[논문]2008년 대전지역에서 발생한 황사의 중금속 오염도

이평구; 배법근

doi:10.7857/jsge.2014.19.1.008

2008년 대전지역에서 발생한 황사의 중금속 오염도
Pollution Level of Heavy Metals of Asian Dust in Daejeon Area, 2008 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.19 no.1, 2014년, pp.8 - 25

이평구 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 배법근 (대전대학교 지구시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The aims of this study were to determine concentrations of selected metals in Asian and non-Asian dust collected in Daejeon, Korea between February 2008 and December 2008 and to estimate the pollution level. The geochemical analyses of Asian dust (AD) and Non Asian dust (NAD) show that the mean concentrations of As, Cd, Cu, Pb, Zn, Zr, Sb, Mo and S reached levels up to 16, 209, 31, 43, 81, 28, 31, 122 and 302 times higher, respectively, than those in uncontaminated Chinese desert soils. These results indicate that both AD and NAD serve as an atmospheric repository for trace and heavymetal accumulation. The the enrichment factor (EF) and pollution index (PI) show that AD and NAD were severely contaminated by S, Mo, Zr, Cd, Pb, Zn, Sb, Cu, and As. All indices for these metals showed either strong or notably high level of pollution relative to Chinese desert soil, principally due to the severe atmospheric pollution derived from anthropogenic activities in heavily industrial Chinese cities. Therefore, Mo, Cd, Zr, As, Cu, Sb, Pb, and Zn are the ones most strongly affected by anthropogenic inputs such as airborne pollutants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

은 황사 발원지 사막토양에서 각 미량원소의 평균 함량을 의미한다. 대기부유물의 오염지수는 절대값을 의미한다고 보기 어려우며 같은 기간에 유입된 황사의 오염지수와 비교하기 위한 것이다.

가설 설정

이 침적량이 토양 및 수계환경을 포함한 지표 환경에 침적되었으므로 침적된 황사의 오염정도를 평가할 필요가 있다. 그러나 대기로부터 지표환경에 침적된 침적물의 중금속 오염도를 평가할 수 있는 국내 기준이 없으므로 이번 연구에서는 토양에 침적된 경우만 가정하여 황사에서의 중금속 함량을 토양오염 우려 및 대책기준과 비교하였다.

제안 방법

45µm 필터로 여과한 후 기기분석을 수행하였다. 모든 분석 과정에서 사용한 불산, 과염소산 및 염산은 Merck사의 analytical grade(Suprapur)를 사용하였다.
채취 후의 필터 무게에서 채취 전의 필터 무게를 빼서, 미세먼지의 무게를 구하였다. 석영필터는 무게를 칭량하기에 다소 크기 때문에, 시료 채취 이전에 필터를 4등분하여 각각의 무게를 칭량하도록 하였다. 황사시료는 모두 7회 채취되었으며, 대기부유물은 27회 채취되었고 황사 및 대기부유물의 입도별(TSP, PM₁₀ 및 PM_2.
대기 중 황사 및 대기부유물 시료의 채취는 대전시 유성구 가정동 한국지질자원연구원 제2연구동(3층 건물)의 옥상에서 실시하였으며, 일본 시바타(SIBATA)사의 대용량 공기채집기(High Volume Air Sampler)를 이용하였다. 시료의 채취는 크게 황사 발생 기간(기상청에서 발령하는 황사주의보/경보 기간) 및 비황사 기간으로 구분하였으며, 시료채취 기간 및 채취 방법은 Lee et al.(2012a)에 기재된 바와 동일하다.
이번 연구에서는 2008년에 채집한 황사 및 대기부유물을 대상으로 2007년과 동일한 방법으로 미량원소의 지구 화학적 거동 특성 규명 및 정량적 오염정도를 평가하였으며, 2년 연구결과를 종합하여 비교평가 하였다.
여기서 황사는 황사 기간에 채취한 대기 중 미세먼지이며, 대기부유물은 비황사 기간에 채취한 것이다. 채취 후의 필터 무게에서 채취 전의 필터 무게를 빼서, 미세먼지의 무게를 구하였다. 석영필터는 무게를 칭량하기에 다소 크기 때문에, 시료 채취 이전에 필터를 4등분하여 각각의 무게를 칭량하도록 하였다.
채취된 황사 7개 시료와 대기부유물 28개 시료를 대상으로 화학분석을 수행하였다. 화학분석 방법은 각 시료의총 농도를 분석하기 위해 완전분해 방법을 수행하였다. 분석하고자 하는 시료를 정확하게 무게를 측정하여 테플론 비이커에 넣고, 40% 불산(HF) 10 mL와 70% 과염소산 (HClO₄) 2 mL를 부은 후 잘 혼합한다.
화학분석은 한국기초과학지원연구원에서 수행하였으며, Fe, Mn, Ca, Sr, S 및 Zn은 PerkinElmer 사의 ICPAES(Model: OPTIMA 4300 DV)를 이용하여 분석하였으며, 분석조건은 다음과 같다: RF Frequency, 40.68 MHz;RF Power, 1300 W; Coolant gas flow, 18 L/min; Auxiliary gas flow, 0.5 L/min; Nebulizer gas flow, 0.6 L/min; Wavelenth(Ca, 317.933 nm; P, 213.617 nm; Fe, 238.204 nm; Zn, 206.200 nm). 한편 Ba, Cr, Cu, As, Cd, Co, Ni, Rb, Pb, Ga, Li, V, Zr, Hf, Th, Y, Cd, Cs, Mo, Sb, Sc, Sn, U 등은 ThemoElemental 사의 ICP-MS(Model: X-Series(X5))를 이용하였으며, 분석조건은 다음과 같다: RF Frequency, 27.
흰 연기가 발생하지 않으면 12 N 염산(HCl) 5 mL를 넣어 잔류물을 용해시킨 후 탈이온수(deionized water) 20 mL를 부어 총 25 mL가 되도록 희석하여 0.45µm 필터로 여과한 후 기기분석을 수행하였다.

대상 데이터

대기 중 황사 및 대기부유물 시료의 채취는 대전시 유성구 가정동 한국지질자원연구원 제2연구동(3층 건물)의 옥상에서 실시하였으며, 일본 시바타(SIBATA)사의 대용량 공기채집기(High Volume Air Sampler)를 이용하였다. 시료의 채취는 크게 황사 발생 기간(기상청에서 발령하는 황사주의보/경보 기간) 및 비황사 기간으로 구분하였으며, 시료채취 기간 및 채취 방법은 Lee et al.
9 L/min; Sample Cone, Ni; Skimmer Cone, Ni). 사용된 시약은 analytical grade (Merck)였고, ICP 분석시 사용된 표준용액은 1,000 ppm stock solution(Merck)을 희석하여 사용하였다. 전 분석과정에 이용된 탈이온수를 얻기 위해 Milli-Q Millipore system을 사용하였다.
채취된 황사 7개 시료와 대기부유물 28개 시료를 대상으로 화학분석을 수행하였다. 화학분석 방법은 각 시료의총 농도를 분석하기 위해 완전분해 방법을 수행하였다.
200 nm). 한편 Ba, Cr, Cu, As, Cd, Co, Ni, Rb, Pb, Ga, Li, V, Zr, Hf, Th, Y, Cd, Cs, Mo, Sb, Sc, Sn, U 등은 ThemoElemental 사의 ICP-MS(Model: X-Series(X5))를 이용하였으며, 분석조건은 다음과 같다: RF Frequency, 27.12 MHz; RF Power, 1300 W; Coolant gas flow, 13 L/min; Auxiliary gas flow, 0.7 L/min; Nebulizer gas flow, 0.9 L/min; Sample Cone, Ni; Skimmer Cone, Ni). 사용된 시약은 analytical grade (Merck)였고, ICP 분석시 사용된 표준용액은 1,000 ppm stock solution(Merck)을 희석하여 사용하였다.

이론/모형

2. Three-days back trajectories of air-mass during Asian Dust in 2007 using HYSPLIT-4 (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory-Version 4) model, developed by NOAA Air Resources Laboratory (Draxler and Rolph, 2003).
은 배경토양의 금속 함량, {Fe}background soil은 배경토양의 Fe 함량을 의미한다. 부화지수 값을 기준으로 오염정도 분류는 Banwart and Malmstrom(2001)에 따랐다. 사막토양과 화학성분의 차이가 유의한 지각의 평균 함량 대신에 사막토양을 기준으로 한 것은 황사의 근원물질인 사막토양과 중국 및 우리나라의 대기오염에 의한 부화정도를 정량적으로 판단하기 위한 것이다.

성능/효과

3%가 초과하였다. 3지역 우려기준과 비교한 결과, Zn 50.0-89.3%, Pb 32.1-82.1%, Ni 0-78.6%, As 0-35.7%가 기준을 초과하였으나 Cu와 Cd은 TSP와 PM₁₀은 모두 우려기준 이하였고 PM_2.5에서만 각각 7.1%와 17.9%가 초과하였다(Table 3). 따라서 3지역을 제외한 1과 2지역에 퇴적되는 황사와 대기부유물 시료는 Zn, Pb, As, Cd, Cu 및 Ni에 의한 토양 및 수계환경에 심각한 오염을 유발할 수 있음을 이번 연구에서 확인되었다.
Cr, Pb, Zn, Zr, Cd, Sb 등 대기오염에 기인하는 원소는 입자 크기와 상관없이 비황사 시기의 대기부유물에서의 함량이 높은 것으로 나타났다(Fig. 3). 이러한 결과는 대기오염에 기인하는 미량원소들은 황사기간에 대기 중에 황사 물질이 증가함으로써 단위 중량 당 함량이 약간 낮아지는 것을 의미하는 것으로, 기존 연구결과와 비교할 때 일치되는 결과이다.
Cu(356 ± 336 µg/g, 348 ± 301 µg/g, 1,680 ±2,070 µg/g), As(109 ± 59.7 µg/g, 89.8 ± 63.2 µg/g, 1,170± 1,670 µg/g) 및 Ni(134 ± 49.7 µg/g, 159 ± 57.0 µg/g, 1,510± 2,130 µg/g)은 2007년도 측정값과 비교하면 TSP에서는 유사한 함량을 보이는 반면에, PM10에서는 감소하는 경향을 보였고 PM2.5에서는 모두 증가하는 경향을 보였다.
오염부하지수 값은 비교적 단순한 값을 제시하므로 황사 및 대기부유물 채취시기에 따른 시료의 오염정도를 상대적으로 비교가 가능하다. S, Mo, Cd, Zn, Zr, As, Cu, Pb 및 Sb 등 대기오염의 영향을 받은 원소들을 대상으로 계산한 결과, 시료번호 66(2008/3/03), 63(2008/2/29) 및 59(2008/2/12) 시료의 오염부하지수 값이 높은 것으로 나타났으며, 그 외 다른 시기에 채취한 황사시료의 오염부하지수 값은 평상 시 대기부유물의 오염부하지수값의 평균과 비교해도 상대적으로 낮은 값을 보였다(Table 5). 일반적으로 2007년과 유사하게 2008년도의 경우에도 황사와 대기부유물의 오염부하지수 값을 비교하면 중국 동부지방의 연안지역으로 남하하고 남서해 또는 서해를 경유하거나 발해만을 경유하여 우리나라로 유입된 황사에 중금속 및 미량원소의 오염이 상대적으로 현저하게 높았다(Lee et al.
5에서만 오염부하지수 값이 낮은 것으로 나타났다. TSP, PM₁₀ 및 PM_2.5의 오염부하지수값을 고려하면 시료번호 76(2008/3/13), 55(2008/1/08), 95(2008/4/04), 94(2008/4/03), 81(2008/3/18), 140(8/06), 154(2008/11/07) 및 73(2008/3/10) 등 다수의 대기부유물의 오염부하지수 값은 황사기간의 오염부하지수 값보다는 상대적으로 높은 것으로 나타났다(Table 5). 이러한 결과는 황사가 발생하지 않는 평상시에도 중국으로부터 유입되는 장거리 이동 대기부유물의 중금속 및 미량원소의 오염부하지수가 심각한 것으로 판단된다.
, 2012a). 결론적으로 대기오염에 기인한 원소인 S, Cd, Mo, Pb, Zn, Cu, Zr, Sb 및 As 등은 비황사기간에 부화지수 값이 현저하게 증가하였으며, 사막토양 기원 Cs, Rb, Ni, Cr, Li, V, Co, U, Y, Sr, Ba, Sc 및 Th 등의 부화지수 값도 증가되는 경향이 관찰되었다(Fig. 4b).
대기부유물에 함유된 중금속 함량을 1, 2, 및 3지역의 대책기준과 비교한 결과, Zn은 각각 89.3-96.4%, 60.7-89.3% 및 0-39.3%가 초과하였고, As는 각각 32.1-67.9%, 7.1-39.3% 및 0-3.6%가 초과하였다. Cu의 경우에는 32.
대기부유물의 경우, 1지역 우려기준과 비교할 때 초과 하는 비율이 입도별로 Zn 96.4-100%, Cu 92.9-100%, Pb 89.3-100%, As 82.1-100%, Cd 85.7-100% 및 Ni 82.1-100%이였으며, 황사보다는 대기부유물의 시료가 1지역 우려기준을 초과한 비율이 더 높았다. 2지역 우려기준과 비교하면, Zn 96.
9%가 초과하였다(Table 3). 따라서 3지역을 제외한 1과 2지역에 퇴적되는 황사와 대기부유물 시료는 Zn, Pb, As, Cd, Cu 및 Ni에 의한 토양 및 수계환경에 심각한 오염을 유발할 수 있음을 이번 연구에서 확인되었다. 황사에 함유된 중금속 함량을 1, 2, 및 3지역의 대책기준과 비교하면, Zn의 경우 각각 42.
부화지수를 값을 기준으로 대기 오염에 영향을 받은 각 미량원소의 오염도를 분류하면, 황사의 경우 S와 Mo는 “extremely high enrichment”, Zn 와 Cd는 “very high enrichment-extremely high enrichment”, Zr과 As는 “significant enrichment-extremely high enrichment”, Cu는 “significant enrichment-very high enrichment”, Pb는 “significant enrichment”, Sb는“moderate enrichment-significant enrichment”로 분류되었으며, 대기부유물의 경우도 유사하였다.
부화지수를 값을 기준으로 대기 오염에 영향을 받은 각 미량원소의 오염도를 분류하면, 황사의 경우 S와 Mo는 “extremely high enrichment”, Zn 와 Cd는 “very high enrichment-extremely high enrichment”, Zr과 As는 “significant enrichment-extremely high enrichment”, Cu는 “significant enrichment-very high enrichment”, Pb는 “significant enrichment”, Sb는“moderate enrichment-significant enrichment”로 분류되었으며, 대기부유물의 경우도 유사하였다. 이번 연구를 통해서 중국의 산업시설에서 발생된 미세먼지가 황사뿐만 아니라 평상시에도 대기부유물의 형태로 장거리 이동되어 우리나라에까지 영향을 미치고 있다는 것을 확인하였다. 대표적인 대기오염 미량원소는 S, Mo, Cd, Zn, Zr, As, Cu, Pb 및 Sb 등이며, 함량이 매우 높고 오염도가 심각한 것으로 평가되었다.
3-100%가 초과하였다. 한편, 3지역 우려기준과 비교한 결과, TSP와 PM₁₀ 입도의 경우 우려기준 이하였으나, PM_2.5 시료의 경우에는 71.4%가 초과하였다. Cu의 경우 1지역 85.
이러한 것은 황사 및 대기부유물의 유입 경로와 황사의 세기에 기인한 것으로 추정된다. 황사와 대기부유물의 중금속 함량을 토양환경보전법의 우려기준과 비교한결과, 3지역을 제외한 1과 2지역에 퇴적되는 황사와 대기부유물 시료는 Zn, Pb, As, Cd, Cu 및 Ni에 의한 토양오염이 우려되었다. 일부 황사 및 대기부유물 시료의 Zn 와 As 함량은 대책기준을 초과한 시료 수가 많아 토양오염이 매우 우려된다.

후속연구

2007년에 이어 2008년에도 황사에서 Zr의 함량이 높은 것은 중국 북동부 지역 공업단지에서의 희토류광물의 제련과 관련이 있을 가능성이 큰 것으로 추정할 수 있으며, 황사 및 비황사 기간에도 중국의 대도시 지역의 대기오염에 영향을 받고 있다는 것을 지시하고 있다. Zr 원소는 아직까지 환경에 미치는 영향에 대한 연구결과가 거의 없지만 대기부유물에서도 역시 높은 함량으로 측정되고 있어 후속연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배출되는 대기오염물질은 어떤 문제를 일으키는가?	, 2012). 이렇게 배출되는 대기오염물질은 국지적인 규모의 대기 환경 오염문제 뿐만 아니라, 편서풍을 따라 상당 수준 인접국가로 이송되기 때문에 황사 발원지 주변 지역인 한국과 일본 뿐만 아니라 북태평양 및 북미 지역까지 이동되어 환경오염 문제를 발생시키는 것으로 알려져 있다(Chun et al., 2001; David et al.
	2008년에 채취한 황사의 미량원소 함량의 변화는 작년과 비교했을 때 어떻게 바꼈는가?	2008년에 채취한 황사의 미량원소 함량을 2007년도 분석결과와 비교할 때 Zr, Cu, As 및 Ni는 증가하였고, Zn와 Sb는 유사한 함량을 보인 반면에, S, Mo, Pb, Cd는 크게 감소하였다. 대기부유물의 경우에서도 S, Zn 및 Cd은 2007년 측정값과 큰 차이가 없는 반면에, Zr, Sb, Cu 및 Ni는 증가하였고, Pb, Mo 및 As는 크게 감소하였다.
	중국의 산업시설에서 발생된 미세먼지의 주요 원소는 어떤 것들이 관측되는가?	이번 연구를 통해서 중국의 산업시설에서 발생된 미세먼지가 황사뿐만 아니라 평상시에도 대기부유물의 형태로 장거리 이동되어 우리나라에까지 영향을 미치고 있다는 것을 확인하였다. 대표적인 대기오염 미량원소는 S, Mo, Cd, Zn, Zr, As, Cu, Pb 및 Sb 등이며, 함량이 매우 높고 오염도가 심각한 것으로 평가되었다. 그러므로 황사와 대기부유물은 우리나라 국민의 건강문제 뿐만이 아니라, 토양환경에 장기간 퇴적될 경우 주변 생태계에도 악영향을 미치게 될 것이다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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