[논문]광양만 내 도로축적퇴적물 및 해양퇴적물의 금속 오염 평가

정혜령; 최진영; 나공태

doi:10.7850/jkso.2020.25.2.042

광양만 내 도로축적퇴적물 및 해양퇴적물의 금속 오염 평가
Assessment of Metal Pollution of Road-Deposited Sediments and Marine Sediments Around Gwangyang Bay, Korea 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.25 no.2, 2020년, pp.42 - 53

정혜령 (한국해양과학기술원 해양환경연구센터) , 최진영 (한국해양과학기술원 해양환경연구센터) , 나공태 (한국해양과학기술원 해양환경연구센터)

초록
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본 연구에서는 광양만 유역 국가산업단지와 컨테이너 부두 유역의 입자크기별 도로축적퇴적물(Road-deposited sediments; RDS)과 해양퇴적물 내 중금속 오염현황 파악과 잠재적인 오염원으로써의 RDS의 영향을 연구하였다. RDS의 경우 아연(Zn)의 농도가 2,982 mg/kg으로 매우 높았으며, 크롬(Cr)>니켈(Ni)>납(Pb)>구리(Cu)>비소(As)>카드뮴(Cd)>수은(Hg)의 순이었다. RDS의 중금속 농도는 입자가 세립할수록 증가하였으며, 금속폐기물을 취급하는 산업시설 주변에서 상대적으로 높은 농도를 보였다. 125 ㎛ 미만의 입자에서 아연(Zn)이 가장 높은 오염도(very high enrichment)를 나타냈고, Cr, Cd, Pb은 심각한 수준의 오염도(significant enrichment)를 보였다. 한편, 해양퇴적물 내 중금속 농도는 대부분 국내 "주의 기준(threshold effect level, TEL)" 이하였으나, 2010년 이후 Zn의 평균농도가 30~40% 증가하였다. 연구지역 도로노면 내 Zn, Cd, Pb 등은 강우시 쉽게 비점오염의 형태로 유출가능한 125 ㎛ 미만이 전체의 54%를 차지하는 것으로 나타났다. 특히 아연(Zn)의 경우, 연구지역의 교통 뿐만 아니라 산업활동에 사용된 아연도금의 부식에 의한 영향을 크게 받는 것으로 판단된다. 중금속 농도가 높은 세립한 RDS는 바람, 차량이동에 의해 재비산되어 대기 뿐만 아니라 강우시 인근 환경에 크게 영향을 미칠 수 있기 때문에 주변 환경 및 생태계에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, heavy metal in road-deposited sediments (RDS) and marine sediment around Gwangyang Bay area have been investigated to assess the pollution status of metals and to understand the environmental impact of RDS as a potential source of metal pollution. Zn concentration for <63 ㎛ size fraction was the highest (2,982 mg/kg), followed by Cr, Ni, Pb, Cu, As, Cd, and Hg. Metal concentrations in RDS increased with decreasing particle size and relatively higher concentrations were observed around the metal waste and recycling facilities. For particle size in RDS smaller than 125 ㎛, EF values indicated that Zn was very high enrichment and Cr, Cd, Pb were significant enrichment. The concentrations of metals in marine sediments were mostly below the TEL value of sediment quality guidelines of Korea. However, the Zn concentrations has increased by 30~40% compared to 2010 year. The amounts of Zn, Cd and Pb in less than 125 ㎛ fraction where heavy metals can be easily transported by stormwater runoff accounted for 54% of the total RDS. The study area was greatly affected by Zn pollution due to corrosion of Zn plating materials by traffic activity as well as artificial activities related to the container logistics at Gwangyang container terminal. The fine particles of RDS are not only easily resuspended by wind and vehicle movement, but are also transported to the surrounding environments by runoff. Therefore, further research is needed on the adverse effects on the environment and ecosystem.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Map of sampling sites for road-deposited sediments (RDS; upper) and marine sediments (lower) from Gwangyang Bay.
$Table 1. Comparison of heavy metal concentrations (mg/kg) in each RDS fraction, marine sediments of this study and other literature values$ 표 Table 1. Comparison of heavy metal concentrations (mg/kg) in each RDS fraction, marine sediments of this study and other literature values
표 Table 2. Comparison of EF values in different size of RDS and marine sediments of the present study
$Fig. 2. Spatial distribution of Cr, Cu, Zn, Pb concentration, sum of EF value (SEF) and pollution load index (PLI) in <63 ㎛ fraction of RDS in this study.$ 그림 Fig. 2. Spatial distribution of Cr, Cu, Zn, Pb concentration, sum of EF value (SEF) and pollution load index (PLI) in <63 ㎛ fraction of RDS in this study.
그림 Fig. 3. Spatial distribution of Cr, Cu, Zn, Pb concentration, sum of EF value (SEF) and pollution load index (PLI) in the marine sediments of Kwangyang Bay.
$Fig. 4. Histogram of mean mass percentage for amount and heavy metals in different grain size fraction in RDS.$ 그림 Fig. 4. Histogram of mean mass percentage for amount and heavy metals in different grain size fraction in RDS.
$Table 3. Mass and heavy metals of RDS per unit area of industrial region by grain size fraction for this study$ 표 Table 3. Mass and heavy metals of RDS per unit area of industrial region by grain size fraction for this study

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 광양만 유역 국가산업단지와 컨테이너 부두 유역에 존재하는 입자크기별 RDS 및 해양퇴적물의 중금속 오염현황 파악과 잠재적 오염원으로서 RDS가 주변 환경에 미치는 영향을 고찰하였다.

제안 방법

7% (Cr)의 매우 양호한 회수율을 보였다. RDS와 해양퇴적물의 입도 분석은 1N 염산과 과산화수소로 각각 무기탄소와 유기물을 제거한 후 입도분석기(Mastersizer, 2000; Malvern Instruments Ltd., UK)로 분석하였다.
본 연구지역을 산업지역(R1-R11)과 컨테이너 부두 지역(R12-R21)으로 구분하여 중금속 농도를 비교하였다. 입자 크기 500 ㎛ 이상의 RDS에서 Cr, Ni이 산업지역에서 더 높은 농도를 나타냈으며, 500 ㎛ 이하에서는 모든 금속 원소가 컨테이너 부두지역에서 더 높은 농도를 보였다.
, Korea) 180℃로 36시간 동안 완전 분해하였다. 완전분해 후 산분해용기를 열고 160℃에서 증발건고 시켰으며, 1% 질산으로 10 mL로 재용해 한 후 원소에 따라 희석배수를 달리하여 ICP-MS (iCAP-Q, Thermo Scientific Co., USA)로 분석하였다. 수은(Hg)은 자동수은분석기(Hydra-C, Teledyne Leeman Labs.
채취된 시료는 지퍼백에 담아 실험 실의 오븐(40℃)에서 건조시킨 후 나일론체와 자동체질기(Analysette 3, Fritsch Co.)를 이용하여 Wentworth(1992)의 퇴적물 입도 분류체계에 따라 6개의 입자크기(>1000 ㎛, 500-1000 ㎛, 250-500 ㎛, 125-250 ㎛, 63-125 ㎛, <63 ㎛)로 분류하여 무게를 측정하였다.
퇴적물 중금속 함량 분석을 위해 퇴적물 시료 약 0.1 g을 테프론 산분해용기에 넣고 고순도의 불산(HF), 질산(HNO₃), 과염소산(HClO₄)의 혼합산을 넣어 Graphite digestion system (ECOPRE series, Teflon coated Hotplates, ODLAB, Co., Korea) 180℃로 36시간 동안 완전 분해하였다. 완전분해 후 산분해용기를 열고 160℃에서 증발건고 시켰으며, 1% 질산으로 10 mL로 재용해 한 후 원소에 따라 희석배수를 달리하여 ICP-MS (iCAP-Q, Thermo Scientific Co.

대상 데이터

RDS 시료채취는 진공청소기(Dyson DC35, USA)를 이용하였으며, 각 정점당 4개 이상의 소구역에 0.25 m2면적(0.5 m × 0.5 m)의 격자를 설치하여 시료의 대표성을 확보하였다.
광양항의 국가산업단지 및 컨테이너 부두 지역에서 2013년 21개 정점에서 도로축적퇴적물(Road-deposited sediments; RDS) 시료를 채취하였다(Fig. 1).
해양퇴적물은 2016년 광양만 해역 31개 정점에서 그랩(Grab) 시료채취기를 사용하여 표층(0.5 cm 이내)만을 채취하여 동결건조하였다. 모든 시료는 자동분쇄기(Pulverisette 6, Fritsch Co.

이론/모형

RDS 내 금속의 오염도 평가를 위하여 농축계수(Enrichment factor; EF)를 사용하였으며 계산식은 다음과 같다(Taylor, 1964).
오염부하지수(pollution load index; PLI)는 분석된 8개 원소의 종합적인 독성영향을 평가하기 위해 사용되며, 다음과 같이 계산한다(Tomlinson et al., 1980).

성능/효과

8개 분석원소의 종합적인 오염도를 나타내는 오염부하지수 값은 평균 1.1이며, 전체 31개 정점 중 21개 정점이 1을 초과하여 “unpolluted to moderately polluted”의 등급으로 인위적인 오염이 다소 존재하는 것을 알 수 있었다(Fig. 3).
Cr, Cd, Pb는 250 ㎛ 이하의 입자 크기에서 “significant enrichment”로 나타났으며, 이보다 큰 입자크기에서는 대부분 “moderate enrichment”로, 입자가 크기에 따라 오염도가 다르게 평가되었다.
7이었으며, 125 ㎛ 이하는 very highly polluted의 오염등급에 해당되었다. EF의 총합(SEF)과 PLI는 모두 R21 정점에서 가장 높은 오염도를 보였으며, 컨테이너 부두 지역이 광양 국가산업단지보다 높은 특징을 보였다(Fig. 2).
EF의 평균은 0.1~0.5의 값으로 “deficiency to minimal enrichment”의 수준의 오염상태로 나타났다(Table 2).
강우유출수에 의해 쉽게 수환경으로 이동 가능한 125 ㎛ 이하의 RDS의 양은 26%(무게 기준)로 적으나, Zn, Cd, Hg의 오염기여도는 50% 이상을 차지한다. 각 입자크기 별 단위면적당 중금속의 축적량을 Table 3에 제시하였으며, 63 ㎛ 이하에서 Zn의 축적량은 313.7 mg/m²로 다른 7개 금속의 총합 (155.9 mg/m²)보다 2배 이상 높아 Zn의 오염도 및 도로노면 축적량이 매우 높게 나타났다. 또한 컨테이너 부두 지역이 산업 공단지역에 비해 RDS 내 단위면적당 금속 축적량이 높은 특징을 보였다.
광양만 표층 퇴적물 내 중금속의 평균 농도는 Zn가 112 mg/kg으로 가장 높았으며 Cr>Pb>Ni>Cu>As>Cd>Hg의 순으로 나타났다(Table 1).
광양만 해양퇴적물 내 중금속 농도는 Cr이 시화와 울산해역과 유사한 농도였으며, Ni, Zn, As, Cd, Pb는 48~67%의 농도 수준이었다(Table 2). 특히 Cu와 Hg의 평균농도는 시화 혹은 울산에 비해 약 20%의 농도 수준으로 다른 지역에 비해 이들 원소의 오염도가 상대적으로 낮음을 알 수 있었다.
본 연구에서 채취한 광양지역 RDS의 평균 입도는 200 ㎛(범위 94-437 ㎛)로, RDS 내 PM 10 의 형태로 대기 중으로 재비산될 가능성이 높은 10 ㎛ 이하는 전체의 5%이다. 광양산업단지 및 컨테이너 부두 지역의 단위 면적당 총 RDS 양은 평균 1,147 g/m²이었으며, 63 ㎛ 미만의 입자에서 Zn의 평균농도는 2,982 mg/kg였다. 도로먼지의 입자크기가 작아질수록 농도가 급격히 증가하는 경향 등을 고려할 때, 도로 노면에 고농도로 축적된 오염물질을 포함하는 RDS의 재비산과 확산은 광양지역 미세먼지(PM 10 ) 내 Zn의 오염을 가속화시키는 주요 요인으로 제시된다.
060 mg/kg의 높은 농도로 존재하고 있었다. 대부분의 원소에서 광양산업단지-포스코 주변과 광양 컨테이너 부두 인접해역에서 상대적으로 높은 농도를 보이고 있었다.
1 mg/kg로(NIER, 2008) Cu와 Zn는 해양퇴적물의 평균보다 낮은 것으로 나타났다. 따라서 광양만 해역 퇴적물 내 Zn의 평균농도 증가는 육상 유역의 도로노면 등불투수층에 존재하는 RDS가 강우시 배수시스템을 통해 유입되었을 가능성이 있는 것으로 판단된다.
kr). 따라서 본 연구지역의 산업특성을 고려할 때 Ni, Zn, As, Cd, Hg의 오염도는 매우 높은 수준으로 판단된다.
9 mg/m²)보다 2배 이상 높아 Zn의 오염도 및 도로노면 축적량이 매우 높게 나타났다. 또한 컨테이너 부두 지역이 산업 공단지역에 비해 RDS 내 단위면적당 금속 축적량이 높은 특징을 보였다. Zhao and Li(2003)의 도시지역 RDS 내 Zn의 축적량인 25 mg/m²과 비교하면 산업활동 지역과 컨테이너 관련 항만시설에 의한 Zn 오염이 매우 심각한 것으로 나타났다.
본 연구에서 분석된 8개 원소에 대한 오염부하지수(PLI)의 각 사이즈별 평균은 1.8~8.7이었으며, 125 ㎛ 이하는 very highly polluted의 오염등급에 해당되었다. EF의 총합(SEF)과 PLI는 모두 R21 정점에서 가장 높은 오염도를 보였으며, 컨테이너 부두 지역이 광양 국가산업단지보다 높은 특징을 보였다(Fig.
7배 높은 수준으로 보고되었다(NIER, 2017). 본 연구에서 채취한 광양지역 RDS의 평균 입도는 200 ㎛(범위 94-437 ㎛)로, RDS 내 PM 10 의 형태로 대기 중으로 재비산될 가능성이 높은 10 ㎛ 이하는 전체의 5%이다. 광양산업단지 및 컨테이너 부두 지역의 단위 면적당 총 RDS 양은 평균 1,147 g/m²이었으며, 63 ㎛ 미만의 입자에서 Zn의 평균농도는 2,982 mg/kg였다.
, USA)를 이용하여 분석하였다. 분석된 자료의 정확도 검증을 위하여 2가지 종류의 해양 퇴적물 표준물질인 MESS-4 (N=6)와 BCR667 (N=6)을 시료와 같이 분석하였으며, MESS-4는 91.2% (Zn)~98.8% (Pb), BCR667은 95.6 (Ni)%~103.7% (Cr)의 매우 양호한 회수율을 보였다. RDS와 해양퇴적물의 입도 분석은 1N 염산과 과산화수소로 각각 무기탄소와 유기물을 제거한 후 입도분석기(Mastersizer, 2000; Malvern Instruments Ltd.
63 ㎛ 이하의 경우, 본 연구지 역은 시화산업단지에 비해 Ni, Zn, As, Cd, Hg는 60~88%(평균 75%) 수준이었다. 시화 산업단지의 산업시설구역 면적과 입주한 업체 수는 각각 21,168 천m²과 19,582개로 조사되었으며, 광양산업단지는 산업시설구역 면적은 유사하나(20,582 천 m²) 입주한 업체수가 시화산업단지의 0.8%(162개)에 불과한 것으로 조사되었다(www.kicox.or.kr). 따라서 본 연구지역의 산업특성을 고려할 때 Ni, Zn, As, Cd, Hg의 오염도는 매우 높은 수준으로 판단된다.
본 연구지역을 산업지역(R1-R11)과 컨테이너 부두 지역(R12-R21)으로 구분하여 중금속 농도를 비교하였다. 입자 크기 500 ㎛ 이상의 RDS에서 Cr, Ni이 산업지역에서 더 높은 농도를 나타냈으며, 500 ㎛ 이하에서는 모든 금속 원소가 컨테이너 부두지역에서 더 높은 농도를 보였다. 컨테이너 지역은 항만을 통한 각종 중금속 원료 및 고철 등의 벌크 화물을 취급하며, 하역 및 주변 산업체로 운송 과정에서 적재함을 통한 유출과 노면에 축적되어 있던 중금속 오염물질들이 차량 타이어에 묻어 인근지역으로 확산되었을 가능성이 있다.
광양만 표층 퇴적물 내 중금속의 평균 농도는 Zn가 112 mg/kg으로 가장 높았으며 Cr>Pb>Ni>Cu>As>Cd>Hg의 순으로 나타났다(Table 1). 전반적으로 정점간 농도 차이는 적었으며, Cr과 Ni은 광양제철소 남측 해역인 M20에서 각각 82.3 mg/kg 과 34.6 mg/kg의 최대농도를 보였다(Fig. 3). Cu, Zn, As, Pb는 광양만 유입하천인 인덕천 및 작은 규모의 일반산업시설이 위치한 M21 정점에서 상대적으로 높은 농도를 나타냈다.
광양산업단지 및 컨테이너 부두지역의 도로연장은 각각 23 km와 32 km이다. 조사지역에 따라 약간의 차이는 있으나 단위 면적당 중금속 축적량 결과를 통해 연구지역 도로노면에는 막대한 양의 중금속이 축적되어 있음을 알 수 있었다. 중금속에 오염되어 도로에 축적된 세립한 퇴적물은 바람, 교통 활동에 의한 재비산과 강우유출수를 통하여 주변 환경의 대기오염과 수환경(퇴적환경)의 금속 오염을 일으킬 우려가 높다.
광양만 해양퇴적물 내 중금속 농도는 Cr이 시화와 울산해역과 유사한 농도였으며, Ni, Zn, As, Cd, Pb는 48~67%의 농도 수준이었다(Table 2). 특히 Cu와 Hg의 평균농도는 시화 혹은 울산에 비해 약 20%의 농도 수준으로 다른 지역에 비해 이들 원소의 오염도가 상대적으로 낮음을 알 수 있었다. 광양만 해역에서의 1997년(Cho et al.
, 2011)과 유사한 수준이었다. 특히 광양 산업지역 RDS 내 Zn의 농도는 도시지역에 비해 약 5배 높은 특징을 보여 중금속 원소 중 Zn 오염이 심각한 상태임을 알 수 있었다(Table 1).
3). 해양퇴적물 내 중금속의 농도를 국내 해양퇴적물 주의기준(Threshold effect level: TEL)과 비교한 결과, As만이 M21 정점에서 TEL을 초과하였으며, 나머지 금속 원소는 모두 TEL보다 낮은 농도로 존재하고 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로축적퇴적물은 어떤 의의를 가지고 있는가?	도로축적퇴적물(Road-deposited sediment; RDS)은 중금속, 영양염, 유기물 등의 다양한 오염물질의 주요한 운반 매개체이다(Sutherland, 2003; Ma et al., 2016; Shahsavari et al.
	산업 및 항만시설에서 유출된 금속 오염물질은 어떤 형태로 유출되는가?	, 2018). 산업 및 항만시설에서 유출되어 포장도로, 건물외벽 등의 불투수층에 쌓여 있는 금속 오염물질은 바람을 통해 비산먼지와 비점오염의 형태로 강우유출수(stormwater or rainfall runoff)를 통해 주변 환경에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되나, 이에 대한 연구는 부족하다. 대규모 산업단지 지역의 도로, 아스팔트, 주차장, 건물 지붕 등의 표면에는 중금속 등에 오염된 입자들이 축적 되어있으며, 강우시 비점오염원의 형태로 주변 해양 환경으로 이동한다(Drake et al.
	도로축적퇴적물 내 중금속의 입자 크기와 농도 간의 관계는?	RDS의 경우 아연(Zn)의 농도가 2,982 mg/kg으로 매우 높았으며, 크롬(Cr)>니켈(Ni)>납(Pb)>구리(Cu)>비소(As)>카드뮴(Cd)>수은(Hg)의 순이었다. RDS의 중금속 농도는 입자가 세립할수록 증가하였으며, 금속폐기물을 취급하는 산업시설 주변에서 상대적으로 높은 농도를 보였다. 125 ㎛ 미만의 입자에서 아연(Zn)이 가장 높은 오염도(very high enrichment)를 나타냈고, Cr, Cd, Pb은 심각한 수준의 오염도(significant enrichment)를 보였다.

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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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