우리가 슈퍼마켓에서 사용하는 식료품 봉지든, 샴푸나 세제 병과 같은 생활용품이든, 플라스틱은 우리를 둘러싸고 있다. 플라스틱은 큰 물체로서만 존재하는 것이 아니라 이러한 큰 제품들로부터 방출되는 미세한 입자로도 존재한다. 이 미세플라스틱(microscopic plastic)들은 결국 환경에 놓이게 될 수 있고, 그것들은 우리 몸으로 흡수될 수 있다.

미국 국립표준기술원(NIST; National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 이러한 미세플라스틱을 더 잘 이해하기 위해 널리 사용되는 두 가지 소비자 제품을 분석했다. 연구원들은 플라스틱 제품들이 뜨거운 물에 노출될 때, 1리터(L) 당 수조 개의 나노 입자들을 물 속으로 방출한다는 것을 발견했다.

NIST(국립표준기술원) 연구진은 과학저널인 『환경과학과 기술(Environmental Science and Technology)』에 연구결과를 발표했다.

NIST의 화학자인 크리스토퍼 장마이스터(Christopher Zangmeister) 연구원은 “여기서 가장 중요한 점은 우리가 어디를 보든지 플라스틱 입자가 있다는 것이다. 그 것들이 정말 많이 들어 있다. 리터당 수조 개이다. 그 것이 사람이나 동물에게 건강에 나쁜 영향을 미치는지 여부는 알 수 없다. 우리는 단지 그들이 그곳에 있다는 것에 대해 높은 자신감을 가지고 있을 뿐이다”라고  말했다.

플라스틱 재료의 종류는 매우 다양하지만, 그것들은 모두 큰 분자들이 서로 연결되어 있는 천연 또는 인간이 만든 물질인 고분자로 이루어져 있다. 과학자들은 바다와 많은 다른 환경에서 이러한 더 큰 플라스틱으로부터 미세한 입자들을 발견했다. 연구원들은 그 것들을 미세플라스틱(micro plastic)과 나노플라스틱(nano plastic)의 두 그룹으로 분류한다.

미세플라스틱은 일반적으로 길이가 5밀리미터(mm)보다 작고 육안으로 볼 수 있는 반면, 나노플라스틱은 100만 분의 1m(1㎛ ; 마이크로미터)보다 작고 대부분 표준 현미경으로도 볼 수 없다. 최근 연구는 폴리프로필렌(PP ; polypropylene) 젖병과 나일론 플라스틱 티백(tea bag)과 같이 액체를 담거나 액체와 상호 작용하는 일부 소비자 제품이 이러한 플라스틱 입자를 주변 물 속으로 방출하는 것으로 나타났다.

그들의 연구에서 NIST 연구원들은 두 가지 종류의 상업적인 플라스틱 제품을 조사했다. 첫째는 베이킹 라이너(baking liner)와 같은 식품 등급의 나일론 가방(수분이 손실되는 것을 막기 위해 베이킹 팬에 놓여진 투명한 플라스틱 시트), 그리고 커피 컵과 같은 1회용 뜨거운 음료 컵. 그들이 분석한 음료수 컵은 라이너로 종종 사용되는 부드럽고 유연한 플라스틱 필름인 저밀도 폴리에틸렌(LDPE ; low-density polyethylene )으로 코팅되었다.

LDPE가 들어간 음료수 컵은 100℃에서 20분 동안 물에 노출되었다. 이러한 플라스틱 제품에서 방출되는 나노 입자를 분석하기 위해 연구원들은 먼저 그것들을 감지하는 방법을 결정할 필요가 있었다.

크리스토퍼 장마이스터(Christopher Zangmeister) 연구원은 “일반적인 테이크 아웃 커피잔에 물 한 잔을 마신다고 상상해 보세요. 수십억 개의 입자가 있을 수 있고, 우리는 이 나노플라스틱을 찾는 방법을 알아내야 한다. 그것은 마치 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 같다”라고 말했다.

장마이스터 연구원은 이어 “그래서 나와 동료들은 새로운 접근법을 사용해야 했다. 우리는 컵에 있는 물을 가져다가 미세한 안개에 뿌리고, 그 안개와 용액 안에 남아 있는 모든 것을 말리는 방법을 사용했다”라고 덧붙였다. 

이 과정을 통해 나노입자는 용액의 나머지 부분으로부터 분리된다. 그 기술 자체는 이전에 대기 중의 작은 입자들을 감지하기 위해 사용되었다. “그래서, 우리는 바퀴를 재창조하는 것이 아니라 그것을 새로운 영역에 적용하는 것이다”라고 장마이스터는 강조했다.

안개가 건조된 후, 그 안에 있는 나노 입자들은 크기와 전하에 따라 분류되었다. 그 후 연구원들은 특정한 크기, 예를 들어 100나노미터(㎚) 정도의 나노 입자를 특정하고 그것들을 입자 카운터에 전달할 수 있었다. 

나노입자는 알코올의 일종인 부탄올의 뜨거운 증기에 노출되었다가 빠르게 냉각되었다. 알코올이 응축되면서 입자가 나노미터 크기에서 마이크로미터 크기로 부풀어 올라 훨씬 더 쉽게 탐지할 수 있게 되었다. 이 과정은 입자를 세는 컴퓨터 프로그램에 의해 자동화되고 실행된다.

연구원들은 또한 나노입자를 표면에 놓고 고에너지 전자빔을 사용하여 샘플의 고해상도 이미지를 찍는 주사전자현미경(scanning electron microscopy)과 가스, 고체 또는 액체의 적외선 스펙트럼을 포착하는 기술인 푸리에 변환 적외선 분광법(Fourier-transform ; 적외선 분광법)으로 나노입자의 화학적 구성을 확인할 수 있었다. 함께 사용된 이러한 모든 기술은 나노입자의 크기와 구성에 대한 완전한 그림을 제공했다.

그들의 분석과 관찰에서, 연구원들은 나노 입자의 평균 크기가 30 나노미터(㎚)에서 80 나노미터 사이이며, 200 나노미터 이상은 거의 없다는 것을 발견했다. 또한 식품 등급의 나일론에서 뜨거운 물에 방출되는 나노 입자의 농도는 1회용 음료 컵에 비해 7배나 높았다.

크리스토퍼 장마이스터(Christopher Zangmeister) 연구원은 “지난 10년 동안 과학자들은 우리가 환경을 보는 모든 곳에서 플라스틱을 발견했다. 사람들은 빙하의 호수 바닥인 남극 대륙의 눈을 관찰했고 약 100나노미터(㎚) 이상의 미세 플라스틱을 발견했는데, 이것은 그것들이 세포에 들어가 신체적인 문제를 일으킬 만큼 충분히 작지 않다는 것을 의미한다”라고 말했다.

장마이스터 연구원은 특히,“이러한 나노 입자들은 세포 안에 들어가 기능을 방해할 수 있기 때문에 매우 작고 큰 문제이기 때문에 우리의 연구는 다르지만 또한 아무도 그렇게 결정하지 않았다”고 강조했다.

미국 식품의약국(FDA)은 우리가 먹는 음식이나 마시는 물에 닿는 플라스틱을 규제한다. 그 기관은 무엇이 안전한지를 결정하기 위한 기준과 안전 대책을 마련했다. FDA의 연구원들은 이 플라스틱에 대해 엄격한 테스트를 하고 뜨거운 물에 노출되었을 때 얼마나 많은 플라스틱 덩어리가 손실되는지를 측정한다. 

예를 들어, FDA는 식품 등급 나일론(티백에 사용되는 것과 같은)이 고온 조건에서 질량의 1%까지 안전하게 손실될 수 있다고 결정했다. 그들의 새로운 기술을 사용한 NIST의 연구에서 연구원들은 질량의 10분의 1이 손실되었다는 것을 발견했는데, 이것은 안전하다고 여겨지는 것에 대한 현재의 FDA 한계치보다 훨씬 낮다.

장마이스터 연구원은 “커피잔과 같은 샘플에서 물에 방출되는 LDPE를 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 테스트는 없지만 나일론 플라스틱에 대한 테스트는 있다”고 언급했다. 

이 연구의 결과는 그러한 테스트를 개발하려는 노력에 도움이 될 수 있다. 그동안 짱마이스터 연구원과 그의 연구팀은 플라스틱 파이프에 저장된 직물, 면 폴리에스테르, 비닐봉지, 물과 같은 추가적인 소비자 제품과 재료를 분석했다.

이 연구의 연구결과는 분석된 다른 유형의 자료들의 연구 결과와 결합되어 향후 이 분야의 새로운 연구 방법을 열 것”이라면서 “이 주제에 대한 대부분의 연구는 동료 과학자들을 교육하기 위해 작성되었다. 이 논문은 과학자들을 교육시키고 대중의 관심을 끄는 두 가지 모두를 할 것이다”라고 장마이스터 연구원은 말했다.

논문명 : ‘일반적인 일회용 소비자 플라스틱 제품은 정상적인 사용 중에 L당 수조 개의 100nm 이하의 나노입자를 물에 방출한다(Use Consumer Plastic Products Release Trillions of Sub-100 nm Nanoparticles per Liter into Water during Normal Use)’. 

크리스토퍼 장마이스터(Christopher Zangmeister), 제임스 래드니(ames Radney), 커트 벤크스타인(Kurt Benkstein), 버크 칼라니안( Berc Kalanyan) 공동저자.

『환경 과학과 기술(Environmental Science and Technology)』. 2022년 4월 20일 온라인 출간. DOI: 10.1021/acs.est.1c06768

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NIST Study Shows Everyday Plastic Products Release Trillions of Microscopic Particles Into Water

Plastics surround us, whether it’s the grocery bags we use at the supermarket or household items such as shampoo and detergent bottles. Plastics don’t exist only as large objects, but also as microscopic particles that are released from these larger products. These microscopic plastics can end up in the environment, and they can be ingested into our bodies. 

Now, researchers at the National Institute of Standards and Technology (NIST) have analyzed a couple of widely used consumer products to better understand these microscopic plastics. They found that when the plastic products are exposed to hot water, they release trillions of nanoparticles per liter into the water.

The NIST researchers published their findings in the scientific journal Environmental Science and Technology. 

“The main takeaway here is that there are plastic particles wherever we look. There are a lot of them. Trillions per liter. We don’t know if those have bad health effects on people or animals. We just have a high confidence that they’re there,” said NIST chemist Christopher Zangmeister. 

There are many different types of plastic materials, but they are all made up of polymers, natural or human-made substances composed of large molecules linked together. Scientists have found microscopic particles from these larger plastics in the oceans and many other environments. Researchers categorize them into two groups: micro- and nanoplastics. 

Microplastics are generally considered smaller than 5 millimeters in length and could be seen by the naked eye, while nanoplastics are smaller than one millionth of a meter (one micrometer) and most can’t even be seen with a standard microscope. Recent studies have shown some consumer products that hold liquids or interact with them, such as polypropylene (PP) baby bottles and nylon plastic tea bags, release these plastic particles into the surrounding water. 

In their study, the NIST researchers looked at two types of commercial plastic products: food-grade nylon bags, such as baking liners - clear plastic sheets placed in baking pans to create a nonstick surface that prevents moisture loss - and single-use hot beverage cups, such as coffee cups. The beverage cups they analyzed were coated with low-density polyethylene (LDPE), a soft flexible plastic film often used as a liner. 

The LDPE-lined beverage cups were exposed to water at 100 degrees Celsius (212 degrees Fahrenheit) for 20 minutes.

To analyze the nanoparticles released from these plastic products, the researchers first needed to determine how to detect them. “Imagine having a cup of water in a generic to-go coffee cup. It could have many billions of particles, and we would need to figure out how to find these nanoplastics. It’s like finding a needle in a haystack,” Zangmeister said. 

So, he and his colleagues had to use a new approach. “We used a way of taking the water that’s in the cup, spraying it out into a fine mist, and drying the mist and all that’s left within the solution,” said Zangmeister. Through this process, the nanoparticles are isolated from the rest of the solution.

The technique itself has previously been used to detect tiny particles in the atmosphere. “So, we’re not reinventing the wheel but applying it to a new area,” said Zangmeister.

After the mist was dried, the nanoparticles in it were sorted by their size and charge. Researchers could then specify a particular size, for example nanoparticles around 100 nanometers, and pass them into a particle counter. The nanoparticles were exposed to a hot vapor of butanol, a type of alcohol, then cooled down rapidly. As the alcohol condensed, the particles swelled from the size of nanometers to micrometers, making them much more detectable. This process is automated and run by a computer program, which counts the particles. 

Researchers could also identify the chemical composition of the nanoparticles by placing them on a surface and observing them with techniques known as scanning electron microscopy, which takes high-resolution images of a sample using a beam of high-energy electrons, and Fourier-transform infrared spectroscopy, a technique that captures the infrared-light spectrum of a gas, solid or liquid. 

All these techniques used together provided a fuller picture of the size and composition of the nanoparticles.

In their analysis and observations, the researchers found that the average size of the nanoparticles was between 30 nanometers and 80 nanometers, with few above 200 nanometers. Additionally, the concentration of nanoparticles released into hot water from food-grade nylon was seven times higher compared with the single-use beverage cups.

“In the last decade scientists have found plastics wherever we looked in the environment. People have looked at snow in Antarctica, the bottom of glacial lakes, and found microplastics bigger than about 100 nanometers, meaning they were likely not small enough to enter a cell and cause physical problems,” said Zangmeister. 

“Our study is different because these nanoparticles are really small and a big deal because they could get inside of a cell, possibly disrupting its function,” said Zangmeister, who also stressed that no one has determined that would be the case. 

The U.S Food and Drug Administration (FDA) regulates the plastics that touch the food we eat or the water we drink. The agency has standards and safety measures in place to determine what’s safe. The FDA’s researchers run rigorous tests on these plastics and measure how much plastic mass is lost when exposed to hot water. For example, the FDA has determined that food grade nylon (such as that used in tea bags) can safely lose up to 1% of its mass under high-temperature conditions. In the NIST study using their new technique, the researchers found one tenth of a percent of the mass was lost, which is significantly below current FDA limits for what’s considered safe.

Zangmeister noted there isn’t a commonly used test for measuring LDPE that is released into water from samples like coffee cups, but there are tests for nylon plastics. The findings from this study could help in efforts to develop such tests. In the meantime, Zangmeister and his team have analyzed additional consumer products and materials, such as fabrics, cotton polyester, plastic bags and water stored in plastic pipes. 

The findings from this study, combined with those from the other types of materials analyzed, will open new avenues of research in this area going forward. “Most of the studies on this topic are written toward educating fellow scientists. This paper will do both: educate scientists and perform public outreach,” said Zangmeister.

Paper: Christopher Zangmeister, James Radney, Kurt Benkstein and Berc Kalanyan. Common Single-Use Consumer Plastic Products Release Trillions of Sub-100 nm Nanoparticles per Liter into Water during Normal Use. Environmental Science and Technology. Published online April 20, 2022. DOI: 10.1021/acs.est.1c06768

[출처=미국국립표준기술원(https://www.nist.gov/news-events/news/2022/04/nist-study-shows-everyday-plastic-products-release-trillions-microscopic) / 2022년 4월 20일]