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문제 정의
- 본 연구에서는 제주지역의 활엽수를 대표하는 수종을 각각 선정하여 수목에서 배출되는 VOCs의 주요 성분인 isoprene과 monoterpene의 배출 속도를 측정하고 그 배출 특성을 파악하고자 하였다.
- 따라서 우리나라 전체적인 BVOCs 배출량을 정확하게 파악하기 위해서는 지역에 분포하고 있는 식생 종류별로 배출속도 측정이 필수적이며, 특히 지리적인 특성이 반영되는 배출특성 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 제주지역의 활엽수를 대표하는 수종을 선정하여 수목에서 배출되는 BVOCs의 주요 성분인 isoprene과 monoterpenes의 배출 속도를 측정하여 수종별, 계절별 BVOCs의 배출 특성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- BVOC의 채취장치는 샘플러(Sigma MP Σ30, Japan)를 장착하여 외부 공기 유입이나 시료의 외부누출에 따른 손실을 최소화시켰다.
- chamber내 흐름이 정상상태를 달성한 후에 샘플러(Sigma MP-30, Japan)로써 100 mℓ/min 유량으로 isoprene과 monoterpene 시료를 각각 30분간씩 채취하였다. monoterpene은 300 mg Tenax TA(60/80 mesh, Supelco, USA), isoprene은 300 mg Carbotrap 300(60/80 mesh, Supelco, USA)을 이용하였다.
- 그림에서 보듯이 chamber로 유입되는 제로공기 및 기체 시료 유출량의 정확성을 유지하기 위해 유입 공기통 입구에 순간유량계(Dwyer RMA 26SSV, USA) 및 MFC(Mass Flow Controller: KOFLOC 8500MC, Japan)를 설치하고 chamber 출구에는 샘플러(Sigma MP Σ300, Japan)를 사용하여 유입량과 동일한 유량으로 흡입시켜 chamber 안의 유량이 평형으로 유지되도록 하였다.
- 수목의 잎가지는 지상으로부터 약 2 m~5 m 높이에 위치하므로 이들 잎가지를 대상으로 기체시료를 채취하기 위해 시료 채취용 chamber 거치대를 별도로 제작하였으며, 높이와 각도를 조절할 수 있도록 제작하였다.
- 25 mm, 1 ㎛)이 사용되었다. 액상표준액 기화 장치인 ATIS(Adsorbent Tube Injector System, Supelco, USA)를 이용하여 표준가스를 10~100 ng 범위의 단계별로 조제하여 사용하였다. 정량분석을 위해서는 Sim mode(Select ion monitering mode)방식과 외부 표준법(external standard method)을 사용하였으며, 주입된 양과 피크 면적과의 비를 이용하여 정량하였다.
- 시료채취는 2007년 6월부터 2008년 12월까지 수종별로 36~48회에 걸쳐 채취하였다. 채취는 주간 및 야간을 구분하여 채취하였으며, 주간은 기온이 가장 높은 13시부터 17시까지 시간간격으로 30분 동안 4회 채취하였고 야간은 20시부터 22시까지 시간간격으로 2회 채취하였다.
- 흡착트랩의 안정화는 ATC-07(KNR(주), KOR)을 이용하여 2시간 동안 50 mL/min 이상의 질소가스를 이용하여 세척시켰으며, 사용 전에 흡착관 안정화 상태를 확인하기 위하여 공시험(blank test)을 거쳤다.
대상 데이터
- chamber내 흐름이 정상상태를 달성한 후에 샘플러(Sigma MP-30, Japan)로써 100 mℓ/min 유량으로 isoprene과 monoterpene 시료를 각각 30분간씩 채취하였다. monoterpene은 300 mg Tenax TA(60/80 mesh, Supelco, USA), isoprene은 300 mg Carbotrap 300(60/80 mesh, Supelco, USA)을 이용하였다.
- 본 연구에서 연구 대상 수종을 선정함에 있어서 활엽수의 분포면적을 고려하여 선정하였으며, 제주지역의 활엽수 평균 수령이 45년 정도임을 고려하여 4령인 수종을 선정하였다. 그리고 주변 수목들의 평균적인 높이를 고려하여 수고가 10 m 내외인 수종들을 선정하였다. 본 연구에서 선정한 수종은 서어나무(Carpinus laxiflora Siebold ＆ Zucc.
- 본 연구에 사용한 dynamic flow through chamber는 BVOCs 시료 채취시 시료의 변질, 손실 방지 및 외부 환경을 충분히 고려하여 15.7 ℓ(50 ㎝×20 ㎝)의 원통형으로 제작하였다.
- 그리고 주변 수목들의 평균적인 높이를 고려하여 수고가 10 m 내외인 수종들을 선정하였다. 본 연구에서 선정한 수종은 서어나무(Carpinus laxiflora Siebold ＆ Zucc.), 졸참나무(Quercus serrata Thunberg), 때죽나무(Styrax japonicus Siebold ＆ Zucc.), 상수리나무(Quercus acutissima Carruth.), 그리고 물참나무(Quercus crispula Blume)이다.
- 본 연구에서 연구 대상 수종을 선정함에 있어서 활엽수의 분포면적을 고려하여 선정하였으며, 제주지역의 활엽수 평균 수령이 45년 정도임을 고려하여 4령인 수종을 선정하였다. 그리고 주변 수목들의 평균적인 높이를 고려하여 수고가 10 m 내외인 수종들을 선정하였다.
- 시료 채취지역은 한라산 국립공원 인근지역인 한라생태숲을 중심으로 인근 활엽수 산림지역에서 수종별 나뭇잎 시료에서 BVOCs을 채취하였다. 시료채취는 2007년 6월부터 2008년 12월까지 수종별로 36~48회에 걸쳐 채취하였다.
- 시료 채취지역은 한라산 국립공원 인근지역인 한라생태숲을 중심으로 인근 활엽수 산림지역에서 수종별 나뭇잎 시료에서 BVOCs을 채취하였다. 시료채취는 2007년 6월부터 2008년 12월까지 수종별로 36~48회에 걸쳐 채취하였다. 채취는 주간 및 야간을 구분하여 채취하였으며, 주간은 기온이 가장 높은 13시부터 17시까지 시간간격으로 30분 동안 4회 채취하였고 야간은 20시부터 22시까지 시간간격으로 2회 채취하였다.
이론/모형
- 정량분석을 위해서는 Sim mode(Select ion monitering mode)방식과 외부 표준법(external standard method)을 사용하였으며, 주입된 양과 피크 면적과의 비를 이용하여 정량하였다. BVOCs 시료의 검출한계를 계산하기 위해 MDL(Method Detection Limit) 방법을 사용하였다. MDL은 signal 대 noise(S/N)의 값을 고려하였으며 S/N비가 3배가 되는 농도기준으로 7회 반복 분석한 농도에 대한 표준편차를 이용하여 MDL 구한 결과 0.
- 액상표준액 기화 장치인 ATIS(Adsorbent Tube Injector System, Supelco, USA)를 이용하여 표준가스를 10~100 ng 범위의 단계별로 조제하여 사용하였다. 정량분석을 위해서는 Sim mode(Select ion monitering mode)방식과 외부 표준법(external standard method)을 사용하였으며, 주입된 양과 피크 면적과의 비를 이용하여 정량하였다. BVOCs 시료의 검출한계를 계산하기 위해 MDL(Method Detection Limit) 방법을 사용하였다.
- 채취된 흡착관은 자동 열탈착장치(PERKIN ELMER, TurboMatrix ATD, USA)를 이용하여 295℃에서 40 mL/min 유량으로 10분간 탈착되어 -30℃로 유지되는 cold trap에 농축되고 다시 310℃까지 급속 가열하여 탈착시키고 205℃ transfer line을 통해 GC/MS injection valve(195 ℃)로 주입된다. 정성 및 정량분석 모두 GC/MS(PERKIN ELMER, Clarus 500, USA)를 이용하였으며, 정성분석은 Scan mode에서 NIST(National Institute of standard and Technology) Library을 이용하여 채취된 BVOCs의 정성분석에 이용하였다. GC/MSD용 column으로는 Elite 1(60 m×0.
성능/효과
- 3는 활엽수 수종별 monoterepene 성분의 배출 속도 분포를 나타낸 것이다. Fig. 3에서 보면 서어나무의 monoterpene 배출속도가 다른 활엽수들보다 다소 높은 값을 보였으며 졸참나무가 상대적으로 적은 값을 보였다. 하지만 연구 대상 활엽수의 monoterpene 평균 배출속도는 대부분 0.
- BVOCs 시료의 검출한계를 계산하기 위해 MDL(Method Detection Limit) 방법을 사용하였다. MDL은 signal 대 noise(S/N)의 값을 고려하였으며 S/N비가 3배가 되는 농도기준으로 7회 반복 분석한 농도에 대한 표준편차를 이용하여 MDL 구한 결과 0.5~1ng(n=7)로 추정되었으며, 이 값은 현장의 시료채취 유량(3ℓ)을 고려하면 약 16~63 pptv 수준인 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 나타난 졸참나무와 상수리나무의 isoprene 배출 속도를 국내 금성산에서 조사된 배출속도와 비교할 때, 졸참나무는 금성산의 1/2배 정도에 지나지 않았으나, 상수리나무는 상대적으로 다소 큰 배출속도를 보였다. 그리고 외국의 참나무속 배출속도 결과와 비교해 보면 졸참나무는 다소 큰 값을 보인 반면 물참나무는 적은 것으로 나타났다. 또한 서어나무인 경우 외국의 동일속(Carpinus) 보다 다소 큰 값을 보였다.
- 45 ㎍ gdw-1hr-1로서 타 수종들에 비해 월등히 큰 배출속도를 보였으며 그 변동 범위도 큰 것을 볼 수 있다. 그리고 졸참나무와 동일 속(屬)인 물참나무와 상수리나무와도 큰 차이를 보였다. 현장에서 측정된 isoprene의 배출속도를 타 연구결과와 비교하기 위해 표준조건 (30℃, 1,000 μmol m-2sec-1)으로 나타내어 Table 1에 나타냈다.
- 4에서 보면 잎 온도는 isoprene 배출속도의 온도보정계수로서 외부 기온의 영향을 지배적으로 받기 때문에 기온과 하루 중 비슷한 변동특성을 보인다. 따라서 잎 온도(기온)가 가장 높은 시간대인 13시~14시에 가장 높은 배출속도를 보였으며 오후시간대로 갈수록 배출속도가 낮아지는 추세를 보였다.
- 현장에서 측정된 isoprene의 배출속도를 타 연구결과와 비교하기 위해 표준조건 (30℃, 1,000 μmol m-2sec-1)으로 나타내어 Table 1에 나타냈다. 본 연구에서 나타난 졸참나무와 상수리나무의 isoprene 배출 속도를 국내 금성산에서 조사된 배출속도와 비교할 때, 졸참나무는 금성산의 1/2배 정도에 지나지 않았으나, 상수리나무는 상대적으로 다소 큰 배출속도를 보였다. 그리고 외국의 참나무속 배출속도 결과와 비교해 보면 졸참나무는 다소 큰 값을 보인 반면 물참나무는 적은 것으로 나타났다.
- 제주도에 분포하는 활엽수에서의 isoprene 배출속도를 보면 졸참나무가 1.03~29.45 ㎍ gdw-1hr-1 (평균 10.60 ㎍ gdw-1hr-1)로서 타 수목에 비해 월등히 큰 값을 보였으며 그 변화폭도 큰 것으로 나타났다. 졸참나무와 동일 속인 물참나무와 상수리나무에서는 졸참나무에 비해 상대적으로 낮은 배출속도를 보였다.
- 60 ㎍ gdw-1hr-1)로서 타 수목에 비해 월등히 큰 값을 보였으며 그 변화폭도 큰 것으로 나타났다. 졸참나무와 동일 속인 물참나무와 상수리나무에서는 졸참나무에 비해 상대적으로 낮은 배출속도를 보였다. 이러한 결과는 토양이나 기후 등 수목의 서식환경에 따라 배출속도에서 차이를 보이는 것으로 추정된다.
- 특히 활엽수에서 α-pinene과 β-pinene의 구성비율은 침엽수에서 이들의 구성비율 (α-pinene 20~40%, β-pinene 10% 내외)보다 10~20% 이상 높은 기여도를 보였다.
- 활엽수의 isoprene 배출속도는 여름철에 높고 겨울철에 가장 낮은 값을 보였는데, 이는 isoprene의 배출이 PAR의 강도 및 잎 온도와 밀접한 상관이 있기 때문이다. 활엽수에서 isoprene은 잎 온도가 높고 광합성이 활발한 시간대(13시~14시)에 가장 높은 배출속도를 보였으나 야간시간대에는 배출이 없는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 수목에서 isoprene 배출 자체가 광합성에 의한 것이므로 광합성에 필요한 PAR이 존재하는 주간에만 배출되는 것으로 추정된다.
- 활엽수에서 배출되는 monoterpene 성분은 침엽수와 비교하면 일부 성분만이 제한적으로 배출되는 것으로 확인되었으며, 확인된 monoterpene 성분들(α-pinene, β-pinene, d-limonene 및 camphene)의 배출 속도에의 기여도는 침엽수의 경우에 비해 높은 경향을 보였다.
후속연구
- 따라서 우리나라 전체적인 BVOCs 배출량을 정확하게 파악하기 위해서는 지역에 분포하고 있는 식생 종류별로 배출속도 측정이 필수적이며, 특히 지리적인 특성이 반영되는 배출특성 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 제주지역의 활엽수를 대표하는 수종을 선정하여 수목에서 배출되는 BVOCs의 주요 성분인 isoprene과 monoterpenes의 배출 속도를 측정하여 수종별, 계절별 BVOCs의 배출 특성을 파악하고자 하였다.
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