2.1. 대상 지점

경안천은 경기도 용인시 호동에서 발원하여 용인시와 광주시를 통과한 후 팔당호로 유입하는 주요 하천이다. 팔당호로 유입되는 하천 중 경안천은 높은 인구 밀집 지역을 흐르고 있으며, 다수의 하수처리시설이 위치해 있어 팔당호의 수질에 영향을 미친다. 본 연구에서는 경안천에 설치된 하천수질측정망 중 경안천 1, 4, 6, 9 지점을 대상으로 하였다. 하수처리시설의 영향을 평가하기 위해 경안천 1과 4 지점 사이에 위치한 용인하수처리시설의 방류 와 8월에는 곤지암천의 유입 영향을 파악하기 위해서 곤지암천 및 본류의 유입 전후 지점에서도 시료를 채취하였다(Fig. 1).

Fig. 1.

Sampling sites along Gyeongan Stream.

2.2. 실험 방법

미세플라스틱에 관한 연구는 2000년 초반부터 수행되어 왔으나, 시료 채취, 전처리, 정성 및 정량 분석에 관한 공정시험기준은 여전히 제정되지 않은 상태이다. 이에 따라 본 연구에서는 국내외에서 수행된 여러 연구를 참고하여 시료 채취 및 전처리 방법을 선정하였다.

수질시료의 대표성을 갖는 시료 채수량은 수질매체별 미세플라스틱 입자 크기에 따라 달라진다. 독일연방재료연구소(BAM)에서는 1~50 μm 범위의 입자 물질 분석의 적정 시료 채수량으로 1 L를 제시하였다[5]. 그러나 하수처리장 방류수의 경우 일반적으로 10~20 L를 채취하여 분석하는 것으로 나타났다[7]. 그리고 이전 연구 결과에 따르면 1~100 L의 시료를 채취한 경우에 미세플라스틱 농도의 평균값이 유사하였다[8]. 따라서 하천수와 하수처리장 방류수의 시료채취량을 동일하게 10 L로 설정하였다.

시료는 계절에 따른 변동성을 파악하기 위해 2월, 4월, 6월, 8월, 10월에 각각 격월로 총 5회 채취하였다. 하천수 시료는 표층수 약 10 L를 채취하였으며, 채취 과정에서 하천을 세 부분으로 나누어 시료를 채수한 후 혼합하였다.

3.1. 미세플라스틱의 농도

경안천 4개 지점에서 2개월 간격으로 미세플라스틱 농도 변화를 분석한 결과, 경안천 1 지점 3.4~13.1 ea/L, 경안천 4 지점 4.1~10.4 ea/L, 경안천 6 지점 1.6~7.6 ea/L,ﾠ경안천 9 지점 2.8~24.6 ea/L로 평균적으로 2월, 4월, 6월, 8월에는 경안천 1 지점에서 6 지점으로 이동함에 따라 미세플라스틱 농도가 점진적으로 감소하였으나, 하류인 9 지점에서 다시 증가하였다. 월별 변동은 경안천 9 지점에서 가장 컸고 나머지 지점에서는 비슷했다. 하수처리시설 방류수의 미세플라스틱 농도는 1.9~10.4 ea/L이며 2월, 4월, 8월에는 비교적 일정한 값을 유지했으나, 6월과 10월에는 상대적으로 낮은 농도를 보였다(Table 1 and Fig. 2). 지점별 미세플라스틱 농도 변화와 하수처리시설 방류수의 영향을 평가하기 위해 미세플라스틱 농도의 중심 경향성, 분산, 이상치의 존재를 시각화 하였다(Fig. 3). 경안천 4 지점에서 월별 미세플라스틱 농도 변화가 가장 적고 경안천 9 지점에서 가장 크게 나타났으며 방류수 유입 후에 오히려 농도가 더 낮아지는 것을 볼 수 있어서 하수처리시설에서 방류되는 미세플라스틱이 경안천에 미치는 영향은 관찰할 수 없었다.

Table 1.

Monthly variations in microplastic concentrations at different sampling sites and effluent discharge Unit(ea/L)

Fig. 2.

Microplastic concentration trends at Gyeongan Stream sampling sites and wastewater effluent discharge over time.

Fig. 3.

Distribution and variability of microplastic concentrations at different sampling sites and wastewater effluent.

하수처리시설은 하천 미세플라스틱의 주요 점오염원으로 간주되며, 이러한 시설의 상류에서 하류로 이동함에 따라 미세플라스틱 농도가 증가하는 경향이 관찰되었다[9]. 우리나라 탄천에서 수행된 연구에서도 하수처리시설 방류 지점의 상류보다 하류에서 더 높은 미세플라스틱 농도를 나타냈다[10]. 이와는 대조적으로, 미국의 일부 하천 연구에서는 하수처리시설 방류 지점의 상류가 하류보다 높은 미세플라스틱 농도를 보여주는 경우도 있었다[11]. 이러한 조사 결과를 통해 경안천에서 관찰된 미세플라스틱 농도의 감소 및 증가 현상, 그리고 하수처리시설의 영향을 비롯한 다양한 요인들이 미세플라스틱 농도에 영향을 줄 수 있으나 이번 연구에서는 하수처리시설의 영향을 확인할 수 없었다. 따라서, 미세플라스틱 농도에 영향을 주는 요인들을 명확히 이해하고 파악하기 위해서는 지속적인 모니터링과 추가적인 연구가 필수적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.

3.2. 미세플라스틱의 종류

조사 대상 지점에서 발견된 미세플라스틱의 종류와 평균 비율을 분석한 결과(Fig. 4), 경안천 4개 지점에서는 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸렌(PE)이 주요 종류로 확인되었으며, 특히 폴리올레핀계(PP, PE, Olefin)가 50.7%에서 70.1%를 차지하는 것으로 나타났다. 반면에 하수처리시설의 방류수에서는 폴리에스테르(Polyester)와 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)이 높은 비율을 차지하는 것으로 확인되었다. 이는 기존 연구에서도 폴리에스테르의 비율이 43.8%에서 68.8%에 달하는 것으로 알려져 있으며, 이번 연구에서도 폴리에스테르가 다량 검출된 것과 일치한다[12,13].

Fig. 4.

Types and average proportions of microplastics found at Gyeongan Stream sampling sites and wastewater effluent.

경안천에서 PP, PE가 주요 미세플라스틱 종류로 나타난 것은 경안천 주변에서 발생하는 생활 폐기물과 관련이 있을 수 있다. 반면, 하수처리시설의 방류수에서 폴리에스테르가 주요 성분으로 나타난 이유는 폴리에스테르가 의류 제작에 주로 사용되며, 세탁 과정에서 발생하는 미세 섬유 조직이 하수처리시설로 유입되고 제거되지 않은 부분이 방류수로 배출되기 때문이다[14,15]. 그러나 하수처리시설 방류수 합류 이후, 경안천 1 지점과 4 지점에서의 폴리에스테르와 PTFE의 평균 비율은 각각 17.9%, 16.0% 및 14.8%, 11.8%로 감소하는 것으로 확인되었다. 이는 하수처리시설 방류수가 경안천 하류의 미세플라스틱 오염 특성에 미치는 영향이 크지 않음을 시사한다. 그럼에도 불구하고 하수처리시설 방류수에서 폴리에스테르가 검출되기 때문에 점오염원으로 작용할 가능성이 있으므로, 환경 중 미세플라스틱 감축을 위해선 추가적인 제거공정이 필요할 것으로 판단된다.

전국 22개 하수처리장 방류수를 조사한 결과, PTFE와 Polyester가 가장 많이 검출된 것으로 나타났다[16]. 그러나 이전 연구에서는 PTFE는 유입수에서만 관찰되었는데, 이는 PTFE의 높은 밀도로 인해 슬러지 등으로 제거된 것으로 추정하였다[17]. PTFE는 화학 공정 장비, 부착 방지 표면 마감 및 기타 표면 코팅의 재료로 사용된다[18]. PTFE의 이러한 사용처와 하수처리 과정에서의 제거 가능성을 고려할 때, 방류수에서 검출된 PTFE는 하수처리 공정의 말단에서 PTFE 코팅이 마모되어 방류수로 배출된 것일 가능성이 있다. 이러한 가설을 검증하기 위해서는 하수처리 공정별로 미세플라스틱에 대한 추가적인 조사가 필요할 것으로 판단된다.

각 지점에서 미세플라스틱 종류별 분포 특성을 분석하기 위해 잔차(Residual) 분석을 실시하고 이를 히트맵(Heatmap)으로 나타냈다(Fig. 5). 이 통계적 접근 방식을 통해 균일한 분포라는 가정 하에 관찰된 미세플라스틱 종류의 비율과 예상되는 비율을 비교했다. 히트맵에서 양의 값은 예상 값보다 높은 경우이며 음의 값은 예상 값보다 낮은 경우를 나타낸다. 예를 들어, PP는 경안천 1(0.15), 경안천 4(1.46), 경안천 6(-0.93), 경안천 9(2.48) 및 WWTP(-3.16)이며, Polyester는 경안천 1(0.60), 경안천 4(-0.19), 경안천 6(-1.53), 경안천 9(-1.76) 및 WWTP(2.87)와 같이 지점에 따라 서로 다른 음 혹은 양의 값을 가진다. 이러한 결과는 조사 지점에 따라 미세플라스틱 종류의 분포가 균일하지 않으며 각 지점별로 특정한 종류의 미세플라스틱의 농도에 영향을 미치는 잠재적인 오염원이나 환경적 요인이 존재한다는 것을 시사한다(Chi-square test, p(0.000256) <0.05). 이러한 패턴을 파악할 수 있다면 다양한 환경에서의 미세플라스틱 오염의 역학(Dynamics)을 더 잘 이해하고 그 목표에 맞는 저감 전략을 개발할 수 있을 것으로 예상된다.

Fig. 5.

Heatmap of residual analysis showing distribution characteristics of microplastic types at each sampling site.

3.3. 미세플라스틱의 크기

미세플라스틱은 그 크기와 형태에 따라 인체 내로 흡수되어 다양한 조직 및 기관에 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 미세플라스틱이 150 μm 이하인 경우 소화관 내벽을 통과할 수 있으며, 0.2 μm 이하인 경우 인체 조직으로 흡수되어 국부적 면역체계의 이상이나 장 염증 등을 유발할 가능성이 있다고 보고되었다[19,20]. 또한 최근 연구에서는 혈액, 소변, 대변 등 다양한 인체 시료에서 미세플라스틱이 발견되었으며, 흡입이나 섭취로 인해 염증 반응, 산화 스트레스 및 잠재적인 심혈관 및 호흡기 질환 등을 유발할 수 있다[21]. 그러나 미세플라스틱이 인간의 건강에 미치는 영향에 대한 연구는 아직 제한적인 상황이다[21,22].

미세플라스틱의 크기에 따른 평균 점유율(%)을 분석한 결과(Fig. 6), 대부분의 미세플라스틱은 20 μm에서 45 μm 범위에 분포하였으나, 경안천 1 지점의 2월과 하수처리시설 방류수에서는 45 μm에서 100 μm 범위에서 가장 높은 비율을 보였다. 경안천 각 지점에서의 조사 결과를 평균 백분율로 계산하였을 때, 20 μm에서 45 μm 범위의 미세플라스틱 비율이 각각 52%(경안천 1), 57%(경안천 4), 62%(경안천 6), 71%(경안천 9)로 나타났다. 하지만 더 큰 범위의 미세플라스틱은 하류로 이동함에 따라 감소하는 것으로 나타나 하류로 갈수록 더 작은 크기의 미세플라스틱의 비율이 증가하는 경향을 보였다. 연속적인 댐이 하천 미세플라스틱 수송에 미치는 영향을 분석한 연구에 따르면, 0~0.5 mm 크기의 미세플라스틱은 하류로의 이동이 용이하지만, 0.5 mm에서 5 mm 사이의 미세플라스틱은 침전되는 경향이 있다[23]. 고도로 도시화된 지역의 하천과 지천을 대상으로 한 연구에서는 63 μm에서 250 μm 사이의 미세플라스틱 비율이 하류로 갈수록 증가하는 경향을 보였으며, 이는 하류로 이동함에 따라 유속이 감소하여 침전이 유리한 환경이 형성되기 때문인 것으로 해석하였다[19]. 이는 하천에서 검출되는 미세플라스틱의 크기가 유속과 침전 환경에 영향을 받는다는 것을 시사한다. 이러한 결과를 바탕으로, 하천 내 미세플라스틱의 분포 및 거동을 정확히 파악하기 위해서는 하천 퇴적물의 미세플라스틱 분포 조사도 필요하다고 판단된다.

Fig. 6.

Analysis of microplastic occupancy (%) by size, showing trends in particle size distribution along the stream flow.

3.4. 미세플라스틱의 분포 및 거동

상류에서 하류로 갈수록 미세플라스틱의 농도가 증가한다는 연구도 있으나, 유량이 증가함에 따라 희석 효과에 의해 미세플라스틱 농도가 낮아질 수도 있다[24]. 따라서 이번 연구에서 해결해야 할 중요한 문제는 오염원이 적다고 판단되는 상류에서 미세플라스틱 농도가 상대적으로 높고, 이동하면서 감소하다가 하류에서 다시 농도가 증가하는 현상의 원인을 밝히는 것이다. 이를 위해 가용한 유량 자료를 활용하여 미세플라스틱의 총량을 추정하거나, 경안천 1과 4 지점 사이에서 유입되는 하수처리시설 방류수와 경안천 9 지점 상류에서 유입하는 가장 큰 지류인 곤지암천의 영향을 평가하였다. 중국 우한의 하천과 호수를 대상으로 한 연구에서는 미세플라스틱의 농도가 도심으로부터의 거리와 음의 상관관계를 가진다는 사실을 밝혔다. 이는 미세플라스틱 오염이 인간의 활동과 밀접하게 관련되어 있음을 의미하며, 도심 지역에서의 높은 인구 밀도, 산업 활동, 그리고 폐기물 관리 문제 등이 미세플라스틱 농도 증가에 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다[25]. 그러나 본 연구에서는 하천이 도심에 진입하기 전인 경안천 1 지점부터 농도가 상대적으로 높게 나타났으며, 도심을 통과한 이후에는 오히려 감소하는 경향을 보이다가 경안천 9 지점에서 다시 증가하는 경향을 보였다. 이러한 현상이 하천의 유량 증가로 인한 희석 효과 때문인지 검증하기 위해, 환경부 물환경정보시스템에서 제공하는 유량 데이터를 이용해 미세플라스틱의 총량을 구하여 제시하였다(Fig. 7). 이때, 경안천 1 지점의 유량 데이터는 부재하여 제외하였다. 그리고 물환경정보시스템에는 경안천 9 지점의 유량이 존재하지 않았으나, 경안천 10 지점과 경안천 9 지점 사이에는 무갑천이라는 지천이 존재하였다. 따라서 경안천 9 지점의 유량은 경안천 10 지점의 유량에서 무갑천의 유량을 차감하여 계산하였다. 4월을 제외하면 경안천 4 지점에서 미세플라스틱 총량이 경안천 6 지점보다 많은 것으로 나타나, 두 지점사이에서는 미세플라스틱이 제거되는 현상이 일정 부분 작동하는 것으로 보인다. 또한 경안천 9 지점의 미세플라스틱 농도의 증가가 다른 하천의 유입으로 인한 것인지를 파악하기 위하여, 경안천에 합류하는 곤지암천의 미세플라스틱을 조사하여 합류 전후의 크기에 따른 미세플라스틱 비율 및 농도를 분석했다. 곤지암천이 합류하기 전 경안천에서는 크기 100 μm 이상의 미세플라스틱 비율이 60%이며, 곤지암천에서는 36%로 나타났다(Fig. 8). 하지만, 곤지암천이 합류한 후에는 크기 100 μm 이상의 미세플라스틱 비율이 14%로 감소하였으며, 합류 후에 미세플라스틱 농도도 각각 3 ea/L, 2.5 ea/L에서 0.7 ea/L로 감소하였다. 이는 경안천 9 지점에서의 미세플라스틱 농도 증가가 미세플라스틱 오염도가 높은 하천의 유입에 의한 것이 아님을 나타낸다. 여러 연구에 따르면, 하천의 유로에서 미세플라스틱 농도는 유속에 따라 달라진다. 유속이 빠른 구간에서는 미세플라스틱의 농도가 낮은 반면, 유속이 느린 범람원이나 구불구불한 수로에서는 미세플라스틱의 농도가 높을 수 있다[26]. 따라서 경안천 9 지점은 하천 하류의 곡선부에 위치해 유속이 다른 지점보다 낮을 가능성이 높다. 본 연구에서는 유속 측정이 이뤄지지 않아 지점별 유속이 미세플라스틱 분포에 미치는 영향을 확인할 수 없었다. 하지만 기존 연구에 따르면, 경안천 9 지점 근처에서 유속이 감소하기 시작하는 것을 확인할 수 있었다[27]. 이는 경안천 9 지점에서 미세플라스틱 농도가 증가한 주요 원인 중 하나로 작용할 수 있다. 또한 Fig. 7에서 볼 수 있듯이, 4월 6월에 미세플라스틱 농도가 높은 것으로 나타났는데, 이는 해당 기간 동안의 강수량과 관련이 있을 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 미세플라스틱 분석과 함께 유속 및 강수량 측정이 병행되어, 유속 변화가 미세플라스틱 분포에 미치는 영향을 파악해야 할 것으로 판단된다. 본 연구 결과는 미세플라스틱 문제 해결을 위한 효과적인 대응 전략 마련의 필요성을 강조한다. 이를 위해 지속적인 모니터링과 하천 퇴적물 내 미세플라스틱 분석이 필수적이다. 이러한 접근법은 미세플라스틱 오염의 공간적 분포와 영향을 보다 정확히 이해하고, 효과적인 관리 및 개선 방안을 제시하는데 기여할 것이다.

Fig. 7.

Analysis of microplastic abundance trends along a river reach.

Fig. 8.

Microplastic size distribution before, at Gonjiam, and after.