오매스기반의플라스틱전체를의미한다. 기존의바이오폴리머는생분해성에초점이맞추어져있어서생분해성고분자전체를바이오폴리머라하였고, 바이오플라스틱은바이오매스기반의고분자플라스틱전체를의미하므로여기에는생분해성이아닌고분자들이포함되어있다. 즉바이오플라스틱은식물유래자원등재생가능한물질을포함하는원료를이용하여화학적또는생물학적공정을거쳐생산된고분자를지칭하는데, 좀더확대된개념에서는 석유기반생분해고분자를포함한바이오매스유래고분자의총칭 으로사용되고있다. 바이오플라스틱이란개념은지구온난화와밀접한관계가있다. 지구온난화의주요인이이산화탄소로인식되면서석유기반고분자플라스틱을대체할수있는새로운친환경소재가필요하게되었고, 이산화탄소 126

142 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 중립 (Neutralization) 개념이등장하면서바이오매스기반고분자가바이오플라스틱이라는이름으로사용하게되었다. < 그림 4.1> 바이오플라스틱의정의 자료 : Jegal, 2012 이러한바이오플라스틱범주에일부에서는분해성플라스틱을포함시키기도한다. 분해성플라스틱은생분해성, 산화생분해성, 산화분해성, 광분해성, 붕괴성을총칭하는개념이다. 성형품, 포장재, 위생용품, 산업용품, 농업용품등으로사용한플라스틱을폐기시에소각처리하지않고단순히매립함으로위의범주에서한가지이상의분해기작에의해서수개월내지수년이내에물, 이산화탄소, 메탄가스등으로완전분해되는플라스틱을말한다. 그러나붕괴성의경우는분해기간이 200~300년소요되는난분해성플라스틱보다는분해가빠르지만, 자연계에서분해되는기간이 50~100년정도소요되어친환경플라스틱이라고보기는어렵다. 또한바이오베이스플라스틱은분해성플라스틱범주라기보다는탄소저감에초점이맞춰져있어분해성플라스틱의범주에포함시키지않는경우가많다. 이중바이오매스를이용한탄소저감및산화생분해개념을포함시킨플라스틱대체품으로서의바이오플라스틱이있다. 127

143 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 분해성플라스틱은사용중에는일반플라스틱과유사한기능 ( 강도, 내수성, 성형가공성, 내열성등 ) 을갖는다. 사용후폐기되면자연계에서미생물의활동에의하여고분자화합물이절단되고저분자화합물에의해변화하는과정을통하여최종적으로는물과이산화탄소등환경에악영향을끼치지않는무기물로분해되는플라스틱을말한다. 위와같이분해성플라스틱에대한확립된정의는아직국내외적으로정확하게규정지어진것이없다. 하지만분해기전을유도하는사용기질에의하여생분해고분자수지 (biopolymer) 혹은유기플라스틱 (organic plastics) 이라분류하고, 기존의원유로부터생산된화석연료플라스틱과대별하여식물로부터유도된식용유, 녹말, 단백질등의바이오매스를활용한플라스틱으로통용되고있다. 바이오플라스틱의경우, 사용하는바이오매스의함량, 사용원료및종류, 분해기작, 기간, 기존고분자와의상용여부등에따라 < 표 4.1> 과같이나눌수있다. Division Bio plastics Biodegradable Natural systems < 표 4.1> 바이오플라스틱의분류 Petroleum base Oxo-biodegradabe Bio based Combined Biomass content 50-70% % Materials Natural, microbial Varitey Feature PLA, TPS, PHA, AP, CA etc, Petroleum polymeraiz ation PBS, PES, PVA, PCL, PBAT etc Biodegradability, expensive, poor physical properties Article biodegradable oxidation, biomass, plants, etc Oxo-PE, Oxo-PP, etc Microbial degradation following oxidative degradation Natural-pol ymer conjugates Bio-PE, Bio-PP, Bio-PET, etc. - Polymerized Natural-mo nomer polymeratiz fation Universal Plastic Not use Use Use Biodegradation period 6 months or less Within 6 month 90% or 45 days 60% 36 months or less Within 6 months 60% - 128

144 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 나. 생분해성플라스틱 (Biodegradable plastics) 생분해성플라스틱은바이오매스로부터전처리, 당화과정을거쳐당을제조후, 이를발효과정을통해산업용으로사용이용이한고분자단량체 (monomer) 로생산한후이단량체를중합하거나석유화학유래물질을이용하여제조하는플라스틱으로서, 다음분해성플라스틱항목에서좀더자세히다루도록한다. 다. 산화생분해성플라스틱 (Oxo-biodegradable plastics) 산화생분해성플라스틱은기존범용플라스틱에바이오매스, 산화생분해제, 상용화제, 생분해촉진제, 자동산화제등을첨가하여만들어지는플라스틱을지칭한다. 산화생분해플라스틱은열, 빛, 미생물, 효소, 화학반응등의복합적작용에분해가촉진된다. 산화생분해성플라스틱은기존생붕괴성, 생 / 광분해성, 화학분해성등을포함하는개념으로, 기존생붕괴성, 생 / 광분해성의단점으로지적된완전분해까지분해기간을 1~5년으로단축하기위해분해촉진제를사용하며, 최종생분해기간제어가가능한신개념분해성플라스틱이다. 현재그물성, 원가, 분해기간조절의장점등이부각되어연구개발및제품화가활발하다. 하지만관련표준의미비및최종생분해기간의불명확성등으로국제적인증이어려운면이있으나, 최근아랍에미레이트 (UAE) 에서산화생분해관련규격기준인 UAE Standard 5009를제정하였고, 2014년 1월 1일부터난분해플라스틱포장재에대한규제를전면시행하여산화생분해성포장재및제품만 UAE 역내수입을허용하면서다시산화생분해성플라스틱의수요가급속하게늘고있다. 최근뉴욕에서는 2015년 1월 1일부터강력규제를시작하였고, 6개월유예기간을주고 2015년 7월 1일부터친환경플라스틱이외에사용하는위반업소에는막대한벌금을부과할계획이발표되면서향후관련연구및제품생산이늘어날것으로전망되고있다. 129

145 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 라. 바이오베이스플라스틱 (Bio-based plastics) 바이오베이스플라스틱은바이오매스와기존난분해성플라스틱을중합하거나가교결합하는방식으로구성되는플라스틱을지칭한다. 바이오베이스플라스틱은분해성에초점을두지않고탄소중립형바이오매스를일부적용하여이산화탄소저감을통한지구온난화방지를강조한다. 바이오베이스플라스틱은페트병에서자동차분야까지그적용범위가확장되고있고, 식량자원의사용에대한문제점을해결하기위해셀룰로오스, 볏짚, 왕겨, 옥수수대, 대두박, 옥수수껍질, 사탕수수, 팜부산물등풍부한비식용계부산물자원을바이오플라스틱원료소재로사용하고있으므로, 산업용품, 자동차, 건축, 토목, 매립형제품, 포장재, 농원예등의다양한분야까지적용이되고있다 (You, 2014). 130

146 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 2. 분해성플라스틱 분해성플라스틱 (degradable plastics) 이란미국및유럽의표준화기구에서정의한개념에따르면, 분해란 빛, 열, 수분등의특정한환경조건하에서시간이경과함에따라화학적구조에변화가발생해기존재료가지닌성질이상실되는것 을말한다. 따라서분해성플라스틱이란 특정환경조건에서일정기간동안에화학적구조가상당히변화되어그성질변화를표준시험방법으로측정할수있는플라스틱 을말하며크게광분해성, 생붕괴성, 생분해성플라스틱으로나눌수있다. (1) 광분해성플라스틱이란광산화 ( 光酸化 ) 또는케톤광분해등의형태로빛에의해분해되는플라스틱을말한다. 그러나광분해성플라스틱은빛이차단된땅속에매립되었을때분해가되지않는단점이있다. (2) 생붕괴성플라스틱이란비분해성의일반적인범용수지 (PE, PP, PS 등 ) 에전분같은생분해성물질을일정량첨가하여제조한부분분해성플라스틱으로국내에서는생분해성플라스틱과의혼동을피하기위해 생붕괴성플라스틱 이란용어를사용하여별도로구분하고있다 (< 표 4.2> 참조 ). (3) 생분해성플라스틱이란일반적으로플라스틱자체가박테리아, 이끼같은조류 ( 藻類 ), 곰팡이와같은자연계에존재하는미생물에의해물과이산화탄소또는물과메탄가스로완전히분해되는플라스틱을말한다. 생분해성플라스틱은기존에사용중인비분해성플라스틱의폐기물처리문제해결을위한대안의하나로 1980년대후반부터등장하기시작했다. 생분해성플라스틱의기본개념은근본적으로지속가능한순환형재료생산시스템구축에있다. 즉, 생분해성플라스틱이실용화되면자연계에거의무한대로존재하는바이오매스를이용하여생산이이루어지고사용후에는물과이산화탄소로분해되어다시바이오매스의원료로이용됨으로써플라스틱에의한환경문제와 131

147 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 자원부족문제가상당부분해결될수있을것으로판단하고있다. 기존의비분해성플라스틱에전분과같은생분해성플라스틱을혼합하여제조하는일반적인분해성플라스틱 ( 생붕괴성플라스틱 ) 이 1세대제품이라면, 생분해성플라스틱은 2세대제품에해당한다고말할수있다. 이는생분해성플라스틱의원료가주로천연의식물자원을사용하므로기존의석유계플라스틱과확연히구분될뿐만아니라, 자연계내에서미생물에의해물과이산화탄소로완전분해되는청정성을지니고있기때문이다. 따라서최근의세계적인추세도생분해성플라스틱이주류를이루고있는상황이다 (< 표 4.3> 참조 ). 현재국제적으로도용어정의나분해도평가방법등이통일되지않는가운데각개별국가에서는독자적으로분해성플라스틱에대한연구개발과산업화가추진되고있다. 우리나라도 1997년부터생분해성고분자개발사업이시작되었으며, 2003년에는합성수지의생분해도측정에관한측정방법과인증기준을마련하였다 (KS M ISO ). 현재국제표준인 ISO 와 KS표준에서는분해성플라스틱의정의를 [ 초기 45일동안생분해도가표준물질대비 60% 이상 ( 절대치 42% 이상분해 ) 이거나, 180일기간동안생분해도값이표준물질대비 90% 이상 ( 절대치 63% 이상분해 )] 으로규정하고있다 (KS M ISO , 2014). 생분해성수지를분해되는정도에따라분류하면, 기계적성질을잃고물리적으로와해가일어나는수준인생붕괴성플라스틱과그성형제품의물리적와해뿐만아니라고분자의주쇄절단에의한분자량감소가일어나는생분해성수지로나눌수있다. 또한생분해성제조방법에따라분류하면통상의합성플라스틱생산에이용하는방법과같은화학합성계, 미생물의발효생산에의한미생물생산계, 식물의광합성작용에의한식물생산계, 또한이들각각의조합으로이루어진복합형으로나눌수있다. 132

148 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 < 표 4.2> 분해성플라스틱의용도및적용수지 구분내용적용수지 생분해성 - 식품및화학제품첨가제, 의학용재료, 분해성포장재, PP 대체용 - 봉합사, 방출조절성의약용재료 - 의료용 생붕괴성 - Disposable diaper liner, Trash bag, Shopping bag, Mulch film - PCL 과각종범용수지 blend 자료 : 한국기술정보컨설팅, PHB 계, 다당류계 - PCL, PLA, PG 등 - 다당류계, Chittin 계, Oil 계 - PE + 전분 - PE + PCL < 표 4.3> 분해성플라스틱의분해형태별장단점 구분 장점 단점 생분해성 완전분해 - 고가, 물성저하 - 범용제품사용곤란 생붕괴성 가격저렴, 범용화 (PE,PP) - 장기간에걸친분해 ( 단기에는붕괴만발생 ) 가. 생분해성플라스틱생분해성플라스틱의종류는천연화합물을원료로하는천연고분자계의생분해성고분자, 미생물이생산하는젖산 (lactic acid) 과같은물질을합성원료로사용한미생물생산생고분자, 그리고생화학적고분자등으로나눈다 (< 그림 4.2> 참조 ). 1) 천연고분자계생분해성고분자천연고분자를원료로한생분해성고분자는셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, pectin, lignin 및저장탄수화물인전분등식물에서유래하는것으로 PLA, TPS(thermo plastic starch) 등과새우, 게등의껍질을포함한 chitin질을기초로한동물유래의것들이있다. 이들중전분은가장우수한생분해도, 저렴한가격, 풍부한자원, 용이한공급, 무독성등의특성으로인해가장널리사용되는주원료로부각되어있다. 근래에는플라스틱가공에적합한물성을 133

149 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 보유할수있도록전분의물리ㆍ화학적변성기술이다양화되어생분해성필름으로의용도는물론다른생분해성고분자와혼합하여사용하거나전분만으로생분해성용기나완충용발포체를제조할수있어향후생분해성플라스틱의주원료로활용가치가더욱높아질것으로기대된다. 그러나천연고분자를이용하여제조된생분해성플라스틱은분해성은뛰어나지만품질이균일하지않은단점이있다. 2) 미생물생산생고분자미생물생산고분자는미생물이만들어내는생고분자 ( 바이오폴리머 ) 를활용하여플라스틱과같은기능을갖는물질을만드는것으로써, 여기에는 PHB, PHV 등의 polyalkanoates 및세포내고분자와 pullulan과같은 polysaccharides인세포벽고분자로나눌수있다. 가 ) PHB PHB는 PHA족의일종인천연폴리에스테르로서 D-3-hydroxy-butyric acid가직선상으로연결된단일중합체이며, 매우다양한세균들이세포내에합성하는에너지저장물로서녹말이나 glycogen과같은생물학적기능을가진다. 나 ) Polysaccharide 종류미생물의세포밖으로배출되는점액성의생고분자인 extracellular polysaccharides가이에속하며, 대표적예로는 xanthan gum, alginate, pullulan, curdlan, dextran 그리고 levan 등을들수있다. 히알루론산 (HA) 는 D-glucuronic acid 및 N-acetyl glucosamine이상호결합된직쇄상의무색투명한고점도 polysaccharide의일종이다. HA의분자량은원료와제조공법에따라수만에서수백만에이르며, 저분자량물질은화장품용으로, 고분자량물질은의약품용으로쓰인다. 특히일본의화학, 제약, 화장품및식품관련의 10여개회사들은이미 1980년대초에이분야를 134

150 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 본격적으로연구하여 1985년이후부터 HA를세계적으로공급하고있는실정이다. 3) 생화학적고분자생화학적고분자란발효기술에의해낮은가격으로제조된아미노산, 당, 폴리에스테르등의원료를합성기술로만든고분자물질을말한다. 생화학적고분자는미생물생산고분자가갖고있는단점을보완하여생산이비교적수월하고, 기존의플라스틱과물성이유사하고기능의조절이용이하다. 이러한이유로제품개발시응용분야가다양하여이상적인생분해성고분자로평가되고있다. 이런고분자로는 PCL, PGA, PLA, polyorthoester, phosphagene, polypeptide 등많은종류가개발되었으며이들대부분은가격이상당히고가이기때문에의료용재료등고부가가치제품에한하여이용되고있다 (< 표 4.4> 참조 ). 그러나옥수수전분을발효하여젖산을생산하고이를중합하여생산하는 PLA는대량생산이가능하므로장기적으로는범용플라스틱을대체할수있을것으로기대된다. 또한바이오매스유래단량체중합형플라스틱은석유계플라스틱과생산공정이유사하여기존플라스틱생산기술을활용할수있으므로많은석유화학기업및바이오관련기업에서연구개발이활발히진행되고있다. 135

151 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 < 표 4.4> 의료용으로적용되는생화학적고분자 생화학적고분자 PLA PGA PCL Polydioxanone Polycyanoacrylate Polyanhydride Polyorthoester Poly(γ-ethylglutamate) Pseudo-poly(aminoacids) 용도 임상사용이가장먼저승인된합성생분해성고분자수술용봉합사, drug delivery system, 정형의과용이식재료, 혈관이식재료로사용 PGA 나 PLA 보다매우느린생분해속도를나타내는폴리에스테르필름이나포말형태로인공피부로사용. 이식재료나피임제로서제 1 상임상시험이완료된상태 흡수가능한결찰용클립으로서 ASBOLOK 이라는상품명으로판매되고있음 Bio-adhesive 로사용됨 Drug delivery system 을위해특별히고안된표면부식고분자, 현재뇌암등의치료를위한이식용 delivery system 으로서제 3 상임상시험진행중 Drug delivery system 을위해개발되어탐색중인고분자 분해되는봉합재료와 drug delivery 를위해조사중, 합성 poly(amino acid) 에기초하고있음 일반적인 poly(amino acid) 의기본골격에 non-amino 결합을끼워넣음으로써얻어진고분자군, serine 및 hydroxyproline 으로부터나온 polyester 와 tyrosine 으로부터나온 polyiminocarbonate 가보고됨. 고강도의정형외과용이식재료, drug delivery system 및면역활성보조제로의응용이제안되었음 자료 : 한국과학기술정보연구원, 나. 생붕괴성플라스틱생붕괴성플라스틱은전분과같은자연적으로분해되는물질을 PE, PP, PS 등과같은플라스틱과섞어서만든다. 더불어분해가속제로각종첨가제를넣어분해를촉진시켜주는것으로알려졌다. 이와같은방법으로만들어지는생붕괴성플라스틱은현재미국등에서활발히연구개발되고있으며, 그산업적활용도다른분해성플라스틱에비하여신속히진행되고있으며, 우리나라에서도대학연구기관과민간기업이협동체계를이루어연구중에있다. 예를들면전분을충전한생붕괴성플라스틱은완전한분해성을갖는것은아니지만미국, 캐나다등지의대학연구기관이나민간기업에서는사회적필요와 136

152 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 정부및지방자치단체의법적규제에대한대응책으로써연구개발과산업화를가속화시켜쓰레기주머니나쇼핑백이외의각종일회용제품에도그실용화를확산시키고있다. 그러나정확한분해시기의제어방법과 2차잔유물의유무에대한논란이지속되고있어향후이분야에대한분해도평가방법이나용어정의가국제적으로통일되어야할것이며, 아울러현재의생산가격을더낮출수있어야만그용도개발은물론실용화를앞당길수있을것이다. < 그림 4.2> 다양한형태의생분해성플라스틱 (bio-based/biodegradable) 137

153 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 3. 실용화단계의분해성플라스틱가. 바이오기반분해성플라스틱 현재실용화되고있는바이오플라스틱소재중생분해플라스틱은 PCL, PLA, PBTA(polybutylene terephthalate), TPA (terephthalic acid), PVA (polyvinyl alcohol), PES (poly ethylene succinate), PHA, PHB, PBS 등으로지방족폴리에스테르및전분과지방족폴리에스테르를혼합한플라스틱들이다. 이중다음과같이 PLA, PHA, PBS를통한연구가활발하다. 1) PLA - 폴리락트산 (PLA) 은옥수수전분, 사탕수수, 밀및타피오카뿌리와같은재생가능한자원에서추출한열가소성폴리에스테르 - 세계 PLA 시장은 2020년까지 52억달러에이를것으로예상되며, 소비량측면에서가장큰바이오플라스틱중하나임 2) PHA - 폴리하이드록시알카노에이트 (PHA) 는일반적으로 O, N 등과같은성장제한영양소가존재할때다양한미생물에서세포내탄소 / 에너지저장과립으로서축적되는 3-, 4-, 5- 및 6- 하이드록시카복실산을함유하는미생물폴리에스테르 - 과량의탄소원이존재하는토양, 해수및하수에존재하는미생물에의해이산화탄소와물로분해되기때문에독성폐기물이전혀발생하지않고완전생분해성임 - 생분해성외에도이고분자들은생체적합성을가지며폴리프로필렌과같은열가소성수지와유사한성질을가지고있어서기존의석유화학플라스틱에대한이상적인대체물질로예상됨 3) PBS - 폴리부틸렌숙시네이트 (PBS) 는숙신산과부탄디올의중축합에의해합성된생분해성열가소성중합체 138

154 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 - 화석연료또는재생가능한자원에서생산할수있으며현재상업적으로입수할수있는 PBS는화학적으로유도된단량체로부터합성됨 나. 석유화학기반분해성플라스틱 1) PCL - PCL은생분해성을갖는석유화학중합체 - 메틸렌단위와에스테르기로구성된폴리에스테르로 60 의낮은융점을가지며박테리아와곰팡이에의해분해될수있음 - PCL은가수분해에불안정한지방족에스테르결합이존재하며 PCL이모래토양보다점토토양에서더많이분해됨. 토양의 ph, 열및호기성환경이분해과정을가속화함 139

155 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 4. 국내외분해성플라스틱의기술개발동향가. 국외분해성플라스틱의기술개발동향 최근의분해성플라스틱에대한많은연구에의하면생분해성고분자가식물성바이오매스외의다양한종류의바이오매스뿐만아니라미생물이나바이오기술 (biotechnology) 을이용하여생분해성고분자를개발할수있는것으로보고되고있다 (< 그림 4.2> 참조 ). 기존의식물성바이오매스외에동물성단백질과지방질 (lipid) 과사카라이드 (polysaccharides) 등이사용되고있으며, 옥수수에서생화학적으로추출된단량체 (bio-derived monomer) 를합성하여만들어지는 bio-based 고분자등이있다 (Bugnicourt, 2014). 미국, 일본을비롯한유럽은바이오기반분해성플라스틱소재개발을위주로연구및사업화를추진하고있다. 쇼핑백, 쓰레기봉투, 진공성형제품, 사출품, 농업용멀칭필름, 완충재, 다층필름, 기능성필름등의다양한용도의바이오플라스틱관련제품의개발및판매가이루어지고있다. 또한분해성플라스틱의생산량을보면그성장속도가매우빠르며, 바이오플라스틱제조에사용될수있는다양한바이오메스를개발하기위한연구도지속적으로진행하고있다. 미국의 MRI, 스위스의시바스페셜티케미칼스홀딩 Inc., 일본 KONICA Corp., 일본다이셀화학공업, 캐나다 EPI, 영국 Wells, 미국 EPI-Global, 영국 Symphony, 스웨덴 ADD-X Biotech, 싱가폴 Winrigo 등이산화생분해성기능을추가한고분자개발완료및추가개발에전력을다하고있으며, 영국등유럽에서는판매가활발하다. 기존폴리올레핀계열가소성플라스틱의자연환경에서의완전분해 ( 물, 이산화탄소및바이오매스로분해 ) 에관련한연구는 G. Scott, Albertsson, Kostyniak 교수등에의해정립되어있고, 이후활발한연구가이루어지고있다 (Scott, 1990; Albertsson et al., 1992; ). 바이오플라스틱기술과더불어유망한플라스틱패키징분야의한부분인 140

156 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 감량화는 PET 용기를중심으로진행되고있다. 특히음료용기제조분야에서경쟁력을가지고있는일본은감량화기술의상용화에근접하고있다. 2017년 6월에미국국방부는 Ecovative Design에필라멘트를생산하는자연발생곰팡이의일종인균사체기반기술로 100% 퇴비화되는포장재료를만들기위한기술개발을진행하고있다. 현재미국의경우바이오플라스틱의가장큰활용도는포장재이며, 그다음섬유, 의료용으로사용되는추세이다. 나. 국내분해성플라스틱의기술개발동향우리나라의바이오플라스틱기술연구수준은선진국에비하여현저히떨어지는것으로평가되어원천기술개발의저변확대가필요하다. 또한우리나라의생분해성제품관련규격기준은표준물질대비 90% 로, 미국과일본의 60% 에비해지나치게엄격하여생분해원천기술을확보가미흡한국내기업은대부분사업을중단하고있는실정이다. 이에따라국내규격기준을완화하여, 생분해성물질을 30% 첨가한생붕괴성플라스틱규격기준을마련하고이를종량제봉투에적용하였으나인장, 신장등물성이약하고, 생산성이부족하여현재는사업화되지않고있다. 바이오플라스틱의기술개발및실용화를위해초창기국내에서는 SKC, 대상, SK케미칼, 롯데케미칼 ( 이전호남석유화학 ), 한화, 이레화학, 새한등이연구에참여하여왔으나, 협소한시장규모와해외에비하여엄격한생분해제품관련환경마크인증규격문제, 바이오매스제품원천기술개발미흡등으로인해사업보류, 중단을한바있으나현재국내상황을반영하여다시연구에나서는등관련분야에대한정비가되어가고있는실정이다 ( oplastics.org, 2014). 현재국내기업들은다른외국에비해상대적으로우위에있는수지의가공및성형기술을활용하여, 신소재개발보다제품화위주로전환되어가고있는새로운국면에접어들고있다. 실제바이오플라스틱의상용화제품, 기존플라스틱의대체제품, 화석연료사용절감을위한대체제품등이속속출시되고있다. 141

157 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 이러한추세에맞춰최근의연구중심은감량화, 용이한재활용, 탄소저감그리고산화생분해등으로기울고있는추세이다. 바이오플라스틱의국내시장은아직매우빈약한상태인데, 주로생분해성고분자를중심으로시장이형성되어있으며, 특히전분계와셀룰로오스계등천연고분자와선형폴리에스테르등을중심으로이루어져있음을알수있다. 최근에들어서는세계시장의변화와함께국내시장에도 PLA를중심으로한바이오플라스틱의시장이형성되고있으며이를아래의 < 표 4.5> 에나타내었다. 국내시장은전분계나다당계고분자를선형폴리에스테르와혼련하여제조된생분해성혹은생붕괴성고분자시장이주를이루고있다. < 표 4.5> 국내의생분해성플라스틱 / 고분자산업현황 회사명 상품 특징 SK Chemicals SKY GREEN Aliphatic polyester and / or its starch blend 새한 Industries ESLON GREEN Aliphatic polyester and / or its starch blend SK GREENPOL Polycaprolactone/plasticized starch blend 대상 BIONYL Modified starch containing aliphatic polyester 이레화학 EnPol Aliphatic polyester 자료 : Jegal,

158 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 5. 플라스틱대체재로서의바이오플라스틱의전망 전세계적으로또한국지적으로플라스틱을대체하기위한다양한연구가지속될것으로전망된다. 하지만이미다양한범위로사용되는플라스틱을갑자기퇴출시키기에는현실적으로이를대체할수있는물질이너무없다는문제가발생한다. 따라서편리함과환경오염의두부분을적정한범위에서조정을하여모두살리는현명함을보여야할것이라판단된다. 즉, 구조물에적용되는플라스틱과같이반드시내구성이적용되어야할부분에는플라스틱을계속사용하고, 한번쓰고쉽게버리는일회용이나포장재같은소모품용플라스틱은줄이거나다른물질로대체하는방안과정책적인뒷받침이필요하다고판단한다. 또한환경오염은어느한국가만의문제가아니라글로벌문제이므로세계각국의정부도이러한정책적인목표를공유하고문제해결에협조를하여야할것이다. 일회용및소모용플라스틱대체재로서의바이오플라스틱또는생분해성및생붕괴성플라스틱은반드시연구가되어야할분야이고기존의플라스틱과병행하여사용되어야할재료일것이다. 반면, 바이오플라스틱의개발은전세계적으로아직은초기단계이다. 하지만난분해성플라스틱에의한환경오염을방지하기위한시대적인요구와관련제품을요구하는시장요청에의해현재다양한종류의산업적활용성이우수한바이오플라스틱들이개발, 상용화되고있다. 아직은제조된바이오플라스틱들의물성이기존석유기반플라스틱소재들에비하여낮은것이분명하고따라서활용성면에서많은제한이있는것또한사실이다. 그러나점차이제는고부가가치화할수있는, 물성이우수한바이오플라스틱들의개발이많이진행되고있고이들중일부상용화된제품들도있다. 즉이러한우수한물성을지닌소재들을경제성이있도록제조 생산하는기술들이집중적으로연구되고있으며, 바이오와화학기술의접목으로많은우수한기술들이개발되고있다. 따라서멀지않은미래에경제성과산업성, 그리고활용성이우수한바이오플라스틱소재들이시장에대거등장할것으로예측이된다. 143

159 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 참고문헌 유영선외 (2011), 생붕괴성플라스틱포장재의제조및제조된소재의안전성과분해성연구, Food Engineering Progress, Vol.15 No.3, pp 한국과학기술정보연구원 (2002), 생분해성플라스틱 KS M ISO (2014), 퇴비화조건에서플라스틱의호기성생분해도및붕괴도의측정-제 1부 : 적정에의한발생이산화탄소의정량법 Albertsson, A-C., Barenstedt. C. & Karlsson, S.(1992). Susceptibility of Enhanced Environmentally Degradable Polyethylene to Thermal and Photo-oxidation, Polymer Degradation and Stability, Vol.37, 163~171. Brown, D. T.(1993). Plastic Waste Management, Mustafa, N. (ed.) pp Marcel Dekker Inc., New York. Bugnicourt, E., Cinelli, P., Lazzeri, A. & Alvarez, V.(2014). Polyhydroxyalkanoate (PHA): Review of synthesis, characteristics, processing and petential applications in packaging, express Polymer Letters, Vol.8 No.11, pp. 791~808. Chung, M.S., Lee W.H., You Y.S., Kim H.Y. & Park K.M.(2003). Manufacturing Multi-Degradable Food Packaging Films and Their Degradability, Korean Journal of Food Science and Technology, Vol.35 No.5, pp. 877~883. Jegal, J.(2012), State and Prospects of Bioplastics, Korea Industrial Chemistry News, Vol.15 No.4, pp. 21~25. Lee, J. W.(2011), Bio-plastics, KISTI Market Report, Vol.1 No.1, pp. 24~27. Scott, G.(1990), Photo-biodegradable Plastics: Their Role in the Protection of the Environment, Polymer Degradation and Stability, Vol.29 No.1, pp. 135~154. Sudesh, K. & Iwata, T.(2008). Sustainability of biobased and biodegradable plastics, Clean-Soil, Air, Water, Vol.36, pp. 433~442. You, Y.S., Kim, M.K., Park, M.J. & Choi, S.W.(2014). Development of Oxo-biodegradable 144

160 Ⅳ. 플라스틱대체재의개발및관련산업현황 Bio-plastics Film Using Agricultural By-product Such as Corn Husk, Soybean Husk, Rice Husk and Wheat Husk, Clean Technology, Vol.20 No.3, pp. 205~211. You, Y.S.(2014) The Present and Future of Eco-friendly Bio-plastics Industry, The Monthly Packaging World, Vol.02, pp. 102~105. European Bioplastics, Accessed Dec. 15, (2014). 재활용폐기물관리종합대책, , 대한민국환경부. Korean Bio Material Packaging Association, Accessed Dec. 10, (2014). 145

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162 Ⅴ 결론 : 플라스틱문제에대한과학기술정책제안

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164 Ⅴ 결론 : 플라스틱문제에대한과학기술정책제안 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 앞에서살펴본바와같이플라스틱에의한환경오염문제는매우심각하다. 특히미세플라스틱에의한환경오염과그위해성은조만간인간의건강과생존까지도위협할정도로심각성을내포하고있다. 이미세플라스틱들은생태계에이미광범위하게확산되어우리가먹는해산물, 생수등에도다수검출이되고있어서문제의심각성을보여주고있다. 그럼에도불구하고토양, 동식물, 하천등에는얼마나오염되어있는지조사가되어있지않은실정이다. 뿐만아니라이러한미세플라스틱들이인간을비롯한생물체에어떤독성과위해성을나타내는지에대해서도연구가거의이루어지지않은상황이다. 이러한상황에서도플라스틱들은계속사용하지않을수없고, 따라서일부는자연생태계로계속유입되고있으므로미세플라스틱의오염량은앞으로도지속적으로증가할전망이다. 이시점에서단기적으로는플라스틱, 특히일회용플라스틱의사용량을감소시키고, 사용한플라스틱들을효과적으로수거하여재활용하는것이시급히추진해야할과제이다. 이에대해서는관련정부기관이나언론에서이미인지하여국민들에대한여론과정책이수립되고있다. 따라서본보고서에서는좀더근원적이고, 장기적인대책마련을위한과학기술정책을다음과같이제안하고자한다. 149

165 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 1. 미세플라스틱의검출과수거방안가. 미세플라스틱문제는이미해양으로유입되어해양표면을떠돌거나바다 속으로가라앉은플라스틱폐기물이시간이경과하면서점차미세플라스틱으로변해갈것이라는점에심각성이있다. 즉추가적인플라스틱폐기물의해양유입이없다고하더라도미세플라스틱문제는시간이경과할수록심각해질것이다. 이문제를해결하기위해서는해양으로이미유입된플라스틱폐기물을어떻게효율적으로제거할수있을것인가에대한방안마련이필요하다. 그리고현재기술로는불가능한미세플라스틱의환경영향을저감할수있는방안이필요하다. 나. 최근네덜란드의 24세청년인보얀슬랫은비영리단체의 오션클린업 (The Ocean Cleanup) 재단을설립하고, 직접고안한해양쓰레기수거장치를 2018년 8월캘리포니아에서시험가동하였다. 이처럼거대해양플라스틱오염의문제를해결하기위해다양한노력이있지만, 미세플라스틱의관점에서는이러한시도는적합한수거방법이될수없다. 따라서, 미세플라스틱을지구의환경에서제거하기위한획기적이면서도다양한접근방법이필요하며, 이를위한연구개발정책이필요하다고판단된다. 다. 해양으로유입되는플라스틱을막기위해서는해양으로유입되는발생원과경로를추적하여발생원별맞춤대책이필요하다. 폐기물관리체계가구축되어있지않은저개발국가의경우에는국제협력을통해플라스틱폐기물투기를막기위한폐기물수거및처리체계구축에대한지원이필요하다. 어업활동으로인해해양으로유입되는플라스틱폐기물의경우에는어민들이그물등어업폐기물을해양으로투기하지않도록다양한접근이필요하다. 어업폐기물수매제와같은인센티브정책과어구생산자의폐기물처리에대한책임강화, 대량으로어구폐기물을발생시키는배출자에대한책임강화정책이필요하다. 어민들에대한교육을강화하여어구의해양투기가해양을오염시켜소비자의해산물소비를급감시킬수있음을주지시킬필요도있다. 해수욕장등해변을이용하는 150

166 Ⅴ. 결론 : 플라스틱문제에대한과학기술정책제안 행위중플라스틱폐기물을해변가에투기하는행위에대한집중단속도필요하다. 해변가내음식물을반입하여섭취하는행위나폭죽등을이용하는행위, 1회용플라스틱용기를사용하는행위등에대한규제가필요하다. 또한의류의세탁과정에서미세섬유가하수도로유입된후방류되는문제와관련하여하수도정화처리과정에서미세섬유문제에대응할수있는기술적접근도필요하다. 라. 외국에서실시하고있는재활용제품보증금환급제도를활용할필요가있다. 이제도는플라스틱제품유형별보증금징수및플라스틱공병, 플라스틱쓰레기환급제도이다. 또한생산자및유통업체등에대한책임을생산자책임재활용제도로확립하여플라스틱제품에대한생산자재활용혹은처리책임을강화하고, 유통업체및음식물을판매하는사업자의 1회용품사용을억제할필요가있다. 마. 보다근본적인대응방법으로플라스틱의사용량을억제하거나자연환경조건에서분해가용이한재질로플라스틱재질이대체될수있는방안에대한연구가필요하다. 바. 미세플라스틱의효율적인처리를위해서는분해기술뿐만아니라. 검출, 수거기술연구도진행되어야한다. 미세플라스틱의검출은 FT-IR 적외선분광법, 가스크로마토그래피, 라만분광법등다양한분석기기를이용할수있으나, 현장에서간편하고신속한측정을위한미세플라스틱전용검출장비의연구와개발이요구된다. 151

167 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 2. 미세플라스틱의인체독성및위해성해결방안가. 미세플라스틱섭취에관한역학조사 연안과도서지방은내륙과달리해양의미세플라스틱에직간접적으로노출이많이되어있다. 연안 / 도서지방의미세플라스틱섭취표본조사와질병발생현황과역학조사가필요하다. 나. 미세플라스틱관련인체독성및위해성관련연구 1) 미세플라스틱에의한독성및위해성가이드라인의제정플라스틱과첨가제에관한독성에관한연구결과들은보고되어왔으나, 미세플라스틱섭취에의한인체위해성과관련한어떠한기준도마련되어있지않다. 즉미세플라스틱을얼마나섭취해도안전한지, 또미세플라스틱섭취시에어떤독성또는부작용이있을수있는지등다양한연구를통한미세플라스틱독성및위해성가이드라인의제정이필요하다. 2) 입자크기에따른독성및위해성규명필요지금까지미세플라스틱 ( 크기 : 0.1~5000μm ) 의독성및위해성에대해기술하였으나, 짐작하는바와같이나노플라스틱 ( 크기 : < 0.1μm ) 또한먹이사슬에의해생물체의체내에존재할것이라는것은자명하다. 따라서향후에는미세플라스틱과나노플라스틱등을입자크기별로분리하여이들의독성에대한연구가필요하다. 3) 미세플라스틱의체내흡수및분포경로미세플라스틱은섭취된뒤체내소장에서림프관을따라흡수된뒤여러장기에분포된다. 이때입자의크기에따라흡수되는부위가다르지만주로소장특히회장의페이어판 (Peyer's patch) 을통해흡수되고때로는대장 ( 결장 ) 의점막을통해흡수된다 (Bouwmeester et al., 2015). 그러나아직까지명확하게 152

168 Ⅴ. 결론 : 플라스틱문제에대한과학기술정책제안 미세플라스틱의체내흡수경로와장기별분포에대한연구가부족하다. 4) 미세플라스틱의잠재적독성현재까지미세플라스틱에의한인체독성 (in vivo) 이나 in vitro 독성에대한명확한연구보고서가없다. 설치류를활용한일부의실험결과, 섭취된미세플라스틱의체내흡수율이매우낮으며 (< 1%), 흡수된후이것들은림프관을따라이동한뒤최종에는이자 (spleen) 에서제거되는것으로추론된다 (Bouwmeester et al., 2015). 그렇지만이부분에대한구체적인연구가필요하다. 5) 용출가능성첨가제들의독성앞서기술한바와같이플라스틱제품에포함된첨가제들, 특히프탈레이트와비스페놀 A 등은내분비계장애물질임이규명되었다. 그렇기때문에다른여러첨가제들의독성에대한추가적인연구가필요하다. 6) 미세플라스틱에흡착된잔류성유기오염물질들 (POPs) 의독성미세플라스틱에흡착된잔류성유기오염물질들은주변의여러인자들, 예를들어폴리머의특성 ( 소수성혹은친수성 ), 폴리머의구멍크기, 유기물의크기, ph, 폴리머주변액체의이온강도등에의해용출되는양이다르다. 그러나미세플라스틱으로부터의용출되는양이나속도에대한정보가거의없기때문에 (Besseling et al., 2013), 이에대한연구가필요하다. 7) 체내잔류하는미세플라스틱의분해및해독먹이사슬에의한미세플라스틱축적을고려할때, 이미체내에는다양한경로를통해미세플라스틱이잔류하고있을것이다. 그러므로체내에잔류하는미세플라스틱을배출하고미세플라스틱에의한독성을해독할수있는치료법에대한연구가필요하다. 동시에미세플라스틱첨가제및흡착제의인체독성에대한장기적인추적연구가요망된다. 153

169 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 8) 현재심각한환경문제인대기중의미세먼지속에미세플라스틱들이얼마나함유되어있는지, 또이들에의한인체독성및위해성규명도필요하다. 154

170 Ⅴ. 결론 : 플라스틱문제에대한과학기술정책제안 3. 미세플라스틱의생분해방안가. 플라스틱분해미생물균주발굴및개발연구 플라스틱분해를위한세균, 방선균, 진균등에대하여주로연구가진행되고있으나, 내구성이강한플라스틱을분해하는속도가느리고, 분해력이미미하여보다강력한분해능을가지는미생물균주개발연구가필요하다. 또한플라스틱분해능이있는신규미생물균주들을해저, 극지방, GPGP와같은곳에서탐색하여발굴할수있는연구지원이필요하다 나. 고분자플라스틱을분해할수있는미생물균주및효소의연구현재진행되고있는연구들은플라스틱자체의고분자 (polymer) 보다는저분자 (oligomer) 수준의연구로서, 실제고분자의플라스틱분해에활용가능한미생물균주나효소의개발이필요하다. 다. 거대분자량 polymer인플라스틱이쉽게분해되기위해서는미생물과효소와의접촉이많이되는것이유리하므로, 이러한방안으로소분자로먼저분해시킬수있는기술등플라스틱분해미생물이나분해효소를좀더효과적으로이용할수있는기술개발이요구된다. 라. 생분해성플라스틱의생산비의고가로인해이를분해하는미생물이나효소연구는최근많은연구가진행되고있지않는데, 가격, 물성, 강도등의단점을극복한생분해성플라스틱개발과병행하여강력한생분해성플라스틱분해미생물균주나효소의개발이절실하다. 이러한균주나효소의산업화를위해생분해의최적환경조건및대량분해공정개발을위한생분해시험장건립이미세플라스틱생분해해결에많은도움을줄것으로예상이된다. 155

171 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 4. 플라스틱대체재개발방안 일회용및소모용플라스틱대체재로서의바이오플라스틱또는생분해성및생붕괴성플라스틱은앞으로빠른시일내에개발되어야하고, 기존의플라스틱과병행하여사용되어야할재료일것이다. 현재까지는제조된바이오플라스틱들의물성이기존석유기반플라스틱소재들에비하여열등하기때문에활용성면에서많은제한이따르는문제점이있다. 따라서지금부터경제성과산업성, 그리고활용성이우수한바이오플라스틱소재들이개발될수있는과학기술정책들이뒷받침되어야한다. 가. 분해성플라스틱의개발연구기존의플라스틱분해미생물이나효소가분해하기어려운난분해성플라스틱인고분자폴리머에서저분자폴리머로용이하게분해될수있는분해성플라스틱제조법연구개발이필요하다. 나. 바이오와화학기술을접목한경제성있는분해성플라스틱의개발분해성플라스틱이경제성 ( 가격 ), 산업성 / 활용성 ( 물성, 강도 ) 을기존의석유화학기반의플라스틱수준이될수있도록이에대한연구개발지원이필요하다. 즉생분해플라스틱의물성강화에대한기술개발을통하여, 장기적으로현재의플라스틱의특성을유지하면서환경오염과고비용등의단점이해소된새로운소재의개발에대한과학기술연구가추진되어야한다. 다. 지속가능한순환형플라스틱대체재 의생산시스템구축방안궁극적으로생분해성플라스틱제재를제조하고, 이를사용한후완전분해가되어환경오염문제를해소시킬수있는지속가능한순환형플라스틱대체재를개발하고, 이를이용하여산업적인적정량생산시스템의구축이미래에바람직한방향이될것이다. 이러한시스템의확립을통해기존의플라스틱시장을대체할 156

172 Ⅴ. 결론 : 플라스틱문제에대한과학기술정책제안 수있는새로운산업분야의개척이가능하므로이에대한연구개발지원체계가요망된다. 157

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174 한림연구보고서 123 플라스틱오염현황과그해결책에대한과학기술정책 Current status of plastic pollution and the scientific policy to solve this problem 발 행 일 발 행 처 발 행 인 편집 / 인쇄 2018년 11월한국과학기술한림원이명철전화 031) 팩스 031) 홈페이지 kast@kast.or.kr ( 주 ) 세일포커스 02) I S B N I S B N ( 세트 ) 이책의저작권은한국과학기술한림원에있습니다. 한국과학기술한림원의동의없이내용의일부를인용하거나발췌하는것을금합니다.

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