미세플라스틱의 영양단계 기반 생태독성 연구 = Study on Ecotoxicity of Microplastics based on Trophic Levels

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In these days, plastic pollution in the environment is receiving worldwide attention. Because of increasing production, use, and disposal of plastic products, abandoned plastic wastes flow into the environment and they contaminate the ecosystems. Especially, microplastics, < 5 mm in diameter, are getting spotlights because of their unique characteristics, wide distribution and enormous uses. These microplastics can affect organisms and ecosystems from marginal problems to mortality. In this study, ecological impacts of microplastics on the organisms living in marine, freshwater, and soil environments were evaluated.
First, the impacts on individuals, microalgae (Dunaliella salina) and mussels (Mytilus galloprovincialis) in marine environment, fish (Oryzias sinensis and Zacco temminckii) in freshwater environment, and plants (Vigna radiata) in soil environment were investigated. Direct microplastic exposure caused promotions of growth and photosynthetic activity of microalgae and microplastic egestion rates of mussels were varied depending on food (microalgae) presence. After then, microplastics changed swimming patterns of both freshwater fish and induced histopathological abnormality of liver. Lastly, microplastics were absorbed and transferred to soil plants and decreased root growth. Next, expanded impacts on food chain composing 2 to 4 organisms in each ecosystem were evaluated. Microplastics were transferred through food chains in each ecosystem (mussel - shrimp, Litopenaeus vannamei, in marine ecosystem, algae, Chlamydomonas reinhardtii - daphnid, Daphnia magna - small fish, O. sinensis - big fish, Zacco temminckii, in freshwater ecosystem, and plant - snail, Achatina fulica, in soil ecosystem) and caused several negative effects (decrease of nutrients in shrimps and feeding and foraging speeds of snails).
Consequentially, microplastics with various characteristics affect the growth, health, and behavior of individuals (algae, mussel, fish and plant) and these can cause the decrease of viabilities and health of organisms. Additionally, they transferred from an organism to other organisms in various trophic levels inducing several adverse effects. This result can suggest the possibility of trophic transfer of microplastics to human who ingest these contaminated organisms as a food. This study demonstrated ecological impacts of microplastics in multi environmental media and suggested further perspectives to figure out potential impacts on ecosystems.

국문 초록 (Abstract)

최근 환경 중의 플라스틱 오염이 심화됨에 따라 환경 중으로의 플라스틱 폐기와 이로 인한 생태계 영향이 전 세계적으로 주목을 받고 있다. 플라스틱 제품의 생산, 사용 및 폐기가 점차 증가함에 따라 환경 중으로 버려지는 플라스틱 또한 증가하는 추세이며 이러한 플라스틱 쓰레기가 생태계를 오염시키고 있다. 특별히 크기가 5 mm 이하인 미세플라스틱의 경우, 독특한 특성 및 환경 중에 널리 분포되어 있고 다양한 목적으로 많이 사용된다는 이유로 최근 이에 관한 많은 연구가 수행되고 있으며 환경 중 생물과 생태계에 미미한 영향부터 치사에 이르게 하는 다양한 영향이 확인되었다. 본 연구에서는 이러한 미세플라스틱이 해양, 담수 및 토양생태계 및 환경 중에 서식하는 생물에 미치는 영향을 확인하고자 하였다.
해양 환경에 서식하는 미세조류와 담치, 담수 환경에 서식하는 어류 및 토양 환경 중의 식물에 미치는 개체영향을 확인하는 연구에서는 미세플라스틱이 미세조류의 성장과 광합성 활성을 촉진하는 것을 확인하였으며, 먹이의 존재 여부에 따라 담치의 미세플라스틱 배출률이 달라지는 것이 확인되었다. 또한, 담수 어류 2종의 경우, 미세플라스틱 노출 후에 유영 패턴이 변화한 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 토양 매체에서 미세플라스틱이 노출된 식물의 경우, 뿌리를 통해 식물 체내로 미세플라스틱이 전이되어 식물의 잎까지 이동하는 것을 확인하였으며, 미세플라스틱이 직접 접촉한 뿌리의 성장이 저해되는 것이 확인되었다. 다음으로 각 생태계에 존재하는 다양한 생물종으로 구성된 먹이사슬에 미치는 확장된 영향을 평가하고자 하였다. 미세플라스틱은 먹이사슬을 따라 상위 영양단계의 개체로 섭식을 통해 전이된다는 것이 시각적으로 확인되었으며(해양생태계의 담치-새우, 담수생태계의 조류-물벼룩-소형 어류-대형 어류 및 토양생태계의 식물-달팽이) 먹이 노출로 인해 상위 영양단계 생물에 일부 악영향(새우 내 영양성분 감소 및 달팽이의 섭식 및 먹이 탐색 속도 저하)을 미칠 수 있음이 확인되었다.
결론적으로, 다양한 특성을 가진 미세플라스틱들은 생물의 성장, 행동 등에 영향을 미치는 것을 확인하였으며 이는 섭식 및 소화 장애와 관련, 생물체의 활성과 건강성이 저해되는 결과를 낳는 것으로 확인되었다. 또한, 이러한 미세플라스틱들이 먹이사슬을 통하여 다양한 영양단계의 생물로 먹이 노출을 통해 전이되며 섭식을 통해 미세플라스틱에 노출된 개체들에 다양한 악영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 이는 최종 포식자인 사람이 미세플라스틱에 노출된 생물을 섭취할 경우 사람의 체내에까지 미세플라스틱이 전이될 수 있다는 가능성을 제시한다. 본 연구를 통하여 다양한 환경 매체 내에 존재하는 미세플라스틱의 생태 영향을 확인할 수 있었으며 추후 수행될 연구들에서 미세플라스틱의 생태계에 대한 전반적인 영향을 확인할 수 있을 발전 방안을 제시하고자 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 1. 현대 사회에서의 플라스틱 문제 1
• 2. 미세플라스틱의 환경 오염 현황 3
• 제2절 연구사 10
• 1. 미세플라스틱의 수서 생태계 연구 동향 10
• 2. 미세플라스틱의 육상 생태계 연구 동향 13
• 제3절 연구 내용 및 목적 18
• 제2장 연구 방법 21
• 제1절 미세플라스틱의 해양 생물 및 먹이사슬 영향 연구 21
• 1. 미세플라스틱의 해양 미세조류 영향 평가 21
• 2. 미세플라스틱의 해양 이매패류 영향 평가 26
• 3. 미세플라스틱의 해양 먹이사슬 영향 평가 28
• 제2절 미세플라스틱의 담수 생물 및 먹이사슬 영향 연구 34
• 1. 미세플라스틱의 담수 어류 영향 평가 34
• 2. 미세플라스틱의 담수 먹이사슬 영향 평가 37
• 제3절 미세플라스틱의 육상 생물 및 먹이사슬 영향 연구 41
• 1. 미세플라스틱의 육상 식물 영향 평가 41
• 2. 미세플라스틱의 육상 먹이사슬 영향 평가 44
• 제4절 통계 분석 46
• 제3장 연구 결과 및 고찰 47
• 제1절 미세플라스틱의 해양 생물 및 먹이사슬 영향 연구 47
• 1. 미세플라스틱의 해양 미세조류 영향 평가 47
• 2. 미세플라스틱의 해양 이매패류 영향 평가 57
• 3. 미세플라스틱의 해양 먹이사슬 영향 평가 63
• 제2절 미세플라스틱의 담수 생물 및 먹이사슬 영향 연구 79
• 1. 미세플라스틱의 담수 어류 영향 평가 79
• 2. 미세플라스틱의 담수 먹이사슬 영향 평가 86
• 제3절 미세플라스틱의 육상 생물 및 먹이사슬 영향 연구 95
• 1. 미세플라스틱의 육상 식물 영향 평가 95
• 2. 미세플라스틱의 육상 먹이사슬 영향 평가 104
• 제4장 요약 및 결론 112
• 제1절 연구 요약 및 결론 112
• 제2절 제한점 및 후속 연구 제안 118
• 참고문헌 122
• 국문초록 152