[논문]폐석탄광 하류 밭토양 및 논토양의 중금속 함량과 광물조성에 따른 분광학적 특성

서지희; 유재형; 고상모; 이범한

doi:10.9719/eeg.2020.53.6.743

폐석탄광 하류 밭토양 및 논토양의 중금속 함량과 광물조성에 따른 분광학적 특성
Spectral Characteristics associated with Heavy Metal Concentration and Mineral Composition in Cropland and Rice Field Soils from Downstream of an Abandoned Coal Mine 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.53 no.6, 2020년, pp.743 - 753

서지희 (충남대학교 우주.지질학과) , 유재형 (충남대학교 지질환경과학과) , 고상모 (한국지질자원연구원 DMR융합연구단) , 이범한 (한국지질자원연구원 DMR융합연구단)

초록
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본 연구는 폐석탄광산인 옥동탄광 하류에 위치한 밭토양과 논토양을 대상으로 중금속함량, 광물조성, 분광특성을 고찰하였다. X선 형광분석 결과 밭토양과 논토양 모두 비소가 토양환경오염 우려기준을 초과하여 검출되었으며 밭토양이 논토양보다 중금속오염지수가 상대적으로 높은 것을 확인하였다. X선 회절분석 결과 밭토양과 논토양 모두에서 석영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석 그리고 적철석 광물이 검출되었다. 또한 유기물 분석을 실시한 결과 밭토양의 유기물 함량 변이가 더 큰 것으로 나타났다. 분광분석 결과 밭토양과 논토양의 전체적인 반사도 곡선의 양상과 흡광특성은 유사하게 발현됨을 확인하였다. 490nm 부근과 900nm 부근에서 토양 내 산화철에 의해, 1410nm, 1910nm 부근과 2200nm 부근에서 점토광물인 고령토와 스멕타이트군에 의한 흡광특성이 두드러지게 나타났으며 유기물의 함량이 많을수록 반사도가 감소하였다. 흡광 깊이는 밭토양과 논토양 모두 흡광특성이 발현되는 곳에서 오염 지수가 높아짐에 따라 흡광깊이는 얕아졌으며, 유기물 함량이 증가함에 따라 490nm 부근과 1916nm 부근의 흡광깊이가 얕아지는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzed heavy metal concentration, mineral composition, and spectral characteristics of heavy metal contaminated soil samples of cropland and rice field located in downstream of abandoned Okdong coal mine. X-ray fluorescence analysis detected heavy metal elements including cadmium, copper, arsenic, lead, zinc and nickel in the soils. Both cropland and rice field samples were severely contaminated with arsenic showing higher concentration over the concerned standard. The pollution index of cropland samples was higher than that of rice field samples. X-ray powder diffraction analysis identified that the mineral composition of cropland and rice field samples is similar with quartz, calcite, kaolinite, illite, smectite, magnetite and hematite. The range of organic matter content were more widely distributed in cropland samples. The spectral analysis showed that the reflectance spectra and the absorption features of cropland and rice field samples were alike. The absorption features that appeared near 490nm and 900nm were attributed to the ferric iron, and clay minerals such as kaolinite and smectite caused the absorption features at 1410nm, 1910nm and 2200nm. The reflectance of the soil spectral decreased with an increase in organic content. The absorption depths of both types of soil samples decreased with higher organic matter content at 490nm and 1916nm as well as higher heavy metal concentration.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Location map of the study area and the samples.
그림 Fig. 2. Geological map of the study area.
표 Table 1. Heavy metal concentration of soil samples measured by XRF analysis, and Concerned Standard and Counter Measure Standard on heavy metal elements (Ministry of Environment, 2020)
$Fig. 3. Representative X-ray diffraction pattern of soil samples; (a) cropland, (b) rice field.$ 그림 Fig. 3. Representative X-ray diffraction pattern of soil samples; (a) cropland, (b) rice field.
표 Table 2. The organic matter content of samples of the cropland and the rice field
그림 Fig. 4. Averaged reflectance spectra and stacked hull-quotient corrected spectra of cropland (green) and rice field (red) samples.
그림 Fig. 5. Stacked hull corrected spectra of averaged cropland(green) and rice field (red) samples with library spectra of kaolinite, illite and hematite.
그림 Fig. 6. Stacked VNIR-SWIR reflectance spectra and hull corrected spectra of cropland (green) and rice field (red) samples showing spectral variations associated with concentration of heavy metal elements and organic matters; (a) representative spectra of high PI (solid line) and low PI (dashed line) cropland samples, (b) representative spectra of high PI and low PI rice field samples, (c) representative spectra of high organic matter content (solid line) and low organic matter content (dashed line) cropland samples, (d) representative spectra of high organic matter content and low organic matter content rice field samples.

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 본 연구에 활용한 휴대용 X선 형광분석은 기존의 화학분석 방법에 비해 오차범위가 넓으며, 따라서 본 중금속 함량분석 결과는 상대적으로 오차가 클 수 있음을 주지한다. 그러나 본 연구의 목표는 중금속 함량과 유기물 함량에 따른 분광특성 변이를 관찰하고자 하였으므로, 본 연구의 전체적인 결과를 기술하는 데는 충분하 과학적 근거가 될 수 있다고 판단하였다. X선 형광분석 결과, 논토양에서는 카드뮴이 검출되지 않았으며, 밭토양의 경우 4개의 시료에서 검출한계 미만인 21-27ppm함량을 보여 신뢰할 수 없는 수준으로 확인되었다.
(MIRECO, 2018). 따라서 본 연구는 강원도 영월군 김삿갓면에 위치한 옥동 광산 하류에 위치한 논토양과 밭토양에 대하여 중금속 오염도를 분석하고, 이에 따른 분광학적 특성을 광물 조성과 비교 분석하였다. 이를 위해 X선 형광분석법을 이용하여 토양의 오염도를 측정하고 X선 회절분석을 통해 오염 토양의 광물 조성분석을 실시하였으며, 유기물 분석을 통해 토양 내 유기물 함량을 분석하였다.
이는 분광학적 특성이 중금속 오염도 및 유기물함량과 상당한 연관성이 있음을 지시한다. 본 연구는 분광학적 특성을 바탕으로 원격탐사 기법을 적용하여 토양오염의 영상화를 이루는데 기초적인 자료로 활용 될 수 있다는 데 그 의의가 있다(Liu et al., 2017; Jeong et al., 2018; Lim et al., 2019a; Shin et al., 2019).
, 2016). 본 연구는 옥동탄광 하류에 존재하는 논 토양과 밭토양에 대해 중금속 함량에 따른 상대적인 오염 정도를 파악하기 위해 Olympus사의 DELTA 휴대용 XRF를 사용하여 X선 형광분석을 실시하였다. 분석은 USEPA에서 지정한 Method 6200(USEPA, 2007)에 준하여 실내에서 측정되었다.
본 연구에서는 옥동탄광 하류에 분포하는 논토양 및 밭토양의 중금속 함량을 분석하기 위해 X선 형광분석을 실시하였다. X선 형광분석은 높은 정량한계를 가진다는 단점이 있으나 측정이 용이하고, 분광분석을 실시한 오염토양 표면의 중금속 함량 측정이 가능한 휴대용 XRF (X-Ray Fluorescence Spectrometry)를 활용하였다(Shin et al.

제안 방법

X선회절분석은 지질자원연구원의 Rigaku사 Ultima IV XRD를 사용하였다. X선의 가속전압은 40 kV, 전류는 30 mA로 작동되었으며, Cu-Kα파장(1.5406 Å)을 사용하여 0.02° 의 간격으로 3-60°까지 분당 40°로 측정하여 X선 회절곡선을 취득하였다. 분석이 완료된 X선회절분석 결과는 Match! 소프트웨어를 사용하여 해석하였다.
X선회절분석은 지질자원연구원의 Rigaku사 Ultima IV XRD를 사용하였다. X선의 가속전압은 40 kV, 전류는 30 mA로 작동되었으며, Cu-Kα파장(1.
, 2017). 그 후, 각 시료의 오염도를 수치화하기 위해 환경부 토양오염우려대책기준 1지역을 근거로 하여 오염지수(Pollution Index, PI)를 계산하였다(Jung et al., 2005; Shin et al., 2016).
, 2012; Allen 1989). 그후 유기물 함량에 따른 반사도 변이를 관찰하였다.
특히 상류에 위치한 밭토양의 경우 구리, 아연, 니켈의 함량이 하류에 위치한 논토양에 비해 부화된 것으로 나타났다 (Table 1). 더불어 각 시료들의 오염정도를 수치화하기 위해 환경부의 1지역 토양오염우려기준을 활용하여 논토양과 밭토양의 중금속 오염지수를 계산하였다. 그 결과, 중금속 오염지수의 최댓값과 최솟값 모두 밭토양이 논토양보다 더 큰 값을 나타냈으며 평균값을 비교한 결과 밭토양이 논토양보다 중금속오염이 상대적으로 높음이 확인되었다.
유기물 함량을 분석하였다. 또한 휴대용 분광계를 이용하여 밭토양과 논토양 내 중금속 오염도와 유기물 함량에 따른 분광특성을 고찰하였다. 옥동탄광 주변 밭토양과 논토양에 대하여 중금속오염도를 평가한 결과, 비소는 토양환경오염우려수준으로 검출되었고, 밭토양이 논토양보다 중금속오염지수가 상대적으로 높았다.
논토양에서는 488nm, 1415nm, 1914nm, 2207nm에서, 밭토양에서는 493nm, 898nm, 1414nm, 1919nm, 2210nm에서 뚜렷한 흡광특성이 나타났는데, 이 부근에서 오염지수가 높은 토양이 더 얕은 흡광 깊이를 보였으며 이는 토양 내의 중금속 이온이 철산 화물 및 점토광물과 지화학적 반응을 함을 지시한다. 밭토양 시료와 논토양 시료의 유기물의 함량에 따른 분광특성의 변이를 정의하기 위해, 각 토양에서 유기물 함량 상위 30%와 하위 30%인 시료들의 평균 반사도를 비교 분석하였다(Fig. 6c, Fig. 6d). 그 결과, 밭 토양은 400nm부터 흡광특성이 발현되는 490nm 부근까지 유기물의 함량이 높은 시료의 반사도와 유기물의 함량이 적은 시료의 반사도가 유사하다가 490nm 이후 단파 적외선 대역까지 유기물의 함량이 높은 시료가 유기물의 함량이 적은 시료보다 반사도가 낮은 것을 확인하였다(Fig.
본 연구는 강원도 영월군 김삿갓면에 위치한 폐석탄광산인 옥동탄광 하류에 위치한 밭토양과 논토양을 대상으로 X선 형광분석법과 X선 회절분석법을 통해 해당 토양 내 중금속 오염도를 파악하고 광물조성을 파악하였으며 유기물 분석을 실시하여 밭토양과 논 토양내 유기물 함량을 분석하였다. 또한 휴대용 분광계를 이용하여 밭토양과 논토양 내 중금속 오염도와 유기물 함량에 따른 분광특성을 고찰하였다.
, 2016). 본 연구에서는 옥동탄광 하류에 존재하는 논토양과 밭토양에 대해 분광분석을 실시하기 위해 ASD사(Analytical Spectral Devices, Inc, USA)의 Labspec 5100 휴대용 분광기를 사용하였다. 본 기기는 빠르고 간편한 분석이 가능한 장점을 가지고 있으며, 350-2, 500 nm의 파장 영역에 대해 3-6 nm의 분광해상도를 갖는다.
본 연구지역의 논토양과 밭토양에 대해 X선 형광분석을 실시하여 토양 시료 내에 카드뮴, 구리, 비소, 납, 아연, 니켈의 함량을 측정하였고, 각 중금속의 함량을 환경부령 토양오염 우려 및 대책기준을 (환경부, 2020) 적용하여 중금속 오염도를 평가하였다 (Table 1). 그러나 본 연구에 활용한 휴대용 X선 형광분석은 기존의 화학분석 방법에 비해 오차범위가 넓으며, 따라서 본 중금속 함량분석 결과는 상대적으로 오차가 클 수 있음을 주지한다.
연구지역 토양 시료의 중금속 오염도에 따른 분광특성 변이를 알아내기 위해 앞서 계산한 중금속 오염지수를 기반으로 고오염토양과 저오염토양의 분광곡선을 비교하였다. 이를 위해 밭토양과 논토양에서 각각 최고 오염지수와 최저 오염지수를 갖는 시료의 분광곡선의 반사도와 흡광특성의 변이를 비교 분석 하였다 (Fig.
옥동탄광 주변에서 채취한 논토양 시료와 밭토양 시료에 대하여 분광특성을 분석하여 평균 반사도와 흡광 깊이를 확인하였다. 분광분석 결과, 논토양과 밭 토양은 전반적으로 비슷한 스펙트럼 양상을 띄었으며 가시광선 영역에서부터 단파적외선 영역까지 논토양의 반사도가 밭토양의 반사도보다 높은 것을 확인하였다.
옥동탄광 하류에 위치한 논토양과 밭토양의 광물조성을 확인하기 위해 대표적인 논토양과 밭토양 시료를 선택하여 X선회절분석을 실시하였다. X선회절분석은 지질자원연구원의 Rigaku사 Ultima IV XRD를 사용하였다.
옥동탄광 하류에 존재하는 논토양과 밭토양 각각에 대하여 유기물 분석을 실시하였다. 유기물 분석은 농업환경과학연구소에 실험을 위탁하였으며 농촌진흥청고시 ‘비료의 품질검사방법 및 시료채취기준’ 제 10조 제 1항에 따라 진행되었다.
따라서 본 연구는 강원도 영월군 김삿갓면에 위치한 옥동 광산 하류에 위치한 논토양과 밭토양에 대하여 중금속 오염도를 분석하고, 이에 따른 분광학적 특성을 광물 조성과 비교 분석하였다. 이를 위해 X선 형광분석법을 이용하여 토양의 오염도를 측정하고 X선 회절분석을 통해 오염 토양의 광물 조성분석을 실시하였으며, 유기물 분석을 통해 토양 내 유기물 함량을 분석하였다. 최종적으로 분광분석을 통해 중금속 오염 논토양과 밭 토양에 대한 중금속 오염특성에 따른 분광학적 특성 변이를 고찰하였다.
이를 위해 밭토양과 논토양에서 각각 최고 오염지수와 최저 오염지수를 갖는 시료의 분광곡선의 반사도와 흡광특성의 변이를 비교 분석 하였다 (Fig. 6a, Fig. 6b). 그 결과, 밭토양에서는 가시광선 영역에서부터 근적외선 영역 중 988nm까지 오염지수가 높은 토양이 오염지수가 낮은 토양보다 반사도가 높았지만 988nm를을 기준으로 그 반사도가 역전되는 현상을 보였다.
또한 X선회절분석을 통해 중금속 오염 토양의 광물조성을 확인하였으며 분광분석결과와 비교하였다. 중금속 오염 논토양 및 밭토양의 유기물 함량에 따른 분광특성 변이를 관찰하기 위해 최종적으로 토양의 중금속 오염도 및 광물조성의 영향을 종합하여 토양 중 중금속 오염도에 따른 분광학적 특성을 분석하였다.
이를 위해 X선 형광분석법을 이용하여 토양의 오염도를 측정하고 X선 회절분석을 통해 오염 토양의 광물 조성분석을 실시하였으며, 유기물 분석을 통해 토양 내 유기물 함량을 분석하였다. 최종적으로 분광분석을 통해 중금속 오염 논토양과 밭 토양에 대한 중금속 오염특성에 따른 분광학적 특성 변이를 고찰하였다.
본 장비의 정량한계는 카드뮴 8-15 ppm, 구리 3-7 ppm, 비소 1-3 ppm, 수은 2-4 ppm, 크롬 3-10 ppm, 아연 2-5 ppm, 니켈 4-10 ppm, 납 2-4 ppm, 철 7-20 ppm이다. 토양 내 중금속 함량의 분석은 X 선의 에너지 손실을 최소화하기위해 기기와 토양 시료를 밀착하여 니켈, 비소, 납, 아연, 구리 및 카드뮴을 대상으로 고에너지 및 저에너지의 별도 2개의 X선을 이용해 각 60초 동안 진행하였다(Desouza et al., 2017). 그 후, 각 시료의 오염도를 수치화하기 위해 환경부 토양오염우려대책기준 1지역을 근거로 하여 오염지수(Pollution Index, PI)를 계산하였다(Jung et al.

대상 데이터

연구지역인 옥동탄광은 강원도 영월군 김삿갓면 주문리에 소재하며 지리좌표상 북위37°08'23.1", 동경 128°37'23.1"에 해당한다(Fig. 1). 옥동탄광은 영월읍에서 약 16km 떨어진 해발 635m 지점에 위치하는 영월탄전에 속하는 무연탄 광산으로, 1952년 영월군 하동면(지금의 김삿갓면) 주문리에서 개광하였다.
1). 각 지역에서 유기물층을 제거한 후 0-10cm 깊이의 표토를 대상으로 시료를 채취하여 풍건 후 20 mesh 체로 친 후 분석용 시료로 이용하였다.
연구지역의 지층은 조선계의 대석회암층군, 평안계의 홍점 층·사동층·고방산층 순으로 퇴적되어 있다(Fig. 2). 석탄을 포함하고 있는 함탄층은 사동층 내에 2-3매가 협재하는데, 이 가운데 중탄층 1매에서만 가행하였다 (ME, 2014).
1). 토양시료 채취기 및 스테인리스스틸 재질의 모종삽을 이용하여 총 36개 지점에서 토양시료를 획득하였다(Fig. 1). 각 지역에서 유기물층을 제거한 후 0-10cm 깊이의 표토를 대상으로 시료를 채취하여 풍건 후 20 mesh 체로 친 후 분석용 시료로 이용하였다.
토양시료는 2014년 환경부의 ‘페석탄광산 주변 오염실태조사’ 보고서에 의거하여 중금속에 의한 토양오염 우려 기준을 초과하는 옥동탄광 주변 논토양에서 9개, 밭토양에서 27개의 시료를 채취하였다 (Fig. 1). 토양시료 채취기 및 스테인리스스틸 재질의 모종삽을 이용하여 총 36개 지점에서 토양시료를 획득하였다(Fig.

데이터처리

, 2016). 또한 X선회절분석을 통해 중금속 오염 토양의 광물조성을 확인하였으며 분광분석결과와 비교하였다. 중금속 오염 논토양 및 밭토양의 유기물 함량에 따른 분광특성 변이를 관찰하기 위해 최종적으로 토양의 중금속 오염도 및 광물조성의 영향을 종합하여 토양 중 중금속 오염도에 따른 분광학적 특성을 분석하였다.
, 2014), 노이즈 값을 줄이고 시료의 균질성을 높이기 위해 시료의한 지점에서 5회 측정한 반사도 값들의 산술평균값을 사용하였다. 분광곡선은 The Spectral Geologist 7.5(TSG 7.5)와 ENVI 4.8 소프트웨어를 활용하여, USGS(United Stated Geological Survey) 분광라이브러리(Clark et al., 2007)와 JPL (Jet Propulsion Laboratory) ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflectance Radiometer) 분광라이브러리(Baldridge et al., 2009)가 제공하는 표준분광 정보와 비교분석하였다.
본 기기는 빠르고 간편한 분석이 가능한 장점을 가지고 있으며, 350-2, 500 nm의 파장 영역에 대해 3-6 nm의 분광해상도를 갖는다. 분광분석은 파우더 시료를 촬영하는 mug-light 방식으로 이루어졌으며(Jeong et al., 2014), 노이즈 값을 줄이고 시료의 균질성을 높이기 위해 시료의한 지점에서 5회 측정한 반사도 값들의 산술평균값을 사용하였다. 분광곡선은 The Spectral Geologist 7.
02° 의 간격으로 3-60°까지 분당 40°로 측정하여 X선 회절곡선을 취득하였다. 분석이 완료된 X선회절분석 결과는 Match! 소프트웨어를 사용하여 해석하였다.

이론/모형

실시하였다. X선 형광분석은 높은 정량한계를 가진다는 단점이 있으나 측정이 용이하고, 분광분석을 실시한 오염토양 표면의 중금속 함량 측정이 가능한 휴대용 XRF (X-Ray Fluorescence Spectrometry)를 활용하였다(Shin et al., 2016). 또한 X선회절분석을 통해 중금속 오염 토양의 광물조성을 확인하였으며 분광분석결과와 비교하였다.
본 연구는 옥동탄광 하류에 존재하는 논 토양과 밭토양에 대해 중금속 함량에 따른 상대적인 오염 정도를 파악하기 위해 Olympus사의 DELTA 휴대용 XRF를 사용하여 X선 형광분석을 실시하였다. 분석은 USEPA에서 지정한 Method 6200(USEPA, 2007)에 준하여 실내에서 측정되었다. 해당 기기는 40kV의 Ta-Au의 X선 튜브와 실리콘표류검출기(silicon drift detector)를 갖고 있고 측정원소는 2cm의 구경을 통해 165 eV 이하의 해상도로 측정된다.
유기물 분석을 실시하였다. 유기물 분석은 농업환경과학연구소에 실험을 위탁하였으며 농촌진흥청고시 ‘비료의 품질검사방법 및 시료채취기준’ 제 10조 제 1항에 따라 진행되었다. 유기물 함량은 약 10 g의 토양을 도가니에 넣어 105℃에서 건조시킨 뒤의 무게와 600℃에서 4시간 동안 태운 무게의 차인 작열감량법으로 구하였다 (Kim et al.
유기물 분석은 농업환경과학연구소에 실험을 위탁하였으며 농촌진흥청고시 ‘비료의 품질검사방법 및 시료채취기준’ 제 10조 제 1항에 따라 진행되었다. 유기물 함량은 약 10 g의 토양을 도가니에 넣어 105℃에서 건조시킨 뒤의 무게와 600℃에서 4시간 동안 태운 무게의 차인 작열감량법으로 구하였다 (Kim et al., 2012; Allen 1989). 그후 유기물 함량에 따른 반사도 변이를 관찰하였다.
해당 기기는 40kV의 Ta-Au의 X선 튜브와 실리콘표류검출기(silicon drift detector)를 갖고 있고 측정원소는 2cm의 구경을 통해 165 eV 이하의 해상도로 측정된다. 토양분석을 실시하기에 앞서 X선 형광분석에서 널리 사용되는 기기 보정법인 316 합금 비드를 사용하여 기기 보정이 실시되었다. 기기 보정에 활용되는 316 합금 비드는 크롬 16.

성능/효과

그 결과, 밭토양에서는 가시광선 영역에서부터 근적외선 영역 중 988nm까지 오염지수가 높은 토양이 오염지수가 낮은 토양보다 반사도가 높았지만 988nm를을 기준으로 그 반사도가 역전되는 현상을 보였다. 988nm 이후의 근적외선 영역에서부터 단파 적외선 영역까지는 오염지수가 낮은 밭토양이 오염지수가 높은 밭토양보다 반사도가 높은 것을 확인하였다(Fig. 6a). 밭토양에서와 비슷하게 논토양에서도 반사도 역전 현상이 나타났다.
그러나 본 연구의 목표는 중금속 함량과 유기물 함량에 따른 분광특성 변이를 관찰하고자 하였으므로, 본 연구의 전체적인 결과를 기술하는 데는 충분하 과학적 근거가 될 수 있다고 판단하였다. X선 형광분석 결과, 논토양에서는 카드뮴이 검출되지 않았으며, 밭토양의 경우 4개의 시료에서 검출한계 미만인 21-27ppm함량을 보여 신뢰할 수 없는 수준으로 확인되었다. 구리, 비소, 납, 아연, 니켈은 논토양과 밭토양의 모든 시료에서 검출되었으며 특히 논토양과 밭토양 모두 비소에 대하여 토양환경오염우려수준으로 오염된 것을 확인하였다.
3%로 밭토양의 유기물 함량변이가 더 큰 것으로 나타났다. 광물분석 결과 모든 시료에서 석영 및 고령토, 스멕타이트군 광물이 검출되어 토양 내 중금속은 점토광물에 흡착되어 존재한다고 판단된다. 논토양과 논토양의 분광특성을 분석한 결과 밭토양과 논토양에서 유사한 반사도 양상과 흡광특성을 나타냈다.
X선 형광분석 결과, 논토양에서는 카드뮴이 검출되지 않았으며, 밭토양의 경우 4개의 시료에서 검출한계 미만인 21-27ppm함량을 보여 신뢰할 수 없는 수준으로 확인되었다. 구리, 비소, 납, 아연, 니켈은 논토양과 밭토양의 모든 시료에서 검출되었으며 특히 논토양과 밭토양 모두 비소에 대하여 토양환경오염우려수준으로 오염된 것을 확인하였다. 논토양의 평균 비소함량은 40.
8ppm으로 우려기준을 9ppm이상 초과하였다(Table 1). 구리, 아연, 니켈은 논토양과 밭토양에서 모두 토양환경오염우려수준보다 낮은 수준으로 검출되었으며 납은 논토양과 밭토양에서 토양환경오염 우려수준보다 매우 낮은 수준으로 검출되었다. 특히 상류에 위치한 밭토양의 경우 구리, 아연, 니켈의 함량이 하류에 위치한 논토양에 비해 부화된 것으로 나타났다 (Table 1).
6d). 그 결과, 밭 토양은 400nm부터 흡광특성이 발현되는 490nm 부근까지 유기물의 함량이 높은 시료의 반사도와 유기물의 함량이 적은 시료의 반사도가 유사하다가 490nm 이후 단파 적외선 대역까지 유기물의 함량이 높은 시료가 유기물의 함량이 적은 시료보다 반사도가 낮은 것을 확인하였다(Fig. 6c). 마찬가지로 논토양도 400nm부터 흡광 특성이 발현되는 488nm 부근까지 유기물의 함량에 관계없이 반사도가 유사하다가 488nm 이후 단파 적외선 대역까지 유기물의 함량이 높은 시료가 유기물의 함량이 적은 시료보다 반사도가 낮은 것을 확인하였다 (Fig.
6b). 그 결과, 밭토양에서는 가시광선 영역에서부터 근적외선 영역 중 988nm까지 오염지수가 높은 토양이 오염지수가 낮은 토양보다 반사도가 높았지만 988nm를을 기준으로 그 반사도가 역전되는 현상을 보였다. 988nm 이후의 근적외선 영역에서부터 단파 적외선 영역까지는 오염지수가 낮은 밭토양이 오염지수가 높은 밭토양보다 반사도가 높은 것을 확인하였다(Fig.
더불어 각 시료들의 오염정도를 수치화하기 위해 환경부의 1지역 토양오염우려기준을 활용하여 논토양과 밭토양의 중금속 오염지수를 계산하였다. 그 결과, 중금속 오염지수의 최댓값과 최솟값 모두 밭토양이 논토양보다 더 큰 값을 나타냈으며 평균값을 비교한 결과 밭토양이 논토양보다 중금속오염이 상대적으로 높음이 확인되었다.
그러나 본 연구에 활용한 휴대용 X선 형광분석은 기존의 화학분석 방법에 비해 오차범위가 넓으며, 따라서 본 중금속 함량분석 결과는 상대적으로 오차가 클 수 있음을 주지한다. 그러나 본 연구의 목표는 중금속 함량과 유기물 함량에 따른 분광특성 변이를 관찰하고자 하였으므로, 본 연구의 전체적인 결과를 기술하는 데는 충분하 과학적 근거가 될 수 있다고 판단하였다.
있는 큰 한계가 있다. 그에 반해 X선 형광분석법은 유도결합 플라즈마 분석법에 비해 정확한 측정 결과를 얻을 수 없으나, 전처리 과정이 간단하며 빠른 실험 결과를 얻을 수 있고, 특별한 보조 장치 없이 %에서 ppm단위까지 측정이 가능하다. 이러한 장점으로 X선 형광분석은 ISO-111-95-CDV 및 IEC 62321 RoHs Test Method에서 스크리닝 검증방법으로 규정하고 있다 (Choi et al.
4). 논 토양 시료와 밭토양시료의 흡광특성과 흡광깊이를 분석한 결과, 두 토양 모두에서 유사한 흡광특성을 보인다 (Fig. 5). 가시광선 대역에서는 밭토양과 논토양의 흡광 특성이 485nm에서 발현되며, 이는 토양내 존재하는 산화철의 영향으로 사료된다.
13%이다. 논토양 시료의 유기물함량은 최소 2.48%, 최대 4.3% 검출되었으며 평균 유기물 함량은 3.27%를 보이며 대체적으로 밭토양의 유기물 함량이 논토양의 유기물 함량보다 더 높은 것으로 나타났다(Table 2).
광물분석 결과 모든 시료에서 석영 및 고령토, 스멕타이트군 광물이 검출되어 토양 내 중금속은 점토광물에 흡착되어 존재한다고 판단된다. 논토양과 논토양의 분광특성을 분석한 결과 밭토양과 논토양에서 유사한 반사도 양상과 흡광특성을 나타냈다. 두 토양 모두 490nm 부근과 900nm 부근에서 토양 내 산화철의 흡광특성이 관찰되었으며 1410nm, 1910nm 부근과 2200nm 부근에서 점토광물인 고령토와 스멕타이트군에 의한 흡광특성이 두드러지게 나타났다.
밭토양에서와 비슷하게 논토양에서도 반사도 역전 현상이 나타났다. 논토양에서는 가시광선 영역 중 400nm부터 540nm까지 오염지수가 높은 토양이 오염지수가 낮은 토양보다 반사도가 다소 높게 나타났으며 540nm 이후의 가시광선 영역을 포함하여 근적외선과 단파적외선에 이르기까지 오염지수가 낮은 논 토양이 오염지수가 높은 논토양보다 반사도가 더 높은 것을 확인할 수 있었다(Fig. 6b). 흡광특성의 경우, 논 토양과 밭토양에서 모두 중금속 오염도에 따른 비슷한 특징을 보였다.
논토양과 논토양의 분광특성을 분석한 결과 밭토양과 논토양에서 유사한 반사도 양상과 흡광특성을 나타냈다. 두 토양 모두 490nm 부근과 900nm 부근에서 토양 내 산화철의 흡광특성이 관찰되었으며 1410nm, 1910nm 부근과 2200nm 부근에서 점토광물인 고령토와 스멕타이트군에 의한 흡광특성이 두드러지게 나타났다. 이와 같은 특성은 기존연구에서 철산화물 및 점토광물과 중금속 이온의 지화학적 반응에 의해 발생한다고 보고된 바 있으며 (Bowell, 1994; Gier and John, 2000), 따라서 본 연구의 중금속 오염지수에 따른 반사도 곡선 분석 결과에서 보여지는 오염도의 상승에 따른 흡광깊이의 감소는 흡광특성이 발현하는 철산화물과 점토광물의 중금속이온과의 지화학적 반응의 결과일 것으로 사료된다.
6c). 마찬가지로 논토양도 400nm부터 흡광 특성이 발현되는 488nm 부근까지 유기물의 함량에 관계없이 반사도가 유사하다가 488nm 이후 단파 적외선 대역까지 유기물의 함량이 높은 시료가 유기물의 함량이 적은 시료보다 반사도가 낮은 것을 확인하였다 (Fig. 6d). 하지만 유기물 함량에 따라 나타나는 반사도 차이는 밭토양에서 더욱 크게 나타났는데, 이는 유기물 함량 분석 결과(Table 2)에 기인한 것으로 사료된다.
옥동탄광 주변 밭토양과 논토양에 대하여 중금속오염도를 평가한 결과, 비소는 토양환경오염우려수준으로 검출되었고, 밭토양이 논토양보다 중금속오염지수가 상대적으로 높았다. 밭토양과 논토양의 광물조성은 석영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석, 적철석으로 확인되었다. 유기물 분석 결과 밭토양의 유기물 함량은 2.
확인하였다. 분광분석 결과, 논토양과 밭 토양은 전반적으로 비슷한 스펙트럼 양상을 띄었으며 가시광선 영역에서부터 단파적외선 영역까지 논토양의 반사도가 밭토양의 반사도보다 높은 것을 확인하였다. 한편, 가시광선 대역과 단파적외선 대역에서 밭토양과 논 토양의 반사도 차이가 크게 나타났으며, 근적외선 대역 이후로 논토양의 반사도가 증가하는 추세를 보이는 반면 밭토양의 반사도는 큰 변이가 없다(Fig.
옥동탄광 주변 밭토양과 논토양 토양시료 중 각 지역을 대표하는 시료를 선정하여 X선 회절분석을 실시한 결과(Fig. 3), 밭토양 시료(Fig. 3a)와 논토양 시료 (Fig. 3b)의 광물조성은 모두 유사하게 석영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석, 적철석으로 동정되었으며 논토양과 밭토양 간 광물조성 차이는 크게발생하지 않았다. 일반적으로 중금속광산 주변 토양 중 중금속의 검출은 지질기원의 광물과 점토광물, Fe 및 산화광물, 수산화광물 등의 흡착정도에 따라 달라지는 것으로 보고된 바 있다(Shin et al.
또한 휴대용 분광계를 이용하여 밭토양과 논토양 내 중금속 오염도와 유기물 함량에 따른 분광특성을 고찰하였다. 옥동탄광 주변 밭토양과 논토양에 대하여 중금속오염도를 평가한 결과, 비소는 토양환경오염우려수준으로 검출되었고, 밭토양이 논토양보다 중금속오염지수가 상대적으로 높았다. 밭토양과 논토양의 광물조성은 석영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석, 적철석으로 확인되었다.
옥동탄광 하류에 존재하는 논토양과 밭토양을 대상으로 유기물 분석 실험을 진행한 결과, 밭토양 시료의 유기물 함량은 최소 2.29%, 최대 7.27% 검출되었으며 평균 유기물 함량은 4.13%이다. 논토양 시료의 유기물함량은 최소 2.
밭토양과 논토양의 광물조성은 석영, 방해석, 고령토, 일라이트, 스멕타이트, 자철석, 적철석으로 확인되었다. 유기물 분석 결과 밭토양의 유기물 함량은 2.29%-7.27%, 논토양은 2.48%-4.3%로 밭토양의 유기물 함량변이가 더 큰 것으로 나타났다. 광물분석 결과 모든 시료에서 석영 및 고령토, 스멕타이트군 광물이 검출되어 토양 내 중금속은 점토광물에 흡착되어 존재한다고 판단된다.
하지만 유기물 함량에 따라 나타나는 반사도 차이는 밭토양에서 더욱 크게 나타났는데, 이는 유기물 함량 분석 결과(Table 2)에 기인한 것으로 사료된다. 유기물 분석 결과, 논토양 시료의 최대 유기물 함량은 4.3%, 최소 유기물 함량은 2.48%로 1.82%가 차이 났고 밭토양 시료의 경우 최대 유기물 함량이 7.27%, 최소 유기물 함량이 2.29%로 4.98% 차이를 나타내어 논 토양 시료보다 유기물 함량 변이가 큰 것으로 확인되었기 때문이다. 흡광깊이 분석 결과, 밭토양과 논 토양 모두 흡광특성을 나타내는 영역 중 가시광선 대역인 490nm 부근과 단파적외선 대역인 1916nm 부근에서 유기물의 함량이 낮은 토양이 유기물의 함량이 높은 토양보다 흡광 깊이가 깊은 것을 확인하였다.
구리, 아연, 니켈은 논토양과 밭토양에서 모두 토양환경오염우려수준보다 낮은 수준으로 검출되었으며 납은 논토양과 밭토양에서 토양환경오염 우려수준보다 매우 낮은 수준으로 검출되었다. 특히 상류에 위치한 밭토양의 경우 구리, 아연, 니켈의 함량이 하류에 위치한 논토양에 비해 부화된 것으로 나타났다 (Table 1). 더불어 각 시료들의 오염정도를 수치화하기 위해 환경부의 1지역 토양오염우려기준을 활용하여 논토양과 밭토양의 중금속 오염지수를 계산하였다.
이와 같은 특성은 기존연구에서 철산화물 및 점토광물과 중금속 이온의 지화학적 반응에 의해 발생한다고 보고된 바 있으며 (Bowell, 1994; Gier and John, 2000), 따라서 본 연구의 중금속 오염지수에 따른 반사도 곡선 분석 결과에서 보여지는 오염도의 상승에 따른 흡광깊이의 감소는 흡광특성이 발현하는 철산화물과 점토광물의 중금속이온과의 지화학적 반응의 결과일 것으로 사료된다. 한편 유기물 함량에 따른 반사도 곡선 분석 결과 유기물 함량이 많을수록 낮은 반사도를 나타냈으며 점토광물에 의한 유기물흡착으로 유기물의 함량이 적을수록 깊은 흡광 깊이를 보였다. 이는 분광학적 특성이 중금속 오염도 및 유기물함량과 상당한 연관성이 있음을 지시한다.
분광분석 결과, 논토양과 밭 토양은 전반적으로 비슷한 스펙트럼 양상을 띄었으며 가시광선 영역에서부터 단파적외선 영역까지 논토양의 반사도가 밭토양의 반사도보다 높은 것을 확인하였다. 한편, 가시광선 대역과 단파적외선 대역에서 밭토양과 논 토양의 반사도 차이가 크게 나타났으며, 근적외선 대역 이후로 논토양의 반사도가 증가하는 추세를 보이는 반면 밭토양의 반사도는 큰 변이가 없다(Fig. 4). 논 토양 시료와 밭토양시료의 흡광특성과 흡광깊이를 분석한 결과, 두 토양 모두에서 유사한 흡광특성을 보인다 (Fig.
98% 차이를 나타내어 논 토양 시료보다 유기물 함량 변이가 큰 것으로 확인되었기 때문이다. 흡광깊이 분석 결과, 밭토양과 논 토양 모두 흡광특성을 나타내는 영역 중 가시광선 대역인 490nm 부근과 단파적외선 대역인 1916nm 부근에서 유기물의 함량이 낮은 토양이 유기물의 함량이 높은 토양보다 흡광 깊이가 깊은 것을 확인하였다. 이는 유기물에 의해 흡광특성이 발현되는 곳으로 알려진 490nm와 1916nm 부근에서 토양에 존재하는 유기물이 점토광물과 흡착하기 때문에 유기물의 함량이 많을수록 흡광 깊이가 감소하는 것으로 사료된다(Choe et al.
Rossel and Behrens, 2010). 흡광특성이 발현된 영역 중 1413nm, 2206nm에서는 밭토양과 논토양의 흡광깊이가 비슷하였지만 485nm에서는 밭토양이, 1918nm 에서는 논토양의 흡광 깊이가 더 깊은 것을 확인하였다. 이는 밭토양에서는 철을 함유한 광물이, 논 토양에서는 점토 광물이 흡광특성을 발현시키는 데 더 많은영향을 끼친 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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