Abstract

BACKGROUND

For the heavy metal cotamination sites, it is very important to estimate the human bioavailability quotients for heavy metals in paddy soils released from mine tailings, which is a major source of contamination in Korea, and to assess the human health risks of heavy metals.

METHODS AND RESULTS

This experiment was carried out to investigate the human bioavailability quotient of the heavy metals in paddy soils below part of the closed metalliferous mine. For estimating the human bioavailability quotients for heavy metals, 30 paddy soils below part of the closed mine were collected, and analyzed for Cd, Cu, Pb, Zn, and As using simple bioavailability extraction test(SBET). The quantities of Cd, Cu, Pb, Zn and As extracted from paddy soils below part of the mine by using the SBET analysis were 28.1, 17.3, 34.1, 14.6 and 2.3% respectively. Specially, the maximum values of Cd, Pb and Zn were 73.3, 81.5 and 58.1% of human bioavailability quotient, respectively, and varied considerably among the sampling sites. The human bioavailability quotient of Cd, Cu, Pb and Zn in soils near the closed mine showed significant positive correlation among soil pH value, O.M. and Ex. Ca. contents, while it correlated negatively between soil Ex. K and Ex. Mg contents in paddy soils. Also, its of Cd, Cu, Pb and Zn in paddy soils showed significant positive correlation with 0.1M HCl extractable and total contents, while in soils, it correlated negatively with As content in soil near the closed mine.

CONCLUSION

The results of the simple bioavailability extraction test (SBET) indicate that regular ingestion of soils by the local population could be closed a potential health threat due to long-term heavy metals exposure in these mine areas.

Keyword

Bioavailability,Closed metalliferous mine,Heavy metal,Paddy soil,SBET

서론

우리나라의 금속광산은 1980년대 이후 품위저하와 채산성 악화로 인하여 대부분 폐광된 상태로 1,000여개 이상이 전국에 산재되어 있는 것으로 알려져 있다(Jung et al., 2004; Jung et al., 2008). 금속광산은 지하에 있는 광석을 채굴하여 선광·제련과정 후 남은 광산폐기물 및 품질이 낮은 광석을 광산 주변에 야적함으로써 2차 환경오염의 원인이 된다. 환경부의 토양환경보전법이 1995년에 제정되면서 폐금속광산 주변에 대한 토양, 수질 환경조사와 더불어 실질적인 복원 대책이 실시되었다고 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 폐광 후 적절한 광해방지 시설이 없는 지역에서는 광산폐기물 침출수 및 갱내수가 발생하여 하류 수계와 토양 오염의 원인이 된다(Lee and Chon, 2004; Jung et al., 2004; Lee et al., 2005). 또한 폐광산 주변 토양의 중금속 오염정도와 환경위해성은 광산 유형, 선광방법에 의해 좌우되는 광미의 오염 특성, 주변의 지형·지질·수리학적 특성, 그리고 토양의 이화학적 특성과 관련성이 높은 것으로 알려져 있다(Jung et al., 2004; Jung et al., 2008; Jung et al., 2012).

최근에는 토양 중금속의 오염지수, 부화계수 및 지화학적 농축계수를 활용한 상대적인 오염상태 해석과 더불어 토양 내 독성 중금속들의 인체위해성 연구도 활발하게 진행되고 있다.(Ruby et al., 1996; Lee et al., 2006; Ettler et al., 2012; Jung et al., 2012). 이러한 상대적인 지수 값들은 중금속 오염의 동·식물의 영향, 독성 및 오염등급을 간접적으로 설명하는데 유용한 자료가 될 수 있다.

본 연구에서는 중금속 오염토양의 인체위해성을 살펴보기 위해서 충남 서산에 위치한 Pb·Zn 폐광산 하류의 논토양 30지점을 대상으로 SBET(Simple Bioavailability Extraction Test)분석을 실시하여 지역 주민들의 위에서 흡수되는 중금속의 인체흡수도(Bioavailability)를 평가하였다. 또한 토양 중금속의 인체흡수도에 영향을 주는 요인을 밝히기 위하여 토양의 화학성 및 중금속 함량과의 관련성을 분석·검토하였다.

재료및방법

연구지역

연구대상은 일제시대부터 개발된 광산지역으로 충남 서산시 지곡면에 위치하며, 폐광된 시기는 알려지지 않고 있다. 주요 광종은 납, 아연, 금, 은으로 광산 일대의 지질은 선캄브리아기의 백운모편암과 이에 협재하는 결정질 석회암으로 구성된다(Hwang et al., 2000). 광상은 석회암내의 판상으로 저온 내지 중온성 열수교대와 맥상 광상으로 채광량은 납 4,199톤, 아연 2,209톤으로 알려져 있다. 과거에는 주변의 광산폐기물이 10,000㎥ 정도 있었으나 현재는 복원사업이 완료된 상태이다. 토양의 대표적인 광물 조성은 철백운석, 능철석, 석영, 운모, 카오린 군의 점토광물 및 미량의 녹니석과 각섬석 등이 나타났다. 폐석의 연마편을 관찰한 결과, 함연·아연광물인 방연석과 섬아연석이 주로 괴상으로 산출되는 것으로 알려져 있다(Hwang et al., 2000)

시료채취 및 분석방법

연구대상 지역 주변의 광산폐기물은 2개소[WRD(Waste rock dumps)-1, WRD-2]에 적치되어 있으며, 토양시료 채취는 2006년 3월에 Fig. 1과 같이 3개 지역으로 구분하여 채취하였다. 채취지역은 광산으로부터 직접 영향을 받고 광산폐기물이 위치한 A지역, 그리고 침출수에 의한 영향으로 볼 수 있는 중간 B지역과 광미장 반대편에 위치한 C지역으로 구분하였다. 시료채취 점수는 총 30지점으로 A지역에서 15지점(시료 1~15), B지역에서 8지점(시료 16~23), C지점에서 6지점(시료 24~28)을 채취하고, 대조토양으로 2개 지점(시료 29~30)을 채취하였다. 토양 시료채취는 분석에 대한 신뢰성을 높이기 위하여 유기물을 거른 후 표토(0~20 cm) 5개 지점을 핸드 오거드릴을 이용하여 채취한 후 혼합하여 분석용 시료로 사용하였다. 토양시료는 자연건조 후 전기오븐(105°C)에서 하루 이상 건조시킨 다음 2 mm 입도로 체질하여 1차로 통과시켜 화학성분 분석용 시료로 사용하였다, 또한 중금속 분석용 시료는 다시 마노 유발을 이용하여 150 mesh 이하로 분쇄하여 사용하였다(Ministry of Environment, 2010).

토양의 화학성분 함량은 농촌진흥청 토양화학분석법(Rural Development Adminstration-National Academy of Agricultural Science, 2010)에 준하여 토양 pH는 토양과 증류수의 비를 1:5로 하여 30분간 진탕한 후 pH-meter(ORION R, EA-940, USA)로 측정하였다. 또한 유기물은 Tyurin법, 유효인산은 Lancaster법, 치환성양이온은 1N-NH₄OAc(pH 7.0) 침출법으로 분석하였다. 토양의 중금속 가용성 함량은 환경부의 구 토양오염공정시험법에 준하여 토양시료 10g을 취하여 0.1M-HCl 용액 50 ml (As의 경우 1M-HCl) 를 가한 다음 30°C에서 1시간 진탕한 후 여과하여 분석용 시료로 사용하였다. 또한 토양내 중금속 전함량 분석은 마이크로 웨이브 전처리 장비(Mars-X, CEM Corporation, USA)를 이용하여 시료 0.5 g을 마이크로웨이브 vessel에 취하여 분해액인 왕수(HNO₃:HCl=1:3) 12 mL를 각각 가한 다음 분해하여 분석용 시료로 사용하였다(Ministry of Environment, 2010; US-EPA, 1997). 본 연구에서 전처리된 토양의 화학성분 및 중금속 분석은 ICP-OES (Inductively coupled plasma optical emission spectrometry, GBC Integra-XMP, Australia) 및 ICP-MS(Inductively coupled plasma mass spectrometry, Hewlett Packard, Agilent 7500cs, USA) 를 이용하여 정량하였다.

Table 1과 Table 2는 토양 중금속별 인체흡수도에 영향을 주는 요인을 평가하기 위하여 분석한 화학성분 및 중금속 함량을 나타낸 것이다. 토양의 화학성분(Table 1)은 우리나라 논토양의 평균치인 pH 5.9, OM 26.0 g/kg, Av.P₂O₅ 131 mg/kg, Ex.K 0.3, Ex.Ca 5.1, Ex.Mg 1.3 Cmol⁺/kg (RDA-NAAS, 2011)과 비교하여 pH 값 및 양이온 함량이 높았으며, 유기물과 유효인산 함량은 낮은 경향을 보였다. 또한, 화학성분 중 pH 값 및 치환성 칼슘함량 최고치가 각각 7.69, 10.42 Cmol⁺/kg로 매우 높게 나타났다. 토양 중의 0.1M HCl 침출성 Cd, Cu, Pb, Zn 및 As 함량(Table 2)은 각각 3.65, 12.7, 330, 157, 2.08 mg/kg이였으며, 시료채취 지점간 농도 편차가 큰 것을 알 수 있었다. 또한, 토양 내 Cd, Pb, Zn 및 As 전함량 평균치는 토양환경보전법(Ministry of Environment, 2013)의 토양오염 우려기준(Cd 4, Cu 150, Pb 200, Zn 300, As 25 mg/kg)을 초과하였다.

토양 중금속의 인체흡수도 평가

폐금속광산 지역에 거주하는 주민들의 위(stomach)에서 흡수되는 독성 중금속들의 인체흡수도를 정량적으로 평가하기 위하여 SBET (Simple Bioavailability Extraction Test) 분석을 실시하였다. 이 분석방법은 Ruby et al. (1993, 1996, 1999)에 의해 제시되고 발달된 PBET (Physiologically Based Extraction Test) 분석방법을 영국지질조사소에서 단순화하여 개발한 것으로 본 연구에서 이용한 구체적인 분석절차는 다음과 같다. ① 인공위산(synthetic stomach solution)을 제작하기 위하여 글리신(glycine) 60.06 g에 증류수를 넣어 2 L의 추출용액을 만든다. ② 제작된 인공위산은 인체의 위의 pH와 맞추기 위해 37°C로 유지되고 있는 수조 안에서 염산(HCl)를 사용하여 pH를 1.5에 맞춘다. ③ HDPE (High density polyethylene) 시료용기에 80 mesh로 체질한 토양 시료 1.0 g과 pH 1.5로 맞춘 인공위산, 즉 추출용액 100 ml을 넣는다. ④ HDPE 시료용기의 뚜껑은 새지 않게 꼭 닫은 후(폐쇄계 상태 유지), 수조내 회전반응기에 고정시켜서 인체의 온도와 같은 37℃가 유지되는 수조 안에 완전히 잠기도록 한다. ⑤ 수조내 회전반응기는 1시간 동안 30 rpm으로 회전시켜 반응이 일어나도록 한다. ⑥ 1시간 후에 시료용기를 수조에서 꺼내어 다시 pH를 측정하고, 반응이 완료된 시료용기로부터 분석하기 위한 용액을 주사기로 채취하고 필터를 사용하여 분석용 시험관으로 옮긴다. ⑦ ICP-OES (Inductively coupled plasma optical emission spectrometry) 기기를 이용하여 추출된 용액으로부터 Cd, Cu, Pb, Zn 및 As 성분 을 정량하였다.

결과및고찰

토양 중금속의 인체흡수도 평가

토양 내 중금속의 인체위해성을 평가하기 위한 방법으로 중금속이 다량 함유된 토양을 무의식적으로 섭취하였을 때 인체의 위(stomach)와 같은 조건하에서 토양으로부터 용출되는 농도를 측정, 평가하는 실험이 개발되어 연구되고 있다. 본 실험에서는 Ruby et al. (1996)에 의해 제시된 PBET 방법을 단순화한 SBET 분석법을 적용하여 광산 지역에 거주하는 주민들이 무의식적으로 토양을 섭취하였을 때 독성 중금속들이 인체에 미칠 수 있는 위해성을 간접적으로 평가하고자 하였다. 강산성 환경 조건인 인체의 위(stomach)에서는 토양 내 독성 중금속들은 빠르게 용출되면서 인체로 흡수·축적되어 건강상의 문제점을 야기시킬수 있다. 토양 중금속의 인체흡수도(Human bioavailability quotient)는 토양 내 중금속 총함량에 대한 인공위산 용액(SBET)으로 추출된 중금속 함량의 비를 백분율(%)로 환산하여 산출하였다.

서성 폐금속광산 하류 논토양에 대한 중금속의 SBET 분석결과 및 인체흡수도는 Table 3과 같다. SBET 인공위산에서 1시간 반응하여 추출된 중금속 평균 함량은 Table 2의 0.1M HCl 가용성 함량과 비교하면 Pb, Zn 성분이 높았으나 Cd 및 Cu 성분은 유사한 경향이였다. 토양 중금속의 인체흡수도 평균 값은 Pb>Cd>Cu>Zn>As 순으로 각각 34.1, 28.1, 17.3, 14.6 및 2.3%로 나타났다. 또한 인체흡수도 최고치도 Pb 81.5%, Cd 73.3%, Zn 58.1%로 매우 높아 인체에 흡수 가능성이 매우 크다고 할수 있다. 이와 관련하여 토양 내 중금속 인체흡수도는 폐광산 주변 논토양이 Cu>As>Pb>Zn>Cd, 밭토양 Cu>Pb>Zn>Cd>As(Lee and Chon, 2004 ), 도시공원 토양이 Cd>Cu>Pb>Zn>Ni(Luo et al., 2012a), 도시 도로변 토양이 Pb>Ni>Cu>As(Wang et al., 2002) 순위로 보고하여 오염원 및 중금속 종류에 따라 큰 편차를 보이는 것을 알수 있었다(Ettler et al., 2012; Kim et al., 2002). 또한 Lee et al.. (2000)은 폐금속광산 주변 Cd, Cu, Pb, Zn 및 As의 인체흡수도가 논토양 15.9~65.4%로 나타나 밭토양 12.4~31.2%와 비교하여 상대적으로 높았다고 하였다.

Fig. 2은 서성광산 하류에 위치한 논토양의 채취지점별 중금속 인체흡수도 변화를 나타낸 것이다. 채취지역별 중금속의 인체흡수도 평균 값은 대체적으로 A>C>B>대조 지역 순으로 나타나 오염지역에 따라 큰 차이를 보였다. 또한 동일한 지역에서도 오염정도가 심한 Cd, Pb, Zn 성분은 채취지점별로 편차가 큰 것을 알수 있었다. 특히 Cd의 인체흡수도 값이 A지역 41.8%, C지역 26.7%와 비교하여 B지역이 9.6%로 상대적으로 매우 낮았는데, 이는 B지역에서 Cd 오염도가 낮은데 기인한다고 볼 수 있다. 이와 관련하여 여러 보고(Lee and Chon, 2004; Kim et al., 2006; Lee et al., 2006)에서 폐광산 종류와 광미, 논, 밭 등 오염대상에 따라 토양 중금속의 인체흡수도는 큰 차이를 보였다고 하였다. 또한 Wang et al. (2007)은 토양 중금속별 인체흡수도는 폐광산, 제련소, 도로변 등 오염원별, 그리고 채취지역과 지점에 따라 편차가 크다고 하였다(Ettler et al., 2011). 이러한 중금속 오염의 편차는 광산 및 제련소별 광물종류 등이 다르고, 오염원에서 거리별로 오염정도가 크게 차이를 보인데 기인한다(Jung et al., 2004).

중금속 인체흡수도와 관련 영향인자 분석

Table 4는 서성 폐금속광산 하류 논토양의 화학성분과 SBET 분석에 의한 중금속별 인체흡수도와의 관계를 나타낸 것이다. 토양 중 Cd, Cu, Pb 및 Zn의 인체흡수도는 pH 값, 유기물, 치환성 칼슘 함량과 정의 상관을, 치환성 칼륨 및 마그네슘과는 부의 상관을 보였다. 또한 토양 As의 인체흡수도는 유기물과 부의 상관, 치환성 칼륨 및 마그네슘과는 정의 상관을 보였다. 이와 관련하여 Poggio et al. (2009)은 토양 중 Cu, Pb 및 Zn의 인체흡수도는 유기물 함량과 고도의 정의 상관을(r=0.69~0.99), 점토함량과는 고도의 부의 상관(r=-0.73~-0.96)을 보였다고 하였다. 또한 기존의 연구(Lee et al., 2005; Luo et al., 2012a,b)에서 토양 중금속별 인체 흡수도는 토성(입경분포)뿐만 아니라 토양 pH, EC 및 유기물 함량과의 관련성이 크다고 하였다. 이러한 경향치는 일반적으로 토양 내 이화학성이 중금속의 유효태 함량비율과 더불어 식물흡수도에 크게 영향을 주는 것과 같은 결과로 볼수 있다

Table 5는 토양의 중금속 함량(0.1M HCl 침출성, 전함량)과 중금속별 인체흡수도와의 관계를 나타낸 것이다. 토양내 Cd, Cu, Pb 및 Zn의 인체흡수도는 0.1M HCl 침출성, 그리고 총함량과 정의상관을, As성분은 부의 상관을 보였다. 특히 Zn의 인체흡수도는 상관계수가 0.1M HCl 침출성 함량(r=0.967) 및 전함량(r=0.917)에서 다른 성분보다 높게 나타났다. 이와 관련하여 Ettler et al. (2012)은 광산 및 제련소 지역의 토양 내 Cu, Pb, Zn, As 인체흡수도는 중금속별 총함량과 고도의 정의 상관을 보였고, 오염원이 상이한 여러 보고(Wang et al., 2007; Poggio et al., 2009; Prathumratana et al., 2010; Luo et al., 2012b)에서도 토양 내 중금속별 인체흡수도는 총함량, 즉 각 중금속의 오염정도에 영향을 받는다고 하였다.

본 연구 결과에서 토양 중 Cd, Pb, Cu, Zn 및 As의 인체흡수도는 각각 28.1, 34.1, 17.3, 14.6, 2.3%였고, 특히 Cd, Pb 및 Zn의 인체흡수도 최고 값은 각각 73.3, 81.5, 58.1%로 매우 높게 나타났다. 따라서 폐광산 하류 논토양의 SBET 분석에 의한 중금속 인체흡수도를 볼 때 광산지역에 거주하는 주민들이 장기간 노출된다면 잠재적으로 건강상의 위해성이 있을 것으로 판단된다.

ACKNOWLEDGEMENT

This study was carried out with the support of "Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ010063)", National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration, Republic of Korea.

Tables & Figures

Fig. 1.

Study area and sampling locations of the closed metalliferous mine.

Table 1.

Chemical properties in paddy soils below part of the closed metalliferous mine.

Table 2.

Average contents of 0.1M HCl extractable and total heavy metal in soils below part of the closed metalliferous mine.

Table 3.

Human bioavailability quotient of heavy metals by SBET(simple bioavailability extraction test) analysis in paddy soils below part of the closed metalliferous mine.

Fig. 2.

Variations of human bioavailability quotient for heavy metals determined by the SBET(simple bioavailability extraction test) method at sampling site in paddy soils near the closed mine.

Table 4.

The relationship between the chemical properties and human bioavailability quotient of heavy metal in paddy soils below part of the closed mine (n=30).

Table 5.

The relationship between the heavy metal contents and human bioavailability quotient of heavy metal in paddy soils below part at closed mine (n=30).

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