먼 바다 대기에서 발견된 공기 중 미세 플라스틱 입자

미세플라스틱

해양 미세플라스틱 입자로 인한 인위적인 오염은 독성 화합물의 원천이자 병원체 및 기타 오염 물질을 운반할 수 있기 때문에 점점 더 우려되고 있습니다. 공기 중 미세 플라스틱 입자는 이전에 육지와 해안 지역에서 관찰되었지만 먼 바다에서는 관찰되지 않았습니다. 연구팀은 2016년 5월부터 6월까지의 타라 태평양 탐사 기간 동안 멀리 떨어진 해양 대기를 포함한 북대서양의 주변 에어로졸 샘플을 수집하고 마이크로 라만 분광법을 사용하여 화학적으로 특성화했습니다. 연구팀은 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 ​​폴리실리콘 화합물을 포함한 다양한 공기 중 미세 플라스틱을 감지했습니다. 해수에서도 폴리에틸렌과 폴리프로필렌이 발견되어 공기 중 미세 플라스틱 입자가 지역적으로 생성되었음을 시사합니다. 종단 속도 추정과 역궤적 분석이 이 결론을 뒷받침합니다. 기술적인 이유로 일반적인 해양 대기 크기 분포의 상단에서 5 μm보다 큰 입자만 분석했는데, 이는 우리의 분석이 외딴 해양 대기의 공기 중 미세 플라스틱 입자의 존재를 과소 평가했음을 시사합니다.

 

해양 미세플라스틱 입자에 대해서

해양 미세 플라스틱 입자(MP)는 최대 5 mm 크기의 플라스틱 입자입니다. 1차 미세 플라스틱은 직접 사용하거나 다른 제품의 전구체로 생산되는 반면, 2차 미세 플라스틱은 더 큰 플라스틱 물질, 특히 해양 쓰레기가 분해되어 환경에서 형성됩니다. 해양 MP는 정교한 연구의 대상이며 해양 오염, 화학 및 생태학 분야에서 큰 관심사입니다. MP는 해양 생태계에서 문서화된 편재성, 환경에서의 긴 수명, 잠재적인 병원체 및 잔류성 유기 오염물질을 운반하는 능력, 해양 환경에서 독성 화합물의 새로운 공급원으로서의 역할, 다양한 유기체에 의해 섭취되는 경향이 있습니다. 해양 미세플라스틱 잔류성은 해양 생태계에 유입되는 플라스틱이 분해되지 않고 오히려 자외선(UV) 복사와의 상호작용을 통해 기계적 침식 및 광산화를 거쳐 미세 및 나노플라스틱 크기(<1 μm)로 파편화되기 때문에 주요 관심사입니다. 미세 플라스틱 및 나노 플라스틱 조각은 점점 더 많은 수의 환경 매트릭스에 쉽게 통합되어 제거가 불가능합니다. 해양 생물군에 대한 MP 독성의 영향은 크기가 작을수록 침출과 같은 화학적 과정뿐만 아니라 섭취를 촉진하기 때문에 크기가 감소함에 따라 증가합니다. 최근 몇 년 동안의 추정에 따르면 ~5조 2500억 개의 플라스틱 조각이 현재 바다 표면에 떠다니고 있습니다. 육상에서 유래한 공기 중 미세 플라스틱 입자(AMP)는 육지의 오염된 지역과 외딴 지역에서 발견되었으며, 미크론에서 mm 규모에 이르는 해안 지역에서 발견되었으며 수십 킬로미터를 이동할 수 있습니다. 그러나 압도적인 양의 해양 MP와 해양 환경에 미치는 영향에도 불구하고 해양의 대기 미세 플라스틱 입자에는 거의 관심이 없습니다. 해양 AMP는 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있습니다. 바람에 의해 촉진되는 AMP는 해류보다 10배 빠른 속도로 표면에 흡착된 잠재적인 병원체와 잔류성 유기 오염 물질을 퍼뜨릴 수 있습니다. 또한 AMP에 흡착된 성분은 자외선과 산화에 노출되어 해양 생물에 대한 독성을 증가시킬 수 있습니다. 육상 소스의 AMP의 편재와 세계 해양의 편재는 AMP가 먼 해양 대기에 존재하는지 여부에 대한 질문을 제기합니다. 산호초와 플랑크톤 군집을 조사하는 2.5년 연구 프로젝트인 Tara Pacific 탐험 중에 해양 AMP를 검색했습니다.

 

문제점에 대한 논의와 결과

주요 목표는 AMP가 대양에 존재하는지 여부를 결정하고 화학적으로 식별하며 가능한 출처를 조사하는 것입니다. 이러한 목적을 위해 우리는 Tara Pacific 탐험의 첫 번째 북대서양 횡단을 따라 폴리카보네이트 멤브레인에 대기 대기 에어러솔 샘플을 수집했습니다. 전체적으로 43개의 샘플이 분석되었으며 그 중 9개(~20%)에서 AMP가 발견되었습니다. 폴리머 식별 및 특성화를 위한 매우 새롭고 신뢰할 수 있는 방법인 마이크로 라만 분광법을 사용하여 수집된 해양 에어로졸 샘플에서 5 μm만큼 작은 AMP를 화학적으로 식별했습니다. 우리가 식별한 AMP가 보트나 샘플링 및 분석의 모든 단계에서 유래한 것이 아님을 확인하기 위해 엄격한 조치를 취했습니다. R/V Tara 표면은 철저히 샘플링되었으며 해양 환경에서 플라스틱 착색제, 폴리에스터 및 셀룰로오스의 공급원일 수 있음을 발견했습니다. 핸들링 블랭크 또는 Tara 표면에서 발견된 재료는 소스가 R/V Tara 자체일 수 있기 때문에 AMP로 제외되었습니다. 수집된 대기 샘플에서 독점적으로 검출된 물질만 AMP로 간주되었습니다. 우리는 북대서양에서 수집된 공기 중 샘플에서 해양 대기의 AMP를 감지했으며 대부분이 해양 환경에서 발견되는 가장 유비쿼터스한 MP에 해당한다는 것을 발견했습니다. AMP 샘플 2, 5, 17 및 30에는 폴리스티렌(PS)이 포함되어 있으며, 여기서 샘플 17의 라만 스펙트럼은 PS와 샘플을 수집하고 분석한 폴리카보네이트 필터의 조합입니다. 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)은 샘플 38 및 39에서 각각 관찰되었습니다. 샘플 38의 스펙트럼은 500 cm-1 파수 영역에서 두 개의 피크를 보여주며, 이는 플라스틱용 착색제의 일부 또는 미백제 역할을 할 수 있는 루틸(TiO2)에 기인합니다. 샘플 39에서 발견된 PP는 낮은 수준의 에틸렌 공단량체(1~8%)를 포함하는 PP(무작위 공중합체)입니다. 우리는 폴리디메틸실록산(PDMS)인 Tegomer E-Si-2330으로 식별된 샘플 10, 11 및 23에서 주로 폴리실리콘 화합물을 발견했습니다. PS, PE 및 PP는 이전에 전 세계적으로 외딴 바다와 해안의 물에서 흔한 플라스틱 오염 물질로 확인되었습니다. 여기에서 그들은 해양 대기에서 감지되었습니다. 또한 PS, PP 및 PE는 대기 중으로 멀리 떨어진 지구로 운반되는 가장 풍부한 플라스틱 화합물로 최근 확인되었습니다. 여러 연구에 따르면 PE와 PP는 도시 환경에서 공기 중 플라스틱의 주요 구성 요소입니다. 3개의 샘플에서 검출된 PDMS는 본질적으로 물에 불용성이므로(23 °C에서 <1ng L-1), 따라서 해수에 보존됩니다. PDMS는 물보다 밀도가 낮기 때문에 해양 표면 미세층에 남아 바람에 의한 과정을 통해 에어로졸화될 수 있을 것으로 예상됩니다. PDMS는 미국 여러 도시의 에어로졸 샘플에서 발견되었습니다. AMP 샘플링 기간 동안의 풍속과 풍향은 참고용으로 제공됩니다. AMP 농도는 >10 µm 크기의 경우 거친 모드 에어러솔 농도의 1-10% 정도입니다. 여기에서 얻은 AMP 농도는 프랑스 대서양 연안에서 수행된 측정에서 얻은 해양 소스 AMP에 기인한 농도와 잘 일치합니다. 해안 측정을 기반으로 AMP가 기포 파열을 통해 형성될 수 있으며, 이는 바다에서도 발생할 수 있다고 제안했습니다. AMP의 원천인 외해를 조사하기 위해 AMP가 위치한 Tara 북대서양 횡단면의 각 지점에 대해 250 m 고도에서 48 h 후방 궤적(HYSPLIT; HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)을 수행했습니다. 대부분의 기단은 완전한 48 h 궤적 동안 바다를 통과했습니다. 다음으로, 침전(종단) 속도를 계산하여 발견한 AMP의 대기 체류 시간을 평가했습니다. 대기 입자의 체류 시간은 대기 말단 속도의 영향을 받기 쉽습니다. 느린 속도(≤0.01 m s-1)는 소용돌이에 의해 수면 근처에서 들어올려지고 주변 공기에 의해 운반될 가능성이 더 높음을 의미합니다. 우리는 입자에 대해 0.001~0.2 m s-1 범위의 AMP 침전 속도를 발견했습니다. HYSPLIT 역 궤적을 얻은 체류 시간과 결합하여 입자의 소스를 평가할 수 있습니다. 입자 2, 17, 30 및 38은 분명히 국소 배출의 산물이었고 체류 시간은 몇 분에서 몇 시간이었습니다. 1~2일의 체류 시간을 가진 나머지는 HYSPLIT 후방 궤적과 결합하여 바다에서 형성된 것으로 보입니다. 이는 본 연구에서 발견된 AMP가 해수에서 방출되었음을 시사하며, 이는 기포 파열을 통한 바람 관련 과정을 나타냅니다. 불규칙하고 길쭉한 모양의 AMP 입자는 대기 체류 시간이 길 수 있습니다. 가장 긴 AMP의 경우 긴 장축을 가지고 있음에도 불구하고 대기 침강 속도는 0.001 m s−1 범위에 있으며, 이는 수일 내에 해양 대기에 부유하고 해양을 지배하는 전형적인 서브미크론 입자와 동일합니다. 우리가 발견한 AMP는 최대 2일 동안 대기에 남아 있을 수 있으며 8 ms-1의 일반적인 해상 풍속은 100~1000km로 이동할 수 있다고 요약합니다. 그러나 ~0.1 m s−1 정도의 침전 속도를 갖는 AMP는 ~5 분 동안 대기에 남아 있고 ~3 km를 이동합니다. AMP 소스로서 대양의 역할을 더 탐구하기 위해 AMP 샘플의 화학적 조성을 AMP 샘플이 샘플링된 동일한 위치에서 샘플링된 해수에서 수집한 미세 플라스틱 입자와 비교했습니다. 우리는 26°N 66°W–26°N 68°W 및 26°N 68°W–26°N 72°W에서 수집된 AMP 샘플을 선택했습니다. 여기서 HYSPLIT 궤적은 기단이 순전히 해양 출처임을 나타냅니다. 2016년 6월 22일 26°N 68°W 지역의 해수에서 수집된 미세 플라스틱 입자를 폴리에틸렌 AMP를 함유한 26°N 66°W–26°N 68°W에서 수집한 공기 중 샘플과 비교했습니다. 같은 날 수집하고 공기 중 샘플로 26°N 68°W–26°N 72°W(샘플 39)에 폴리프로필렌 AMP를 포함하여 다음날 수집했습니다. 분석 및 AMP와의 비교를 위해 선택된 해수 미세 플라스틱 입자는 마이크로 라만 분광법 측정 전에 플라스틱임을 확인하기 위해 철저한 형태학적 스캐닝을 거쳤습니다. 26°N 68°W의 해수 샘플에서 8개의 미세 플라스틱 입자가 분석되었으며 그 중 7개는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함했습니다. 5개는 폴리에틸렌으로 확인되었으며, 그 중 2개는 폴리에틸렌 조성물(코발트 프탈로시아닌 함유 1개, 아크릴산 함유 2개), 폴리프로필렌 2개로 식별되었습니다. 샘플 38,39 및 해당하는 해수 MP 샘플의 화학적 증거와 함께 HYSPLIT 후방 궤적으로 표시된 기단의 해양 기원은 AMP의 해양 출처를 강력하게 시사합니다. 또한 AMP 샘플 38은 계산된 종단 속도가 0.2 m s−1이고 39번이 0.003 m s−1로 계산되어 대기 체류 시간이 각각 ~5 min 및 ~48 h입니다. 이것은 둘 다 바다에서 생산되었음을 강력하게 시사합니다. AMP 샘플 38은 현지에서 생산되었을 가능성이 가장 높으며 잠재적 체류 시간이 48 h인 샘플 39는 샘플 수집 지점에서 멀리 떨어져 생산되었을 수 있습니다. 체류 시간은 입자가 대기에서 보낼 수 있는 최대 시간만을 나타내며 따라서 HYSPLIT 역 궤적의 전체 48 h 지속 시간이 바다 위에서 소비되었기 때문에 샘플링 직전에 방출되었을 수도 있지만 해양 소스일 가능성도 있습니다. 또한, 우리가 발견한 대부분의 AMP, 특히 해수와 AMP 샘플 38 및 39에서 발견되는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌의 비밀도는 해수의 비밀도 보다 낮으므로 바다에 축적될 가능성이 있습니다. 표면 미세층이므로 쉽게 에어로졸화될 수 있습니다. 우리의 연구 결과는 현재까지 탐지된 육상 및 해안 AMP에 대해 발견된 것과 다른 AMP에 대한 새로운 가능한 소스 및 형성 메커니즘을 나타냅니다. 우리는 바다에서 AMP가 바람과 관련된 과정을 통해 해수에서 대기로 방출된다는 증거를 가지고 있습니다. MP는 해수면 미세층에 축적되어 상승하는 기포에 의해 소거될 수 있습니다. 거품의 파열은 바다 스프레이 에어로졸 형성과 관련된 과정에서 MP를 대기 중으로 주입합니다. 이것은 바다가 해안 지역과 외딴 지역으로 수송될 수 있는 AMP의 지속적인 전지구적 공급원이 될 수 있음을 의미합니다. 그러나 일부 AMP 입자가 다른 배, 대륙 또는 섬에서 유래하여 먼 해양 대기로 운반되었을 가능성을 무시할 수 없습니다. 우리는 대기 샘플의 ~20%에서 AMP를 발견했습니다. 우리는 이러한 결과가 현재의 기술적 과제로 인해 해양 대기의 실제 AMP 농도를 과소평가했다고 가정합니다. 이 문제로 인해 5 µm 미만의 공기 중 미세 플라스틱 입자를 분석할 수 없었습니다. 더욱이, 나노플라스틱 입자(<1 μm)는 나노플라스틱 수집 및 탐지의 방법론적 한계로 인해 단일 입자 수준에서 환경에서 매우 최근에야 확인되었습니다. 전형적인 해양 에어로졸 크기 분포에서 10 nm–1 μm 사이의 직경 범위는 R/V Tara Pacific 탐사 중 측정된 바와 같이 총 해양 부유 입자 농도의 >99%를 구성합니다. 따라서 현재 크기 감지 한계 미만인 더 높은 농도의 미세 플라스틱 및 나노 플라스틱 입자가 공기 중에 부유할 가능성이 있습니다. 추적의 기술적 한계에도 불구하고 나노 플라스틱 입자가 해양 환경에 풍부하다는 것이 널리 받아들여지고 최근에 확인되었습니다. 따라서 우리는 해양 대기에 나노 플라스틱 입자(10 nm–1 µm)가 포함되어 있으며, 이는 여기에서 제시된 큰 입자보다 해양 대기에 훨씬 쉽게 도입되고 유지될 수 있다고 제안합니다. 해양 대기 중 나노플라스틱 및 미세플라스틱의 존재는 대기 조성에 영향을 미칠 수 있으며 대기 중 UV 방사선 노출로 인해 미세플라스틱 독성을 증가시킬 수 있으며 해양 미생물 생태계에 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 그 결과 미세플라스틱과 상호작용하는 수생생물에서 관찰되는 현상 중 일부인 스트레스 반응 증가와 신진대사, 성장 및 번식의 감소가 포함될 수 있습니다. 미세 플라스틱과 나노 플라스틱, 특히 폴리스티렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌(모두 AMP 샘플에서 발견됨)은 중금속뿐만 아니라 잔류성 유기 오염물질을 축적하는 것으로 알려져 있습니다. AMP 샘플에서 발견되는 플라스틱 분해 산물, 특히 폴리스티렌은 유독합니다. 우리의 최종 속도 계산에 따르면 일부 AMP가 공기 중에 며칠 동안 지속될 수 있다는 점을 감안할 때 UV 복사 및 산화에 오랜 노출 시간을 허용하면 해수에 재침적되기 전에 매우 유독하게 될 수 있습니다. 비 공기 중 미세 플라스틱 입자에 대해 이전에 관찰된 것보다 해양 생태계에 대한 피해가 심각합니다. 미세플라스틱이 병원체를 운반하는 능력은 또한 AMP가 해양 생태계에 미치는 피해를 증가시킬 수 있습니다. 전형적인 해류. 우리의 계산에 따르면, 일부 AMP는 100~1000km를 이동할 수 있으며, 여러 연구에서 가능한 것처럼 대기 중에 감염성을 유지한다면 먼 해양 생태계가 이러한 병원체에 감염될 위험이 있습니다. 따라서 AMP의 영향은 해양 미생물 생태계에 치명적일 수 있으며 철저히 조사되어야 합니다. 위에서 제안한 바와 같이 AMP 배출 및 그 운명, 해양 대기 및 해양 미생물 생태에 대한 가능한 영향에 대한 이러한 결과의 의미는 추가 조사가 필요합니다.