Fragmentation and depolymerization of conventional and biodegradable microplastics in Eisenia fetida and Eisenia andrei
본 연구는 *Eisenia* 지렁이의 장 통과가 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 그리고 폴리락틱산을 유의미하게 파쇄하고 화학적으로 변화시킨다는 점을 입증하는 한편, 생분해성 고분자(PLA)가 가장 심각한 화학적 퇴화와 지렁치사율을 유발한다는 것을 보여주며, 이는 단기 노출 기간 동안 농경지에서 PLA가 반드시 더 안전한 선택지는 아님을 나타낸다.
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우리 발밑의 토양은 유기물을 섞고 먹고 재활용하며 지구를 비옥하고 생동감 있게 유지하는 작은 생물들의 북적이는 세계입니다. 이 일꾼들 중에는 지렁이가 있는데, 이들은 엄청난 양의 흙을 몸을 통해 이동시키기 때문에 종종 생태계의 엔지니어로 불립니다. 수십 년 동안 과학자들은 플라스틱 오염이 이 동물들에게 어떻게 해를 끼치는지에 집중하며 주로 플라스틱이 지렁이를 어떻게 상하게 하는지에 대해 걱정해 왔습니다. 하지만 더 새롭고 복잡한 질문이 등장했습니다. 바로 플라스틱이 지렁이를 통과할 때 그 플라스틱 자체에는 어떤 일이 일어나는가 하는 점입니다. 플라스틱은 단순히 무기력한 쓰레기 덩어리가 아닙니다. 그것들은 부서질 수 있는 긴 분자 사슬입니다. 지렁이가 플라스틱 조각을 먹으면, 지렁이의 장 내부의 가혹한 환경이 플라스키를 더 작은 조각으로 조각내거나 심지어 그 구조를 화학적으로 변화시킬 수도 있습니다. 이 과정은 매우 중요한데, 만약 플라스к이 보이지 않는 파편이나 독성 화학 물질로 분해된다면, 그것은 덜 위험해지는 것이 아니라 오히려 토양과 그곳에 사는 생물들에게 더 위험해질 수 있기 때문입니다.
한 연구팀은 두 종류의 흔한 퇴비용 지렁이인 Eisenia fetida와 Eisenia andrei를 사용하여 이 과정이 실시간으로 일어나는 것을 관찰하기 위해 나섰습니다. 그들은 이 지렁이들이 세 가지 다른 종류의 미세 플라스틱(손톱보다 작은 아주 작은 입자)을 먹었을 때 어떤 일이 발생하는지 보고 싶었습니다. 두 가지 플라스틱은 매우 단단하고 분해에 저항하는 것으로 알려진 전통적인 석유 기반 종류인 폴리에틸렌(많은 플라스틱 봉투에 사용되는 재료)과 폴리부틸렌이었습니다. 세 번째는 식물 전분으로 만들어져 자연적으로 분해되도록 설계된 것으로 마케팅되는 생분해성 플라스틱인 폴리락틱 산이었습니다. 과학자들은 지렁이들을 이 플라스틱들이 섞인 퇴비가 담긴 용기에 넣고 35일 동안 관찰했습니다. 그 후, 그들은 지렁이를 조심스럽게 추출하고 소화 기관을 통과한 플라스틱 입자들을 회수하여 얼마나 많은 양의 플라스틱이 변했는지 정확히 측정했습니다.
결과는 서로 다른 플라스틱이 살아있는 생물체 내에서 어떻게 행동하는지에 대한 놀라운 이야기를 보여주었습니다. 첫째, 지렁이는 모든 플라스틱을 더 작은 조각으로 분해했습니다. 평균적으로 지렁이가 배설한 입자들은 처음에 먹었던 것보다 약 58% 더 작았습니다. 하지만 플라스틱의 종류에 따라 차이가 컸습니다. 생분해성 플라스틱인 폴리락틱 산이 가장 많이 분해되었고, 폴리부틸리는 그 뒤를 이었으며, 전통적인 폴리에틸린이 가장 적게 변했습니다. 이러한 물리적 분해는 이야기의 절반에 불과했습니다. 연구진이 특수 광학 스캐너를 사용하여 플라스틱의 화학적 구조를 살펴보았을 때, 생분해성 플라스틱이 가장 심한 화학적 손상을 입었다는 것을 발견했습니다. 그 분자 사슬은 다른 두 플라스틱보다 훨씬 더 심하게 끊어지거나 잘려 나갔습니다. 실제로 화학적 변화가 매우 뚜렷해서, 연구진은 지렁이가 어떤 플라스틱을 먹었는지를 그 잔해의 화학적 특징을 보고 정확히 구별해 낼 수 있었습니다.
아마도 가장 충격적인 발견은 이러한 분해가 지렁이 자신에게 어떻게 영향을 미쳤는가 하는 점이었습니다. 생분해성 플라스틱이 자연에 더 안전할 것이라는 희망과는 반대로, 생분해성 플라스키를 먹은 지렁이의 사망률이 가장 높았습니다. 식물 기반 플라스틱을 먹은 지렁이의 사망률은 석유 기반 플라스틱을 먹은 경우보다 현저히 높았습니다. 연구진은 한 종의 지렁이인 Eisenia fetida가 다른 종보다 일반적으로 플라스틱에 더 민감하지만, 지렁이가 더 빨리 분해되는 플라스틱을 먹었을 때 그 차이가 훨씬 커진다는 것을 발견했습니다. 플라스틱이 체내에서 더 많이 화학적으로 분해될수록 지렁이가 죽을 가능성이 더 높았습니다. 이는 플라스틱이 분해되는 과정에서 무언가—아마도 작은 화학적 파편이나 부산물—를 방출하여 지렁이의 건강에 해를 끼친다는 것을 시사합니다. 단단하고 전통적인 플라스틱은 화학적 변화를 덜 일으켰고 사망자도 적었지만, "친환경적"이라고 여겨졌던 "그린" 플라스틱은 가장 많은 물리적, 화학적 교란과 높은 사망률을 초래했습니다.
연구는 또한 수집된 데이터를 바탕으로 이러한 결과를 예측할 수 있는지 확인하기 위해 컴퓨터 모델을 사용했습니다. 컴퓨터는 화학적 변화를 예측하는 데 매우 뛰어났으며, 플라스틱의 종류가 일어나는 일의 주요 동인임을 확인해 주었습니다. 그러나 컴퓨터는 플라스틱이 물리적으로 얼마나 줄어드는지는 예측하는 데 어려움을 겪었습니다. 이는 화학적 분해는 플라스틱 재료의 직접적인 결과이지만, 지렁이 내부에서 플라스틱이 물리적으로 잘게 부서지는 것은 지렁이의 장 속에서 플라스틱이 어떻게 움직였는지 또는 얼마나 강하게 압착되었는지와 같은 무작위적인 요인에 의존하는 혼돈스러운 과정임을 시사합니다. 이러한 구분은 단순히 어떤 플라스틱이 생분해 가능하다는 사실을 아는 것만으로는 단기적으로 무해하다는 것을 보장하지 못한다는 점에서 중요합니다.
궁극적으로 이 연구는 생분해성 플라스틱이 자동으로 토양 생물에게 더 낫다는 단순한 생각에 도전합니다. 35일간의 실험 기간 동안 생분해성 플라스틱은 더 온건한 옵션이 아니었습니다; 그것은 가장 빠르게 분해되었고 가장 많은 지렁이를 죽게 했습니다. 이 연구는 플라스식이 완전히 사라지기 전, 즉 분해되고 있는 중간 단계가 토양 생물들에게 고위험 기간이 될 수 있음을 나타냅니다. 이 플라스틱들이 장기적으로는 결국 사라질 수는 있겠지만, 지렁이의 장 안에서 분해되는 과정은 전통적인 비분해성 플라스틱이 일으키지 않는 방식의 해로운 효과를 방출할 수 있습니다. 이 연구 결과는 우리가 단순히 플라스틱이 결국 분해될 수 있는지 여부를 넘어, 분해가 진행되는 동안 토양과 그 거주자들에게 어떤 일이 일어나는지를 살펴봐야 한다는 점을 시사합니다.
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