Occurrence of Parabens and Paraben Transformation Products in Sediment and Water Systems of the Brazos River Above and Below a Low Water Dam

우리가 몸을 씻고, 보호하고, 관리하기 위해 사용하는 수많은 제품은 매일 아주 적은 양의 화학 물질을 세상에 배출합니다. 가장 흔한 것 중 하나는 샴푸, 로션, 식품 등에 들어있는 방부제인 파라벤 계열로, 이들은 제품이 부패하는 것을 막아줍니다. 이러한 물질들은 본연의 기능에는 효과적이지만, 과학자들은 이들이 동물의 체내에서 호르몬을 모방하여 자연적인 생물학적 과정을 방해할 수 있다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 우리가 이 제품들을 피부에서 씻어내거나 버릴 때, 이들은 하수 시스템을 통해 이동하여 결국 강과 호수로 흘러 들어갑니다. 물속에 들어간 이들은 단순히 변하지 않은 채 그 자리에 머물러 있지 않습니다. 햇빛, 박테리아, 그리고 폐수를 처리하는 데 사용되는 화학 물질들은 이들을 '변환 생성물(transformation products)'이라 불리는 새로운 관련 화합물로 분해할 수 있습니다. 환경 과학자들을 고민하게 만든 질문은 단지 이 원래의 화학 물질들이 존재하는가 하는 문제가 아니라, 이들이 강의 진흙 바닥을 만났을 때 어떻게 행동하느냐 하는 것입니다. 이들은 물속에 녹아 있는 상태로 머무를까요, 아니면 퇴적물에 달라붙어 시야에서 숨은 채 생태계와 계속해서 상호작용을 이어갈까요?

이를 알아내기 위해 연구진은 텍사스의 브라조스 강으로 향했습니다. 이곳은 수위를 조절하기 위해 설계된 작은 댐들이 곳곳에 배치된 지형을 가로질러 흐르는 넓은 수로입니다. 연구진은 물의 흐름 방식에 뚜렷한 변화를 만드는 특정 저수위 댐에 주목했습니다. 댐 위쪽의 물은 비교적 잔잔하게 흐르는 반면, 댐 아래쪽의 물은 가장자리 너머로 쏟아져 내리며 난류를 일으키고 강바닥과 물을 뒤섞습니다. 연구팀은 두 지점, 즉 댐 바로 위쪽과 바로 아래쪽에서 파라벤과 그 변환 생성물의 존재를 물과 모래 섞인 진흙 퇴적물 모두에서 측정하기 위해 조사에 착수했습니다. 그들은 여름 동안 세 차례에 걸쳐 샘플을 채취하며, 수면에서 물을 정밀하게 모으고 강둑의 윗부분 몇 인치의 퇴적물을 긁어모았습니다. 그들의 목표는 댐에 의한 물리적 교란이 이러한 화학 물질이 액체 부분과 고체 부분 사이에서 어떻게 분포되는지를 변화시키는지 확인하는 것이었습니다.

결과는 이 강이 이러한 화합물들로 가득 차 있음을 보여주었으나, 그 농도는 매우 정밀한 기구 없이는 관찰하기 어려울 정도로 낮았습니다. 물속에서 연구진은 파라벤의 흔적을 리터당 최대 10.6 나노그램 수준까지 발견했는데, 이는 커다란 수영장에 모래 한 알이 들어있는 것에 비견될 만큼 매우 작은 양입니다. 퇴적물에서의 양 역시 건조 토양 1그램당 최대 4.5 나노그램으로 비슷하게 낮았습니다. 흥-미롭게도, 그들이 발견한 가장 풍부한 물질은 사람들이 집에서 사용하는 원래의 방부제가 아니라, 오히려 그 분해 산물들이었습니다. 구체적으로 PHBA와 DHBA로 알려진 두 화합물이 물과 진흙 모두에서 가장 높은 양으로 나타났습니다. 이 물질들은 파라벤이 분해되어 나타나는 자연적인 최종 결과물로, 이는 강물이 이 지점에 도달할 때쯤이면 이미 원래의 방부제 중 상당 부분이 변형되었음을 시사합니다. 원래의 파라벤 수치는 전반적으로 낮았지만, 이번 연구는 이 화학 물질들과 그 후손들이 하수를 통해 유입되어 강의 자연적인 분해 능력에도 불구하고 지속적으로 강 시스템을 순환하고 있음을 확인해주었습니다.

이번 연구의 핵심적인 발견은 이 화학 물질들이 강바닥과 어떻게 상호작용하는지에 관한 것이었습니다. 과학자들은 종종 어떤 화학 물질이 물에 떠 있을지, 아니면 가라앉아 진흙에 달라붙을지를 예측하기 위해 수학적 모델을 사용합니다. 이러한 모델들은 화학 물질이 얼마나 '물 공포증(water-fearing, 소수성)'을 가지고 있는지에 따라 토양의 유기물에 달라붙을 가능성이 높다는 개념에 기초합니다. 그러나 브라조스 강에서 측정된 값은 이러한 예측과 일치하지 않았습니다. 연구진은 화학 물질들이 강 어디에 위치하느냐에 따라 다르게 행동한다는 사실을 발견했습니다. 물이 격렬하게 소용돌이치며 섞이는 댐 아래쪽에서는, 물이 잔잔한 댐 위쪽보다 화학 물질이 퇴적물에 더 강하게 달라붙는 경향을 보였습니다. 이는 물리적 환경이 이러한 화학 물질들이 어디로 향하는지에 엄청난 역할을 한다는 것을 시사합니다. 댐에 의해 만들어진 난류가 화학 물질을 부유 입자 및 강바닥과 더 자주 충돌하게 만들어, 잔잔한 강에서보다 물 기둥으로부터 더 빨리 침전되도록 유도하는 것으로 보입니다.

또한 이 연구는 우리가 현재 오염 물질의 운명을 이해하는 방식에 있는 한계를 강조했습니다. 화학적 행동을 예측하는 데 사용되는 모델들은 대개 물과 퇴적물이 완벽한 균형 상태, 즉 물에서 진흙으로 이동하는 화학 물질의 양과 진흙에서 물로 다시 이동하는 양이 같다는 가정을 전제로 합니다. 그러나 연구진은 실제 흐르는 강에서는 이러한 균형이 존재하지 않을 가능성이 높다는 것을 발견했습니다. 표면수와 강바닥 사이의 거리와 끊임없이 움직이는 물의 흐름이 결합되어, 시스템은 결코 완전히 정지된 상태에 있지 않습니다. 더욱이, 극성 그룹을 포함하여 퇴립물(sediment)의 광물 부분과 상호작용할 수 있는 이 파라벤들의 특정한 화학 구조는 단순한 모델이 설명하지 못하는 방식으로 이들을 달라붙게 만들 수 있습니다. 데이터는 야생에서의 실제 화학 물질 행동이 실험실 시뮬레이션이 시사하는 것보다 훨씬 더 복잡하고 역동적이라는 것을 보여주었습니다.

궁극적으로, 이 연구는 흔한 가정용 화학 물질이 강 생태계를 통해 어떻게 이동하는지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다. 이는 파라벤과 그 변환 생성물들이 브라조스 강에 존재하며, 분해 산물이 가장 흔한 형태라는 점을 확인해 줍니다. 이 연구는 저수위 댐과 같은 강의 물리적 특징이 이러한 화학 물질이 물과 퇴적물 사이에 어떻게 분포되는지를 크게 변화시킬 수 있음을 입증합니다. 발견된 농도는 대체로 낮았지만, 이러한 화합물들이 환경 속에 지속되고 변형된다는 사실은 흐르는 물의 역동적인 특성을 고려한 더 현실적인 모델이 필요함을 강조합니다. 이론적인 예측에만 의존하기보다 강이 실제로 작동하는 방식을 관찰함으로써, 과학자들은 우리가 매일 사용하는 방부제의 진정한 환경적 발자국을 더 잘 이해할 수 있습니다.