[논문]해수 중 용존 아연의 화학적 존재 형태 연구 동향

김태진

doi:10.7850/jkso.2020.25.3.067

해수 중 용존 아연의 화학적 존재 형태 연구 동향
Review of Chemical Speciation of Dissolved Zinc in Seawater 원문보기

바다 : 한국해양학회지 = The sea : the journal of the Korean society of oceanography, v.25 no.3, 2020년, pp.67 - 80

김태진 (부경대학교 해양학과)

초록
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해양 환경에서 용존 미량금속 원소 중 하나인 아연(Zn)은 식물플랑크톤의 성장에 필수적인 미량영양염으로 알려져 있다. 외양 표층에서 대부분의 용존 아연은 용존 유기배위자와 강하게 결합하여 아연-유기착화합물을 형성하게 되고 이로 인해 생물 가용한 자유이온 형태의 아연(Zn²⁺)의 농도는 총 아연 농도의 5% 이내로 존재하게 된다. 이 논문에서는 아연의 화학적 존재 형태에 대한 개념과 측정 방법에 대해 간단히 소개하고, 주요 연구 사례를 통하여 미량금속의 화학 종조성이 해양 생지화학에 미치는 영향 및 의미, 아연-유기착화합물이 아연의 생물가용성에 미치는 영향, 아연과 결합하여 유기착화합물을 형성하는 용존 유기배위자의 기원에 대해 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Zinc (Zn) is known as an essential micronutrient for phytoplankton in the ocean. In surface waters, most of total dissolved Zn presents as organic complexes, and organic complexation dominates the speciation of Zn in seawater. Organic complexation reduces the bioavailable fraction of Zn, the free metal ion (Zn2+), which present less than 5% in surface waters. In this paper, a brief introduction on chemical speciation of dissolved Zn in seawater and analytical method for chemical speciation measurement is provided. Some representative studies were also introduced to describe the importance of chemical speciation of Zn (or other trace metals) on bioavailability and biogeochemistry in the ocean.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Vertical profile of total dissolved Zn (C_Zn) in the subtropical North Pacific (23° N, 160° E).
표 Table 1. Major components of trace-metal-clean sampling devices
그림 Fig. 2. Flowchart of the procedure for Zn speciation analysis.
그림 Fig. 3. Example of Zn titration data.
표 Table 2. Zn chemical speciation data from relevant studies
그림 Fig. 4. Concentration profiles of (a) total dissolved Zn ([C_Zn]), and total organic ligands ([C_L]) and (b) free Zn ion ([Zn²⁺]) and total dissolved Zn ([C_Zn]) in the upper 600 m of the subtropical North Pacific (28° N, 158° W).
그림 Fig. 5. Specific growth rate as functions of Zn²⁺.
그림 Fig. 6. Comparison of Chl a and total organic ligand concentrations ([C_L]) in the subtropical North Pacific (23° N, 160° E; circles), subarctic North Pacific (47° N, 160° E; 47° N, 180°; squares), Okhotsk Sea (45°15' N, 160°04' E; diamond), and East Sea (42°43' N, 138°13' E; triangle).

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 논문에서는 용존 아연의 화학적 존재 형태를 조사하기 위한 해수 시료의 획득, 분석 방법의 이론적 배경과 분석 방법에 대해 설명하고, 주요 연구 사례들을 소개하여 많은 연구자들이 용존 아연을 포함한 미량금속 원소의 농도 뿐만 아닌 화학적 존재 형태에 대해서도 관심을 가질 수 있는 기회를 제공하고자 하였다.
아연-유기착화합물이 식물플랑크톤의 성장에 미치는 영향에 대해 설명하기 앞서, 미량금속 원소 중 용존 구리에 대하여 간략히 설명하고자 한다. 본래 해양환경에서 용존 구리의 총 농도는 10^-10 – 10^-9 M의 농도 범위를 가진다.
CLE-ACSV법은 전기화학 분석법의 하나로서 금속 이온의 농도에 비례해서 나타나는 환원 전류량을 측정하는 분석법이다. 이 논문에서는 아연의 화학적 존재 형태 분석을 위한 전처리 방법과 분석법의 이론적 배경을 설명하였다. 화학적 존재 형태를 알아보고자 하는 금속 원소에 따라 첨가해주는 인공 배위자가 다를 뿐 분석법의 이론적 배경은 동일하기 때문에 미량금속 원소 중 아연과 함께 상대적으로 화학적 존재 형태 연구가 활발히 이루어지고 있는 철과 구리의 분석법과 관련한 추가적인 정보는 Rue and Bruland(1995)와 Wong et al.
이상에서 화학적 존재 형태에 대한 개념과 측정 방법, 해양 환경에서 아연과 결합하여 유기착화합물을 형성하는 용존 유기 배위자의 역할과 기원에 대하여 간단히 소개하고, 관련한 연구의 예들을 살펴보았다. 볼타메트리를 이용한 CLE-ACSV 분석법을 통하여 미량금속의 화학적 존재 형태에 대한 분석이 가능해지고, 그 결과로서 용존 금속과 결합하여 금속-유기착화합물을 형성하는 유기배위자의 농도, 금속 이온의 농도, 조건안정도 상수 등 미량금속의 농도 뿐만 아닌 보다 다양한 화학적 존재 형태에 대한 자료의 축적이 가능하게 되었다.

대상 데이터

CLE-ACSV법을 이용한 아연의 화학적 존재 형태 분석을 위해 산세척을 실시한 테플론 바이알을 10개 정도 준비한다(Fig. 2). 측정하고자 하는 해수 시료에 존재하는 금속 원소가 테플론 바이알의 표면에 흡착되는 것을 방지하기 위하여 동일 해수 시료를 일정량 분취하여 각 테플론 바이알의 내부를 2-3회 신중히 헹구어 준 다음 사용된 해수 시료는 그대로 버린다.
전처리가 완료된 시료는 볼타메트리의 테플론 셀컵에 옮겨 분석을 실시한다(Fig. 2). 실제 분석을 시작하기에 앞서 시료에 질소 기체를 일정시간 주입하여 시료에 존재하는 산소를 모두 제거함으로서 산소에 의해 나타나는 노이즈 전류를 차단한다.

이론/모형

해수 중 용존 아연의 화학적 존재 형태에 대한 분석은 배위자 교환 평형 / 흡착 농축 음극 벗김 전압전류법(Competitive Ligand Equilibrium / Adsorptive Cathodic Stripping Voltammetry; CLE-ACSV)법을 이용한다(van den Berg, 1985; Donat and Bruland, 1990). CLE-ACSV법은 전기화학 분석법의 하나로서 금속 이온의 농도에 비례해서 나타나는 환원 전류량을 측정하는 분석법이다.

성능/효과

Blank symbols indicate coastal phytoplankton species, whereas filled symbols were oceanic. All phytoplankton species were Diatoms except for Emiliania Huxley, which was coccolithophores. Modified from Sunda and Huntsman(1992)
오히려 아연-유기착화합물의 형성으로 인해 pM단위의 농도로 낮아진 아연 이온은 특정 식물플랑크톤의 성장을 제한시키는 원인이 될 수 있다고 제안되었다(Sunda and Huntsman, 1992). Fig. 5는 아연 이온 첨가에 따른 여러 식물플랑크톤의 비성장속도(Specific growth rate)의 결과를 보여주는데, 연안종인 Thalassiosira pseudonana와 Thalassiosira weissflogii는 아연 이온 농도 10^-11 M 이하에서 성장이 제한되어 있는 것을 알 수 있으며, 아연 이온 농도가 10^-11 M 이상으로 증가할 경우 일정한 성장 속도를 보였다. 하지만 10^-7 M의 아연 이온 농도에서 Thalassiosira weissflogii의 성장 속도는 급격히 감소하였는데, 비록 해당 농도는 해양 환경에서 보고되는 농도보다도 월등히 높지만, 만약 모든 용존 아연이 이온 형태로 존재한다면, 해당 농도 범위에서는 아연이 독성으로 작용할 수 있다는 것을 의미한다.
이상에서 화학적 존재 형태에 대한 개념과 측정 방법, 해양 환경에서 아연과 결합하여 유기착화합물을 형성하는 용존 유기 배위자의 역할과 기원에 대하여 간단히 소개하고, 관련한 연구의 예들을 살펴보았다. 볼타메트리를 이용한 CLE-ACSV 분석법을 통하여 미량금속의 화학적 존재 형태에 대한 분석이 가능해지고, 그 결과로서 용존 금속과 결합하여 금속-유기착화합물을 형성하는 유기배위자의 농도, 금속 이온의 농도, 조건안정도 상수 등 미량금속의 농도 뿐만 아닌 보다 다양한 화학적 존재 형태에 대한 자료의 축적이 가능하게 되었다. 하지만 미량금속의 분석은 오염의 위험성이 매우 높고, 특히 화학적 존재 형태에 대한 분석의 경우 분석 과정이 복잡하기 때문에 상대적으로 적은 연구 결과가 보고되어 있으며, 한반도 주변 해역에서는 아직 연구가 본격적으로 이루어지지 않고 있다.
Bruland(1989)는 상대적으로 육상기원 물질유입의 영향이 적은 외양역에서의 경우 식물플랑크톤 또는 박테리아로부터 유래한 용존 유기물질이 주된 유기배위자의 기원일 것이라고 제안하였다. 아열대, 아한대를 포함한 북태평양에서 유기배위자의 농도는 Chl a와 양의 상관관계(R² = 0.81)를 나타내었는데(Fig. 6), 이는 외양역에 존재하는 유기배위자가 현장 표층에 존재하는 식물플랑크톤 또는 박테리아로부터 유래한다는 것을 뒷받침한다.
5는 아연 이온 첨가에 따른 여러 식물플랑크톤의 비성장속도(Specific growth rate)의 결과를 보여주는데, 연안종인 Thalassiosira pseudonana와 Thalassiosira weissflogii는 아연 이온 농도 10^-11 M 이하에서 성장이 제한되어 있는 것을 알 수 있으며, 아연 이온 농도가 10^-11 M 이상으로 증가할 경우 일정한 성장 속도를 보였다. 하지만 10^-7 M의 아연 이온 농도에서 Thalassiosira weissflogii의 성장 속도는 급격히 감소하였는데, 비록 해당 농도는 해양 환경에서 보고되는 농도보다도 월등히 높지만, 만약 모든 용존 아연이 이온 형태로 존재한다면, 해당 농도 범위에서는 아연이 독성으로 작용할 수 있다는 것을 의미한다. 반면, 외양종인 Thalassiosira oceanica와 Emiliania huxleyi의 경우 낮은 아연 이온 농도(10^-12.
6). 해역별로 얻어진Chl a와 유기배위자 농도 간 상관관계를 보면(1) 아열대 북태평양에서는 Chl a와 유기배위자의 농도 모두 상대적으로 낮게 나타났으며, (2) 아한대 북태평양에서는 Chl a와 유기배위자의 농도 모두 상대적으로 높게 나타났고, (3) 연안역(오호츠크해, 동해)에서는 낮은 Chl a가 나타났음에도 유기배위자의 농도는 높게 나타났다(Fig. 6).

후속연구

하지만 미량금속의 분석은 오염의 위험성이 매우 높고, 특히 화학적 존재 형태에 대한 분석의 경우 분석 과정이 복잡하기 때문에 상대적으로 적은 연구 결과가 보고되어 있으며, 한반도 주변 해역에서는 아직 연구가 본격적으로 이루어지지 않고 있다. 앞으로 국내 연구자들이 꾸준한 관심을 가지고 한반도 주변 해역을 포함한 여러 해역에서 용존 미량금속의 농도 뿐만 아닌 화학적 존재 형태에 대한 연구를 진행할수록 보다 자세한 미량금속의 생지화학적 순환과정이 밝혀질 것으로 기대된다.
, 2006). 이와 같이 해역별로 용존 유기배위자의 기원은 환경에 따라 다양하게 나타날 가능성이 높으며, 용존 유기배위자의 새로운 기원과 유기배위자의 순환 과정 등 보다 자세한 정보는 향후 다양한 연구를 통하여 밝혀질 것이라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해수 중에 존재하는 용존 금속 원소가 미량원소 또는 미량금속으로 불리우는 이유는 무엇인가?	해수 중에 존재하는 용존 금속 원소는 일반적으로 pM – nM (10-12 – 10-9 mol/L)의 농도로 존재하며, 이런 낮은 농도로 인하여 미량원소(Trace element) 또는 미량금속(Trace metal)으로 불리운다. 그 중 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카드뮴(Cd), 아연(Zn) 등은 해양 환경에서 식물플랑크톤의 성장에 필수적인 미량영양염(micronutrient)으로서 궁극적으로는 해양의 탄소순환과 전지구적 기후변화에 영향을 미친다고 알려져 있다(Anderson, 2020).
	용존 미량금속 원소 중, 용존 아연이 해양 환경에서 영양염형(Nutrient type)의 연직분포를 나타내는 이유는 무엇인가?	1). 이는 표층에서 생물에 의해 용존 아연이 소비되고 유기 입자로 심층으로 이동하여 재광물화에 의해 다시 용존상으로 돌아오기 때문이다(Bruland and Lohan, 2006; Anderson 2020). 아연은 이산화탄소를 탄산염으로 변환시키는 효소인 Carbonic anhydrase(Morel et al.
	초창기의 연구를 통해 보고된 용존 미량금속 농도가 같은 해역에서 조차 매우 큰 차이를 보인 이유는 무엇인가?	하지만 초창기의 연구를 통해 보고된 용존 미량금속 농도는 같은 해역에서조차 매우 큰 차이를 보였는데, 당시 분석 기기의 검출 감도로는 매우 낮은 미량금속의 농도 레벨을 검출하기 어려운 것도 있었지만, 해수 시료의 채수 및 전처리, 분석 시에 사용되는 용기와 시약, 그리고 주변 환경으로부터 기인한 시료의 오염이 가장 큰 문제였다. 이후 분석 기술의 발전, 클린룸에 대한 개념의 도입과 함께 2000년대 들어 시작된 국제 연구 프로그램인 GEOTRACES를 통하여 미량금속의 오염을 최소화하는 청정 해수시료 채수법이 체계적으로 정립되었고(Cutter et al.

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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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