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문제 정의
- 최근 이 등[2010]의 마산만 봉암갯벌 중금속 연구는 3년 전후 비교를 통해 다소 개선된 결과를 제시하고 있으나 마산만 전 지역의 비교자료가 없는 까닭에 한정된 지역의 현상에 국한될 수밖에 없다. 본 연구는 마산만과 진해만 전 해역의 공간적 변화를 파악할 수 있도록 보다 밀집된 격자형 정점으로부터 퇴적물을 채취, 분석함으로써 중금속 자료의 지역적 대표성을 확보하였고, 또한 시간적으로 중금속 오염이 가장 심화된 시기를(우 등[2003]) 대표한다. 준설이 활발한 해역에서 주상시료에 의한 오염역사를 추적하기는 한계가 있을 것이며, 따라서 연구지역의 전기 중금속 자료는 오염의 양상을 해석하는 후속 연구에 있어 중요한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
제안 방법
- 남해 동부해안의 마산만과 진해만 해저에서 각각 31개와 65개 표층퇴적물을 채취하여 입도 및 수종 중금속원소(Al, Fe, Mn, Cr, Cu, Ni, Zn, Pb, As, Cd)를 분석하였다.
- 농축비의 비교 및 퇴적물 환경기준의 적용을 통해 파악된 마산만 퇴적물의 중금속 오염을 보다 세부적으로 평가하기 위하여 오염의 강도를 geoaccumulation index 즉, Igeo 값에 준거하여 구분하였으며, Müller[1979]의 분류기준에 따라 각 오염단계에 해당되는 시료의 수를 정리하였다(Table 6).
- 1N 질산을 넣어 중금속을 용출하였다. 용출된 중금속은 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS)를 이용하여 측정하였으며, 10개 항목(Al, Fe, Mn, Cr, Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, As)이 분석되었다. 분석값은 표준물질(NIST 1646a)을 시료와 병행 분석하여 검증하였으며, 그 결과 정밀도는 4% 이내, 정확도는 ±7% 이내로 나타났다(Table 1).
- 1). 퇴적물은 van-Veen 채니기를 이용하여 채취하였으며, 이 퇴적물에서 입도와 화학분석을 위한 부시료를 취한 후 실험실에서 분석에 필요한 조치를 추가하였다.
- 퇴적물의 입도는 원시료에 과산화수소와 묽은 염산을 차례로 넣어 유기물과 탄산염을 제거한 후 4ø 체로 습식분리한 다음 조립질 부분은 표준체를 이용한 건식체질 방법으로, 세립질 부분은 자동입도분석기(Micromeritics, Sedigraph-5100)로 분석하였다.
- 간편한 표준화 방법으로 보존성원소에 대한 비는 금속/보존성원소(Al) 값을 표준물질의 그것과 비교해 이른바 농축비(enrichment ratio)를 구함으로써 해당 금속의 농축을 쉽게 검토할 수 있다(Ackermann[1980]; Li[1981]). 표준물질의 배경농도는 퇴적환경의 근원지물질을 추적, 분석하여 사용하는 것이 가장 이상적이나 아직까지 우리나라 주변해역 근원지물질의 배경농도에 대한 뚜렷한 기준이 없는 까닭에 본 연구에서는 지각의 평균함량을(Martin and Whitfield[1983]) 배경농도로 간주하여 농축비를 구하고 그 결과를 Fig. 10에 도시하였다.
대상 데이터
- 연안 해저 퇴적물의 중금속 오염평가를 위한 연구의 일환으로 1998년 5월 진해만에서 65개, 마산만에서 31개 퇴적물을 채취하였다(Fig. 1). 퇴적물은 van-Veen 채니기를 이용하여 채취하였으며, 이 퇴적물에서 입도와 화학분석을 위한 부시료를 취한 후 실험실에서 분석에 필요한 조치를 추가하였다.
데이터처리
- 금속의 상호 관련성과 내재된 복잡한 특성을 설명할 수 있는 공통요인은 관측되지 않은 잠재 변수로서 각 금속 사이의 관계를 이용해 추정할 수 있다(Cooley and Lohnes[1971]; Davis[1986]). 통계적 추정방법으로 본 연구에서는 R-mode 요인분석을 실시하였으며, 변수들의 분산 중 가능한 많은 부분을 설명하는 소수의 요인을 추출하기 위하여 주성분분석을 통해 고유값(eigenvalue)이 1 이상인 최적요인을 추출하고 각 변수의 적재값(loading value)을 파악하였다(Table 4, Fig. 9). 추출된 3개 요인은 총 분산의 77.
이론/모형
- 은 표준물질의 배경농도를 나타낸다. 배경농도는지각의평균함량을(Martin and Whitfield[1983]) 이용하였으며, 평가는 31개 마산만 시료를 대상으로 하였다.
- 분석결과는 시료 전체를 1ø 간격으로 입도별 백분비를 구한 후 Folk[1968]와 McBride[1971]의 방법에 따라 통계처리 하였다.
- 중금속은 원시료를 냉동건조하여 마노유발에서 연마한 다음 산분해법에 따라 분석하였다(Totland[1992]). 퇴적물을 분해하기 위해 먼저 약 0.
성능/효과
- 퇴적물의 입도와 중금속 사이의 관계는 전반적으로 미약한 가운데 중금속 간의 상관관계에서 Cu, Zn, Pb, As 및 Cd가 서로 양호한 관련성을 나타내 이들 중금속이 잠재된 공통요인에 의해 조절되고 있음을 보였다. 각 금속의 함량 및 분포에 가장 큰 영향을 미치는 공통요인을 R-mode 요인분석을 통해 추정한 결과 총 분산의 77.1%를 설명하는 3개 최적요인을 추출하였으며, 그 중 Cu, Zn, Pb, Cd, As 등의 적재값이 높고 총 분산의 약 50%를 설명하는 Factor 1은 오염요인으로 해석되었다.
- 중금속 함량은 진해만에 비해 마산만 퇴적물에서 전반적으로 높았으며, 오염 가능성이 큰 타 우심해역에 비해서도 Fe, Cr, Cu, Zn, Pb, Cd 및 As의 차별적 증가가 뚜렷하였다. 공간적으로는 마산만 서부 및 북서부 해안, 그리고 마산만 북동부의 창원공단 적현부두 해안에서 함량이 현저히 높았으며, 전자의 분포유형에는 Cu, Zn, Pb 및 As가, 후자에는 Cd가 대표적이었다. 최대함량 정점에서 최저함량과 차이는 Cd, Pb, Cu 경우에 각각 17.
- 마산만과 진해만 퇴적물을 분석한 중금속 함량의 범위와 평균을 Table 2에 요약하였다. 마산만 31개 퇴적물에서 중금속 함량은 Cd, Pb, Cu가 각각 17.4배, 12.8배, 12.2배로 가장 차이가 컸으며, Zn과 Ni, Cr도 각각 6.2배, 3.7배, 3.6배로 비교적 큰 차이를 보였다. 함량의 변동(σx/#)은 Cu가 54%로 가장 컸고, Cd 46%, Pb 41%, Zn 38%, 그리고 Cr(22%), As(20%), Ni(17%), Mn(16%), Al(10%), Fe(7%) 순으로 감소하였다.
- 진해만 퇴적물에서는 관리기준에 해당되는 시료는 없었으나 As, Cr, Cu, Ni 등이 선택적으로 NOAA, EC 및 ANZECC의 주의 기준을 초과하였다. 마산만 퇴적물의 중금속 오염을 Igeo 값에 준거하여 평가한 결과 Cd, Pb, Cu 및 Zn의 오염이 가장 뚜렷하였으며, 전체 시료의 각각 93.5%(Cd), 74.2%(Pb), 48.4(Cu, Zn)가 Igeo 2 이상으로 강한 오염단계에 직면 또는 진입한 결과를 보였다. 특히 Cd는 시료의 35.
- 분석값은 표준물질(NIST 1646a)을 시료와 병행 분석하여 검증하였으며, 그 결과 정밀도는 4% 이내, 정확도는 ±7% 이내로 나타났다(Table 1).
- 분석된 금속 중 Mn, Ni를 제외한 모든 원소의 함량이 진해만에 비해 마산만 퇴적물에서 높으며, 소위 오염형 중금속인 Cu, Zn, Pb 및 Cd 함량의 증가가 매우 뚜렷하다. 반면에 Mn 함량은 진해만 퇴적물에서 더 높으며, 특히 진해만 중부권역인 거제도 북단과 마산 남단을 잇는 해역에서 증가하는 모습을 보인다.
- 연구지역 퇴적물의 중금속 함량은 무엇보다 공간적으로 변화가 크고 국지적 상승이 뚜렷하다는 특징이 있으며, 일부 중금속의 경우 오염요인에 의한 조절 가능성이 제시되었다. 그러나 중금속 축적이 인위적인 것이든 혹은 자연적인 것이든 퇴적물의 중금속 농축에 대한 평가는 중금속 함량이 일차적으로 입도의 영향을 받기 때문에 입도에 대한 표준화 과정이 필요하다.
- 중금속 농축을 지각의 평균함량을 배경농도로 계산한 결과 Fe, Cr, Ni는 대부분의 시료에서 1 이하의 농축비를 보인 반면 Cu, Zn, Pb는 다수의 마산만 퇴적물에서 2 이상의 값을 보였다. 특히 Cd 농축비는 진해만 퇴적물에서 평균 2.
- 국지적으로 제한된 지역에 모래 함량이 10% 이상인 사니질 및 니사질퇴적상이 존재하였고 거의 대부분의 해저에 세립질 퇴적물이 분포하였다. 중금속 함량은 진해만에 비해 마산만 퇴적물에서 전반적으로 높았으며, 오염 가능성이 큰 타 우심해역에 비해서도 Fe, Cr, Cu, Zn, Pb, Cd 및 As의 차별적 증가가 뚜렷하였다. 공간적으로는 마산만 서부 및 북서부 해안, 그리고 마산만 북동부의 창원공단 적현부두 해안에서 함량이 현저히 높았으며, 전자의 분포유형에는 Cu, Zn, Pb 및 As가, 후자에는 Cd가 대표적이었다.
- 공간적으로는 마산만 서부 및 북서부 해안, 그리고 마산만 북동부의 창원공단 적현부두 해안에서 함량이 현저히 높았으며, 전자의 분포유형에는 Cu, Zn, Pb 및 As가, 후자에는 Cd가 대표적이었다. 최대함량 정점에서 최저함량과 차이는 Cd, Pb, Cu 경우에 각각 17.4배, 12.8배, 12.2배로 매우 컸으며, Zn과 Ni, Cr도 각각 6.2배와 3.7배, 3.6배로 비교적 컸다. 퇴적물의 입도와 중금속 사이의 관계는 전반적으로 미약한 가운데 중금속 간의 상관관계에서 Cu, Zn, Pb, As 및 Cd가 서로 양호한 관련성을 나타내 이들 중금속이 잠재된 공통요인에 의해 조절되고 있음을 보였다.
- 퇴적물의 입도는 진해만 시료의 92%와 마산만 시료의 81%가 평균입도 8~10ø 크기로 매우 세립하며, 전체 시료의 75%가 점토질퇴적상, 10%가 니질퇴적상에 속하였다.
- 퇴적물의 입도성분 중 실트와 점토의 함량은 각각 13.2~49.5%(평균 25.5±9.3%), 21.5~85.8%(64.2±18.3%)로 점토가 우세하였으며, 모래의 함량은 평균 10.3%(0.9~56.8%)로 낮았다.
- 6배로 비교적 컸다. 퇴적물의 입도와 중금속 사이의 관계는 전반적으로 미약한 가운데 중금속 간의 상관관계에서 Cu, Zn, Pb, As 및 Cd가 서로 양호한 관련성을 나타내 이들 중금속이 잠재된 공통요인에 의해 조절되고 있음을 보였다. 각 금속의 함량 및 분포에 가장 큰 영향을 미치는 공통요인을 R-mode 요인분석을 통해 추정한 결과 총 분산의 77.
- 0으로 타 금속에 비해 가장 높았다. 퇴적물의 중금속 환경기준은 As, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Zn에 대해 마산만 시료의 대부분이 주의기준(ERL, TEL, ISQG-low, ISQV-low)을 초과하였고, 특히 Cu 및 Zn은 시료의 각각 22.6%와 61.3%가 EC 관리기준(PEL)을 초과하였다. 진해만 퇴적물에서는 관리기준에 해당되는 시료는 없었으나 As, Cr, Cu, Ni 등이 선택적으로 NOAA, EC 및 ANZECC의 주의 기준을 초과하였다.
- 중금속 농축을 지각의 평균함량을 배경농도로 계산한 결과 Fe, Cr, Ni는 대부분의 시료에서 1 이하의 농축비를 보인 반면 Cu, Zn, Pb는 다수의 마산만 퇴적물에서 2 이상의 값을 보였다. 특히 Cd 농축비는 진해만 퇴적물에서 평균 2.2, 마산만 퇴적물에서 평균 6.0으로 타 금속에 비해 가장 높았다. 퇴적물의 중금속 환경기준은 As, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Zn에 대해 마산만 시료의 대부분이 주의기준(ERL, TEL, ISQG-low, ISQV-low)을 초과하였고, 특히 Cu 및 Zn은 시료의 각각 22.
- 4(Cu, Zn)가 Igeo 2 이상으로 강한 오염단계에 직면 또는 진입한 결과를 보였다. 특히 Cd는 시료의 35.5%가 Igeo 4 이상으로 매우 강한 단계의 오염에 직면한 가장 심화된 오염상태로 파악되었다.
후속연구
- 본 연구는 마산만과 진해만 전 해역의 공간적 변화를 파악할 수 있도록 보다 밀집된 격자형 정점으로부터 퇴적물을 채취, 분석함으로써 중금속 자료의 지역적 대표성을 확보하였고, 또한 시간적으로 중금속 오염이 가장 심화된 시기를(우 등[2003]) 대표한다. 준설이 활발한 해역에서 주상시료에 의한 오염역사를 추적하기는 한계가 있을 것이며, 따라서 연구지역의 전기 중금속 자료는 오염의 양상을 해석하는 후속 연구에 있어 중요한 기초자료가 될 것으로 기대된다.
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