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문제 정의
- 또한 플라타너스 잎의 세척 전과 후의 중금속 함량 비교로 간접적으로 대기 중의 부유분진의 중금속 함량 분포를 예측하고, 토양과 세척한 잎과의 상관성을 통해 잎의 중금속 오염의 요인을 규명하였다. 마지막으로 플라타너스 잎의 중금속 원소 함량을 통해서 중금속의 지구화학적 오염 정도를 정량적으로 평가하고자 수행하였다.
- 이 연구에서는 도시화와 산업화로 인해 인위적 오염원으로 영향을 받은 서울시를 대상으로 서울시 전 지역의 가로수 중 키 큰 식물이자 잎의 표면적이 가장 큰 플라타너스 잎을 대상으로 하여 체계적으로 잎의 시료와 가로수에 식재된 주변 토양을 채취하여 중금속 원소들의 함량을 측정하고, 원소들의 상관성 및 분포 패턴을 통해 중금속 원소들의 분산과 오염 특성을 파악하고자 하였다. 또한 플라타너스 잎의 세척 전과 후의 중금속 함량 비교로 간접적으로 대기 중의 부유분진의 중금속 함량 분포를 예측하고, 토양과 세척한 잎과의 상관성을 통해 잎의 중금속 오염의 요인을 규명하였다.
제안 방법
- 지역별 중금속 오염을 특징을 살펴보기 위해 채취된 시료는 서울시의 도시특성에 따라 4가지로 분류하였다. 농경지 또는 큰 산에 인접하며 주변에 큰 도로와 공장이 없는 지역의 시료는 전원 지역(RA: Rural area), 큰 도로와 공단지역과 인접하지 않은 아파트 및 주거 단지 내에서의 시료들은 주거지역(RDA: Residential area), 주변 공장 및 공단지역에서 채취한 시료들은 공단지역(IA: Industrialized area), 공장 및 공단지역을 제외한 지역으로 6차선 이상의 큰 도로에 인접한 지역 내에서 채취한 시료들은 교통량 밀집 지역(HTA: Heavy traffic area)등으로 네 가지의 특성지역으로 시료를 구분하였다. 시료 분류는 Table 1에 제시되었다.
- 도심환경에서의 인위적 오염원에 의한 중금속 원소에 의한 토양오염과 대기오염의 특성을 파악하기 위하여 서울지역의 가로수 중 플라타너스 잎과 가로수 내에 식재된 토양시료에 대해 금속원소(Fe, Mn, Pb, Zn, Cu, Cd, Ni, Cr, Co)의 함량을 측정하였고, 화학 분석자료를 통해 다음의 결론들을 도출하였다.
- 이 연구에서는 도시화와 산업화로 인해 인위적 오염원으로 영향을 받은 서울시를 대상으로 서울시 전 지역의 가로수 중 키 큰 식물이자 잎의 표면적이 가장 큰 플라타너스 잎을 대상으로 하여 체계적으로 잎의 시료와 가로수에 식재된 주변 토양을 채취하여 중금속 원소들의 함량을 측정하고, 원소들의 상관성 및 분포 패턴을 통해 중금속 원소들의 분산과 오염 특성을 파악하고자 하였다. 또한 플라타너스 잎의 세척 전과 후의 중금속 함량 비교로 간접적으로 대기 중의 부유분진의 중금속 함량 분포를 예측하고, 토양과 세척한 잎과의 상관성을 통해 잎의 중금속 오염의 요인을 규명하였다. 마지막으로 플라타너스 잎의 중금속 원소 함량을 통해서 중금속의 지구화학적 오염 정도를 정량적으로 평가하고자 수행하였다.
- 처리된 용액은 ICP-AES를 이용하여 정량하였다. 모든 화학분석 과정에서 중복시료(duplicate sample), 참고시료(reference sample), 공시료 (blank sample)를 첨가하였으며 정확도 및 정밀도는 5%이내였다.
- 서울시 가로수목 플라타너스 내에 토양을 지역적인 특성에 따라 분류하고, 최대값, 최소값, 중앙값 및 평균값을 비교 대조지역과 함께 비교하고자 한다(Fig. 3, Table 3). 시료 모두가 특성 지역 간에 유의한 차이 (P<0.
- 채취된 잎은 세척한 잎과 세척하지 않은 잎으로 구분하였다. 세척한 잎을 준비하기 위해 증류수로 수 회 이상 반복하여 최대한 잎에 묻어있는 오염물질을 제거하였다. 위의 두 시료를 실내에서 자연 건조 후 식물용 분쇄기를 이용 하여 분말시료를 만들었다.
- 5-3 m 부근의 잎을 4g 이상 채취하였고, 토양시료는 동일 수목 밑 토양 0-5 cm 깊이의 표토층을 채취하였다. 시료의 대표성과 균질성을 높이기 위해 1-2 m 간격으로 채취된 10-15개 부분시료를 하나의 대표시료로 하였다. 채취된 잎은 세척한 잎과 세척하지 않은 잎으로 구분하였다.
- 세척한 잎을 준비하기 위해 증류수로 수 회 이상 반복하여 최대한 잎에 묻어있는 오염물질을 제거하였다. 위의 두 시료를 실내에서 자연 건조 후 식물용 분쇄기를 이용 하여 분말시료를 만들었다. 토양은 자연건조 후 각각의 시료를 사분법에 의해 균일하게 혼합한 시료를−80 mesh(180 µm)의 입도로 체질하여 화학분석용 시료를 준비하였다.
- 이 연구에서 가로수 잎에 대한 부화지수 계산을 위해 배경토양(background soils)의 Fe의 함량은 비교대조지역으로 사용된 충남예산의 전원지역 시료의 Fe값을 사용하여 계산하였다. 플라타너스 잎에 함유된 금속원소의 함량을 각 원소의 부화지수를 계산한 결과를 Fig.
- 시료의 대표성과 균질성을 높이기 위해 1-2 m 간격으로 채취된 10-15개 부분시료를 하나의 대표시료로 하였다. 채취된 잎은 세척한 잎과 세척하지 않은 잎으로 구분하였다. 세척한 잎을 준비하기 위해 증류수로 수 회 이상 반복하여 최대한 잎에 묻어있는 오염물질을 제거하였다.
- 하지만 토양에서 농축이 많은 원소는 식물자체의 자정능력을 넘어 식물체내에 농축 되어진다(Bowie and Thornton, 1984). 토양과 플라타너스 잎과의 상호관계를 알아보기 위해서 토양과 세척한 플라타너스 잎과의 중금속 함량 사이의 관계를 도출하였다.
대상 데이터
- 5 km)을 기준으로 71개의 지점 중 플라타너스 가로수목이 있는 지점은 총 52개 이다. 가로수 중 플라타너스 잎과 식재된 토양시료를 2001년 10월 28일부터 11월 4일까지 52개의 지점에서 각각 채취하였다(Fig. 1). 중금속 함량을 비교하기 위해 서울 도심에서 떨어지고, 비교적 오염 정도가 낮을 것으로 예상되는 전원지역인 충청남도 예산 지역의 토양과 플라타너스 잎을 2개의 지점에서 각각 채취하였다.
- 농축된 시료는 증류수를 첨가하여 최종 부피를 15 mL의 분석 용액시료를 제작하였다. 세척한 잎 시료는 극지연구소의 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer; ELAN 6100)로, 세척하지 않은 잎의 시료는 이화여자대학교 환경지구화학 연구실의 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer; OPTIMA 3100RL)로 Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn 등을 정량하였다. 토양시료 전처리는 180 µm의 토양시료 0.
- 1). 중금속 함량을 비교하기 위해 서울 도심에서 떨어지고, 비교적 오염 정도가 낮을 것으로 예상되는 전원지역인 충청남도 예산 지역의 토양과 플라타너스 잎을 2개의 지점에서 각각 채취하였다.
- 지역별 중금속 오염을 특징을 살펴보기 위해 채취된 시료는 서울시의 도시특성에 따라 4가지로 분류하였다. 농경지 또는 큰 산에 인접하며 주변에 큰 도로와 공장이 없는 지역의 시료는 전원 지역(RA: Rural area), 큰 도로와 공단지역과 인접하지 않은 아파트 및 주거 단지 내에서의 시료들은 주거지역(RDA: Residential area), 주변 공장 및 공단지역에서 채취한 시료들은 공단지역(IA: Industrialized area), 공장 및 공단지역을 제외한 지역으로 6차선 이상의 큰 도로에 인접한 지역 내에서 채취한 시료들은 교통량 밀집 지역(HTA: Heavy traffic area)등으로 네 가지의 특성지역으로 시료를 구분하였다.
- 플라타너스 잎은 지상에서 1.5-3 m 부근의 잎을 4g 이상 채취하였고, 토양시료는 동일 수목 밑 토양 0-5 cm 깊이의 표토층을 채취하였다. 시료의 대표성과 균질성을 높이기 위해 1-2 m 간격으로 채취된 10-15개 부분시료를 하나의 대표시료로 하였다.
데이터처리
- 이 연구에서는 토양, 세척한 잎과 세척하지 않은 잎에 대해 중금속 농도 차이에 대한 유의성, 상관성을 보기 위해 통계처리 프로그램 SPSS를 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 1) 도시특성에 따라 분류된 지역별 중금속 함량은 토양에서 Cd, Co, Cr, Ni 함량은 산업지역에서 높고, 교통량 밀집지역에서 Cu, Zn, Pb의 함량이 높았다. 이는 산업 활동 및 교통량 증가에 따르는 영향을 반영한다.
- 2) 플라타너스 잎에 대해 세척 전과 후의 잎으로 구분하여 이들의 함량 차이 결과는 대기 중 부유분진의 농도를 예측할 수 있다. 플라타너스 잎은 Cd, Cu, Pb, Zn 함량이 교통량 밀집지역에서 높게 분석되었다.
- 3) 원소들 간의 상관성 분석은 토양의 경우 CdCo(r=0.818), Cr-Ni(r=0.988), Cu-Zn(r=0.834), PbZn(r=0.804) 간의 유의한 양의 상관성을 보여 이들 원소의 배출원이 유사함을 예측할 수 있었다. 플라타너스 잎의 경우 Pb-Cu, Cu-Zn 원소간의 상관성 높아 플라타너스 잎에 이들 원소가 축적됨을 의미한다.
- 4) 토양과 세척한 플라타너스 잎과의 중금속 함량의 상호관계를 도출한 결과 Cr, Cu, Pb, Zn는 토양의 함량이 증가에 따라 잎의 함량이 증가하는 양의 상관성을 보였다. Cd, Co, Fe, Mn, Ni은 토양과 세척한 잎과의 상관성이 낮아 이들 원소들은 주로 대기로부터 기인된 것으로 해석된다.
- 5) 서울지역의 토양과 플라타너스 잎의 원소별 분포 양상을 등함량도의 원소별 패턴을 통해 토양은 산업지역과 교통량 밀집지역에서 각각 Cr, Ni 원소와 Cd, Cu, Zn 원소들의 오염도가 크게 나타났다. 세척하지 않은 잎의 Cd과 Pb, Cu와 Zn의 오염양상이 유사하고, 산업 활동과 관련된 지역에서 Co와 Cr이 유사한 분포 패턴을 보였다.
- 6) 대기상의 부유분진의 농도를 예측을 위해 원소별부화지수 값을 기준으로 오염정도를 분류하면 Cu, Zn, Pb, Mn, Co, Ni, Cd, Cr순으로 나타났다. 그 중 Cu, Zn, Pb, Mn의 생태계환경에 오염은 인간의 건강까지 큰 위험성을 끼친다.
- 4). Cd의 함량은 세척한 잎에 대해 지역별 큰 차이는 없었고, 세척하지 않은 잎에 대해서는 교통량 밀집지역에서 최대 0.92 mg/kg으로 높은 값을 보였다. 서울 도심의 전원지역과 주거지역의 Cd 평균함량은 비교대조지역의 Cd 평균함량보다 약 2배 정도 높은 함량이다.
- Fe은 토양의 경우 서울 전지역에 걸쳐 유사한 분포를 보이고, 세척 전 잎의 시료는 영등포구, 동작구, 마포구, 종로구에서 1200 mg/kg 이상의 오염양상을 보였고, 세척한 후에는 주변 외곽지역을 제외하고 전지역 일대에서 400 mg/kg의 양상을 보였다. Ni은 토양시료에서 서울 전지역에 토양오염 허용한계치 이상으로 높고, 특히 성동구 시료 일부에서 235 mg/kg으로 두드러지게 높은 값을 보였다. 세척 전 • 후 Ni의 분산양상은 서로 유사하고, 세척 후 잎의 경우 영등포구, 마포구, 동작구, 관악구 일대에서 4 mg/kg이상의 오염양상을 보였다.
- Pb의 농도는 토양의 경우 모든 지역에 100 mg/kg 이상의 분포를 보이고, 세척하지 않은 플라타너스 잎은 토양과 유사한 분포패턴으로 영등포구, 동작구, 성북구, 종로구 일대에서 12 mg/kg이상의 오염양상을 보이고, 세척한 후에는 세척전의 동일지역 일대에서4 mg/kg으로 낮아진 분포양상을 보인다. Zn는 Cu와 Pb의 분산형태와 유사하였고, 토양에 대해서는 허용한 계치 이상으로 높은 오염양상을 보였다. 또한 세척하지 않은 잎은 80 mg/kg이상으로 토양과 세척하지 않은 잎의 오염 분포패턴은 서로 비슷하였고, 세척을 한 잎에서는 서울 외곽지역을 제외하고는 대체로 비슷한 함량을 보였다.
- 전원지역과 주거지역에서의 세척 전과 후의 함량 차이 (10-19 mg/kg)가 작아 대기 상의 부유분진에 축적된 양보다 토양 또는 수목 자체가 갖는 함량으로 고려되어진다. Zn의 평균농도는 교통량 밀집 지역의 세척한 잎과 세척하지 않은 잎 모두 가장 높은 함량을 나타냈다. 세척 전ㆍ후 함량차가 44.
- 가로수 토양: 연구지역의 플라타너스 수목 내 토양의 원소별 상관계수 값은 Cd-Co, Cd-Fe, Cr-Ni, CuZn, Pb-Zn간의 상관계수가 0.8이상의 높은 상관성을 보였다(Table 4). 이와 같이 원소들 간의 상관성은 은행나무 수목 내 토양의 원소별 상관계수와도 유사하였다(Choo et al.
- 64 mg/kg으로 주변지역보다는 높은 함량을 보였다. 또한 비교대조지역의 함량보다 높아 서울시 가로수목 플라타너스는 Cu 오염이 큰것으로 조사되었다.
- 896으로 상관성이 높은 것으로 조사되었다. 마지막으로 Pb와 Zn 은 세척한 잎에서 상관계수는 0.510이지만, 세척하지 않은 잎에서 상관계수가 0.981으로 상관성이 뚜렷하였다. 위의 결과들로부터 세척한 잎의 상관계수 분석값을 통해 이들 원소들이 식물체내에 같이 거동되며 축적되는 원소들을 알 수 있으며, 세척하지 않은 잎의 원소들 간의 상관성은 대기 중 부유분진에 따르는 원소간의 상관성으로 유추해 볼 수 있다.
- 서울 도심의 전원지역과 주거지역의 Cd 평균함량은 비교대조지역의 Cd 평균함량보다 약 2배 정도 높은 함량이다. 산업지역의 Co 함량은 주변지역의 최대값을 비교했을 때 현저히 높은 경향을 보였고, 세척 전ㆍ후의 평균함량 차이는 4.21 mg/kg으로 대기 중 부유 분진 내 Co함량이 산업지역에 가장 많이 남아있는 것으로 확인된다. Cr은 세척하지 않은 잎에 대해 산업지역과 교통량 밀집지역에서 높게 나타났다.
- 세척 전 • 후 Ni의 분산양상은 서로 유사하고, 세척 후 잎의 경우 영등포구, 마포구, 동작구, 관악구 일대에서 4 mg/kg이상의 오염양상을 보였다.
- 5) 서울지역의 토양과 플라타너스 잎의 원소별 분포 양상을 등함량도의 원소별 패턴을 통해 토양은 산업지역과 교통량 밀집지역에서 각각 Cr, Ni 원소와 Cd, Cu, Zn 원소들의 오염도가 크게 나타났다. 세척하지 않은 잎의 Cd과 Pb, Cu와 Zn의 오염양상이 유사하고, 산업 활동과 관련된 지역에서 Co와 Cr이 유사한 분포 패턴을 보였다.
- Cr은 세척하지 않은 잎에 대해 산업지역과 교통량 밀집지역에서 높게 나타났다. 세척하지 않은 잎의 Cu의 평균함량은 교통량 밀집지역에서 가장 높으며, 세척한 잎과 세척하지 않은 잎과의 함량 차이도 교통량 밀집지역에서 6.64 mg/kg으로 주변지역보다는 높은 함량을 보였다. 또한 비교대조지역의 함량보다 높아 서울시 가로수목 플라타너스는 Cu 오염이 큰것으로 조사되었다.
- 세척하지 않은 플라타너스 잎의 Cd, Cu, Pb, Zn의 함량은 교통량 밀집지역에 집중적으로 높게 나타나고, Co, Cr, Ni은 산업지역에서 높은 함량을 보였다 (Fig. 4). Cd의 함량은 세척한 잎에 대해 지역별 큰 차이는 없었고, 세척하지 않은 잎에 대해서는 교통량 밀집지역에서 최대 0.
- 981으로 상관성이 뚜렷하였다. 위의 결과들로부터 세척한 잎의 상관계수 분석값을 통해 이들 원소들이 식물체내에 같이 거동되며 축적되는 원소들을 알 수 있으며, 세척하지 않은 잎의 원소들 간의 상관성은 대기 중 부유분진에 따르는 원소간의 상관성으로 유추해 볼 수 있다.
- 이 연구지역의 토양과 세척한 잎의 중금속 함량의 상호관계는 식물성장을 돕는 필수원소인 Cu, Zn는 토양에서의 함량이 증가할수록 세척한 잎 내 함량이 증가하는 양의 상관관계를 보이지만 식물에 있어서 독성 원소 Cr, Pb를 제외하고 상관성이 없는 것으로 나타났다(Fig. 6). 이처럼 Cu, Mn, Zn원소는 식물성장과정에서 흡수 능력과 식물체 내에서 이동성이 비교적 좋고, 식물성장시 흡수 능력이 낮거나 유해한 원소는 일정수준까지 원소의 흡수가 제한되기 때문이다(Bowie and Thornton, 1984).
- 5 mg/kg으로 높게 분석 되어, 이는 잎 내에 흡수되지 못하고 잎 표면에 흡착되어 나타난 결과하고 예상할 수 있다. 이러한 결과로부터, 주로 교통량에 의해 영향을 받는 교통량 밀집지역에서는 Zn에 의한 플라타너스 가로수 잎 내 오염정도가 높다고 결론 내릴 수 있었다.
- 플라타너스 잎을 세척한 잎과 세척하지 않은 잎으로 구분한 결과를 보면 세척 전ㆍ후의 중금속 함량의 절대량은 차이가 있으나 원소별 평균함량 Fe> Mn> Zn> Cu> Pb> Ni> Cr> Co > Cd 순으로 나타났다.
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