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문제 정의
- 본 연구에서는 해양환경시료에 함유된 TPHs 함량분석 방법을 해양환경공정시험 기준에 등재하기 위해 현 토양오염공정시험기준의 TPHs 시험방법을 근간으로 실제 해저퇴적물과 해양생물 수종의 시료를 대상으로 하여 이의 해양환경시료에의 적용성을 검토하였고, 이를 바탕으로 해양환경시료에 대한 TPHs 분석기준을 새롭게 제안하였다.
제안 방법
- 3) 노말헥산:메틸렌클로라이드 5:5(v/v) 50 mL 순으로 극성을 증가시킨3 가지 용리용매를 차례로 연속하여 통과시켜 o-Terphenyl를 포함한 17 종의 사슬형 탄화수소(50 µg/mL)와 27 종의 방향족 탄화수소(10 µg/mL)(Table 2)의 회수율을 측정하였다.
- 본 연구에서는 해저퇴적물시료와 별불가사리(Asterina pectinifera), 굴(Crassostrea gigas), 다시마(Laminaria japonica)를 SSM과 MSM으로 각각 전처리 한 후 동일한 기기조건으로 정량하였고, 분석결과를 바탕으로 MSM의 타당성을 고찰하였다. SSM과 MSM 전처리 과정의 차이는 SSM과 달리 MSM에 회수율 검정용 표준물질, 황제거용 구리 정제(해저퇴적물시료), 지질(Lipid) 제거용 비누화정제(해양생물시료)를 도입하고, 극성물질을 제거하기 위해 SSM이 소량(0.3 g)의 실리카겔만을 사용하는 데 비해, MSM에서는 실리카겔(5 g)과 알루미나(5 g)를 함께 사용하였다(Fig. 5).
- 이때 총 노말알칸의 농도는 각각 170, 340, 850, 1700, 3400 µg/mL 이며, 조제된 각각의 표준용액을 2 µL씩 주입하여 크로마토그램을 작성하고 이들의 농도와 17개 피이크의 총면적 사이의 검량선을 작성하였다. 검량선 작성 시 총면적은 각 표준용액 농도별로 nC8~nC40 사이의 모든 피이크들의 면적을 수평으로 적분하여 얻은 면적 값에서 메틸렌클로라이드를 동일한 방법으로 주입하여 얻은 크로마토그램의 nC8~nC40 머무름 시간에 해당하는 면적 값을 뺀 값으로 하였다.
- 해저퇴적물시료)를 8개의 정부 공인 토양분석기관에 각 기관이 요구하는 소정의 비용을 지불하고 SSM 방법에 의거한 TPHs 함량 분석을 의뢰하였다. 그리고 회수율을 측정하였는지를 문의하였다. 이 8개 기관에서는 모두 회수율을 측정하지 않는다고 답변하였다.
- 추출된 시료에 1 M NaOH 용액 100 mL을가하여 두 시간 동안 비누화정제한 다음 상온으로 냉각시켰다. 냉각된 시료를 분별 깔데기로 옮기고, 노말헥산으로 3 회 반복하여 유기층만 액-액 추출(Liquid-Liquid Extraction)하였다. 이 시료를 회전농축기를 이용하여 2 mL로 농축하고, 이후 2.
- 먼저, 현 토양오염공정시험기준의 TPHs 분석방법 중 회수율측정방법의 문제점을 정도 관리적 측면에서 검토하였고, 실리카겔과 알루미나를 이용한 정제 방법을 제시하여 시료 정제방법을 보완하였다. 또한 해양환경시료를 해저퇴적물시료와 생물시료로 각각 나누어 해저퇴적물시료는 황을 많이 포함하므로 활성구리를 이용한 황의 제거과정이 반드시 필요하고, 생물시료는 체내에 지질을 많이 포함하므로 비누화정제를 이용한 지질의 제거과정이 반드시 필요함을 정량적으로 고찰하였다. 지금까지의 검토 결과를 바탕으로 해양환경시료용 TPHs 함량 분석방법을 새로 제안하였다.
- 현재 우리나라에는 해저퇴적물시료와 해양생물시료를 위한 규제관리 차원의 TPHs 분석방법이 존재하지 않기 때문에 토양오염 공정시험기준의 제 18항 TPHs(Total Petroleum Hydrocarbons)시험방법을 근간으로 실제 해저퇴적물과 수 종의 해양생물시료를 대상으로 하여 이의 해양환경시료에의 적용성을 검토하였다. 먼저, 현 토양오염공정시험기준의 TPHs 분석방법 중 회수율측정방법의 문제점을 정도 관리적 측면에서 검토하였고, 실리카겔과 알루미나를 이용한 정제 방법을 제시하여 시료 정제방법을 보완하였다. 또한 해양환경시료를 해저퇴적물시료와 생물시료로 각각 나누어 해저퇴적물시료는 황을 많이 포함하므로 활성구리를 이용한 황의 제거과정이 반드시 필요하고, 생물시료는 체내에 지질을 많이 포함하므로 비누화정제를 이용한 지질의 제거과정이 반드시 필요함을 정량적으로 고찰하였다.
- 본 연구에서는 Shimadzu사의 GC-2010 가스크로마토그래피와 GCMS-2010plus 검출기 및 GCMS solution V.2.5 SU1 프로그램을 사용하였고, 시료의 주입은 Shimadzu사의 AOC-20i auto injector 를 이용하였다(Fig. 4).
- 현 토양환경공정시험기준에서는 황, 극성물질, 지질 제거 과정이 기재되어있지 않다. 본 연구에서는 해저퇴적물과 해양 동물 2종, 식물 1 종을 대상으로 SSM과 MSM을 각각 적용하여 그 차이를 정량적으로 평가하였다.
- 본 연구에서는 해저퇴적물시료와 별불가사리(Asterina pectinifera), 굴(Crassostrea gigas), 다시마(Laminaria japonica)를 SSM과 MSM으로 각각 전처리 한 후 동일한 기기조건으로 정량하였고, 분석결과를 바탕으로 MSM의 타당성을 고찰하였다. SSM과 MSM 전처리 과정의 차이는 SSM과 달리 MSM에 회수율 검정용 표준물질, 황제거용 구리 정제(해저퇴적물시료), 지질(Lipid) 제거용 비누화정제(해양생물시료)를 도입하고, 극성물질을 제거하기 위해 SSM이 소량(0.
- 생물시료 처리방법은 토양오염공정시험방법에 나와있지 않으나 토양시료 처리 방법을 그대로 적용하였다. 생물시료 1~2 g을 비이커에 넣고 분말형태가 유지되도록 무수황산나트륨을 적당량 넣어 잘 흔들어 섞은 다음, 회수율 검정용 표준물질 o-Terphenyl(100µg/mL) 1 mL를 주입한 후 원통형 추출용기에 넣었다.
- 무수황산나트륨은 회화로에서 400 ℃로 4시간 가열하여 수분과 불순물을 제거한 후 건조기에 넣어 보관, 사용하였다. 실리카겔과 알루미나는 각각 130 ℃, 350 ℃에서 12시간 방치하여 수분과 불순물을 제거하고, 초순수를 5%(w/w) 첨가하여 비활성화 시킨 후 사용하였다.
- 즉, 회수율 시험이 의무화 되어있지 않다. 이 조항이 실제 시장에서 어떻게 작동하는지 보기 위해 해저퇴적물시료(재료 A. 해저퇴적물시료)를 8개의 정부 공인 토양분석기관에 각 기관이 요구하는 소정의 비용을 지불하고 SSM 방법에 의거한 TPHs 함량 분석을 의뢰하였다. 그리고 회수율을 측정하였는지를 문의하였다.
- 이때 총 노말알칸의 농도는 각각 170, 340, 850, 1700, 3400 µg/mL 이며, 조제된 각각의 표준용액을 2 µL씩 주입하여 크로마토그램을 작성하고 이들의 농도와 17개 피이크의 총면적 사이의 검량선을 작성하였다.
- 또한 해양환경시료를 해저퇴적물시료와 생물시료로 각각 나누어 해저퇴적물시료는 황을 많이 포함하므로 활성구리를 이용한 황의 제거과정이 반드시 필요하고, 생물시료는 체내에 지질을 많이 포함하므로 비누화정제를 이용한 지질의 제거과정이 반드시 필요함을 정량적으로 고찰하였다. 지금까지의 검토 결과를 바탕으로 해양환경시료용 TPHs 함량 분석방법을 새로 제안하였다.
- 현재 우리나라에는 해저퇴적물시료와 해양생물시료를 위한 규제관리 차원의 TPHs 분석방법이 존재하지 않기 때문에 토양오염 공정시험기준의 제 18항 TPHs(Total Petroleum Hydrocarbons)시험방법을 근간으로 실제 해저퇴적물과 수 종의 해양생물시료를 대상으로 하여 이의 해양환경시료에의 적용성을 검토하였다. 먼저, 현 토양오염공정시험기준의 TPHs 분석방법 중 회수율측정방법의 문제점을 정도 관리적 측면에서 검토하였고, 실리카겔과 알루미나를 이용한 정제 방법을 제시하여 시료 정제방법을 보완하였다.
- 회수율 측정은 o-Terphenyl 표준 시약을 측정시료에 첨가하여 측정하도록 수정한다. ‘1.
대상 데이터
- nC8~nC40까지의 짝수개 노말 알칸 17 종(nC8 , nC10, nC12, nC14, nC16, nC18, nC20, nC22, nC24, nC26, nC28, nC30, nC32, nC34, nC36, nC38, nC40)을 포함하는 Chem Service 사의 Florida TPH Standard mixture를 사용하여 10, 20, 50, 100, 200 µg/mL의 농도로 각각 5 개의 표준용액을 제조하였다(Fig. 3).
- 수분제거를 위한 무수황산나트륨(Anhydrous Sodium Sulfate, Na2SO4)과 황을 제거하기 위한 구리는 99 % 순도(< 75 micron)의 Sigma-Aldrich사 제품을 사용하였고, 구리는 Merk사의 GR 등급 질산(Nitric acid, HNO3)으로 세척하여 사용하였다. 극성물질 제거를 위해 Sigma-Aldrich사의 923 등급(100~200 mesh) 실리카겔(Silica gel, SiO2)과 Merck사의 중성(70~230 mesh) 알루미나(Aluminum oxide, Al2O3)를 사용하였다. 비누화정제에 사용한 수산화나트륨(Sodium Hydroxide, NaOH)과 메탄올(Methanol, CH3OH)은 각각 97% 순도의 Sigma-Aldrich사 제품과 J.
- 또한 구리에 묻은 질산은 Milipore사의 Mili-Q® Advantage A10으로 제조한 초순수를 사용하여 세척하였고, 정제를 끝낸 시료는 99.999 % 순도 (N50)의 질소기체로 농축하였다.
- 비누화정제에 사용한 수산화나트륨(Sodium Hydroxide, NaOH)과 메탄올(Methanol, CH3OH)은 각각 97% 순도의 Sigma-Aldrich사 제품과 J.T.Baker사의 ULTRA RESI-ANALYZED®등급을 사용하였다.
- 수분제거를 위한 무수황산나트륨(Anhydrous Sodium Sulfate, Na2SO4)과 황을 제거하기 위한 구리는 99 % 순도(< 75 micron)의 Sigma-Aldrich사 제품을 사용하였고, 구리는 Merk사의 GR 등급 질산(Nitric acid, HNO3)으로 세척하여 사용하였다.
- 시료의 TPHs 추출을 위해 메틸렌클로라이드(Methylene Chloride, CH2 Cl2 )는 J.T.Baker사의 ULTRA RESI-ANALYZED®등급, 노말헥산(n-Hexane, CH3CH2CH2CH2CH2 CH3 )과 아세톤(Acetone, CH3 COCH3)은 Sigma-Aldrich사의 CHROMASOV®등급을 사용하였다.
- 실험에 사용한 모든 유리초자들은 PYREX® 재질로서, 실험 전 세척제(Extran® MA 02, Merk)로 세척하고 회화로에서 400 ℃로 12시간 이상 방치시킨 후 다시 아세톤과 노말헥산으로 3회 세척한 것을 사용하였다.
- 우리나라(부산남항, 장생포)에서 채취한 연안해저 해저퇴적물을 혼합하여 동결건조 후 1 mm 채로 거른 시료로서, 본 연구팀이 자료의 정도관리를 위해 내부적으로 사용하는 해저퇴적물을 이용하였다. 이 해저퇴적물은 앞의 “기구세척” 편에서와 같이 세척한 갈색 유리 용기에 내부가 테플론 재질로 이루어진 마개를 사용하여 실험 전까지 냉장보관하였다.
- Baker사의 ULTRA RESI-ANALYZED®등급을 사용하였다. 정량용 표준 시약과 회수율 검정용 표준 시약, 그리고 내부표준물질용 표준 시약은 각각 Chem Service사의 Florida TPH Standards mixture와 o-Terphenyl, 그리고 Tetrachloro-m-xylene (TCMX)을 사용하였다. 또한 구리에 묻은 질산은 Milipore사의 Mili-Q® Advantage A10으로 제조한 초순수를 사용하여 세척하였고, 정제를 끝낸 시료는 99.
- 태안 인근 해빈(36° 46.211'N, 126° 7.390'E)에서 유류에 오염된 모래시료를 채취하였다.
- 태안 인근 해빈에서 별불가사리(Asterina pectinifera)(36°46.772'N,126°7.656'E), 굴(Crassostrea gigas)과 다시마(Laminaria japonica)(36°46.211'N, 126°7.390'E)를 채취하였다.
- 환경시료에 존재하는 지질류는 에스터(Eater: R-COO-R), 케톤 (Ketone: R-CO-R), 스테로이드계 화합물(Steroid Compounds)이다. 비누화정제(Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 비극성용매인 헥산(Polarity Index: 0)과 극성용매인메틸렌클로라이드(Polarity Index: 3.1)(Di Matino et al.[2007])를 용리용매로 하여 이들의 최적의 혼합비와 사용량을 찾기 위해 해양과학계에서 사용되고 있는 여러 용리방법과 조건들(Abdul et al.[1992]; Alejandro et al.[2003]; Fuoco et al.[2005]; Muijs et al.[2009]; UNEP[1992]; 1995; EPA [1996])을 참고하였다. 실리카겔과 알루미나를 각각 5g씩 순차로 충진한 유리관에 1) 노말헥산 100 mL, 2) 노말헥산:메틸렌클로라이드 8:2(v/v) 50 mL, 3) 노말헥산:메틸렌클로라이드 5:5(v/v) 50 mL 순으로 극성을 증가시킨3 가지 용리용매를 차례로 연속하여 통과시켜 o-Terphenyl를 포함한 17 종의 사슬형 탄화수소(50 µg/mL)와 27 종의 방향족 탄화수소(10 µg/mL)(Table 2)의 회수율을 측정하였다.
- 해저퇴적물시료와 해양생물시료를 토양환경공정시험기준(제 18항석유계총탄화수소(TPH)의 1.4에기술된방법, 이하 Soil Standard Method, SSM)과 해양과학계에서 널리 통용되는 분석방법(이하 Marine Standard Method, MSM)(UNEP/ISO/IAEA [1992], [1995]; EPA 8015D [2003]; Douglas GS et al. [1992]; Christopher MR et al. [1999]; Tolosa et al. [2005])의 두 가지 방법으로 전처리하였다.
성능/효과
- 이 8개 기관에서는 모두 회수율을 측정하지 않는다고 답변하였다. 8개 기관에서 측정된 TPHs 함량은 최소 620 mg/kg에서 최대 7,950 mg/kg으로, 기관간의 차이가 매우 컸다. 본 연구에서도 SSM 방법으로 8 회 독립적으로 분석하고 회수율을 측정한 결과, 회수율은 68~89 %였고, 측정치는 최소 1,270 mg/kg에서 최대 1,560 mg/kg이었으며, 평균치와 표준편차는 각각 1,370 mg/kg, 90 mg/kg이고, 상대표준편차 (%RSD)는 10 이었다(Table 1).
- 별불가사리, 굴, 다시마 시료에 함유된 TPHs 함량은 비누화정제를 거치지 않은 경우가 각각 1,690 mg/kg, 4,170 mg/kg, 660 mg/kg이고, 비누화정제를 거친 경우는 각각 510 mg/kg, 1,450 mg/kg, 470 mg/kg으로 나타났다. 즉, 비누화정제를 거치지 않은 함량이 비누화정제를 거친 함량보다 각각 230%, 187%, 42% 높게 측정되었다(Fig.
- 일반적으로 황은 구리로 제거한다. 본 연구에 사용한 해저퇴적물에서 황을 제거하지 않은 경우, 크로마토그램에서 바탕선 들뜸 현상이 확인되었다(Fig. 8(a)).
- 8개 기관에서 측정된 TPHs 함량은 최소 620 mg/kg에서 최대 7,950 mg/kg으로, 기관간의 차이가 매우 컸다. 본 연구에서도 SSM 방법으로 8 회 독립적으로 분석하고 회수율을 측정한 결과, 회수율은 68~89 %였고, 측정치는 최소 1,270 mg/kg에서 최대 1,560 mg/kg이었으며, 평균치와 표준편차는 각각 1,370 mg/kg, 90 mg/kg이고, 상대표준편차 (%RSD)는 10 이었다(Table 1).
- 6). 실제 이 시료에 nC39와 o-Terphenyl를 함께 회수율 검정용 표준액으로하여 회수율을 측정하였을 때, oTerphenyl의 회수율은 79%인 반면, nC39의 회수율은 120%로 oTerphenyl의 회수율 보다 41% 과대 측정되었다. 이는 시료가 함유하고 있는 nC39의 농도가 회수율 측정에 반영된 것으로 판단할수 있다.
- 위와 같이 극성을 달리한 3 가지 용매에 대해 각각의 용출 성능을 조사하면 17 종의 사슬형 탄화수소와 o-Terphenyl은 노말헥산 30 mL에 모두 용출되었고, 방향족 탄화수소는 노말헥산 30 mL와 노말헥산:메틸렌클로라이드 8:2 50 mL를 순차로 사용하였을 때 모두 용출되었다. 또한 노말헥산:메틸렌클로라이드 5:5 50mL에서는 탄화수소가 용출되지 않았다(Fig.
- 별불가사리, 굴, 다시마 시료에 함유된 TPHs 함량은 비누화정제를 거치지 않은 경우가 각각 1,690 mg/kg, 4,170 mg/kg, 660 mg/kg이고, 비누화정제를 거친 경우는 각각 510 mg/kg, 1,450 mg/kg, 470 mg/kg으로 나타났다. 즉, 비누화정제를 거치지 않은 함량이 비누화정제를 거친 함량보다 각각 230%, 187%, 42% 높게 측정되었다(Fig. 8, Table 3).
- 8(b)) 황을 제거하지 않은 경우(SSM)에는 1,370 mg/kg이었다. 즉, 황을 제거하지 않으면 본 연구에 사용한 해저퇴적물의 TPHs 함량이 50% 과다 정량 될 수 있음을 보여주었다.
- 실리카겔과 알루미나를 각각 5g씩 순차로 충진한 유리관에 1) 노말헥산 100 mL, 2) 노말헥산:메틸렌클로라이드 8:2(v/v) 50 mL, 3) 노말헥산:메틸렌클로라이드 5:5(v/v) 50 mL 순으로 극성을 증가시킨3 가지 용리용매를 차례로 연속하여 통과시켜 o-Terphenyl를 포함한 17 종의 사슬형 탄화수소(50 µg/mL)와 27 종의 방향족 탄화수소(10 µg/mL)(Table 2)의 회수율을 측정하였다. 컬럼을 통과한용리액은 10 mL씩 나누어 용리용매의 극성에 따른 용출상태를 GC-MSD로 확인하였고, o-Terphenyl를 포함한 17 종의 사슬형 탄화수소의 회수율은 80~160%, 27 종의 방향족 탄화수소의 회수율은 73~117%였다.
후속연구
- 둘째, 오염되지 않은 토양시료를 행정청에서 공급하거나 시장에서 구매할 수 없는 실정에서는 오염 되지 않은 토양시료를 구하기 위해 후보 토양에 대해 TPHs의 오염 확인을 위한 추가적인 조사가 필요하고, 이에는 상당한 시간과 비용이 소요될 것이다. 한편, 우리나라 전국 1,500 개 토양측정망에서 조사한 TPHs 평균은 22 mg/kg이고, 임야, 답, 전, 과수원, 목장용지, 학교, 공원, 체육용지, 유원지, 하천부지에 위치한 측정지점에서는 ‘0’으로 보고되었다(환경부[2007]).
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