STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(마이크로플라스틱의 대체재 및 정화방안 탐구)

2016. 11. 30.

분당중앙고등학교

마이크로플라스틱의 대체재 및 정화방안 탐구

Substitutes of Micro Plastics and purification ways

요 약

해양으로 유입된 플라스틱 폐기물들이 자연적으로 빨리 분해되지 못하고 해류와 바람에 의 해 서서히 화학적으로도 변하면서 점차 작은 조각으로 부서지면서 결국 아주 작은 입자형태가 된 것이 ‘마이크로 플라스틱’이다. 이 마이크로 플라스틱은 해양으로 유입되어 해양생태계에, 그리고 인간에게까지 많은 악영향을 끼칠 잠재성 위험성이 크다. 이러한 마이크로플라스틱의 문제점들을 알아보고, 해결 방안을 2가지 측면에 걸쳐서 탐구한다. 첫째로, 향후 지속적으로 해양생태계에 유입될 마이크로플라스틱의 피해를 줄이기 위한 대체제를 탐구한다. 둘째로, 이 미 해양으로 유입되어 악영향을 끼치고 있는 마이크로플라스틱을 제거할 수 있는 필터 탐구를 진행함으로써 환경오염과 생태계 파괴를 억제할 방안에 대한 연구를 수행한다. 사람의 체내까 지 다시 유입되어 각종 질병을 일으키는 마이크로플라스틱을 정화함으로써 우리 인류의 건강 뿐만 아니라 지구 생태 환경 정화에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

1. 주제 선정 및 탐구 동기

현재 병뚜껑이나 비닐 봉투 등 엄청난 양의 플라스틱이 바다에서 소용돌이치며 돌고 있으며 실제로 매년 약 800만 톤의 어마어마한 양에 달 하는 플라스틱이 바다로 유입되고 있다.

[그림1: 해양생태계 피해]

그 결과 작은 해양생물부터 고래까지 모든 생물 에게서 플라스틱 섭취가 관찰되고 있고 질식, 기 아 및 식욕감퇴, 소화불량, 내부장기 손상 등과 같은 악영향이 발생한다. 뿐만 아니라 바다거북 종의 86%, 바닷새 종의 44%, 해양포유류의 43%

를 포함하여 267종의 해양생물이 마이크로 플라 스틱으로부터 위협을 받고 있는 실태이다.

[그림2: 해양생태계의 피해]

마이크로 플라스틱의 피해는 이뿐만이 아니다.

마이크로 플라스틱은 산업, 농업, 살충제 등 광범 위하게 사용되는 중금속 소수성 물질을 흡착한 다. 이는 해양생태계에서 오랫동안 잔류하면서 쉽게 이동하여 광대한 범위의 생물들에게 내분 비계 교란물질로 작용한다. 이는 먹이사슬을 통 하여 농도가 상위단계로 전달되는데 다시 말해, 어류 뿐만이 아닌 이를 섭취한 사람에게까지 악 형양을 미친다는 것을 의미한다. 더불어 마이크 로 플라스틱은 외래침입종이나 녹조의 포자와 같은 해로운 생물종의 잠재적 매개체가 되기도 한다.

- 3 - 실생활 속에서 사용하는 물질에 함유되어 있는 마이크로 플라스틱 또한 큰 문제를 야기한다. 사 람들이 사용하는

많은 화장품과 치 약은 ‘세척’ 및 ‘세 정’이 주요 목적이 기 때문에 미백효 과를 크게 볼 수 있 는 것을 우선으로 취급한다. 효과적 인 미백효과를 위 해서는 피부에 직 접 마찰하여 씻는 제품의 경우가 피

부와의 접촉 면적이 크기 때문에 세정효과가 뛰 어난다. 이를 위해 마이크로 플라스틱과 같은 초 미세 알갱이들을 집어넣어 제품을 생산한다. 그 래서 세정 후 물과 함께 흘러간 마이크로 플라스 틱은 분해되지 않고 해양 생태계에 유입되어 수 질오염을 비롯한 생태계 파괴를 야기한다.

[그림4: 마이크로플라스틱 함유 화장품들]

이러한 다양한 방면에서의 문제점을 해결하기 위하여 우선 첫번째로 마이크로 플라스틱에 대 한 대체재를 찾아 환경오염과 생태계 파괴 등을 최소화 할 수 있는 방안을 마련한다. 또한 그 원료 가 친환경적이어야 하므로 자연에서 구할 수 있 는 친환경적 원료나 스스로 분해되는 바이오 플 라스틱 등 신소재의 영역으로까지 확장해서 탐 구한다. 다음으로 마이크로플라스틱과 같은 초 미세 알갱이를 검출할 수 있는 필터를 개발하여 이미 바다에 유입된 마이크로플라스틱을 제거하

는 방안을 찾는다. 플라스틱이 대전되면 극을 가 지게 되고 극을 가진 플라스틱을 한쪽으로 모아 제거하는 필터에 대한 연구를 진행한다.

2. 서론

2.1. 마이크로 플라스틱의 정의

[그림5: 마이크로 플라스틱]

‘마이크로 플라스틱’이란 환경 중에 존재하는 마이크로미터(μm) 스케일로 미세한 플라스틱 입자를 의미하며, 미세 플라스틱이라고 부른다.

해양으로 유입된 대부분의 플라스틱은 자연적으 로 분해되지 않고 해류나 바 람에 의하여 화학적 변형을 일으켜 점차 작은 조각으로 분해된다. 이를 ‘2차 미세플 라스틱’이라고 한다. 또한, 애초에 작게 제작되어 해양 으로 유입된 플라스틱은 ‘1차 미세플라스틱’이라 고 한다. 마이크로플라스틱에 대한 정의는 학자 마다 각각 다르게 내려지고 있다. Gregory and Andrady(2003)은

0.06~0.5mm의 크기 를, 다른 학자들 및 최근 미국 국립대기 해양국 개최 국제회 의의 학자들은 333

~5mm 크기의 플라스틱 조각, 파편을 마이크 로 플라스틱이라고 정의한다.

[그림3: 미세한 플라스틱]

[그림6: 미세조각]

[그림7: 치약 속 플라스틱]

- 4 - 2.2. 시중의 마이크로플라스틱 대체재

1)자연재료

물에 자연적으로 분해되는 녹말이나 소금 알갱이를 대체제로 사용한다. 하지만 이는 아 직 기능적인 면을 보완할만큼 기능성이 뛰어 나지 않으며 사용에 한계가 있다.

2)펀지 뮤타리움(Fungi Mutarium)

펀지 뮤타리움은 버섯을 재배해서 플라스틱 을 분해, 소화시키는 프로젝트이다. 유독 폐 기물인 플라스틱을 버섯 배양액을 이용해서 분해하고 버섯을 배양하는 과정이 이루어진 다. 이는 플라스틱을 지금까지와는 다른 형태 로 분해, 소화하는 능력이 있다. 그래서 이 물질을 플라스틱 제조과정에 투입하여 해양 환경오염을 사전에 방지한다.

[그림8: Fungi]

3. 재료 및 방법

3.1. 마이크로플라스틱의 피해유형 실험① 본격적인 대체제와 필터제작 실험 이전에 마이크로플라스틱이 해양생태계에 미치는 근 본적인 영향에 대한 탐구를 진행하였다. 해양 생물체 중 가장 대표적인 물고기를 이용하여 실험하였다.

2~3일 동안 금붕어의 적응기간을 거친 후 마이크로플라스틱을 푼 물에 금붕어를 방류 한다. 일정시간동안 금붕어를 기르고 해부를 해서 관찰을 한다. 이때 마이크로 플라스틱의 형태가 유지되는지에 대한 유무를 탐구하여 해양생태계에게 미치는 영향에 대하여 탐구

한다. 물고기의 기관 내에 마이크로플라스틱 의 형태가 유지가 되면 물리적 영향, 그 형태 가 유지되지 않고 기관 내에서 변형이 된다 면 화학적 영향을 많이 받음을 판단할 수 있 다. 이 탐구의 결과를 바탕으로 하여 각 요인 에 알맞은 대체재를 탐색한다

-준비물: 40cmx30cmx30cm 정도의 수조 2개, 물고기 밥, 수질 안정제, 7w여과기 2개, 수돗 물, 마이크로플라스틱, 물고기

1)돌로 된 바닥재를 40cmx30cmx30cm에 높 이 3~4cm 정도 채워 놓은 후, 물을 3/4 정도 의 높이로 물을 채운다

[그림9: 40cm0X30cmX30cm 수조]

2)7W의 여과기를 벽면에 설치하고 가동시킨 다(물 속 미생물에 자연스러운 환경을 제공 해야 하므로 2~3일 정도 방치해놓는다)

[그림10: 물고기 기를 환경 마련(수조+

측면 여과기)]

3)수질 안정제를 4방울 투하한다.(단위 부피

^당 1방울이므로)

4)약 10cm정도의 물고기를 수조안에 넣는다.

5)물고기 밥을 주기적으로 준다.2일에1회

6)물고기 양육 기간에 따라 1주, 2주, 3주 간 격. 그리고 마이크로플라스틱 유입 양에 따라 서 20ml, 50ml로 나누어 한 수조에 6마리씩 물고기를 넣고 기른다.

7)정해놓은 계획에 맞춰 물고기를 해부하여 관찰한다.

3.2. 마이크로 플라스틱 대체제 탐구 마이크로플라스틱은 ‘세척’이나 ‘세정’이 주 목적인 세제나 화장품 등에 많이 사용된다.

화장품이나 세제의 사용이 증가하고 있는 현 시점에서 마이크로플라스틱의 해양유입량이 더 증가하는 것은 두말할 것 없는 사실이다.

그래서 환경에도 악영향을 미치지 않고 자연 적으로 분해가 되면서도 세척, 세정의 기능은 상실하지 않는 그러한 대체재를 계획하였다..

대체재는 유기성 폐자원과 젤라틴을 주재료 로 하여 제작하였다.

3.2.1. 유기성 폐자원

유기성 폐자원이란 슬러지, 음식물류의 폐기 물 등으로 이루어진 자원으로써 생활수준의 향상으로 인하여 발생량이 급증하고 있다. 이 러한 유기성 폐자원을 마이크로플라스틱의 대체재로써 사용하면 폐자원을 유용자원으로 써 사용가능하다. 이러한 유기성 폐자원은 유 기물질로 구성되어있기에 자연분해가 쉽고, 자연에서 얻어지는 물질이 대부분이기 때문 에 친환경적인 자원이다.

3.2.2. 젤라틴

[그림11: 젤라틴 분자구조]

젤라틴은 천연단백질의 일종인 ‘콜라겐’을 고 온의 물에서 처리했을 때 얻어지는 유도단백 질이다. 콜라겐에서부터 젤라틴을 얻을 때에 는 펩타이드 사슬의 가수분해, 펩타이드 사 슬 사이의 염류결합 등에 의하여 이루어진다.

이러한 젤라틴은 60℃ 이하의 온도에서는 팽 창만 하지만, 다시말해 불기만 하지만 60^℃ 이상의 고온의 물에서는 녹아서 졸(sol)형태 가 된다. 또한 2∼3% 이상의 농도에서는 탄 성이 있는 겔(gel)이 된다. 분자량 1만 5000∼

2만 5000의 것으로 이루어지는 불균일 물질 로, 유기용매에는 녹지 않는다는 특징을 갖는 다.

본 실험에서 젤라틴은 유기성 자원을 입자 화 시킬 때 접착재료의 역할을 하는 생분해 성 풀로써 사용한다. 젤라틴은 친수성 콜로이 드를 형성하는 가장 대표적인 물질이므로 입 자를 띄다가 물과 접촉하면 생분해가 가능해 진다. 또한 이는 시중에서 쉽게 구할 수 있으 며 단백질의 일부이기에 친환경적이다.

[표1:유기성 폐자원과 젤라틴 특성 정리]

  유기성 폐자원 +  젤라틴

의의

폐자원을 유용 자원으로써 사용할 수 있음

유기자원을 입자화할 때

접착재료의 역할을 하는 생분해성 풀 환경

친화도

자연에서 얻어 지는 물질이므 로 친환경적

단백질의 일부 이기에 친환경

적 분해정도 유기물질이므로

분해가 쉬움

입자를 띄다가 물과 만나면 생

분해됨 시중분포

및 가격

먹고 남은 씨나 껍질, 찌꺼기 등으로 구성되

어 있으므로 별도의 가격이

들지 않음

시중에서 쉽게 구할 수 있으며

가격이 저렴함

독성 유무

환경에 생분해 시 생성물질에 독성이 없음

-준비물: 분쇄기, 호두껍질, 피스타치오 껍질, 썩어서 사용할 수 없는 원두, 증류수, 젤라틴, 비커, 페트리디쉬, 전자저울, 핫플레이트, 약 숟가락, 유리막대

1)분쇄기를 이용하여 각각의 유기성 폐자원 (호두껍질, 피스타치오 껍질, 원두)을 입자화 시킨다.

[그림12: 분쇄기를 이용한 분쇄과정]

2)젤라틴 20g을 증류수에 10분간 불린다 3)비커에 증류수 200ml를 넣고 불린 젤라틴 20g을 넣은 후 80℃의 온도에서 녹인다.

[그림13: 젤라틴 가열]

4)녹인 젤라틴을 페트리디쉬에 붓고 3분 후에 각각의 폐자원 가루 10g을 함께 섞는다 5)하루정도 굳힌다

[그림14: 젤라틴을 이용한 배지]

6)굳은 젤라틴을 꺼내 체를 이용하여 잘게 부 순 다음 후 하루정도 다시 건조시킨다.

[그림15: 젤라틴을 이용한 대체재]

3.2.3. 한천(Agar Powder)

[그림16: 한천의 분자구조]

한천이란, 우뭇가사리 (Gelidium amansii Lamouroux)등 홍조류 안에 세포막 성분으로 서 존재하는 점질물을 동결 탈수해서 건조한 제품이다. 뜨거운 물에 서서히 녹으며. 1~2%

의 뜨거운 수용액을 냉각시키면 젤리상으로 응고한다. 유기 용제에는 용해되지 않으며 물 과 고압하에서 가열하면 가수 분해를 받는다.

-준비물: 분쇄기, 호두껍질, 피스타치오 껍 질, 썩어서 사용할 수 없는 원두, 증류수, 한 천, 비커, 페트리디쉬, 전자저울, 핫플레이트, 약숟가락, 유리막대

1)분쇄기를 이용하여 각각의 유기성 폐자원 (호두껍질, 피스타치오 껍질, 원두)을 입자화 시킨다.

2)비커에 증류수 200ml를 넣고 한천 5g을 넣 어 녹인다

3)녹인 한천을 페트리디쉬에 붓고 3분 후에 각각의 폐자원 가루 10g을 함께 섞는다 4)하루정도 굳힌다

- 7 - [그림17: 한천을 이용한 배지]

5)굳은 한천을 꺼내 체를 이용하여 잘게 부순 다음 후 하루정도 다시 건조시킨다.

[그림18: 한천을 이용한 대체재]

3.2.4. 대체재 입자 형태 관찰

-준비물: HTOO4 탁상 현미경 용 CMOS CAMERA(제조사:Vezutech/모델:UCB300E /Software: VIMAGE PRO), KOBETO-M 전 자현미경, 전원공급장치, 분쇄기(Dremel Multipro), 슬라이드글라스, 집게, 소독용 에 탄올, 약숟가락, 조명, 각각의 대체재 시료

[그림19: HTOO4 탁상현미경용 CMOS CAMERA]

[그림20: KOBETO-M 전자현미경]

1)슬라이드 글라스에 각각의 대체재 시료를 적당량 올려놓는다

2)HT004 탁상 현미경용 카메라와 KOBETO -M 현미경을 이용하여 시료의 형태를 관찰 한다

※마이크로플라스틱 시료를 관찰할 때에는 분쇄기 Dremel Multipro로 플라스틱 관을 직 접분쇄하여 사용한다. 이때 너무 높은 RPM 으로 분쇄하면 플라스틱이 녹아서 입자의 형 태를 유지할 수 없게 되므로 적정 RPM을 조 정해가면서 시료를 제작한다

[그림21: 분쇄기-Dremel Multipro

※HT004 탁상 현미경용 CMOS 카메라는 초 고배율이어서 젤라틴 시료를 관찰할 수 없었 다. 젤라틴 코팅 표면 상 빛의 반사가 너무 심했기 때문이다. 따라서, 이 현미경으로는 한천시료를 관찰하고, 젤라틴 시료는 KOBETO-M 전자현미경을 이용하여 관찰하 였다

※시료의 특성 상 표면이 매끄럽지 않고 울 퉁불퉁한 정도가 심해, 초점이 한 군데로 치 우지는 현상이 나타났다. 그래서, 초점을 각 각 다른 곳에 맞춘 80장 이상의 사진을 찍은 후 stacking하여 초점을 합성한다.

3.3. 마이크로 플라스틱 대체재의 기능 및 효과 탐구

제작한 마이크로 플라스틱을 바탕으로 하여 그 기능과 효과를 각각 측정한다. 대체재가 해양으로 유입되었을 때 어느 정도의 시간이 지나야 자연적으로 분해가 될 것인지를 알아

- 8 - 보기 위하여 물속에서의 해리정도를 비교한 다. 또한, 이 대체재는 기존의 마이크로플라 스틱과 비슷한 수준의 세척효과를 지녀야 상 용화가 가능하기에 각각의 세척력을 비교한 다.

3.3.1. 물 속에서의 해리정도 비교

-준비물: 비커, 물, 완전히 건조된 마이크로 플라스틱 대체재, 전자저울, 약숟가락 1)비커에 물 100ml를 각각 담는다

[그림22: 물속에서의 해리정도 비교]

2)완전히 건조된 마이크로 플라스틱 대체제를 각 비커에 2g씩 동시에 집어넣는다

3)시간의 흐름에 따른 대체재의 해리 정도를 비교한다

3.3.2. 세척력 비교

-준비물: 양초조각, 막자사발, 핫플레이트, 유 리막대, 페트리디쉬, KOBETO-M 전자현미 경, 전원공급장치, 슬라이드글라스, 집게, 소 독용 에탄올, 약숟가락, 조명, 각각의 대체재 시료

1)양초조각 200g을 막자사발에 넣은 뒤, 핫플 레이트에서 액체형태가 될 때까지 가열한다

[그림23: 파라핀 표면 제작과정]

2)파라핀이 어느정도 식으면 페트리디쉬에 붓 는다(이때, 식지 않은 파라핀을 그래도 부으 면 페트리디쉬의 형태가 변할 수 있으므로 반드시 2분이상 식힌 후 부어야 함)

3)파라핀이 페트리디쉬에서 완전히 굳으면 꺼 내서 뒷면을 위로오도록 하여 보관한다(윗면 은 공기와의 접촉이 많아 매끈한 표면샘플을 얻기 힘들기 때문)

4)각각의 마이크로플라스틱 대체재 시료를 약 0.5g씩 덜어 파라핀 표면 위에 올린 후 일정 한 힘을 가해 5번 왕복마찰시킨다

5)KOBETO-M 현미경을 이용하여 흠집이 난 표면을 관찰한다.

※파라핀이 투명하고 하얀색이기에 조명을 비추게 되면 흠집이 잘 보이지 않음. 따라서 조명과 밝기를 조절하여 검은색SEM 촬영 3.3.3 마이크로플라스틱 대체 시료의 생태 독성 유무 탐구

-준비물: neutralizes chlorine-수질안정제(A+

세이프), 아쿠아리움 히터 55W, 측면여과기 3W, 20x30x40 유리 수조 8개, 스테인리스 강 비커3개, 자갈 바닥재 2봉지, 분쇄기(하이벨), 매스실린더, 3종류의 대체 시료 및 마이크로 플라스틱(PE)

1)각각의 20x30x40 수조에 수질안정제 2.04mL를 넣은 물 8L을 넣고 측면에 여과기 와 히터를 설치한다.

2)수조의 세팅이 완료되면 구피밀과 대체 시 료를 각각 약숟가락 한 수저(10g)씩 투여하고 경과를 지켜본다.

3) 2주 간격으로 로테이션을 돌리고 개체수 변화는 해당날 저녁 5시 30분에 기록한다.

4) 수질 변화 검사는 최종 데이터 산출날 2주 간의 축적된 양을 바탕으로 pH변화와 탁도 변화를 측정한다.

5)이 과정을 1차 실험 시 1군을 2,3차 실험 시 수조를 4개씩 추가하여 2개 군을 반복 관 찰한다.

(※컴퓨터 기반 과학실험-MBL활용법) 본 실험은 정밀측정장치로 MBL을 사용했다.

-turbidity sensor를 사용할 때는 100NTU에 정량을 맞춘 용수와 부유물이 없는 0NTU 증 류수를 넣고 영점을 맞춘 뒤 측정할 용수를 넣고 측정한 값을 기록하였다.

-pH sensor를 사용하기 전에는 pH 4.0의 3.3M KCI 용액에 담가 보관했으며 사용 시 pH Calibration작업을 거친 후 측정하였다.

4.실험결과

4.1. 마이크로플라스틱의 피해유형 실험① 4.1.1. 중간결과

주중에 물고기 적응기 간을 거치고, 주말이 지나자, 수조 안에 있 는 물고기가 모두 죽어 버렸다. 물고기를 우선 땅에 묻은 후 문제요인 을 분석하여 물고기죽 음의 이유를 알고, 대 안책을 마련한 후에 재 실험을 준비했다.

4.1.2. 실험실패요인 분석 예상요인1) 수조의 작은 크기

실험용 물고기의 크기 (약 10.3~12cm)에 비해 수조의 크기가 너무 작아 수조 내부 물고 기의 싸움이 발발. 물 고기를 수조에 넣기 전 외형과 비교했을 때 죽은 물고기의 비늘에 상처가 뚜렷하게 보이는 것을 확인하였다.

예상요인2) 여과기의 미작동

월요일 아침에 수 조를 확인해보니 토요일까지는 작 동을 하던 여과기 가 작동을 하지 않았다. 온갖 이 물질이 여과필터 틈에 껴서 하루 동안 여과 기가 작동하지 않았던 것이다.

예상요인3) 산소발생기의 미설치

1달 이내로 해당 종의 물고기를 기를 때에는 산소발생기를 설치하지 않아도 된다는 해양 생물 전문가(구입처)의 말에 따라 산소발생기 를 설치하지 않았다. 하지만 수조를 놓은 곳 이 창가여서 일조량이 많은 탓에 산소가 부 족해질 수 있다는 가능성을 배재하였다. 물고 기의 수가 많고, 일조량도 강해서 산소가 점 점 부족해져서 물고기가 모두 죽었다는 분석 을 내리게 되었다.

예상요인4) 바닥재의 세제성분

구입한 바닥재를 수조 안에 집어 넣기 전에 세제 를 이용하여 바 닥재를 닦았다.

[그림24: 물고기 외형]

[그림25: 물고기 묻기]

[그림26: 아가미 쪽 상처]

[그림27: 변해버린 물 색깔]

이 세제 성분이 바닥재에 아직 남아있어 물 고기의 서식환경에 악영향을 미치게 되었다 는 분석을 내리게 되었다.

4.1.3. 대안책 마련 및 실험재설계 요인1) 수조의 크기 확대

40cmX30cmX30cm로 진행했던 수조 크기를 60cmX33cmX30cm로 대폭 확장하였다.

요인2) 여과기의 종류 변경(대형수조용) 여과기를 이전 것이 아닌 대형수조용 여과기 로 교체한다.

요인3) 산소발생기 설치 & 수조위치 변경 산소발생기를 구입하고 수조의 위치를 창가 가 아닌 햇빛이 많이 들지 않는 벽면으로 이 동한다.

요인4) 바닥재의 세제성분

바닥재의 세제성분을 제거하기 위해 흐르는 물에 다시 한번 씻은 후 햇빛에 말려 놓는다.

이때 물곰팡이가 심하게 폈거나 이물질이 달 라붙어 제거되지 않을 정도의 돌은 일일이 걸러내어 제거한다. 이러한 과정을 3번정도 반복하여 돌에 있는 세제성분을 완전히 제거 한다.

4.1. 마이크로플라스틱의 피해유형 실험②

[그림29: 물고기 장기 내 플라스틱]

본 실험은 같은 양의 마이크로플라스틱을 주입했을지라도 물고기의 크기나 종류에 따 라서 결과 값이 다르게 나타나는 변수가 매 우 많은 실험이었다. 10마리의 물고기가 아닌 100마리의 물고기를 사용해도 정확한 기준치 를 확립하기 어려운 이유로써 심도 깊은 조 사를 바탕으로 해서 결과를 도출하였다.

마이크로플라스틱이 해양에서 물고기의 장 기 내로 유입되면 대부분의 것들은 형태변형 을 일으키지 않고 잔류한다. 하지만 일부의 것은 물고기 장기 내의 소화액 등으로 인하 여 화학적 변형을 일으키게 된다. 즉, 추후의 실험을 진행할 때 화학적 영향과 물리적 영 향을 모두 고려해야 한다는 걸을 알 수 있었 다.

4.2. 마이크로 플라스틱 대체재 탐구 [표2:배지형태의 대체재]

Gelatin(G) Agar Power(A.P)

호 두

피 스 타 치 오

원 두

- 11 - [표3:입자형태의 대체재]

Gelatin(G) Agar Power(A.P)

호 두

피 스 타 치 오

원 두

4.2.1. 대체재 입자형태 관찰

[그림30: Gelatin-KobetoM-5mm]

[그림31: AgarPowder-CMOS CAMERA-5mm]

현미경으로 찍은 SEM은 가로 5mm를 기준 으로 하여 촬영하였다.

①마이크로 플라스틱

[그림32: 마이크로플라스틱]

②젤라틴 시료

[그림33: Gelatin-호두]

[그림34: Gelatin-피스타치오]

- 12 - [그림35: Gelatin-원두]

젤라틴 시료는 원두를 제외하고는 독립적 으로 분리된 입자를 찾을 수 없었다. 젤라틴 에 코팅되어 덩어리져있는 형태의 모습은 드 물지 않게 발견할 수 있었던 반면, 입자성을 가진 것들은 그 수가 극히 일부였다.

③한천 시료

[그림36: Agar Powder-호두]

[그림37: Agar Powder-피스타치오]

[그림38: Agar Powder-원두]

한천시료는 젤라틴 시료에 비해 독립적으로 입자를 띠는 형태를 많이 관찰할 수 있었다.

4.3. 마이크로 플라스틱 대체재의 기능 및 효과 탐구

4.3.1. 물속에서의 해리정도 비교

[표4:유입 직후 대체재 변화]

직

후 Gelatin(G) Agar Power(A.P)

호 두

피 스 타 치 오

원 두

물 속에 대체재를 넣은지 1분 이내의 변화 이다. 젤라틴으로 굳힌 대체재는 덩어리상태 를 지속적으로 유지하고 있는데에 반해서 한 천으로 굳힌 대체재는 즉시 물에서 분해되는 것을 관찰할 수 있었다.

[표5:유입 3시간 이후 대체재 변화]

3h Gelatin(G) Agar Power(A.P)

호 두

피 스 타 치 오

원 두

물속에 넣은지 3시간 후 Gelatin 해리정도가 증가한 것을 알 수 있었다.

.[표6:유입 6시간 이후 대체재 변화]

6h Gelatin(G) Agar Power(A.P)

호 두

피 스 타 치 오

원 두

물속에 넣은지 6시간 후에 호두>피스타치 오>원두의 순으로 해리정도가 높아진 것을 확인할 수 있었다.

.[표7:유입 5일 이후 대체재 변화]

5d Gelatin(G) Agar Power(A.P)

호 두

피 스 타 치 오

원 두

5일이 지나도 젤라틴 대체재들은 완전히 분 해되지 않았다. 그리고, 유기물질로 넣은 재 료의 원색이 물로 빠져나오는 것을 관찰할 수 있었다.

총 5일에 걸친 실험을 통해서 젤라틴보다 물에서의 분해속도가 빠른 한천이 대체재로 써 더 적합하다는 것을 알 수 있었다.

4.3.2. 세척력 비교

①마이크로 플라스틱

[그림39: 마이크로 플라스틱 처리 전]

[그림40: 마이크로 플라스틱 처리 후]

②젤라틴 시료

[그림41: 흠집-Gelatin-호두]

[그림42: 흠집-Gelatin-피스타치오]

- 15 - [그림43: 흠집-Gelatin-원두]

젤라틴 시료는 대체로 수분 함량이 너무 높 다는 것을 확인할 수 있었다. 완전한 건조가 이루어지지 않으면 상용화 시 빨리 부패한다 는 단점이 있기에, 젤라틴을 이용한 호두, 피 스타치오 시료는 마이크로플라스틱의 대체재 로써 부적합하다는 결과를 얻게 되었다.

③한천시료

[그림44: 흠집-A.P.-호두]

[그림45: 흠집-A.P.-피스타치오]

[그림46: 흠집-A.P.-원두]

한천을 이용하여 만든 대체재 중 피스타치 오 시료는 흠집의 폭이 0.8mm에 이를 정도 로 매우 거친 표면을 확인하였다. 하지만 이 는 마이크로플라스틱에 비해서도 훨씬 거친 표면으로써, 화장품의 스크럽제로 사용할 시 마모가 아닌 박피가 될 가능성이 매우 높았 기 때문에 대체재로써 부적절하다는 결과를 얻게 되었다.

4.3.3. 대체 시료의 생태 독성 평가

[그림 82: 시료 분쇄 과정]

[그림 83: 시료 분쇄]

- 16 - 사진과 같이 agar-호두, agar-원두, gellatin- 호두의 3가지 시료를 분쇄과정(제조사:하이 벨)을 거쳐 물고기에게 투여하기 위해 준비하 였다. 또한 구피밀과 비슷한 알갱이 크기로 잘게 쪼갠 뒤 4℃로 맞추어 둔 과학실 냉장 실에 보관했다.

[그림 84: 과학실 전경]

[그림 85: 3차 실험 1군 수조]

[그림 86: 3차 실험 2군 수조]

실험 수조는 사진과 같이 4개씩 1군을 이루 어 배치하였다. 2차 실험부터는 수조 수를 늘 려 추가 수조 4개를 포함해 총 8개의 수조를

4개씩 배치해 각각 관찰을 진행하였다.

[그림 87 물고기에게 시료를 투여하는 모습1]

[그림 88 물고기에게 시료를 투여하는 모습2]

[그림 89 근접촬영1] [그림 90 근접촬영2]

실제로 물고기에게 일정량 먼저 투여해본 결 과 구피밀과 함께 먹는 것이 확인 되었고, 시 료를 투여해도 괜찮다는 결론을 얻게 되었다.

이후 구피의 체내 및 개체수, 수질의 변화를 관찰할였다.

- 17 - 마 이 크

로 플 라 스틱

젤 라 틴 -호두

한 천 - 호두

한 천 - 원두

10/1 6 6 6 6

10/2 6 6 6 6

10/3 6 6 6 6

10/4 6 6 6 6

10/5 6 6 6 6

10/6 6 6 5 6

10/7 6 6 5 6

10/8 5 6 5 6

10/9 5 6 5 5

10/10 5 6 4 5

10/11 4 6 4 5

10/12 4 5 4 5

10/13 4 5 4 5

10/14 4 5 4 5

[표 8 1차 개체수 변화 관찰 결과]

마 이 크 로 플 라 스틱

젤 라 틴 -호두

한 천 - 호두

한 천 - 원두

10/15 6 6 6 6

10/16 6 6 6 6

10/17 6 6 6 6

10/18 5 6 6 6

10/19 5 6 6 6

10/20 5 6 6 6

10/21 5 6 5 6

10/22 5 6 5 6

10/23 4 6 5 5

10/24 4 6 5 5

10/25 4 5 5 5

10/26 4 5 5 4

10/27 4 5 5 4

10/28 4 5 5 4

[표 9 2차 1군 개체수 변화 관찰 결과]

마 이 크 로 플 라 스틱

젤 라 틴 -호두

한 천 - 호두

한 천 - 원두

10/15 6 6 6 6

10/16 6 6 6 6

10/17 6 6 6 6

10/18 5 6 6 6

10/19 5 6 6 6

10/20 5 6 6 6

10/21 5 6 5 6

10/22 5 6 5 6

10/23 4 6 5 5

10/24 4 6 5 5

10/25 4 6 5 5

10/26 4 6 5 5

10/27 4 6 5 5

10/28 4 6 5 5

[표 10 2차 2군 개체수 변화 관찰 결과]

마 이 크 로 플 라 스틱

젤 라 틴 -호두

한 천 - 호두

한 천 - 원두

10/29 6 6 6 6

10/30 6 6 6 6

10/31 6 6 6 6

11/1 6 6 6 6

11/2 5 6 6 6

11/3 5 6 6 6

11/4 5 6 5 6

11/5 5 6 5 6

11/6 4 5 5 5

11/7 4 5 5 5

11/8 3 5 4 5

11/9 3 5 4 5

11/10 3 5 4 5

11/11 3 5 4 5 - 18 -

마 이 크 로 플 라 스틱

젤 라 틴 -호두

한 천 - 호두

한 천 - 원두

10/29 6 6 6 6

10/30 6 6 6 6

10/31 6 6 6 6

11/1 6 6 6 6

11/2 5 6 6 6

11/3 5 6 6 6

11/4 5 6 5 6

11/5 5 6 5 6

11/6 5 5 5 5

11/7 5 5 5 5

11/8 4 5 5 5

11/9 4 5 5 5

11/10 4 5 5 4

11/11 4 5 5 4

[표 12 3차 2군 개체수 변화 관찰 결과]

[그림 91 수조 관리 상황]

[그림 92 수조의 관리 및 먹이 투여]

[그림 93 탁도 및 pH센서의 작동]

마 이 크 로 플 라 스틱

젤 라 틴 -호두

한 천 - 호두

한 천 - 원두 2:05 ~

3:05 pH 6.1 pH 6.1 pH 6.1 pH 6.1 3:05 ~

4:05 pH6.17 pH6.21 pH6.24 pH6.23 4:05 ~

5:05 pH 6.2 pH6.28 pH 6.3 pH 6.3 5:05 ~

6;05 pH 6.3 pH6.35 pH6.37 pH 6.4 [표 13 시간에 따른 물의 pH변화]

마이크로플라스틱을 넣은 수조의 탁도 변화

젤라틴- 호두를 넣은 수조의 탁도 변화

한천- 호두를 넣은 수조의 탁도 변화

한천- 원두를 넣은 수조의 탁도 변화 [표 14 시간에 따른 탁도 변화]

- 19 - 5. 실험결론 및 결과 분석

첫 번째 마이크로플라스틱의 피해유형 실험 에서 어류의 장기 내에 유입된 플라스틱은 형태변형이 존재하지만 그 정도가 어류의 종 류나 크기에 따라서 다르게 나타난다는 결과 를 얻게 되었다. 즉, 물리적 화학적 요인이 동시에 작용함을 알게 되었다.

이를 바탕으로 하여 진행된 두 번째 마이크 로 플라스틱의 대체재 탐구 실험에서는 환경 오염방지와 생분해의 능력을 갖는 재료탐색 이 이루어졌다. 그 결과, 환경오염을 시키지 않으면서도 자연분해가 가능한 유기성 폐자 원과 단백질이나 탄수화물의 일부로써 생분 해성 풀의 역할을 함과 동시에 친수성인 젤 라틴, 그리고 한천이 실험 재료로써 적합하다 는 사실을 알게 되었고 이어진 실험 또한 젤 라틴을 코팅제로 쓴 시료는 1개, 한천을 코팅 제로 쓴 시료는 2개로 선택하여 진행했다.

또한 직접 제작한 마이크로플라스틱의 대체 재가 물에서 생분해되는데 걸리는 시간과 세 척력을 비교하였다. 그 대조군으로써 기존의 마이크로플라스틱을 두었다. 그 결과, 기존의 마이크로플라스틱은 물속에서 생분해가 전혀 이루어지지 않는 반면, 젤라틴과 한천을 이용 한 대체재는 물에서 분해되었다. 다만 젤라틴 과 한천을 비교했을 때 젤라틴 대체재는 5일 이 지나도 완전히 생분해가 되지 않는 반면 한천 대체재는 빠른 시간 내에 생분해되는 것을 관찰하였다. 또한, paraffin 표면에 흠집 을 내어 SEM을 찍은 결과 젤라틴 시료는 수 분함량이 너무 높아 대체재로써 적합하지 않 음을 관찰하였다.

즉, 물속에서 생분해가 빠른 시간 내에 일 어나면서도 수분함량이 높지 않고 세척력은 마이크로플라스틱과 유사한 한천 호두, 원두 가 대체재로써 가장 적합했다. 다시 말해 알

갱이가 2mm이면서 굳기가 단단한 유기성 폐 자원과 한천을 이용하면 마이크로플라스틱의 대체재를 얻을 수 있다는 결론을 도출하였다.

첫 번째로 실험을 계획하였으나 실패한 물고 기 실험을 보완하고 구체화하여 진행한 2차 생태 독성 실험 또한 많은 데이터를 도출해 낼 수 있었다. 1,2,3차로 1달여의 기간 동안 5 차례의 로테이션을 돌린 끝에 마이크로플라 스틱이 실제로 물리적, 화학적 피해를 준다는 것을 확인하였고, 실험군으로 사용한 젤라틴- 호두 시료와 한천-호두 시료, 한천-원두 시료 를 준 구피가 대조군인 마이크로플라스틱을 준 구피보다 약 평균 3~2마리 적게 죽은 것 또한 확인하였다.

수질 변화 실험 결과 pH차이가 대조군인 마 이크로플라스틱을 넣은 수조에서 pH가 다른 시료들에 비해 느린 속도로 증가하여 3시간 의 시간이 흐른 뒤에야 pH6.3에 도달하는 것 을 볼 수 있다. 실험에 영향을 끼칠 수 있는 모든 외부 요인들을 통제한 상태에서(수온, 일조량, 물살 등) 물의 pH에 영향을 줄 수 있는 요인은 구피에게 준 구피밀 밖에 없는 상황에서 pH가 느리게 증가한다는 것은 약산 성을 띄는 구피밀이 물속에서 더 많이 잔존 한다고 볼 수 있다.(정상적이라면 물고기가 배출하는 요소로 인해 염기성을 띄는 것이 정상임)정확히 말한다면 마이크로플라스틱의 섭취로 인한 축적으로 포만감을 느껴 더 이 상 먹이를 먹지 않는다는 것으로, 물리적으로 영향을 끼쳤다고 볼 수 있다.

탁도 변화에서 또한 마이크로플라스틱은 매 우 불안정하게 떠다니면서 그래프가 진동하 는 양상을 보였으나 한천 코팅한 시료들은 일정한 시간이 지날수록 탁도가 낮아지는 양 상을 보이면서 수중 생태계에서 먹이 측면에 서 혼란을 주지 않을 것으로 기대된다.

- 20 - 6.1. 마이크로플라스틱 필터탐구

6.1.1. 유동대전이란?

유동대전은 액체류가 파이프 등의 관에서 유동 될 때 발생되는 정전기로써 부도체와 부도체 사이에서 발생된다. 액체류가 고체와 접촉 시 전기 이중층이 형성되고, 그 층의 전 하가 액체류의 유동에 의해 흐르게 된다. 액 체류의 이동속도와, 관을 흐르는 유동물질의 종류에 의하여 영향을 받게 된다

[그림47: 액체의 유동대전 발생원리]

6.1.2. 필터간단설계

[그림48: 유동대전 간단필터설계]

진리의 3Lee 모둠원들과의 토의를 통해 마이 크로플라스틱의 제거방안 중 필터를 만들 수 있는 방법 중에서 흡착제나 와류발생기 등 여러 가지의 의견이 나왔으나 유동대전이라 는 새로운 개념을 알게 되고 난 뒤 습한 파 이프에서도 정전기가 발생할 수 있다는 지식 을 활용해 마이크로플라스틱 정화 필터를 디 자인하였다.

[참 고 문 헌]

[1] 잔류성.생물축적성 물질 피해저감을 위한 미세플라스틱 관리방안(Microplastic Management for Prventing Risk of Persistent/ Bioaccumulative Substance), 2013, 박정규 간순영

[2] http://www.livinstudio.com/fungi-mutar um/. (마이크로플라스틱의 대체재_버섯균) [3] https://www.beatthemicrobead.org/ko/

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[4] 김길태, 이재근 (2005). “유동대전에 의한 정전기 특성 분석”

[5] 문광주. (2015).”미세플라스틱의 역습:인간 에게 돌아오는 ‘죽음의 입자들’ ②, 환경 미디어, 2월 2일

[6] 박정규,간순영(2014). “잔류성 생물축적성 물질 피해 저감을 위한 미세플라스틱 (Microplastic) 관리방안

[7] 슬로우 뉴스 (2016) “미세플라스틱, ‘마이 크로비즈’를 아십니까?”. 7월 21일 [8] “정전기에 의한 방전”ESD 뱅크

http://www.esdbank.com/03_data/data_list03.

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[9] Joseph Charles Muhler, Mark S. Putt (1990) Improved dentifrice preparations comprising calcined kaolin abrasives EP19830303588

[10]교도뉴스 (2016) 마이크로 플라스틱, 바닷 속 치어에 치명적…성장저하•천적에 약 해. 7월 3일

[11]“왁스 에스테르” WITH THERAPY http://www.xn--b60bv54a2tdboaj01c2qc.

com/ab-word_dic_v-25?category_1=~H [12]“ 물고기 뱃속에 들어가 사람도 서서히

죽이는 '알갱이'의 정체” CHULPOST http://story.chulpost.com/fun/funView.pul l?code=16223247&utm_source=JeffreyPart nerC&utm_medium=social&utm_campaig n=JeffreyPartnerC&pid=1085fc79b