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문제 정의
- 본 연구는 Kjeldahl 증류법을 이용하여 암모니아성 질소 및 질산성 질소의 안정동위원소 분석법을 연구하였으며, 건조방법 및 시료 농도 범위에 따른 분석값의 변화에 대하여 고찰하였다. 표준시료를 다양한 농도 범위 (0.
- , 1998) 국내에서는 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 암모니아성 질소 (NH4-N) 및 질산성 질소 (NO3-N)의 안정동위원소 분석을 위한 대표적인 전처리 방법의 하나인 Kjeldahl 증류법을 소개하고, 처리과정에서 주의해야 할 절차 (건조방법, 시료량 등) 및 환경시료에의 적용가능성에 대해서 기술하고자 한다.
- 하천에서의 효율적인 질소관리의 일환으로 질소화합물 간의 분포특성 파악을 위하여 질산성 질소 및 암모니아성 질소의 기원을 파악하는 연구를 진행하였다. 연구지역으로 한강 지천의 상류지역, 하수처리 방류지역, 방류지역에서 1 km 거리의 하류지역을 선정한 후 현장에서 물 시료를 직접 채수하였다.
제안 방법
- 0.5 mg의 시료를 틴 (Tin capsule)에 봉인하여 원소분석기-동위원소질량분석기(EA-IRMS: Elemental Analyzer - Isotope Ratio Mass Spectrometry, vario Micro cube-Isoprime 100, Elementar-Isoprime, U.K.)를 이용하여 질소 안정동위원소비를 분석하였다. 안정동위원소비는 ‰로 표현되며 δ 계산식은 아래와 같다.
- Kjeldahl 증류법으로 얻어진 액상시료를 동결건조 (-80℃)와 오븐건조 (70℃)방법으로 수분을 제거한 후질산칼륨 (KNO3)의 질산성 질소 (15NO3-N) 및 황산암모늄 ((NH4 )2SO4 )의 암모니아성 질소 (15NH4-N)의 안정동위원소비의 변화를 관찰하였다 [Table 1]. 질산칼륨 시료는 분석 신뢰구간 (Fig.
- , 2003)을 사용하였다. 상류지역에서의 질산성 및 암모니아성 질소의 안정동위원소비를 A, 하수처리 방류장의 질산성 및 암모니아성 질소의 안정동위원소비를 B로 명명하여 대표값 (End-member)으로 설정한 후 각각의 질소원으로부터 하류지역으로의 기여율을 계산하였다.
- Kjedahl 증류법을 이용하여 얻은 액상시료의 질소 안정동위원소비 분석을 위해서 시료를 건조시켜 백색가루 형태로 변환시키는 과정이 필요하다. 시료를 건조시키는 방법으로는 오븐건조 (70℃)와 동결건조 (-80℃) 방법이 있으며, 비교 실험을 통하여 질소 안정동위원소비 분석에 적합한 건조방법을 비교 조사하였다. 오븐 (Oven, Laptec LDO-150F)건조는 1~2일의 시간이 소모되었으며, 동결 (Freeze Dryer, Ilshin Biobase FD5508)건조는 4~5일의 시간이 소모되었다.
- 실증연구 일환으로 한강 수계 중권역의 한 지천에서 암모니아성 질소 (NH4-N) 및 질산성 질소 (NO3-N)의 안정동위원소비를 이용하여 질산염의 기원을 추적해 보았다. 지천이 흘러가는 방향을 중심으로 상류, 하수처리 방류장, 하류로 구분하고 각각의 15NH4-N, 15NO3-N 안정동위원소비를 분석하였다.
- 안정동위원소 분석기 (EA-IRMS: Elemental Analyzer - Isotope Ratio Mass Spectrometry, vario Micro cube-Isoprime 100, Elementar-Isoprime, U.K.)를 이용하여 질소 안정동위원소비를 측정하였으며 총 5회 반복 분석하였다 (KNO3-N: 4.7±0.1‰, (NH4)2SO4-N: 0.4±0.1‰).
- -N)의 안정동위원소비를 이용하여 질산염의 기원을 추적해 보았다. 지천이 흘러가는 방향을 중심으로 상류, 하수처리 방류장, 하류로 구분하고 각각의 15NH4-N, 15NO3-N 안정동위원소비를 분석하였다. 상류에서 질산염의 15NO3-N, 15NH4-N 값이 가볍게 나타나지만 (2‰, 8‰), 특성이 다른 질소화합물의 방류수 (23‰, 14‰)가 유입되면서 하류 (21‰, 11‰)에 영향을 주는 것으로 여겨진다.
- 연구지역으로 한강 지천의 상류지역, 하수처리 방류지역, 방류지역에서 1 km 거리의 하류지역을 선정한 후 현장에서 물 시료를 직접 채수하였다. 채수한 물을 아이스박스에 보관하여 실험실로 이동한 후 47 mm GF/F (Whatman) 여과지에 여과하여 Kjedahl 증류법으로 질산성 질소 (15NO3-N) 및 암모니아성 질소 (15NH4-N)의 안정동위원소비를 분석하였다.
- 증류관을 방냉한 후 남은 증류시료에 Devada alloy를 투입하여 질산염 (NO3-) 증류액 15 mL를 30분 동안 포집한다. 포집한 시료는 0.01 N 수산화나트륨 (NaOH)으로 pH를 3으로 조정한 후 건조하여 남은 백색 분말을 분석한다.
- 1‰). 표준시료 (IAEA-NO-3, IAEA-N-2)를 3차 증류수에 녹여 다양한 농도 범위 (0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 mg L-1)로 조제하여 Kjeldahl 증류법을 통하여 얻어진 시료를 5회 반복 질소 안정동위원소비를 측정한 결과값으로 본 연구결과의 신뢰도를 조사하였다.
- 한강 수계 중권역으로 유입되는 질산염의 기원을 추적하기 위하여 남방 하천의 상류, 하수처리 방류장, 하류에서 시료를 채수하여, Kjeldahl 분석법으로 질산성 질소 (15NO3-N) 및 암모니아성 질소(15NH4-N)의 안정동위원소 비의 변화를 관찰하였다 (Fig. 3). 한강지천의 상류에서 질산염의 15NO3-N, 15NH4-N 값이 상대적으로 가볍게 나타나지만 (9.
대상 데이터
- δ15N 분석을 위한 표준물질은 IAEA-N-2 (Ammonium Sul - fide), IAEA-NO-3 (Potassium nitrate)을 사용하였다.
- Kjedahl 증류법을 이용한 안정동위원소 분석법의 정확도 및 정확성을 확보하기 위하여 국제표준기구 (IAEA)에서 판매하는 IAEA-NO-3 (Potassium nitrate KNO3) 및 IAEA-N-1 (Ammonium Sulfate, (NH4)2SO4)를 표준시료로 사용하였다. 안정동위원소 분석기 (EA-IRMS: Elemental Analyzer - Isotope Ratio Mass Spectrometry, vario Micro cube-Isoprime 100, Elementar-Isoprime, U.
- 하천에서의 효율적인 질소관리의 일환으로 질소화합물 간의 분포특성 파악을 위하여 질산성 질소 및 암모니아성 질소의 기원을 파악하는 연구를 진행하였다. 연구지역으로 한강 지천의 상류지역, 하수처리 방류지역, 방류지역에서 1 km 거리의 하류지역을 선정한 후 현장에서 물 시료를 직접 채수하였다. 채수한 물을 아이스박스에 보관하여 실험실로 이동한 후 47 mm GF/F (Whatman) 여과지에 여과하여 Kjedahl 증류법으로 질산성 질소 (15NO3-N) 및 암모니아성 질소 (15NH4-N)의 안정동위원소비를 분석하였다.
이론/모형
- 수중에서 영얌염의 일종으로 존재하는 질산성 질소 및 암모니아성 질소의 안정동위원소비 분석을 위해서 Kjeldahl 증류법 (Hauck, 1982; Bremner, 1996)을 이용하였다 (Fig. 1). 용존 질소 수용액 200 mL에 산화마그네슘 (MgO)을 첨가하여 증류한 후 0.
- 질소원의 잠재적인 기여율을 계산하기 위하여 Twosource mixing model (EPA method, Phillips et al., 2003)을 사용하였다. 상류지역에서의 질산성 및 암모니아성 질소의 안정동위원소비를 A, 하수처리 방류장의 질산성 및 암모니아성 질소의 안정동위원소비를 B로 명명하여 대표값 (End-member)으로 설정한 후 각각의 질소원으로부터 하류지역으로의 기여율을 계산하였다.
- 표준물질 (KNO3, (NH4)2SO4)을 증류수에 녹여 0.1 mg L-1에서 10 mg L-1까지 20개의 시료를 만든 후 농도구배에 따른 질소 안정동위원소비의 변화를 살펴보기 위하여 Kjeldahl 증류법으로 실험을 진행하였다. 황산암모늄 ((NH4)2SO4)의 15NH4-N는 0.
성능/효과
- 3). Two-source mixing model(EPA method, Phillips et al., 2003)을 적용하여 오염원 (하수처리장) 기원의 기여율을 평가한 결과, 방류수에서 유입되는 질산염이 하류로 흘러가면서 질산성 질소는 42%, 암모니아성 질소는 85% 증가하는 경향을 보인다. 인위적인 오염원은 점오염원과 비점오염원으로 나눌 수 있으며, 점오염원에는 하수처리장 및 폐수종말처리장, 축산농가에서 기인한 가축분뇨 등이 있고, 비점오염원에는 농경지에서 사용하는 질소비료나 산림에서 하천으로 유입되는 질소들이 있다 (Camargo et al.
- (2011)는 δ13C, δ15N 값이 무거워지는 경향을 보인다고 보고하였다. 그러므로 본 연구에서는 오븐건조에서 질소 안정동위원소비가 무거워 지거나 가벼워지는 일정한 변화보다는 큰 변동폭이 관찰되었으며, 이러한 결과는 오븐건조 동안에 시료가 기체상 (gaseous ammonia) 형태로 증발하여 이에 수반되는 안정동위원소의 분별작용에 기인한 것으로 여겨진다. 동결건조방법은 승화 (sublimation) 과정을 통해서 물을 제거할 수 있기 때문에 증발과정을 통해서 물을 제거하는 오븐건조의 방식보다는 시료내의 안정동위원소비 변화를 최소화 할 수 있다.
- 2). 전체적으로 황산암모늄의 암모니아성 질소 (15NH4-N)는 0.1 mg L-1의 낮은 농도에서도 검출이 되었지만, 질산칼륨의 질산성 질소 (15NO3-N)는 0.1~0.3 mg L-1의 저농도에서는 검출이 되지 않았다. Kjeldahl 증류법은 고온조건에서 NH4+를 NH3로 휘산시켜며, 휘산된 NH3는 차가운 콘덴서를 지나면서 냉각되어 pH가 낮은 0.
- 표준시료를 다양한 농도 범위 (0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 mg L-1)로 조제하여 질산성 및 암모니아성 질소 안정동위원소비 (15NH4-N, 15NO3-N)를 분석한 결과, 15NH4-N는 0.1~10 mg L-1의 농도 범위에서 측정 가능하였으며 (±0.2‰) 15NO3-N는 0.4~10 mg L-1의 농도 범위에서 측정 가능하였다 (±0.3‰).
후속연구
- 부영양화 평가 및 모니터링이 주로 질산염, 인, 클로로필-a의 농도를 바탕으로 시행되지만 그 유입원을 찾기에는 어려운 부분이 있었다. 그러나 Kjeldahl 증류법을 활용한 질산성 질소 및 암모니아성 질소의 안정동위원소비를 조사한다면, 국내 하천수 및 지천에서 점오염원 및 비점오염원을 규명하는 것이 가능할 것으로 여겨진다.
- 본 연구를 통하여 수행된 15NH4-N, 15NO3-N 안정동위원소비 분석법은 수생태계로 유입되는 다양한 질소 기원을 파악하여 효율적인 수질 관리를 위한 중요 정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다. 다만 이와 같은 기법을 적용하기 위해서는 추후 유역 오염원의 대표값 (end member)의 조사를 통하여 지속적인 자료구축이 이루어져야 할 것이다.
- 본 연구를 통하여 수행된 15NH4-N, 15NO3-N 안정동위원소비 분석법은 수생태계로 유입되는 다양한 질소 기원을 파악하여 효율적인 수질 관리를 위한 중요 정보를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
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