해양 (미세)플라스틱에 함유된 화학물질에 관한 연구는 2010년 이후부터 점차 증가하는 추세이다(Hong et al., 2017). 현재까지 추진된 대부분의 연구는 미세플라스틱이 환경으로부터 흡착한 잔류성 유기오염물 질에 관한 연구가 대부분이며, 최근에 플라스틱 첨가제에 관한 연구 필요성이 언급되면서 대상물질이 점차 확장되는 추세이다. 환경에서 채취한 (미세)플라스틱으로부터 화학물질을 확인하기 위해 대부분 분석대상 물질을 특정한 표적분석을 시도하였으며, 이를 기초로 정량농도 자료를 보고하고 있다. 따라서, 환경오염 모니터링에 주요 대상이 되어온 잔류성 유기오염물질(PCBs, DDTs, PAHs, PBDEs 등)에 대한 연구가 가 장 빠르게 진행될 수 있었으나, 정량 분석법이 확립되지 않은 물질의 경우 분석 대상으로 고려되지 못해 현재까지 도출된 (미세)플라스틱 관련 화학물질 정보는 상당한 한계를 지니고 있다. 플라스틱 첨가제의 경 우, 환경매질에 비해 플라스틱에 고농도로 함유되어 있어 플라스틱이 오염원으로 작용할 개연성이 높음에 도 불구하고, 플라스틱을 포함한 환경시료에서 첨가제류를 분석하는 기반이 구축되어 있지 않고, 사용되는 첨가제가 광범위하기 때문에 연구대상을 특정하기 어려운 이유로 현재까지도 정보가 매우 제한적인 상황이 다. 본 연구에서는 이러한 제한점을 극복하기 위해 (미세)플라스틱에 대한 비표적 분석기술을 체계적으로 확립한 후, 환경 중 (미세)플라스틱에 적용하여 함유된 화학물질의 종류와 특성을 탐색하였다.
해양 (미세)플라스틱에 비표적 스크리닝 기법을 적용한 사례로는 2건(Gauquie et al., 2015; Rani et al., 2015)이 있다. 두 연구 모두 시범연구 성격으로 가스크로마토그래피/질량분석기를 이용하여 플라스틱 해양쓰레기에 함유된 유기 화학물질을 탐색하였으나, 가스상으로 분리되기 어려운 극성 화학물질을 분석대 상에 포함하지 않았으며 비표적 분석을 위한 추출, 정제, 자료처리 등 분석과정 전반을 최적화하기 위한 연구는 시도되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 다차원 기체크로마토그래피/비행시간질량분석기(gas chromatography × gas chromatography
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time of flight mass spectrometry, GC×GC-TOF)와 액체 크로마토그래피/비행시간질량분석기 (liquid chromatography - quadrupole time of flight mass spectrometry, LC-qTOF)를 이용하여 (미세)플라스틱에 함유된 극성에서 비극성에 이르는 화학물질 전반 을 탐색할 수 있는 분석기술을 확립하고자 하였다.다차원 기체크로마토그래피에 비행시간질량분석기가 결합된 분석은 복잡한 환경 혼합물에서 유기물질을 밝힐 수 있는 분석기술이다. 해당 분석에는 2개의 다른 특성을 가지는 크로마토그래피 컬럼이 적용되어 단 일 기체크로마토그래피 기법에 비해 향상된 분리능(중첩되는 화합물 분리)과 감도를 확보할 수 있다. 이에 결합된 비행시간질량분석기는 4중극자(quadrupole) 질량분석기보다 데이터 획득 속도가 빠르고, 높은 감 도로 전체 질량 스펙트럼(full mass spectra)을 받을 수 있기 때문에 환경 오염물질의 목적성분분석과 비 표적분석에 모두 유용하다. 그림 2-3-11에 단일 기체크로마토그래피와 다차원 기체크로마토그래피 분석 기법에 따른 분리능 및 정확도 차이를 비교하였다. 단일 기체크로마토그래피에서는 화합물 A+B가 중첩되 어 용출될 가능성이 높으나, 다차원 기체크로마토그래피에서는 A와 B화합물이 분리되어 질량분석기에서 검출되기 때문에 분리능과 정확도를 높일 수 있다. 또한 분리능과 정확성 향상을 통해 미지물질의 탐색, 시료 중 소량으로 함유된 물질의 탐색이 가능하다. 그러나, GC×GC-ToF에서 생성된 많은 양의 데이터 로 인해, 데이터 처리 시 병목현상이 발생하여 상당한 시간이 소요되는 단점이 있다. 많은 양의 데이터는 비표적 분석 시간의 지연뿐만 아니라 인적 오류의 원인이 되어 실험실 간 불일치를 발생시킬 수 있다. 따 라서 본 연구에서는 이러한 병목 현상을 최소화하기 위해 상용화된 프로그램 또는 오픈소스 프로그램을 활 용한 자동화된 접근법을 데이터 처리과정에 도입하였다.
그림 2-3-11. 기체크로마토그래피 분석기법에 따른 분리능 및 정확도 향상 (Miljodirektoratet, 2013)
그림 2-3-12. 일반적인 GC-MS와 LC-MS로 분석 가능한 화합물 범위
다차원 기체크로마토그래피기법은 비휘발성의 수용성물질에 대한 탐색에 한계가 있다. 이 한계를 극복하 기 위해 액체크로마토그래피/비행시간질량분석기이다(liquid chromatography-quadrupole time of flight mass spectrometry, LC-qTOF MS)를 플라스틱 내 극성을 가지는 화학물질 탐색에 활용하였다.
나. 플라스틱 함유 화학물질의 비표적 분석기술 확립 (1) 플라스틱 시료 전처리 기법 확립
(가) 시험물질 제작
플라스틱 전처리 방법을 확립하기 위해서 해양플라스틱 쓰레기 중 가장 흔하게 발견되는 폴리머 형태인 polyethylene (PE) 재질의 시험물질을 제작하여 화학물질을 흡착시켰다. 시험에 사용된 플라스틱은 저밀 도폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE, CAS# 9002884)으로 입경이 300㎛미만인 것을 사용하였 다. 시험 대상 화학물질로는 최대한 많은 종류의 플라스틱 함유 화학물질을 스크리닝하기 위하여, 다양한 분자량과 옥탄옥-물 분배계수(Kow), 수용성(Water solubility) 값을 가지는 대표적인 화학물질을 선정하였 다. 선정된 시험물질은 해양플라스틱에서 빈번히 검출되는 흡착성 화학물질 4종과 첨가제 3종으로 총 7종 이다. 대표적인 흡착오염물질은 폴리클로리네이티드이페닐(polychlorierte biphenyl, PCBs) 2종(PCB14, PCB50)과 폴리브로미네이티드디페닐에테르(polybrominated diphenyl ethers, PBDEs) 2종(BDE47, BDE154)을 선정하였다. 플라스틱 첨가물질로는 난연제(hexabromocyclododecane, HBCD) 1종, 광안정 제(UV328) 1종, 비스페놀A(BPA)를 선정하였다. 각 화학물질의 정보는 표 2-2-4에 제시하였다.
Compound Name MW (g/mol) Log K
ow
Water solubility (mol/L)PCB14 3,5Dichlorobiphenyl 233.1 5.4 3.11e
06
PCB50 2,2',4,6
Tetrachlorobiphenyl 292 5.6 2.24e07
PCB188 2,2',3,4',5,6,6'Heptachlorobiphenyl 395.3 6.8 3.24e09
BDE47 2,2',4,4'
Tetrabromodiphenyl ether 485.8 6.4 3.88e 08
BDE154 2,2',4,4',5,6'
Hexabromodiphenyl ether 643.6 7.1 4.79e09
γHBCD gammaHexabromocyclododecane 641.7 5.2 1.89e08
UV328 Phenol, 2
(2H
benzotriazol
2
yl)
4,6bis(1,1dimethylpropyl)351.5 7.4 1.05e
05
BPA Bisphenol A 228.3 3.3 5.26e
04
표 2-3-4. 시험 화학물질 정보
선정된 시험플라스틱에 화학물질을 흡착시켜 추출 용매 평가에 사용하였다. 우선 시험 플라스틱을 세척 하기 위해 극성이 다른 유기용매인 메탄올(methanol), 디클로르메탄(dichloromethane, DCM), 그리고 헥 산(hexane)에 각각 1일씩 담군(soaking) 후, 진공오븐(VOS-210C, EYELA)으로 건조하였다. 세척된 시험 플라스틱(PE 입자) 25g을 비이커에 넣고 각 화학물질을 주입(spiked)한 후, 500 ㎖의 acetonitrile:water (8:2)에 담가 교반기(250rpm)에서 14일 동안 흡착시켰다. 주입한 화학물질의 양 및 농도를 표 2-3-5에 제시하였다. 14일 후 화학물질을 흡착시킨 PE 입자를 체에 걸러 겉면을 증류수로 충분히 세척하고, 동결 건조기(Gamma 1-16 LSCplus, Martin Christ)를 이용하여 건조하였다(그림 2-3-13).
a) b) c)
그림 2-3-13. 시험 플라스틱의 화학물질 흡착 과정. a) 교반기에서 14일간 흡착, b) 체에 걸러 플라스틱 겉면을 증류수로 세척 c) 동결 건조
Compound in 500mL of Acetonitrile:water (8:2)
㎍ ppb(ng/㎖)
PCB14 12 24
PCB50 12 24
PCB188 12 24
BDE47 20 40
BDE154 20 40
γ
HBCD 50 100UV328 50 100
BPA 50 100
표 2-3-5. 흡착실험 중 시험 플라스틱에 노출시킨 화학물질 농도
(나) 플라스틱 시료에 대한 추출 용매 및 추출 방법 확립
다양한 극성을 가진 용매를 이용하여 가장 효율적인 추출 용매를 선정하였다. 용매는 극성도를 고려하여 다음과 같이 선택하였다. 헥산(polarity Index: 0.1), 디클로르메탄(3.1), 메탄올(5.1), 아세토니트릴 (Acetonitrile, 5.8)로 선정하였으며, 각 용매 30㎖에 화학물질이 흡착된 플라스틱(0.3g)을 담궈 3일 동안 추출하였다(하루 30㎖씩, 총 90㎖). 추출한 용매는 질소농축하고, GC-MS와 LC-MS/MS를 사용하여 정 성
·
정량하였다. 추출효율이 가장 좋은 용매에서 검출된 값을 100%로 설정해서, 다른 용매의 결과와 비교 하였다.각 화합물에 따라 추출효율은 다음과 같은 차이를 보였다. PCBs, PBDEs, γ-HBCD, UV328은 디클로 르메탄 (100%) = 헥산(92%-110%, 101±6%) > 메탄올(23%-101%, 64±32%) > 아세토니트릴 (0%-100%, 62±30%) 순으로 나타났다. BPA는 메탄올(100%) > 아세토니트릴(64%) > 디클로르메탄 (18%) > 헥산(2%) 순으로 높은 효율을 나타냈다. 결과적으로 대부분의 화학물질은 디클로르메탄과 헥산 을 이용하였을 때 플라스틱에 흡착된 화학물질의 추출효율이 높은 것으로 평가되었다. 반면, 극성이 높은 BPA는 메탄올에서 추출효율이 가장 높았다(표 2-3-6, 그림 2-3-14).
Compound (%) Dichloromethane Hexane Methanol Acetonitrile
PCB14 100 92 34 71
PCB50 100 110 54 62
PCB188 100 96 23 61
BDE47 100 102 88 70
BDE154 100 100 99 70
γ
HBCD 100 98 47 0UV328 100 107 101 100
BPA 18 2 100 64
표 2-3-6. 용매에 따른 각 화학물질의 추출효율 비교
a) PCB14, PCB50, PCB188, BDE47, BDE154, γ-HBCD, UV328
DCM Hexane Methanol ACN
Rec o ve ry (%)
0 20 40 60 80 100
b) BPA
DCM Hexane Methanol ACN
Recov e ry (%)
0 20 40 60 80 100
그림 2-3-14. 각 용매에 따른 화학물질 a) PCB14, PCB50, PCB188, BDE47, BDE154, γ-HBCD, UV328, b) BPA 추출효율 값 비교
플라스틱에 흡착시킨 화학물질에 대하여 용매추출 효율이 높게 나타난 디클로르메탄과 헥산을 4:1의 비 율로 혼합하여 다양한 추출방법에 대하여 평가하였다. 화학물질을 흡착시킨 플라스틱을 용매 (DCM:Hexane=4:1, v/v)로 초음파(sonication), 속실렛(soxhlet), ASE (accelerated solvent extraction), Soaking 방법과 비교하였다. 추출방법에 대한 효율은 Soaking (100%) > Sonication (58%-81%, 69±7%) > Soxhlet (41%-85%, 61±14%) > ASE (26%-48%, 36±9%) 순으로 나타났다.
결과적으로 플라스틱에 함유된 비극성 화학물질 추출방법은 Soaking이 가장 적합할 것으로 평가되었다.
Soaking 방법은 열거한 추출방법에 비해 비교적 에너지가 적은 방법으로 함께 추출되는 방해물질의 영향 도 낮은 것으로 나타났다. 단, BPA는 사용한 추출용매(DCM, Hexane)의 극성 영향으로 모든 추출 방법에 서 낮은 효율을 보였다(표 2-3-7, 그림 2-3-15). 이와같이 함유하고 있는 대상 물질에 따라 추출 용매 선택이 가장 우선적인 것으로 평가된다. 따라서 기체크로마토그래피를 이용한 분석에서는 디클로르메탄과 헥산 혼합용액, 액체크로마토그래피를 이용한 분석에서는 메탄올을 이용하여 추출하였다.