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Ⅳ. 연구 결과
❍ 국내·외대한 선행연구 조사
• 나노물질의 종류별 기존 오염물질과의 반응 및 거동 특성평가
- 큰 반응성을 띠는 나노물질은 환경으로 노출 후 기존 오염물질과 쉽게 반응하기 때문에 기존 오염물질의 거동 및 독성에 큰 영향을 끼치는 것으로 조사되었음. TiO₂ 나노입자가 Cu 이온의 독성을 증가시키고, Cu이온의 흡착으로 생채 내 Carrier 역할을 하는 것으로 조사되었음. 기존 오염물질과 반응한 CNT의 경우, CNT의 입자크기,functional group의 종류, well 종

Ⅳ. 연구 결과
❍ 국내·외대한 선행연구 조사
• 나노물질의 종류별 기존 오염물질과의 반응 및 거동 특성평가
- 큰 반응성을 띠는 나노물질은 환경으로 노출 후 기존 오염물질과 쉽게 반응하기 때문에 기존 오염물질의 거동 및 독성에 큰 영향을 끼치는 것으로 조사되었음. TiO₂ 나노입자가 Cu 이온의 독성을 증가시키고, Cu이온의 흡착으로 생채 내 Carrier 역할을 하는 것으로 조사되었음. 기존 오염물질과 반응한 CNT의 경우, CNT의 입자크기,functional group의 종류, well 종류 등에 따라 독성이 서로 다르게 나타나는 것으로 조사되었음

• 탄소계 나노물질의 환경 중 변환·거동 및 독성반응 평가
- 탄소계 나노물질은 수환경 내 응집의 경우, 양이온의 종류 및 농도, pH, 전처리 및 분산 조건, NOM, 표면의 functional group 등에 의해 주로 영향 받아 거동됨
- 다양한 변환 인자들 중 광변환과 자연유기물이 가장 크게 영향을 끼치며, 특히 oxidation, covalent Reactions, biodegradation 등의 기작으로 표면의 functional group 변환됨

❍ 산화아연 나노입자와 자연유기물의 반응 및 영향 연구
• 크기별 산화아연 나노물질의 변환
- 변환특성에 따른 나노물질의 용해 영향
∘ 세 가지 크기 ZnO NPs의 용해에 미치는 pH 영향을 살펴 본 결과, ZnO NPs의 용해도에 pH 의존도가 매우 크며 입자크기에 따라 용해도가 차이가 없음
∘ 모든 pH 조건에서 입자크기 상관없이 ZnO NPs의 용해는 빠른 시간에 용해되어 평형을 이룸
- 자연유기물과의 표면 흡착반응에 따른 나노입자의 화학적 특성 규명
∘ 자연유기물이 산화아연 나노물질의 표면에 흡착으로 인해 나노물질의 안정도가 증가되며, 산화아연 나노물질의 용해도는 fulvic acid는 증가, humic acid는 감소,NOM은 큰 영향이 없는 것으로 나타남. 이는 자연 유기물의 molecular weight가 크면 클수록 용해에 미치는 영향이 적은 것으로 판단됨
∘ Citric acid와 fulvic acid처럼 molecular weight가 작은 유기물이 나노물질의 용해도를 증대시키는 이유는 ligand exchange가 잘 반응할 수 있는 carboxyl group가 많기 때문으로 판단됨

• 제조 산화아연 나노물질의 변환
- 국내 생산·유통 나노물질에 대한 자연유기물과의 반응 및 영향 조사
∘ 국내 유통량이 가장 큰 ZnO NPs의 KS1은 농도 및 자연유기물과의 반응에 대한 변환 특성이 80 nm ZnO NPs와 유사함
- 크기별 나노물질의 결과와 상관성 분석
∘ 크기별 나노물질의 용해에 대한 상관성은 거의 없는 것으로 나타났으며, fulvic acid는 ZnO NPs의 용해를 전반적으로 증가시키고 humic acid는 감소시키지만,NOM은 입자크기가 클수록 용해가 증가되어 상관성이 있는 것으로 나타는데, 이는 NOM이 fulvic acid와 humic acid가 혼합된 자연유기물이기 때문으로 판단됨

• 환경 중 나노물질 변환에 미치는 주요인자 영향 조사
- 나노물질의 화학적 변환반응 중 우선 영향인자 도출
∘ 자연유기물과 음이온 무기리간드의 공존시 이에 대한 복합반응 조사
․ 수환경 조건에서 ZnO NPs에 대한 humic acid와 phosphate의 우선 영향인자 비교결과, pH 6, 7, 8의 수용성상에서 ZnO NPs에 영향을 미치는 주요인자로는 자연유기물이며, phosphate의 영향은 크지 않지만 자연유기물과의 시너지 효과로 인해 방출된 Zn 이온과 결합하여 용해가 감소되고, pH 6과 7에서는 hopeite가 생성되어 다른 결정 구조를 띄는 것을 확인하였음
․ 수환경 조건에서 ZnO NPs에 대한 humic acid와 sulfide의 우선 영향인자 비교 결과, pH 7과 8 조건에서는 humic acid에 비해 sulfide의 영향이 지배적으로 작용하여 산화아연 결합되어 core/shell의 형태를 이루고, pH 6에서의 ZnO NPs은 humic acid와의 흡착 반응으로 인해 core/shell 구조가 생성되지 못하고 용해되어 황화아연의 미세입자로 결합되며, 생성된 미세입자 사이 내 humic acid가 기질로 존재하는 것을 확인함. 전년도 결과에서 humic acid가 존재하지 않을 때 ZnO NPs과 sulfide의 결합은 core/shell의 구조를 띠는 안정화된 형태였지만, humic acid와 같이 공존시 core/shell이 생성속도보다 humic acid의 표면 흡착속도가 더 빠르게 일어나지만, 두 물질의 경쟁으로 인해 나노물질의 표면을 완전히 코팅하지 못해 대부분 나노물질이 용해되는 것으로 판단됨

∘ 환경 변화에 따른 나노물질의 변환 특성 규명
․ 혐기성 조건에서 ZnO NPs과 sulfide의 결합 후 호기성 조건으로 변함에 따라 이에 대한 변환 특성 결과, 혐기성 조건에서 ZnO NPs은 황화아연과 결합하여 core/shell 구조의 안정한 형태를 유지하는 것을 확인하였으나, 호기성 조건으로 변환 후 core의 ZnO NPs 표면 일부분이 점차 용해되어 shell 부분의 황화아연만 남게 됨. 이는 core/shell 구조가 산소의 영향으로 인해 약해져 용해가 발생되고,또한 호기성 조건에서 산화아연과 sulfur의 반응은 화학적 결합에 의한 구조적 변환이 아닌 물리적 흡착으로 인한 표면 코팅으로 불안정하게 존재하기 때문임

• 국내 실제 수환경 조건에서 적용하여 영향 규명
- 하천수, 호소수, 하수, 유출수에서 장/단기 변환 특성
∘ 낮은 농도에서는 대부분 용해되거나 입자상으로 존재하며, 농도가 증가할수록 대부분 침전되는 것으로 나타남. 실제 수환경 내 ZnO NPs는 대부분 용해되거나 일부 입자상으로 존재할 것으로 판단됨
∘ 실제 환경수에 대한 ZnO NPs의 용해를 비교하면, 하천수 ≈ 호소수 > 유출수 >하수 순으로 용해된 Zn이온 농도가 높은 것으로 나타났는데, 하수가 가장 낮은 이유는 고농도의 자연유기물과 phosphate로 인해 나노물질의 용해를 억제하고 안정성을 증가시키는 것으로 판단됨

❍ 산화아연 나노물질의 수환경 중 거동․변환 모델 제시
• 모델인자 도출을 위한 침전속도 상수 및 존재형태
- ZnO NPs의 농도와는 상관없이 용해속도는 빠르게 일어나며, 각 환경수마다 나노입자의 존재형태는 다소 차이는 있지만 실제 수환경에서 나노입자상으로 존재하는 것을 확인함. 이에 대한 주요 영향인자는 자연유기물의 농도, 호기환경에서의 phosphate 함량, 응집반응에 큰 영향을 끼치는 이온세기임
- 일반적으로 실제 수환경 내 ZnO NPs의 농도는 1 mg/L 미만으로 실제 수환경 내 ZnO NPs가 노출된다면, 대부분 용해되고 일부 입자상으로 존재하며 아주 미량으로 침전될 것으로 예측 가능함
- 연구결과를 토대로 나노물질의 환경 내 주요 거동 및 변환에 대한 거시적․미시적 모델을 제시하였음. 전반적인 이해도를 올리기 위해 거시적인 모델을 작성하였으며,용해, 변환, 안정도/거동에 대해 세부적으로 미시적인 모델을 제시하였음

❍ 산화아연 나노물질의 환경 중 변환에 따른 수생생물 영향 조사
• 크기별 나노물질 및 제조 나노물질에 대한 독성 영향 평가
- ZnO NPs의 크기별 및 KS1에 대해 Daphnia magna로 독성 평가한 결과, 입자크기와 무관하게 유사한 유영 저해가 나타났고, KS1 또한 80 nm ZnO NPs의 독성 평가 결과와 유사하게 나타남
- 국내 유통되고 있는 KS1의 나노물질이 자연유기물과의 반응을 통해 변환된 ZnO NPs의 독성 평가한 결과, 자연유기물을 포함한 실험에서는 순수 나노물질 실험보다 2배 이상 독성이 저감되었으며, 이는 용해된 Zn 이온과 자연유기물과 반응한 aqueous complexation의 화학구조가 독성이 낮기 때문으로 판단됨
• 수생생물에 나노물질의 변환이 미치는 유해성 예측
- 산화아연 나노물질은 pH 변화에 따라 용해도가 매우 민감하여, 실제 수질의 pH가 매우 중요할 뿐만 아니라 실제 수환경에 노출 시 대부분 용해되거나 일부 입자상으로 존재하기 때문에 이온 및 입자에 대한 독성이 매우 중요함
- 실제 수환경 내 NOM와 같은 자연유기물의 존재는 용해된 이온과의 complexation,코팅표면 흡착 및 새로운 착물 형성 등에 의해 독성은 저감되고, 나노물질의 환경노출이 나노물질 자체의 독성 문제에 국한되지 않고, 기존 독성 오염물질들의 반응하여 수생생물에 영향을 줄 것으로 판단됨

❍ 향후 연구 및 정책 추진방향 등 제안
- 환경조건에 따라 변형된 나노물질의 독성 및 거동은 초기나노물질과는 완전히 다른 것을 확인하였는데, 이러한 연구결과는 나노물질 자체 유해성 연구도 중요하지만 환경 중 나노물질의 변환연구가 매우 중요함
- 나노물질별 변환특성이 매우 상이하기 때문에 이를 파악하기 위해 체계적인 연구가 요구되며, 나노물질이 가지는 잠재적 위험성으로부터 인체 및 생태계를 보호해야하기 위해서는 나노물질 변환 연구가 필요함. 나노물질 자체에 대한 안전성이 검증됐다 하더라도 기존 오염물질들과의 반응을 통해 유해성이 증가될 우려가 있어 이에 대한 향후 연구가 진행되어야 함

( 출처 : 요약문 5p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• 목차 ... 11
• 표목차 ... 13
• 그림목차 ... 14
• I. 서 론 ... 18
• 1. 연구배경 및 필요성 ... 18
• 가. 증가하는 나노제품 시장규모 ... 18
• 나. 나노제품의 국내시장 현황 ... 22
• 다. 나노물질 안전성 논란 및 규제동향 ... 22
• 라. 나노물질 변환과 그에 따른 유해성 연구의 필요성 ... 23
• 마. 1차년도 연구 요약 및 한계성 ... 24
• 2. 국내외 연구동향 ... 27
• 가. 국제 연구동향 ... 27
• 나. 국내 연구동향 ... 28
• 3. 연구 목표 ... 29
• 가. 최종 목표 ... 29
• 나. 세부 목표 및 추진계획 ... 29
• II. 연구 내용 및 방법 ... 30
• 1. 과제의 주요 내용 ... 30
• 2. 연구 내용 ... 30
• 가. 나노물질의 환경 중 변환에 대한 선행 연구 조사 ... 30
• 나. 산화아연 나노입자와 자연유기물의 반응 및 영향 연구 ... 31
• 다. 산화아연 나노물질의 수환경 중 거동·변환 모델 제시 ... 40
• 라. 산화아연 나노물질의 환경 중 변환에 따른 수생생물 영향 조사 ... 42
• 마. 향후 연구 및 정책 추진방향 등 제안 ... 44
• 3. 연구 방법 ... 45
• 가. 연구대상 나노물질 선정 ... 45
• 나. 산화아연 나노입자와 자연유기물의 반응 및 영향 연구 ... 45
• 다. 산화아연 나노물질의 환경 중 변환에 따른 수생생물 영향 조사 ... 50
• 4. 연구 추진 체계도 ... 52
• 5. 연구진 구성 ... 53
• 가. 연구원 편성표 ... 53
• III. 연구 결과 및 고찰 ... 54
• 1. 국내․외 관련 문헌 조사 ... 54
• 가. 나노물질 종류별 기존 오염물질과의 반응 및 거동 특성평가 ... 54
• 나. 탄소계 나노물질의 환경 중 변환·거동 및 독성반응 평가 ... 68
• 2. 산화아연 나노입자와 자연유기물의 반응 및 영향 연구 ... 75
• 가. 연구대상 나노물질 선정 ... 75
• 나. 크기별(10nm, 35nm, 80nm) 산화아연 나노물질의 변환과정 조사 ... 76
• 다. 제조 산화아연 나노물질의 변환과정 조사 ... 89
• 라. 환경 중 나노물질 변환에 미치는 주요인자 영향 조사 ... 100
• 마. 실제 환경 내 나노물질의 변환 및 독성 영향 연구 ... 128
• 3. 산화아연 나노물질의 수환경 중 거동 변환·모델 제시 ... 145
• 가. 모델인자 도출을 위한 침전속도 상수 ... 145
• 나. 수환경 내 산화아연 나노물질의 존재형태 ... 148
• 다. 나노물질의 환경 내 반응 도출 및 주요 거동․변환 과정 도식화 ... 149
• 4. 산화아연 나노물질의 환경 중 변환에 따른 수생생물 영향 조사 ... 153
• 가. 크기별 나노물질 및 제조 나노물질에 대한 독성 영향 평가 ... 153
• 나. 수생생물에서 나노물질의 변환이 미치는 유해성 예측 ... 155
• 5. 향후 연구 및 정책 추진방향 등 제안 ... 156
• 가. 선행 연구결과 및 금년도 연구결과에 대한 종합 정리 ... 156
• 나. 1, 2차년도 연구결과 및 국외 연구결과에 대한 비교 분석 및 시사점 도출 ... 159
• 다. 향후 연구 제안 ... 161
• IV. 결론 ... 163
• V. 기대성과(활용방안) 또는 향후계획 ... 171
• VI. 참고 문헌 ... 172
• 끝페이지 ... 185