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- 나노 플라스틱은 직경이 1마이크로미터 미만인 입자
- 7가지 일반 플라스틱에서 나노입자를 인식하는 적응형 알고리즘을 훈련
- 더 큰 미세입자에 초점을 맞춘 이전 추정치보다 10배에서 100배 더 많은 수치
- 식수에 떠 있는 나머지 90%의 나노입자 중 상당 부분이 나노 플라스틱으로 구성되어 있는 것으로 의심

식수에는 많은 양의 나노 플라스틱이 들어있다.
병에 담긴 물에는 생각보다 더 작고 잠재적으로 유해한 플라스틱 입자가 많이 포함돼 있다.

새로운 분석 결과 식탁이나 생수를 마시는 사람은 미세플라스틱뿐만 아니라 잠재적으로 유해한 나노플라스틱도 많이 섭취하는 것으로 밝혀졌다. 분석에 따르면 PET병에 판매되는 물에는 리터당 크기가 1㎛(마이크로미터)에 이르는 이러한 플라스틱 입자가 20만 개 이상 포함될 수 있다. 문제는 더 큰 미세플라스틱과 달리 이 나노 플라스틱은 조직과 기관 깊숙이 침투해 세포를 손상시킬 수 있다. 따라서 건강에 잠재적으로 유해한 것으로 간주되지만, 지금까지 거의 감지되지 않았다. 

▲ 플라스틱 병에 담겨 판매되는 물에는 이전에 생각했던 것보다 더 많은 나노플라스틱이 포함되어 있다. © Naixin Qian/컬럼비아 대학교

미세플라스틱은 오랫동안 어디에나 존재해 왔다. 우리는 미세플라스틱을 공기, 음식, 식수를 통해 흡수해 우리 몸 안으로 가져온다. 여기에서는 특히 가장 작은 플라스틱 입자가 우리의 장기, 조직 및 세포에 침투할 수 있으며 심지어 뇌에서도 감지됐다. 이것이 건강에 어떤 영향을 미치는지는 아직 불분명하다. 그러나 초기 연구에 따르면 미세플라스틱은 염증을 촉진하고 면역체계를 교란하며 세포를 손상시킬 수 있는 것으로 나타났다.

뉴욕 컬럼비아 대학의 Naixin Qian과 동료들은 “나노 플라스틱은 크기가 작아 인체 깊숙히 침투하기 쉽기 때문에 특히 독성이 있는 것으로 간주된다”고 설명했다. 나노 플라스틱은 직경이 1마이크로미터 미만인 입자다. 경우에 따라 나노플라스틱을 검출할 수는 있지만 문제는 현재의 검출 방법으로 그것이 무엇인지는 판별할 수 없다는 점이다. 일반적으로 입자의 정확한 수를 결정할 수 없다.

▲ 생수에서 마이크로 나노 플라스틱 검출: 샘플 준비, SRS 이미징 및 데이터 분석. (A) 생수에서 마이크로 나노 플라스틱 입자를 수집하기 위한 여과 설정 방식. 두 병의 물 샘플에서 나온 입자는 보충 정보에 설명된 절차에 따라 멤브레인 중앙의 원형 영역(d = 13mm)에 집중된다. (B)SRS 이미징을 위한 투명한 멤브레인 샘플을 준비하기 위한 멤브레인 샌드위치 방식이다. 그런 다음 얻은 샘플(그림 3C)을 초분광 SRS 이미징을 위해 현미경(그림 3D)에 장착한다. (C) 막에 수집된 표준 형광 PS 입자의 형광 이미지와 겹쳐진 투명 막 샘플은 막 중앙의 원형 표면에 균일한 입자 분포를 보여준다(SI 부록, 보충 참고 5). (D) SRS 현미경의 구성표. (E) 자동화된 플라스틱 입자 식별 방식. 초분광 SRS 이미지의 전처리된 스택은 자동화된 플라스틱 입자 식별을 위해 MATLAB 스크립트로 분석된다. 대상 플라스틱 폴리머에 대한 각 공명 이미지에 대해 감지된 입자는 관심 영역(ROI)으로 분할되어 분석을 위한 화학적 및 형태학적 정보를 추출한다. SRS 스펙트럼은 하이퍼스펙트럼 이미지 스택 전체의 강도 측정을 통해 각 입자/ROI에서 추출된다. 올바른 해당 스펙트럼 창에 SRS 피크가 있는 입자의 경우 플라스틱 식별 판단을 위해 적용된 임계값 조건을 사용하여 SMCSRS를 계산하여 대상 플라스틱 표준과의 스펙트럼 유사성을 정량화한다. 이미지 분석 과정에서 크기, 형태 등의 형태적 정보가 추출되며, 이후 식별된 개별 플라스틱 입자별로 구성된 통계적 그림이 생성된다. (출처:관련논문 Rapid single-particle chemical imaging of nanoplastics by SRS microscopy / PNAS)

숨길 수 없는 진동

그러나 Qian과 그녀의 팀은 이제 처음으로 감지되지 않은 오염을 감지하고 정량적으로 기록할 수 있는 방법을 개발했다. 이를 위해 그들은 먼저 자극 라만 산란 현미경(SRS)을 사용해 알려진 조성과 개수의 나노입자를 분석했다. 이 과정에서 두 개의 레이저는 플라스틱의 결합을 진동시켜 결합의 수와 유형을 기반으로 플라스틱 유형을 나타내는 빛의 산란 스펙트럼을 생성한다.

연구진은 이 참조 데이터를 사용해 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 등 7가지 일반 플라스틱에서 나노입자를 인식하는 적응형 알고리즘을 훈련했다. 실제 연구를 위해 Qian과 그녀의 동료들은 미국의 세 가지 제조업체에서 생산한 PET 병에 담긴 생수 샘플을 조사하고 알고리즘을 사용하여 포함된 나노 플라스틱의 유형과 양을 평가했다.

▲ 세 가지 다른 브랜드의 식수에 포함된 다양한 유형의 나노플라스틱의 플라스틱 비율. 위: 입자 수에 따른 비율, 아래는 질량 비율이다. © Qian et al./PNAS, CC-by 4.0

리터당 20만 개 이상의 나노플라스틱 입자

분석 결과에 따르면 생수에는 더 큰 미세플라스틱 입자 외에도 리터당 평균 20만 개 이상의 나노 플라스틱 입자가 포함되어 있었다. 연구진은 “이는 주로 더 큰 미세입자에 초점을 맞춘 이전 추정치보다 10배에서 100배 더 많은 수치다”며 "이전에는 현재 방법으로는 보이지 않았던 나노 플라스틱이 검출된 전체 플라스틱 입자의 평균 약 90%를 차지했다"고 설명했다. 질량 측면에서 나노 플라스틱은 크기가 작기 때문에 전체 입자 중 작은 부분만을 차지한다.

물속의 플라스틱 오염

그러나 놀라운 점은 예상과 달리 물병이 PET로 만들어졌음에도 불구하고 대부분의 샘플에서 PET 입자가 주요 플라스틱 유형이 아니라는 것이다. 대신, 폴리아미드는 식수에서 나노플라스틱 중 가장 많은 부분을 차지했다. 연구팀은 아이러니하게도 이 플라스틱이 수처리와 여과를 통해 식수에 유입되는 것으로 의심하고 있다. 이는 무엇보다도 플라스틱 멤브레인의 도움으로 발생한다. 폴리스티렌과 같은 다른 유형의 플라스틱도 이러한 처리로 인해 물에 들어갈 수 있다.

▲ 생수에서 발견되는 각 플라스틱 폴리머의 입자 크기와 모양에 대한 통계적 프로필. (A-G) 각 플라스틱 폴리머에 대해 감지된 입자의 크기 분포: (A) 폴리아미드, (B) 폴리프로필렌, (C) 폴리에틸렌, (D) 폴리메틸 메타크릴레이트, (E) 폴리염화비닐, (F) 폴리스티렌 및 ( G) 폴리에틸렌 테레프탈레이트. 빨간색 음영 부분은 미세 플라스틱을 나타낸다. 녹색 음영 영역은 회절 한계 패턴에서 감지되는 SRS 현미경의 광학 해상도보다 작은 크기의 입자를 나타낸다. 회절 한계보다 큰 크기의 입자의 경우 입자 크기는 최소 페레 직경으로 측정된다. 회절 제한 패턴으로 검출된 입자의 경우 나노플라스틱이 고체 구로 존재한다는 가정 하에 SRS 강도와 나노입자 부피 사이의 선형 관계를 활용하여 SRS 강도로부터 입자의 실제 크기를 추정한다. (H) 종횡비로 측정된 각 플라스틱 폴리머에 대해 감지된 입자의 모양 분포. (I-M) 다양한 종횡비로 표시되는 다양한 모양을 가진 플라스틱 입자의 대표적인 SRS 이미지. SI 부록, 그림 S9는 해당 SRS 스펙트럼을 보여준다. (스케일 바, 0.6μm)

실제 범위는 훨씬 더 크다.

하지만 이러한 나노 플라스틱 발견은 우리 건강에 어떤 의미가 있을까요? "이러한 입자가 작을수록 우리 안으로 들어가기가 더 쉽다"고 컬럼비아 대학교의 수석 저자 Wei Min은 설명했다. 따라서 과학자들은 식수, 음료, 식품에 함유된 나노 플라스틱이 가장 해로운 영향을 미칠 가능성이 매우 높다고 믿는다. 연구팀은 “이러한 나노플라스틱 입자가 생물학적 장벽을 통과할 수 있는 능력을 고려할 때 독성 평가에 중요한 역할을 할 수 있다”고 말했다.

그러나 나노플라스틱 오염의 실제 정도는 완전히 이해되지 않았다. 새로운 방법론의 도움에도 불구하고 Qian과 그녀의 동료들은 현미경을 사용하여 발견한 나노입자 중 플라스틱 입자인 약 10%만 명확하게 식별할 수 있었다. 그들은 식수에 떠 있는 나머지 90%의 나노입자 중 상당 부분이 나노 플라스틱으로 구성되어 있는 것으로 의심하고 있다.
(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; doi: 10.1073/pnas.2300582121)
출처: Columbia University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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