바다거북에 대한 해양 플라스틱 오염 영향 연구: 섭식, 행동 반응, 첨가제 전이 = Impacts of Marine Plastic Pollution on Sea Turtles: Ingestion, Behavioral Responses, and Chemical Transfer

국문 초록 (Abstract)

전 세계 플라스틱 생산량은 연간 4억 톤을 넘어섰으며, 상당 부분이 단기간 사용 후 폐기되고 있다. 적절히 관리되지 못한 플라스틱 쓰레기는 강, 바람, 해류를 따라 이동하면서 외딴 해양에까지 도달하고, 수십 년에서 수세기 동안 환경 중에 잔존한다. 이에 따라 다양한 해양 생물들이 플라스틱을 섭식하거나, 플라스틱에 얽히거나, 플라스틱을 통한 화학물질 노출에 직면하게 되어 심각한 위협을 받고 있다. 해양 대형동물 중 바다거북은 특히 플라스틱의 영향을 크게 받는 종으로 알려져 있다. 바다거북은 장수하며 넓은 회유 범위를 가지며, 식도 내에 뒤쪽을 향한 돌기가 존재하여 섭취된 이물질의 배출이 어렵다. 현재 존재하는 7종의 바다거북 모두가 플라스틱으로 인한 피해를 받는 것으로 보고되어 있으며, 이 중 5종은 세계자연보전연맹(IUCN) 적색목록에서 ‘취약’에서 ‘위급’ 단계로 분류되어 있다. 전 세계적으로 바다거북의 플라스틱 섭식 빈도와 양은 바닷새나 해양 포유류보다 높은 편이다. 그러나 플라스틱 배출의 주요 기여 지역인 아시아 해역에 대한 연구는 매우 부족하며, 한국 해역에서는 아직 연구가 보고되지 않았다. 본 연구에서는 2012년부터 2018년까지 한국 연안에서 표착되거나 혼획된 바다거북 34개체(붉은바다거북(Caretta caretta) 21개체, 푸른바다거북(Chelonia mydas) 9개체, 장수거북(Dermochelys coriacea) 2개체, 올리브바다거북(Lepidochelys olivacea) 2개체)의 소화관 내용물을 분석하였다. 1mm 이상의 플라스틱을 분류하여 형태, 색상, 폴리머 유형, 기원을 분석한 결과, 총 34마리 중 28마리(82%)가 플라스틱을 섭식하며, 평균 섭식량은 108±253mg/kg(38±61개/개체)으로 매우 높은 섭식빈도와 섭식량이 관찰되었다. 필름과 섬유 형태가 전체의 80% 이상을 차지하였다. 푸른바다거북(264±433mg/kg)은 붉은바다거북(72.8±156mg/kg)에 비해 유의하게 더 많은 양의 플라스틱을 섭식하였다(Wilcoxon rank sum test, p<0.05). 또한 두 종 간 섭식 된 플라스틱 형태가 달랐는데, 푸른바다거북에서는 밧줄 및 끈과 같은 섬유류가 상대적으로 많이 발견된 반면, 붉은바다거북에서는 비닐봉지 및 포장재 등 필름류가 우세하였다. 이러한 차이는 두 종의 이동 범위 및 먹이 습성 차이에 기인할 수 있다. 푸른바다거북은 동남아시아 연안까지 더 넓은 회유 범위와 초식성을 보이는 반면, 붉은바다거북은 잡식성이므로 플라스틱 섭식량과 유형에서 차이가 나타났을 가능성이 있다. 또한 두 종 모두에서 일회용품과 어업 관련 폐기물이 대부분을 차지하여, 바다거북이 이러한 유형의 플라스틱에 우선적으로 노출되는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 본 연구에서는 연구 범위를 확장하여, 붉은바다거북 3개체와 푸른바다거북 3개체를 대상으로, 대형(macroplastic; >25mm), 중형(mesoplastic; 5–25mm), 그리고 미세플라스틱(microplastic; 20μm–5mm)을 동시에 정성·정량 분석하였다. 1mm 이하의 미세플라스틱은 μ-FTIR (푸리에 변환 적외선 분광기)로 개수 및 특성을 분석하였다. 일부 개체는 육안으로 플라스틱이 확인되지 않았으나, 모든 개체에서 미세플라스틱이 검출되었으며, 개체당 평균 33,000개 이상의 입자가 확인되었다. 미세플라스틱(20μm–5mm)의 주요 폴리머 유형은 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에스터/폴리에틸렌 테레프탈레이트(PES/PET)이었으며, 이는 중형(5–25mm)·대형(>25mm) 플라스틱의 조성과 유사하였다. 그러나 형태는 상이하였으며, 중·대형플라스틱에서는 섬유형이 우세한 반면, 미세플라스틱은 비섬유형이 주를 이루었다. 이는 소화 과정에서 섬유형이 파편화되어 비섬유형으로 변형될 수 있는 가능성을 시사한다. 또한 미세·중·대형 플라스틱의 개수는 폴리머 유형별로 높은 상관성을 보여(Spearman correlation test, p<0.05), 소화관 내에서 플라스틱이 점진적으로 미세화될 가능성을 제시하였다. 현재까지 생물이나 환경 내 다양한 크기 범위의 플라스틱을 동시에 분석한 연구는 제한적이므로, 향후 생물 내 플라스틱 노출을 보다 정확히 파악하기 위해 이러한 통합적 접근이 더 필요하다. 전 세계에서 보고된 바다거북 플라스틱 섭식 관련 총 110편의 연구(본 연구 포함)를 통합 분석한 결과, 전체 조사 개체의 약 54%에서 플라스틱 섭식이 확인되었으며, 연구의 대부분은 대서양과 지중해 지역에 집중된 반면, 아시아 지역의 자료는 매우 제한적인 것으로 나타났다. 종별로는 붉은바다거북(북중태평양, 0.9g/kg)과 푸른바다거북(북서태평양, 1.2g/kg)에서 섭식 빈도가 가장 높아, 이 두 종이 해양 플라스틱 오염의 생물지표종으로 활용될 수 있음을 시사하였다. 플라스틱의 우세한 형태는 종에 따라 다소 차이를 보였으나, 전반적으로 흰색과 투명색이 우세하였고, 폴리머 유형은 PE와 PP가 가장 높은 비율을 차지하였다. 그러나 플라스틱 출현빈도(%FO), 질량, 형태, 색상, 폴리머 유형 등 보고 형식이 연구마다 상이하여 지역 간 비교가 어려웠으며, 이에 따라 표준화된 분석 및 보고 지침의 필요성을 제기하였다. 바다거북의 플라스틱 섭식 원인을 행동학적으로 규명하기 위해 행동 반응 실험을 수행하였다. 아쿠아리움에서 사육중인 인공증식 매부리바다거북(Eretmochelys imbricata; 4년생 아성체 8개체, 부화 후 10주령 27개체)을 대상으로 해양환경과 바다거북에서 주로 발견된 6종의 플라스틱 필름(흰색 비닐봉지, 투명 포장재, 노란색 과자 포장재, 빨간색 라면 포장재, 파란색 병 라벨, 검은색 비닐봉지)을 수조에 노출한 결과, 아성체는 밝은색(흰색, 투명), 부드러운(비닐) 재질의 플라스틱에 선택적으로 반응하였으며, 새끼 개체는 구별 없이 반응하였다. 이는 아성체는 먹이 경험을 바탕으로 먹이와 유사한 플라스틱에 선택적으로 반응한 반면, 새끼 개체는 먹이 경험이 부족하여 무작위적 반응을 보였기 때문으로 판단된다. 이러한 결과는 플라스틱의 시각적 단서가 바다거북의 섭식 행동에 영향을 미치는 요인으로 작용할 수 있으며, 다양한 생애 단계에서 플라스틱 섭식 위험이 존재함을 시사한다. 한편, 아쿠아리움에서 사육중인 푸른바다거북(아성체 4개체, 성체 1개체)을 대상으로 본 연구에서 푸른바다거북에서 주로 발견된 플라스틱 유형인 밧줄을 기반으로 행동 실험을 수행하였다. 실험 자극은 깨끗한 밧줄(clean), 미생물막부착 밧줄(microfouled), 대형생물부착 밧줄(macrofouled), 다시마 얽힌 밧줄(kelp- entangled), 다시마(kelp)로 구성하였다. 아성체와 성체 모두 유사한 행동 패턴을 보였으며, 푸른바다거북의 주요 먹이인 다시마에서 가장 높은 입질 반응이 나타났다. 또한 다시마가 얽히거나 해조류가 부착된 밧줄에서도 높은 반응이 나타나, 먹이와 함께 존재하는 플라스틱이 바다거북의 행동을 유인할 수 있음을 시사한다. 반면, 먹이 연관성이 없는 깨끗한 밧줄에서는 입질 반응이 낮았으나 기대는 행동이 나타나, 먹이 유무와 관계없이 얽힘 위험이 존재함을 확인하였다. 이러한 결과는 플라스틱의 부착생물과 먹이 얽힘이 섭식 위험을 증폭시키며, 깨끗한 플라스틱 또한 얽힘 위험 요인으로 작용함을 실험적으로 입증하였다. 마지막으로, 바다거북에서의 플라스틱 첨가제 전이를 확인하기 위해, 바다거북 간조직에서 플라스틱 첨가제와 함께 해양 상위 포식자에서 먹이를 통한 생물확대가 두드러지는 잔류성유기오염물질(persistent organic pollutants; POPs)을 동시에 분석하였다. 이를 통해 바다거북의 플라스틱 첨가제의 노출 수준을 기존 유해오염물질과 비교하고, 플라스틱 기인 화학적 영향을 종합적으로 평가하고자 하였다. 플라스틱 첨가제에 속하는 hexabromocyclododecanes (HBCDs)와 산화방지제는 POPs와 달리 붉은바다거북과 푸른바다거북 간 체내 농도가 비슷한 농도로 검출되었다. 이러한 양상은 먹이 섭취 외에 플라스틱 섭식과 같은 다른 노출 경로의 영향을 시사한다. 잠재적 먹이생물(담치, 해파리, 게, 다시마, 모자반)과 섭식 플라스틱(밧줄, 그물, 포장재, expanded polystyrene (EPS), 비닐)을 대상으로 첨가제(가소제, 자외선 안정제, 산화방지제, HBCD) 및 polychlorinated biphenyls (PCBs)를 분석하여 잠재적 노출 경로를 평가하였다. 먹이생물 간 첨가제 농도는 유사하였으나, 플라스틱에서는 매우 높은 첨가제 농도가 확인되었고, 바다거북 체내 첨가제 농도는 먹이생물보다 현저히 높았다. 바다거북이 먹이와 플라스틱을 통해 첨가제에 노출될 가능성을 평가하기 위해, 측정된 바다거북의 먹이와 플라스틱의 섭식량과 각 첨가제 농도를 결합하여 노출 시나리오를 구성하였다. 플라스틱의 평균 섭식량과 평균 농도를 기반으로 한 기본 시나리오에서는 먹이가 주요 노출 경로로 나타났으나, 플라스틱의 최대 농도와 최대 섭식량을 반영한 고노출 시나리오에서는 먹이와 동등하거나 더 큰 기여도를 보였다. 본 연구는 해양 상위포식자인 바다거북 체내에 다양한 플라스틱 첨가제가 광범위하게 축적된다는 근거를 최초로 제시하였다. 특히 첨가제가 먹이뿐 아니라 섭식된 플라스틱을 통해서도 유입될 수 있음을 규명함으로써, 바다거북이 플라스틱 기원 화학오염에 다양한 경로를 통해 노출될 수 있음을 보여주었다. POPs로는 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), PCBs, dichlorodiphenyltrichloroethanes (DDTs), hexachlorocyclohexanes (HCHs), chlordanes (CHLs), hexachlorobenzene (HCB), pentachlorobenzene (PeCB), mirex, polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), HBCDs가 검출되었다. 붉은바다거북은 DDTs, HCHs, PeCB, PBDEs 농도가 푸른바다거북보다 유의하게 높게 나타났으며(Wilcoxon rank sum test, p<0.01), 이는 상위 영양단계 먹이를 통한 생물확대 영향이 더 크게 나타나는 것으로 해석된다. 반면 푸른바다거북은, 일반적으로 생물보다 플라스틱에서 더 높은 비율로 보고되는 γ-HBCD가 더 높은 비중을 차지하여(1.14 vs. 0.98), 플라스틱 섭식이 푸른바다거북의 γ-HBCD 축적에 기여했을 가능성을 보여주었다. 종합적으로, 본 연구는 플라스틱이 바다거북에 미치는 영향을 플라스틱 섭식 현황, 섭식 원인, 플라스틱 기원 화학물질 축적 측면에서 통합적으로 규명하였다. 섭식 분석 결과, 일회용품과 어업 기인 플라스틱의 섭식이 주요 섭식 유형으로 확인되었다. 행동 실험에서는 밝은색·부드러운 재질의 플라스틱과, 부착생물 또는 먹이가 얽힌 플라스틱에 대한 높은 입질 반응이 관찰되어, 먹이와 유사한 유인 또는 먹이 관련 유인이 섭식 위험을 증가시킬 수 있음을 보여주었다. 또한 바다거북 체내에서 플라스틱 첨가제가 높은 농도로 빈번하게 검출되었으며, 이는 해양 환경에서의 광범위한 플라스틱 오염과 그로 인한 섭식 및 환경 노출이 첨가제 축적에 기여한 것으로 판단된다. 이러한 결과는 해양 플라스틱 오염 관리에 있어, 바다거북의 섭식 행동을 유발하는 유인을 제거·저감하는 관리와 더불어, 플라스틱 첨가제 등 화학적 위해 요인에 대한 관리가 병행되어야 함을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global plastic production exceeds 400 million tons annually, with a substantial portion discarded after short-term use. Mismanaged plastics are transported by rivers, wind, and ocean currents, reaching remote marine environments and persisting for decades to centuries. Consequently, diverse marine organisms face serious threats from plastic ingestion, entanglement, and chemical exposure associated with plastics.
Among marine megafauna, sea turtles are particularly vulnerable to plastic impacts. They are long-lived, undertake wide-ranging migrations, and possess backward-facing esophageal papillae that hinder egestion of ingested debris. All seven sea turtle species worldwide are reported to be affected by plastics, and five of them are listed as “Vulnerable” or “Critically Endangered” by the International Union for Conservation of Nature (IUCN) red list. Globally, sea turtles showed the highest plastic ingestion rates among marine organisms, such as seabirds and marine mammal. However, despite Asia being a major contributor to global plastic emissions, studies from Asian waters—including Korea—remain scarce.
In this study, the gastrointestinal tract contents of 34 sea turtles stranded or bycaught along the Korean coast between 2012 and 2018 were analyzed, including 21 loggerhead turtles (Caretta caretta), 9 green turtles (Chelonia mydas), 2 leatherbacks (Dermochelys coriacea), and 2 olive ridleys (Lepidochelys olivacea). Plastics (>1 mm) were quantified by number and mass and characterized by shape, color, polymer type, and original usage. Of the 34 turtles examined, 28 (82%) contained plastic. Mean ingestion was 108 ± 253 mg/kg (38 ± 61 items/individual), dominated by films and fibers (>80%), demonstrating high occurrence and substantial ingestion quantities. Green turtles (264 ± 433 mg/kg) ingested significantly more plastics than loggerhead turtles (72.8 ± 156 mg/kg) (Wilcoxon rank sum test, p < 0.05). The dominant plastic types also differed between species: green turtles primarily ingested fiber-type plastics such as rope and twine, whereas loggerheads mainly ingested film-type plastics such as bags and packaging. These differences likely reflect species-specific movement ranges and feeding strategies. Green turtles range farther into Southeast Asia and primarily consume algae, whereas loggerheads feed on jellyfish and benthic invertebrates, which may account for the distinct plastic ingestion patterns. Across both species, single-use plastics and fisheries-related debris predominated.
To expand the scope of investigation, both visually identifiable plastics (>1 mm) and small microplastics (20 μm–1 mm) were analyzed in six turtles (three loggerheads, three greens). Small microplastics were counted and characterized using μ-FTIR. Although no meso- (5–25 mm) or macroplastic items (>25 mm) were observed in some individuals, microplastics (20 μm–5 mm) were detected in all turtles, with more than 33,000 particles per individual on average. Polypropylene (PP), polyethylene (PE), and polyester/polyethylene terephthalate (PES/PET) dominated in microplastic, similar to meso- and macroplastic composition. However, shapes differed: fibers dominated among meso- and macroplastics, whereas non-fiber types dominated among microplastics, suggesting potential fragmentation of fibers into non-fiber particles during digestion. Counts of micro-, meso-, and macroplastics were strongly correlated by polymer type (Spearman, p < 0.05), supporting progressive fragmentation within the gastrointestinal tract. As studies simultaneously examining multiple plastic size classes in biota and the environment are still scarce, expanding such integrated approaches will be essential for accurately assessing plastic exposure in marine organisms.
A meta-analysis of 110 global sea turtle plastic ingestion studies, including this work, showed that ~54% of sea turtles had ingested plastics. Most studies were conducted in the Atlantic and Mediterranean, while Asian data remain limited. Loggerhead turtles (North Pacific, 0.9 g/kg) and green turtles (Northwest Pacific, 1.2 g/kg) exhibited the highest ingestion levels, indicating their usefulness as bioindicator species of marine plastic pollution. While plastic types varied somewhat across species, white and transparent plastics predominated globally, with PE and PP as the most common polymers. However, inconsistencies in reporting metrics (frequency of occurrence, mass, shape, color, and polymer type) hinder regional comparison, emphasizing the need for standardized methods and reporting frameworks.
To investigate behavioral drivers of plastic ingestion, controlled behavioral experiments in which exposing sea turtles to plastic stimuli were carried out. Eight 4-year-old juvenile and twenty-seven 10-week-old hatchling captive-reared hawksbill turtles (Eretmochelys imbricata) were exposed to six plastic films (white plastic bag, transparent food packaging, yellow snack packaging, red ramen packaging, blue bottle label, and black plastic bag), which represent common debris types in the marine environment and in ingested plastics. Juveniles more bit or touched brightly colored (white, transparent) and soft plastic films, whereas hatchlings responded indiscriminately. This suggests that juveniles may respond selectively based on prior feeding experience, while naïve hatchlings respond randomly due to limited foraging history. Results indicate that visual cues associated with plastics can influence sea turtle feeding behavior, with ingestion risks present across life stages.
Additionally, behavioral experiments were conducted on captive green turtles (four juveniles, one adult) using rope-based stimuli representing the dominant debris type ingested by green turtles in Section 2.2. Stimuli included clean rope, microfouled rope, macrofouled rope, kelp-entangled rope, and kelp. Both age groups showed similar patterns: strongest biting responses to kelp, a natural prey item of green turtles, and high responses to kelp-entangled or macrofouled rope, indicating plastics accompanied by prey stimuli may attract sea turtles. Clean rope elicited low biting but leaning behavior, demonstrating entanglement risk irrespective of feeding cues. These experiments show that biofouling and food entanglement can amplify ingestion risk, while clean plastics still pose entanglement hazards.
To examine whether plastic-derived additives accumulate in sea turtles, plastic additives were analyzed in sea turtle liver alongside legacy persistent organic pollutants (POPs) known for trophic biomagnification. The goal was to compare additive exposure with traditional contaminants and evaluate plastic-derived chemical risks. Hexabromocyclododecanes (HBCDs) and antioxidants—plastic additives—showed comparable levels between species, unlike POPs, suggesting additive exposure may involve non-dietary pathways such as plastic ingestion. To evaluate potential exposure sources, prey (mussels, jellyfish, crabs, kelp, and Sargassum) and ingested plastics (rope, nets, packaging, expanded polystyrene (EPS), and bags) were analyzed for additives (plasticizers, UV stabilizers, antioxidants, and HBCDs) and polychlorinated biphenyls (PCBs). Additive levels were similar across prey but extremely high in plastics, while additive levels of sea turtles far exceeded prey. Exposure scenarios combining ingestion amounts and additive concentrations showed that, under the baseline scenario reflecting mean additive levels and ingestion amount of plastic, diet was the dominant exposure pathway. However, under the worst scenario based on maximum additive concentrations in plastics and maximum plastic ingestion, plastics contributed equally or even more to overall exposure. This work provides the first evidence that diverse plastic additives are widely accumulated in sea turtles, demonstrating that additives can be transferred not only through prey but also directly via ingested plastics.
POPs including polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), PCBs, dichlorodiphenyltrichloroethanes (DDTs), hexachlorocyclohexanes (HCHs), chlordanes (CHLs), hexachlorobenzene (HCB), pentachlorobenzene (PeCB), mirex, polybrominated diphenyl ethers (PBDEs), and HBCDs were detected. Loggerheads had significantly higher DDTs, HCHs, PeCB, and PBDEs than greens (Wilcoxon rank sum test, p < 0.01), suggesting greater biomagnification through higher-trophic prey. Conversely, green turtles showed higher relative proportions of γ-HBCD (1.14 vs. 0.98), commonly enriched in plastics relative to biota, suggesting plastic ingestion may contribute to γ-HBCD accumulation in green turtles.
Overall, this study integrated plastic ingestion patterns, behavioral response on plastic, and plastic-derived chemical accumulation to assess plastic impacts on sea turtles. Ingestion analyses showed dominance of single-use and fisheries-related plastics. Behavioral experiments revealed elevated responses to bright, soft plastics and fouled or food-entangled plastics, suggesting that resemblance to food and food-associated cues contribute to ingestion risk. Chemical analyses showed frequent, elevated accumulation of plastic additives in turtles, indicating contributions from ingested plastics and environmental exposure under pervasive marine plastic pollution. These findings underscore the need for management strategies that reduce attractive plastic cues and biofouling-associated ingestion risks and simultaneously address chemical hazards such as plastic additives in marine conservation and pollution control policies.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Scope of the study 8
• 2. Quantity and characteristics of plastic ingestion in sea turtles 13
• 2.1 Introduction 13
• 2.2 Assessment of large-sized plastics (large micro to macro) 15
• 2.2.1 Materials and methods 15
• 2.2.2 Results 21
• 2.2.3 Discussion 41
• 2.3 Comprehensive assessment of microplastics and cross-size relationships 57
• 2.3.1 Materials and methods 57
• 2.3.2 Results 64
• 2.3.3 Discussion 77
• 2.4 Global review of plastic ingestion in sea turtles 85
• 2.4.1 Methods 85
• 2.4.2 Results and Discussion 88
• 3. Behavioral responses of sea turtles to plastics in a laboratory environment 111
• 3.1 Introduction 111
• 3.2 Behavioral responses to plastic films of different colors and textures (visual cues) 115
• 3.2.1 Materials and methods 115
• 3.2.2 Results 127
• 3.2.3 Discussion 132
• 3.3 Behavioral responses to prey-entangled and biofouled plastics (combined visual and chemical cues) 141
• 3.3.1 Materials and methods 141
• 3.3.2 Results 149
• 3.3.3 Discussion 157
• 4. Accumulation of plastic additives and persistent organic pollutants in sea turtles 163
• 4.1 Introduction 163
• 4.2 Accumulation and potential sources of plastic additives in sea turtles 166
• 4.2.1 Materials and methods 166
• 4.2.2 Results and Discussion 190
• 4.3 Bioaccumulation of persistent organic pollutants (POPs) in sea turtles 234
• 4.3.1 Materials and methods 234
• 4.3.2 Results and Discussion 241
• 5. Conclusion 269
• Bibliography 274
• Publications 304
• Acknowledgement 305
• List of Appendix