마산만 미세플라스틱 오염의 연중 변동 특성 연구: 담치 및 침강입자 = A study on the year-round variation characteristics of microplastic contamination in Masan Bay: Mussels and sinking particles

국문 초록 (Abstract)

미세플라스틱은 작은 크기와 높은 잔류성으로 인해 해양 생물들에게 섭식 되고 다양한 해양 매체에 분포하고 있다. 따라서 여러 해양 매체를 대상으로 미세플라스틱의 오염 수준과 특성을 이해하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 하지만 시간 변화에 따른 미세플라스틱의 오염 변동 정보는 제한적이다.
마산만은 과거 산업화로 인해 오염이 심각하며 이에 따라 마산만 내 다양한 오염물질에 대한 조사가 있었다. 최근에는 마산만 내 생물, 해수, 퇴적물에서 미세플라스틱이 높은 빈도로 검출되는 것이 확인되었다. 그러나 선행 연구들은 일회성 조사를 기반으로 하고 있어 연중 미세플라스틱 오염 변동 파악할 수 있는 자료는 부재하다. 본 연구에서는 마산만에서의 연중 미세플라스틱 오염 변동 특성을 파악하기 위해 마산만 내 서식하는 대표적인 오염 모니터링 지표종인 담치와 퇴적물 침강입자를 중심으로 연구를 진행하였다.
담치 체내 미세플라스틱 오염 현황과 연중 변동 특성을 파악하기 위해 담치(Mytilus galloprovincialis)를 2018년 2월부터 2019년 3월까지 월별로 마산만 돝섬 조간대에서 채집하였다. 담치 체내의 미세플라스틱 농도가 담치의 생물학적 변동성에 영향을 받는지 알아보기 위해 담치의 비만도(condition index, 패각의 부피 대비 체조직 무게)를 측정하였으며, 미세플라스틱 특성 비교를 위해 돝섬 주변 두 개 정점 내 표층 해수 100 L를 2018년 2월, 5월, 7월, 9월 그리고 12월에 채집하였다. 담치 체내 미세플라스틱 평균 농도는 0.36 ± 0.14 n/g(습중량), 1.24 ± 0.56 n/individual로 나타났다. 담치 체내 미세플라스틱 농도는 월별로 유의미한 차이는 없었으나 비만도가 감소할 때 농도가 감소하는 경향이 있었다. 이와 더불어 담치의 상태 변화를 반영한 담치 체내 미세플라스틱 농도와 해수 내 미세플라스틱 농도는 비만도가 낮았던 시기를 제외하고 유의미한 상관성이 확인되었다. 이 결과는 담치의 상태 변화가 미세플라스틱 체내 농도에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 담치를 이용한 미세플라스틱 오염 모니터링 시기를 선정할 때 담치의 생물학적인 변동성을 고려할 것을 제안한다. 아크릴레이트 폴리머(20%), 폴리프로필렌(18%), 폴리에틸렌(9%)이 주요 폴리머로 확인되었으며 해수보다 밀도가 높은 폴리머가 59%였다. 파편 형태의 미세플라스틱이 우세하게 검출되었으며(80%) 300 μm 미만의 미세플라스틱이 86%로 나타났다. 담치 체내 폴리머, 형태, 크기와 같은 미세플라스틱 특성은 해수 내 미세플라스틱 특성과 유사하였고, 이는 담치가 주변 해수의 미세플라스틱 오염 특성을 잘 반영함을 시사한다. 이는 미세플라스틱 모니터링을 위한 지표종으로서 담치의 유용성을 뒷받침할 수 있다. 본 연구결과를 통해 담치를 이용한 미세플라스틱 모니터링 시 담치의 생물학적 상태를 고려하고 300 ㎛ 미만의 작은 미세플라스틱과 고밀도 폴리머를 포함할 수 있는 조사, 분석이 진행될 필요가 있음을 확인하였다.
해양 환경 중 미세플라스틱은 수층에서 가라앉아 해저 바닥에 침전될 수 있다. 그러나 시간에 따른 침강하는 미세플라스틱의 양과 특성 변화에 대한 정보는 제한적이다. 본 연구에서는 미세플라스틱의 침강량과 침강특성을 이해하기 위해 침강입자 포집기(sediment trap)를 이용하여 2019년 4월부터 2020년 3월까지 마산만 중앙에 위치한 돝섬 인근 정점에서 연중 조사를 진행하였다. 또한 미세플라스틱의 특성을 비교하기 위해 동일 조사 정점 및 시기에 표층 퇴적물을 함께 채집하였다. 포집기 내 미세플라스틱의 평균 농도는 3.21 ± 1.51 n/g(건중량)이었고 평균 침강량(flux)은 67.76 ± 32.62 n/m2/day였다. 전반적으로 총 입자 침강량과 미세플라스틱 침강량 사이의 유의한 관계가 확인되었으며(p <0.05), 이는 퇴적 입자의 양이 많을 때 침강하는 미세플라스틱의 양이 증가할 수 있음을 시사한다. 미세플라스틱 침강량은 계절에 따라 차이가 있었다. 미세플라스틱 침강량은 봄–여름(4월–9월, 8월 제외)에 상대적으로 낮았으며, 이는 성층화로 인해 입자의 침강이 제한되었기 때문으로 사료된다. 가을–겨울(10월–2월)에 미세플라스틱 침강량의 증가는 만 내로 흐르는 저층 조류 세기의 증가와 부유퇴적물의 유입이 외해로부터 미세플라스틱을 만내로 공급하여 미세플라스틱 침강량이 증가한 것으로 보인다. 이러한 결과는 계절별 수력학적 요소(성층화, 조류, 부유퇴적물 유입)에 따라 마산만으로 유입된 미세플라스틱의 침강량에 차이가 발생할 수 있음을 시사한다. 관측자료를 기초로 연중 마산만 저층 퇴적층으로 퇴적되는 미세플라스틱 수는 약 1조 7000억 개로 산정되었다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌과 같은 저밀도 폴리머가 침강입자와 표층 퇴적물 시료 모두에서 우세하였다. 이 결과는 생물부착(biofouling)이나 응집체(aggregate)와 같이 저밀도 폴리머의 침강을 야기하는 요인이 존재함을 시사한다. 우세하게 검출된 미세플라스틱의 모양과 크기는 파편(fragment), <300 ㎛이었다. 침강하는 미세플라스틱의 특성은 표층 퇴적물의 미세플라스틱과 유사하였고, 이는 침강하는 미세플라스틱의 특성이 해저 퇴적물에 반영되고 있음을 의미한다. 본 연구의 결과는 해저 퇴적물이 해양 환경에서 미세플라스틱의 축적소가 될 수 있음을 뒷받침한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Microplastics (MPs) are ingested by various marine organisms and are distributed in various marine matrices due to their small size and high persistence. Therefore, research on MP contamination in various marine matrices has been conducted worldwide. However, information on the temporal variations in MP contamination is largely unknown.
Masan Bay has been seriously polluted due to industrialization. Recently, high level of MPs was identified in various marine matrices in Masan Bay such as seawater, sediments, and biota. However, previous studies are based on grab sampling, thus temporal variation in MP contamination is largely unknown. This study was performed to understand the year-round variations in MP contamination in Masan Bay, focusing on mussels and sinking particles.
Intra-annual MP monitoring was conducted using mussels (Mytilus galloprovincialis) to understand the temporal variations in the abundance and characteristics of MPs. The body condition of the mussels (e.g., shell size and tissue weight) and the MP levels and characteristics in the surrounding seawater was also measured. The average MP concentrations were 0.36 ± 0.14 n/g and 1.24 ± 0.56 n/individual. The MP concentration in mussels tended to decrease when the condition index (CI, ratio of tissue weight to total volume) of mussels decreased. A significant correlation was identified between the MP concentration in seawater and the MP concentration in mussels considering the body condition of mussels, except for the period when the CI was low (p <0.05), indicating that changes in body condition may affect the MP concentration in mussels. Overall, the differences in MP concentration in mussels for each sampling month were not significant (p >0.05). These results imply that restriction on the sampling period of mussels when monitoring MP contamination using mussels can be negligible, but it is better to consider the biological variability of mussels. Acrylate polymer (20%), polypropylene (PP) (18%), and polyethylene (PE) (9%) were the major polymers, and high-density polymers accounted for 59% of the total in mussels. The dominant shape and size of MPs were fragments (80%) and particles < 300 μm (86%), respectively. The MP characteristics, such as polymer type, shape, and size, in mussels were very similar to those in the surrounding seawater, implying that mussels reflect the contamination characteristics of MPs in the surrounding matrix well. The results of this study support the usefulness of mussels as an indicator species for MP monitoring. Based on the results, it is recommended that mussel sampling for MP monitoring should be conducted with consideration of the body condition of mussels (avoiding any period when CI is low). In addition, small MPs (< 300 μm) and high-density polymers should be included in the MP analysis.
Marine MPs sink through the water column and deposit at the bottom of the seabed. However, information on the temporal variation in the abundance and characteristics of sinking MPs is limited. We conducted a year-round investigation of sinking MPs using a sediment trap in Masan Bay from April 2019 to March 2020. Concurrently, we collected seabed surface sediments to compare the characteristics of MPs in between sinking particles and suface sediments. The average MP concentration and flux in sediment trap samples was 3.21 ± 1.51 n/g (dry weight), and 67.76 ± 32.62 n/m2/day respectively. In general, a significant relationship between total particle flux and MP flux was identified (p <0.05). This suggests that the number of sinking MPs may be enhanced when the amount of sedimentary particles is high. The MP flux varied according to the season. MP flux was relatively low in spring–summer (April–September, except August), which is thought to be because sinking of particles was limited due to stratification. In fall-winter (October-February), the inflow of bottom tidal current and suspended sediments flowing into the bay may accompany MPs from the open sea, leading to an increase in MP flux. These results suggest that the sinking amount of MPs flowing into Masan Bay may differ depending on seasonal hydrodynamic factors (such as stratification, tidal current, and inflow of suspended sediment). Based on the monthly MP flux, it is estimated that 1.7 trillion MPs are deposited in Masan Bay annually. Low-density polymers, such as PE and PP, were predominantly detected in both the sediment trap and surface sediment samples. This result suggests that there are factors that can influence the sedimentation of low-density polymers such as biofouling or aggregation. Detected MPs were predominantly fragment and <300 μm in size. The characteristics of the sinking MPs were similar to those of the surface sediments which implies that the properties of the sinking MPs were well reflected in the bottom sediments. The results of this study support that seafloor can be the ultimate sink of MPs in the marine environment.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures···iii
• List of Tables···iv
• Chapter 1. Research background and objectives···1
• Chapter 2. Intra-annual variation in microplastics in mussels (Mytilus galloprovincialis) inhabiting Masan Bay···4
• Section 1. Introduction···4
• Section 2. Materials and methods···6
• Section 3. Results···12
• 1. Microplastic concentration and condition index···12
• 2. Microplastic characteristics···17
• Section 4. Discussion···23
• Section 5. Conclusion···29
• Chapter 3. Sedimentation flux and characteristics of microplastics in Masan Bay···30
• Section 1. Introduction···30
• Section 2. Materials and methods···32
• Section 3. Results···38
• 1. Total particle flux···38
• 2. Microplastic concentration and flux···38
• 3. Microplastic characteristics···42
• Section 4. Discussion···46
• Section 5. Conclusion···56
• CONCLUSION···57
• BIBLIOGRAPHY···59
• ACKNOWLEDGEMENT···70