[논문]마산만과 낙동강 하구역 해양 퇴적토의 중금속 오염도 산정 연구

이준호; 양찬근; 한경수; 이태윤

doi:10.14481/jkges.2020.21.3.13

마산만과 낙동강 하구역 해양 퇴적토의 중금속 오염도 산정 연구
Estimation of Heavy Metal Contamination Level in Masan Bay and Nakdong Estuary Sediments 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.21 no.3, 2020년, pp.13 - 21

이준호 (Ship Practical Training Center, Pukyong National University) , 양찬근 (Ship Practical Training Center, Pukyong National University) , 한경수 (Spatial Information Engineering, Pukyong National University) , 이태윤 (Department of Environmental Engineering, Pukyong National University)

초록
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본 연구는 마산만과 낙동강 하구 인근의 해양퇴적토에 포함된 중금속 농도를 측정하여 기존 오염도 산정방법을 이용하여 6개 중금속에 대한 오염도를 평가하고자 하였다. 미국 환경청 기준에 따르면 Cu의 경우 B1지역은 심한오염으로 분류되었고 Ni과 Zn의 경우 일부지역에서 중간정도 오염으로 분류되었다. Igeo, EF, PERF의 분류에 따르면, A와 B 지역은 Cd에 의해 오염이 된 것으로 나타났다. 특히, B1 지역의 경우 Igeo, EF, PERF 값이 전 지역을 통틀어 제일 높은 값을 나타내어 심각한 오염으로 평가되었다. 6개 중금속 모두의 영향을 고려한 mean PEL quotient 분류에 따르면 모든 지역에서 중금속으로 인해 독성이 발생할 확률은 21%로 파악되었다. B1 지역의 Cd 농도는 1.5mg/kg으로 가장 높은 값을 보였고 이는 기존의 연구와 비교해서도 가장 높은 값임을 알 수 있었다. 따라서, 마산만 인근의 퇴적토에 포함된 Cd의 오염이 심각하므로 이에 대한 원인을 밝히고 향후 처리방안에 대해 신중한 접근이 필요할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to evaluate the concentrations of heavy metals in the marine sediments near the Masan bay and the Nakdong estuary, and to investigate the pollution intensity levels of six heavy metals using the existing pollution intensity assessment method. According to the US environmental protection agency, in the case of Cu, the B1 area was classified as severe pollution, while in Ni and Zn, it was classified as moderate pollution in some areas. According to the classification of Igeo, EF and PERF, the A and B regions were polluted by Cd. In particular, in the B1 region, Igeo, EF, and PERF values were the highest in all regions, and were regarded as serious pollution. According to the mean PEL quotient classification, which takes into account the effects of all six heavy metals, there is a 21% probability of toxicity from heavy metals in all regions. The highest concentration of Cd in the B1 region is 1.5 mg/kg. Therefore, the contamination of Cd contained in sediment near Masan Bay is serious, so it is necessary to clarify the cause and take careful approach to future treatment.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Map showing the sampling sites of Masan Bay and Nakdong Estuary
표 Table 1. Summary for Scale of pollution intensities for Enrichment Factor (EF), Geoaccumulation index values (I_geo), Potential ecological risk factor (PERF), and mean probable effects level quotient (meanPELquotient) (obtained from Lee et al., 2015)
그림 Fig. 2. Distribution of N, C, H, S and ignition loss measured for sediment samples
표 Table 2. Results of elemental analyses of sediments collected from Masan bay and Nakdong estuary (wt, %)
표 Table 3. Concentrations of heavy metals (mg/kg) in sediments for 13 sediment samples
표 Table 4. Results of index of enrichment factor, geoaccumulation and potential ecological risk factor for samples obtained from Masan bay and Nakdong estuary
그림 Fig. 3. Results of pollution level assessment for 6 heavy metals on 13 sampling sites: (a) I_geo, EF and (b) PERF
그림 Fig. 4. The mean PEL quotient values in the surface sediments obtained from Masan bay and Nakdong estuary
그림 Fig. 5. Results show (a) Cd concentrations for this study and (b) average concentration of Cd measured for B1, Nakdong estuary, Yeosu harbor, Jeju harbor, Hansan island, Busan harbor, Tongyong, and Gwangan bridge

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마산만과 낙동강 하구역 인근의 표층 퇴적토를 채취하여 중금속 함유 여부를 분석하고 이를 이용하여 중금속 오염도를 평가하고자 한다. 퇴적토에 포함된 중금속의 오염도는 측정된 중금속이 인간활동(anthropogenic activities)으로 인해 발생된 중금속인지를 평가하는 Enrichment factor(Chester & Stoner, 1973), 퇴적토에 포함된 중금속이 외부적 요인에 의해 유입된 정도를 정량적으로 표현하는 Geoaccumulation index (Muller, 1969), 시간변화에 따른 다양한 중금속 오염도가 주위 생태학적 위해성을 정량적으로 표시한 Potential ecological risk factor(Hakanson, 1980)를 이용하여 채취된 퇴적토 내 중금속의 오염정도를 객관적으로 평가하고자 하였다.
마산만 인근과 낙동강 하구역 지역에서 총 13개의 퇴적토를 채취하였고 채취한 퇴적토에 대한 성분분석과 중금속 함량을 측정하였다. 이 자료를 바탕으로 기존 퇴적토 오염도 산정방법을 이용하여 퇴적토의 오염도와 위해성을 판단하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.
퇴적토에 포함된 중금속의 오염도는 측정된 중금속이 인간활동(anthropogenic activities)으로 인해 발생된 중금속인지를 평가하는 Enrichment factor(Chester & Stoner, 1973), 퇴적토에 포함된 중금속이 외부적 요인에 의해 유입된 정도를 정량적으로 표현하는 Geoaccumulation index (Muller, 1969), 시간변화에 따른 다양한 중금속 오염도가 주위 생태학적 위해성을 정량적으로 표시한 Potential ecological risk factor(Hakanson, 1980)를 이용하여 채취된 퇴적토 내 중금속의 오염정도를 객관적으로 평가하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 6개의 중금속(Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn)에 대해 값을 계산하였다.6개 중금속의 배경농도는 기존 연구결과를 참조하여 threshold effect level(TEL) 값을 사용하였다(Lee et al., 2014). 각 중금속의 TEL 농도는 Cd: 0.
마산만과 낙동강 하구역 인근의 퇴적토를 채취하기 위해 부산 소재 국립 P대학교의 해양탐사선을 2019년 5월에 투입하여 마산만 인근에서 6개의 시료를 채취하였고 낙동강하구역에서 7개의 시료를 채취하였다. 각 시료는 시료의 균질성을 확보하기 위해 채취한 시료의 상층, 중증, 하층에서 일정한 양의 시료를 취한 후 혼합하였다. 시료채취는 Vanveengrab sampler를 이용하였고 샘플러의 용량은 9L에 무게는25kg이었다.
마산만 인근과 낙동강 하구역 지역에서 총 13개의 퇴적토를 채취하였고 채취한 퇴적토에 대한 성분분석과 중금속 함량을 측정하였다. 이 자료를 바탕으로 기존 퇴적토 오염도 산정방법을 이용하여 퇴적토의 오염도와 위해성을 판단하였다.
는 해당 중금속의 배경농도를 의미한다. 본 연구에서는 6개의 중금속(Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn)에 대해 값을 계산하였다.6개 중금속의 배경농도는 기존 연구결과를 참조하여 threshold effect level(TEL) 값을 사용하였다(Lee et al.
수분을 제거한 시료 5g을 전기로에서 550°C로 2시간 가열하여 시료에 포함된 유기물을 완전 연소시킨 후 유기물 연소로 인한 무게차로 시료의 강열감량을 계산하였다.
중금속오염도 평가는 먼저 미국 환경청에서 제시하는 기준치를 이용하여 평가하였다. 이 평가에서는 대상 퇴적토를 비오염, 중간오염, 심한오염으로 분류하는 방법을 설명하고 있으며, 사용하는 지표는 5개의 중금속 농도(Cd, Cu, Ni, Pb, Zn)와 퇴적토의 강열감량이다.
체를 통과한 시료는 건조기를 이용하여 60°C로 48시간 동안 건조하였다.
퇴적토에 포함된 6개 중금속(Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn)의 농도는 해양오염공정시험법에 따라 Optima 3300XL Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometer(Perkin elmer, USA)를 이용하여 측정하였다. 퇴적토에 포함된 중금속 추출은 퇴적토 1g을 비이커에 넣은 후 질산, 과염소산 및 불소산을 이용하여 완전 분해한 후 1 N 질산용액으로 재용해하여 진행하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 총 13개의 시료가 사용이 되었다. A1과 A3 시료는 거제도와 마산만이 만나는 지점에서 통영쪽으로 들어간 지점에서 채취하였고, B계열 시료들은 마산만 안쪽에서 시작하여 거제도와 가덕도를 통과한 후 외해로 나가는 지점들을 지정하여 채취하였다. C1, C2, C3는 낙동강 하구역과 가까운 지점에서 채취한 시료를 의미한다.
마산만과 낙동강 하구역 인근의 퇴적토를 채취하기 위해 부산 소재 국립 P대학교의 해양탐사선을 2019년 5월에 투입하여 마산만 인근에서 6개의 시료를 채취하였고 낙동강하구역에서 7개의 시료를 채취하였다. 각 시료는 시료의 균질성을 확보하기 위해 채취한 시료의 상층, 중증, 하층에서 일정한 양의 시료를 취한 후 혼합하였다.
본 연구에서 고려하는 지역인 마산만과 낙동강 하구는 부근 하천으로부터 지속적으로 오염물질이 유입이 되고 있어 퇴적토의 오염도가 심한 지역으로 알려져 있다. 마산만의 경우 인근 하천으로부터 많은 양의 유기물과 중금속 성분이 유입되고 있고 폐쇄해역의 특성상 오염도가 높은 것으로 알려져 있다(Hyun et al.
본 연구에서는 총 13개의 시료가 사용이 되었다. A1과 A3 시료는 거제도와 마산만이 만나는 지점에서 통영쪽으로 들어간 지점에서 채취하였고, B계열 시료들은 마산만 안쪽에서 시작하여 거제도와 가덕도를 통과한 후 외해로 나가는 지점들을 지정하여 채취하였다.
채취한 시료는 즉시 4°C에서 냉장보관을 하였고, 실험실에서 분석 시에는 실온으로 해동하여 분석에 사용하였다. 시료 채취 장소는 탐사선이 들어갈 수 있는 수심한도까지 접근하여 적합한 장소를 선정하였고 시료채취장소 및 시료번호는 Fig. 1에 표시하였다.
각 시료는 시료의 균질성을 확보하기 위해 채취한 시료의 상층, 중증, 하층에서 일정한 양의 시료를 취한 후 혼합하였다. 시료채취는 Vanveengrab sampler를 이용하였고 샘플러의 용량은 9L에 무게는25kg이었다. 채취한 시료는 즉시 4°C에서 냉장보관을 하였고, 실험실에서 분석 시에는 실온으로 해동하여 분석에 사용하였다.
채취한 시료는 즉시 4°C에서 냉장보관을 하였고, 실험실에서 분석 시에는 실온으로 해동하여 분석에 사용하였다.

이론/모형

수분을 제거한 시료 5g을 전기로에서 550°C로 2시간 가열하여 시료에 포함된 유기물을 완전 연소시킨 후 유기물 연소로 인한 무게차로 시료의 강열감량을 계산하였다. 시료에 포함된 C, H, N, S의 함량은 ASTM D5291-93에 따라 원소분석기(Macroand Micro Elemental Analyzer, Elementar, Germany)를 사용하여 측정하였다. 퇴적토에 포함된 6개 중금속(Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn)의 농도는 해양오염공정시험법에 따라 Optima 3300XL Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometer(Perkin elmer, USA)를 이용하여 측정하였다.
시료에 포함된 C, H, N, S의 함량은 ASTM D5291-93에 따라 원소분석기(Macroand Micro Elemental Analyzer, Elementar, Germany)를 사용하여 측정하였다. 퇴적토에 포함된 6개 중금속(Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn)의 농도는 해양오염공정시험법에 따라 Optima 3300XL Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometer(Perkin elmer, USA)를 이용하여 측정하였다. 퇴적토에 포함된 중금속 추출은 퇴적토 1g을 비이커에 넣은 후 질산, 과염소산 및 불소산을 이용하여 완전 분해한 후 1 N 질산용액으로 재용해하여 진행하였다.
퇴적토에 포함된 유기물질의 양을 나타내는 지표인 퇴적토 강열감량(ignition loss)은 해양오염공정시험법에서 제시하는 방법에 따라 측정되었다. 일정한 양의 퇴적토를 125mL 광구 플라스틱병에 넣고 냉동고에서 완전히 동결시킨 후 동결건조기에 넣어서 완전히 건조시켰다.
퇴적토의 중금속의 발생원이 자연발생적인지 혹은 외부로부터 유입이 된 것인지를 정량적으로 판단하기 위해 Geo accumulation index(Igeo)를 이용하였으며, 아래식으로 표현된다.

성능/효과

18로 Cd 오염으로 인해 발생할 수 있는 생태학적 위해성이 매우 높음을 알 수 있었다. 6개 중금속 모두를 고려한 독성발생 가능성은 전지역에서 21%인 것으로 산정되었다.
Zn의 경우에는(EF) B1, B3, C1 지역에서 약간의 외부영향 있음으로 분류되었다. Cd의 경우 A 및 B 지역 다수에서 오염도가 높은 것으로 판명되었고 특히 B1의 경우 I_geo, EF, PERF 산정값 모두 최대값을 나타내어 오염도가 심한 것으로 확인되었다. 이는 마산만의 오염도가 심각한 상황임을 알려주고있으며 추후 마산만 퇴적토 오염정화에 대한 심도있는 논의가 필요할 것으로 판단됩니다.
, 2017). Cd의 경우 A3, B2, B6, B7, C2, C3는 40 이하로 낮은 생태학적 위험도, B4, B5, C1은 40에서 80 사이로 약간의 생태학적 위험수준, A1, B3, B8은 80에서 160 사이로 상당한 생태학적 위험수준, 그리고 B1은 459.18로 매우 높은 생태학적 위험수준(very high risk)로 분류되었다.
3a에 표시하였다. Cr, Ni, Pb, Zn의 경우 모든 지역에서 배경농도(background level) 혹은 비오염으로 분류되었고, Cu의 경우에는 B1에서 1.29로 비오염과 약간 오염의 중간영역으로 평가되었고 나머지 지역은 모두 배경농도 혹은 비오염으로 평가되었다. Cd은 A1, B3, B8에서 비오염과 약간 오염의 중간영역이었고 B1은 3.
마산만을 벗어나서 거제도와 가덕도 방향으로 진행할수록 강열감량의 값은 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. N, C, H, S의 경우에도 강열감량과 비슷하게 마산만 쪽에서 높은 값을 보이다가 외해로 진행할수록 지속적으로 감소하였다(Fig. 2). 이는 마산만쪽이 상대적으로 해류의 흐름이 원활하지 않기 때문에 본 연구에서 고려한 다른 지역보다 퇴적토의 생성조건에 유리한 것으로 판단한다.
, 2012). 독성반응 인자 값이 클수록 생태학적 위해성이 큰 것을 의미하는 데, Zn과 Cr은 각각 1과 2로 생태학적 위해성이 낮음을 의미하고 Cd의 경우30으로 고려한 5가지 중금속 중 가장 큰 값을 보이고 있어 생태학적 위해성이 제일 크다는 것을 의미한다. C_xⁱ와 C_backⁱ는 각각 퇴적토 내에 포함된 해당 중금속과 TEL 농도를 나타낸다.
7%로 가장 높은 값을 나타내었다. 마산만을 벗어나서 거제도와 가덕도 방향으로 진행할수록 강열감량의 값은 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. N, C, H, S의 경우에도 강열감량과 비슷하게 마산만 쪽에서 높은 값을 보이다가 외해로 진행할수록 지속적으로 감소하였다(Fig.
본 연구에서는 B1 지점의 Cd 농도가 가장 높았는데 마산만 지역은 마산과 진해에 위치한 조선소 및 관련 시설이 위치하고 있어 Cd의 오염에 노출된 것으로 판단된다. 마산만지역인 B1을 제외하고는 나머지 지역의 Cd 농도는 비교대상 지역과 비슷하거나 낮은 것으로 파악되었다.

후속연구

Cd의 경우 A 및 B 지역 다수에서 오염도가 높은 것으로 판명되었고 특히 B1의 경우 I_geo, EF, PERF 산정값 모두 최대값을 나타내어 오염도가 심한 것으로 확인되었다. 이는 마산만의 오염도가 심각한 상황임을 알려주고있으며 추후 마산만 퇴적토 오염정화에 대한 심도있는 논의가 필요할 것으로 판단됩니다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수계로 유출된 중금속은 수중에서 어떻게 되는가?	급격한 산업화 및 인간 활동의 증가는 다양한 오염물질을 발생시키는데, 그 중 중금속은 미량으로도 주위 생태계에 큰 영향을 미치기 때문에 지속적이고 장기적인 모니터링의 대상이 되고 있다(Lee, 2019). 수계로 유출된 중금속은 수중에서 이온으로 존재하지 않고 입자성 물질과의 높은 친화성으로 인해 퇴적물 중에 포함된 유기물질에 강하게 흡착되는 특성을 보인다(Balkis & Cagatay, 2001). 퇴적물에 흡착된 유기물은 산화상태에서는 안정된 형태를 유지하지만 혐기성 상태로 변하게 되면 수계로 유출이 되는 특성이 있다(Jung et al.
	퇴적토 강열감량은 무엇인가?	퇴적토에 포함된 유기물질의 양을 나타내는 지표인 퇴적토 강열감량(ignition loss)은 해양오염공정시험법에서 제시하는 방법에 따라 측정되었다. 일정한 양의 퇴적토를 125mL 광구 플라스틱병에 넣고 냉동고에서 완전히 동결시킨 후 동결건조기에 넣어서 완전히 건조시켰다.
	마산만에 대한 오염은 어떠한 상태인가?	이들 지역에 위치한 창원공업단지와 수출자유지역의 설립은 1970년대 초였으며, 이후 지속적으로 마산만에 대한 오염이 진행되었었다. 비록 1990년대에 유입수에 대한 수질기준의 강화로 오염물질의 유입은 줄어들었으나 기존에 유입된 중금속에 대한 영향은 여전히 존재하고 있는 실정이다(Cho et al., 2015).

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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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