Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety Research Paper Vol. 24, No. 1, pp. 078-091, February 28, 2018, ISSN 1229-3431(Print) / ISSN 2287-3341(Online) https://doi.org/10.7837/kosomes.2018.24.1.078
1
* First Author : [email protected], 051-720-2547 Corresponding Author : [email protected], 051-720-2540
자란만 표층 퇴적물 중 유기물과 중금속 농도분포
황현진 황동운 이가람 김형철 권정노
국립수산과학원 어장환경과
*, **
Distributions of Organic Matter and Heavy Metals in the Surface Sediment of Jaran Bay, Korea
Hyunjin Hwang* Dong-Woon Hwang** Garam Lee** Hyung-Chul Kim** Jung-No Kwon**
*, ** Marine Environment Research Division, National Institute of Fisheries Science, Busan 46083, Republic of Korea
요 약 : 자란만 퇴적물 중 유기물과 중금속의 농도분포와 오염현황을 파악하기 위하여 2014년 월 개 정점에서 표층 퇴적물을 채취11 15 하여 입도 총유기탄소, (TOC), 총질소(TN) 및 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, Zn)을 분석하였다 평균입도. (Mz)는 8.6-9.8Ø(9.3±0.3Ø) 사 이였으며 니, (Mud)와 점토(Clay)의 세립한 퇴적물로 구성되어 있었다. TOC와 TN은 각각 1.51-2.39 %(1.74±0.22 %), 0.20-0.33 %(0.23±0.03%)의 범위로 전반적으로 공간적인 농도차이를 보이지 않았다 모든 퇴적물에서 . C/N 비 값은 5-10 사이를 보여 자란만 표층 퇴적물 중 유기물은 주로 해역 내에서 발생한 해양기원성 유기물인 것으로 파악되었다 중금속 중 . Cr, Fe, Mn은 만의 입구 쪽에서 높고 그 외 중금속(As, Cd,
은 자란만의 안쪽에서 높은 농도를 보였다 한편 퇴적물 기준 농축계수 농집지수
Cu, Hg, Pb, Zn) . , (SQGs), (EF), (Igeo), 오염부하량지수(PLI), 생
태계위해도지수(ERI) 등 다양한 평가기법을 이용하여 자란만 표층 퇴적물의 중금속에 대한 오염정도를 살펴본 결과, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, 은 오염되지 않은 상태이거나 일부해역에서 오염된 상태를 보였지만 는 전 해역에서 높은 오염도를 보였다 또한 분석된 모든 중금
Zn As . ,
속 농도를 고려한 전체적인 오염도를 살펴본 결과 모든 해역에서 중금속에 대하여 오염되었고 특히 일부 해역에서는 저서생물에 위해성, ,
을 줄 수 있는 상태인 것으로 파악되었다 따라서 자란만 내 양식 수산물의 안전성 확보와 지속적인 어장 생산성 유지를 위해서 자란만 . ,
퇴적물 내 유기물과 중금속의 오염원에 대한 체계적인 관리가 필요하다.
핵심용어 : 퇴적물 총유기탄소 총질소 중금속 오염 자란만, , , , ,
Abstract : In order to understand the distributions of organic matter and heavy metal concentrations in the surface sediment of Jaran Bay, we measured the grain size, total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), and heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, and Zn) in surface sediments collected at 15 stations in this bay in November 2014. The sediment consisted of finer sediment such as mud and clay, with 8.6-9.8Ø (9.3±0.3Ø) of mean grain size. The concentrations of TOC and TN in the sediment ranged from 1.51-2.39 % (1.74±0.22 %) and 0.20-0.33 % (0.23±0.03 %), respectively, and did not show spatial difference. The carbon to nitrogen ratio (C/N ratio) ranged from 5-10, indicating that organic matter in the sediment originated from oceanic sources such as animal by-products from fish and shellfish farms. The concentrations of Cr, Fe, and Mn were much higher in the mouth of the bay than in the inner bay, and the concentrations of As, Cd, Cu, Hg, Pb, and Zn showed an opposite distribution pattern. Based on the results of the sediment quality guidelines (SQGs), enrichment factor (EF), geoaccumulation index (Igeo), pollutant load index (PLI), and ecological risk index (ERI), the surface sediment in Jaran Bay is not polluted or only slightly polluted with Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, and Zn, whereas it is moderately to strongly polluted with As. In particular, some regions in the bay were identified as having a considerable risk status, indicating that metal concentration in the sediment could impact benthic organisms. Thus, the systematic management for marine and land sources of organic matter and heavy metals around Jaran Bay is necessary in order to ensure seafood safety and maintain sustainable production on shellfish farms.
Key Words : Sediment, Total organic carbon, Total nitrogen, Heavy metal, Pollution, Jaran Bay
서 론 1.
전 세계적으로 연안환경에서 유기물 및 중금속에 의한 오염은 주요 해양환경 문제 중에 하나이다. 1960년대 이후 산업화와 도시화로 인해 해안가를 따라 대도시와 임해공업 단지가 조성되어 인간 활동이 증가하면서 하천 강 대기 지, , , 하수 등 다양한 경로를 통해 유기물과 중금속 등의 오염물 질이 지속적으로 연안으로 유입되고 있다(Woo et al., 2007;
또한 기후변화에 따른 해양환경 변화와 Hyun et al., 2007). ,
수산자원의 남획으로 인해 어획량이 크게 감소함에 따라 외 해보다 기초생산력이 높고 파랑 폭풍 해일 등의 영향이 적, , 은 연안의 반폐쇄적인 내만을 중심으로 다양한 어패류 양식 이 성행하면서 양식 시설물 양식생물과 부착생물의 배설물, , 폐사한 양식생물의 잔해 등에 의해 각종 유기물 및 중금속 들이 연안에 발생하고 있다(GNDI, 2012; Choi et al., 2017).
이러한 유기물 및 중금속과 같은 오염물질은 조류나 해류 에 의해 외해로 이동하기도 하지만 대부분 입자물질에 흡, 착되는 특성을 지니고 있어 연안에 침강하여 퇴적물에 축적 된다(Fang and Hong, 1999; Ra et al., 2013a). 이후 퇴적물 내에 서 물리 화학적 환경변화 용존산소 수소이온농도 산화환원· ( , , 전위 등 에 의하여 분해되거나 용출되어 해수와 공극수 중) 으로 공급된다(Soares et al., 1999; Ra et al., 2013b). 이 과정에 서 퇴적물 중 유기물 분해시 산소소모로 인해 여름철 일부 내만에서는 빈산소수괴가 형성되고 과잉의 영양염 및 중금, 속의 공급으로 인해 적조가 발생하기도 하며 특히 해수 및 , , 공극수 중으로 공급된 중금속은 수중생물이나 저서생물에 전이되어 먹이사슬을 통하여 높은 영양단계의 생물에 확대·
농축되면서 최종적으로는 이를 섭취하는 인간의 건강을 위 협하고 있다(Croteau et al., 2005; Lim et al., 2013).
전 세계적 수산물 생산에 있어서 가장 중요한 어패류 중 에 하나는 굴이며 대부분 양식을 통해 생산되고 있다 우리, . 나라에서 굴은 1923년 경남 가덕도연안 간사지에서 바닥양 식을 시작하여 1960년대까지 투석식 말목수하식 등 소규모 , 양식방법으로 생산이 이루어지다가 1969년 남해 통영연안을 중심으로 연승수하식 양식방법이 널리 보급되면서 생산량 이 크게 증가하여 2011년 기준으로 우리나라 양식 전체 생 산량의 약 19%(패류 전체 생산량의 약 72%)를 차지할 만큼 중요한 양식품종으로 자리 잡고 있다(NFRDI, 2012; Shim et al., 2014a).
남동해안에 위치한 자란만은 우리나라의 대표적인 굴 양 식해역 중 하나로 북동 북서 방향으로 경상남도 고성군 하, · 일면과 삼산면으로 둘러싸여 있고 남쪽으로는 외해로 크게 열려있는 직사각형 모양의 반폐쇄적인 만이다 만의 전체면. 적은 약 3.0 × 107m2이고 평균 수심은 약 , 7 이다 만의 입구 m .
쪽을 제외한 대부분의 만 내 수심이 약 10m 이내로 얕고, 만의 앞쪽에 사량도가 위치하고 있어 외해로부터의 폭풍이 나 해일 등의 영향을 적게 받는다 자란만은 만의 북쪽에 위. 치한 개의 하천을 통해 월평균 약 5 3.6 × 104m3/day의 담수가 지속적으로 유입되고 있으며 이를 통해 영양염류가 만 내, 로 공급되면서 양식생물의 먹이원이 풍부하여 다양한 어패 류 양식이 성행하고 있다 특히. , 1984년에는 자란만 내 일부 해역이 수출용 굴 생산을 위한 수출용 패류생산 지정해역“ ” 으로 지정되면서 대량으로 굴 생산이 이루어지고 있다(Shim et al., 2009).
하지만 자란만도 남해안의 다른 폐쇄성 만들과 같이 부, 영양화 빈산소 적조와 같은 연안 환경문제가 빈번히 발생, , 하고 있으며 특히 양식을 위한 해면의 지속적인 이용 과밀, , 양식 등으로 인해 어장생산성이 크게 악화되고 있다(Oh et
특히 양식생물과 부착생물에서 배출된 분
al., 2015). , (Faeces)
과 의분(Pseudofaeces)이 저층 퇴적물의 화학적 조성뿐만 아 니라 대형저서동물의 군집변화에 큰 영향을 줄 수 있으며, 이들로부터 유래한 유기물 및 중금속은 저서환경 오염의 중 요한 원인으로 작용할 수 있다(Cranford et al., 2009; Jung et
이에 따라 수출용 양식 굴의 안전 al., 2014; Choi et al., 2017).
성 확보 및 생산해역의 위생관리를 위해 매년 굴 양식장 주 변의 해수 수질과 생산 채취하는 패류 등에 대한 환경 및 위· 생조사 뿐만 아니라 패류양식장에 대한 위생학적 안전성 평 가 및 환경평가 기준 설정 등에 관한 연구가 꾸준히 진행되 어져 왔다(Choi et al., 1998; Shim et al., 2009). 그러나 오랜 기, 간의 양식 활동에도 불구하고 양식장 주변 퇴적환경에 대한 조사결과는 부족하며 양식 굴의 식품안전성과 밀접한 관련, 이 있는 퇴적물 내 중금속의 분포 및 오염현황에 대한 연구 보고는 거의 없다.
따라서 이 연구의 목적은 굴 양식장이 밀집하고 있는 자 란만 퇴적물의 퇴적환경 특성 및 유기물과 중금속의 농도분 포를 이해하고 여러 가지 중금속에 대한 오염평가기법을 , 이용하여 중금속 오염현황을 파악하여 자란만의 어장환경 개선을 위한 기초자료를 제공하는데 있다.
재료 및 방법 2.
시료 채취 및 분석 2.1
자란만 퇴적물의 퇴적환경 특성 및 중금속 오염현황을 파악하기 위해 2014년 11월 선박을 이용하여 자란만 내 총
개 지점에서 채니기 로 표층 퇴적
15 (Van veen grab sampler)
물(0~2cm)을 채취하였다(Fig. 1). 채취한 퇴적물은 현장에서 일회용 스푼으로 미리 산세척한 고밀도폴리에틸렌병(High
에 옮겨 담아 냉동 상태로 실험실로 density polyethylene bottle)
운반한 후 Hwang et al.(2006)이 제시한 분석 방법을 수정한 다음의 방법으로 입도 유기물 함량 특성을 나타내는 총유, 기탄소(Total organic carbon, TOC)와 총질소(Total nitrogen, TN), 그리고 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, Zn)을 분석하 였다.
입도는 채취한 퇴적물 시료 약 100 을 비이커에 담아 과g 산화수소와 염산을 넣어 유기물과 탄산염을 제거한 뒤
체로 습식 체질하여 조립질과 세립질 퇴적물로 구 4Ø(63 )
분하였다 이후 . 4Ø보다 큰 조립질 입자는 70 에서 건조 후 건식 체질하였고 4Ø보다 작은 세립질 입자는 자동입도분석 기(Micromeritics, Sedigraph 5120)로 분석하였다 분석결과는 .
간격으로 입자의 크기별 무게 백분율을 구한 후 자갈 1Ø
모래 실트 점토 의 함량을 산정하였
(Gravel), (Sand), (Silt), (Clay)
으며, Folk and Ward(1957)와 Folk(1968)의 방법에 따라 퇴적물 의 평균입도(Mean grain size, Mz)와 퇴적물 유형(Sedimentary
을 각각 구하였다
type) .
와 은 퇴적물 약
TOC TN 20 을 g 80 에서 동결건조 후 상
온에서 막자사발로 미세하게 분쇄한 다음 균질화하였다 이. 후 분쇄한 시료 약 0.5 을 유리 g vial에 넣은 후 염산을 첨가 하여 탄산염을 제거한 뒤, 70 에서 수분과 잔류염소를 휘발 시켰다 전 처리 된 시료는 . 105 에서 시간 건조시킨 후 상2 온이 될 때까지 방치하였으며 이후 주석박막으로 , 3~5mg의 시료를 말아 CHN 원소분석기(Element analyzer, Perkin Elmer,
로 측정하였다
US/2400) .
중금속은 퇴적물 약 200g을 80 에서 동결건조 한 후 상온에서 막자사발로 미세하게 분쇄하여 균질화한 다음 플 라스틱 재질의 4Ø 체로 체질하여 세립한 퇴적물만을 이용하 였다 중금속 중 . Hg은 동결건조한 세립질 퇴적물을 전처리 과 정 없이 자동수은분석기(Automatic mercury analyzer, Milestone,
로 분석하였고 이 외 중금속
DMA-80) , (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, 은 혼합산
Pb, Zn) (HNO3:HF:HClO4=2:2:1)을 이용한 산분해법으 로 시료를 완전히 녹인 후 유도결합플라즈마 질량분석기 로 측정하였다 중금속 (ICP-MS, Perkin Elmer, ELAN DRC-e) .
분석 결과의 정확도를 검증하기 위하여 캐나다 국가연구위 원회의 산하연구소(National research council Canada, NRCC)에 서 제작한 인증표준물질(Certified reference material, CRM)인
와 를 시료와 같은 방법으로 분
MESS-3 PACS-2(Marine sediment)
석하여 측정하였고 각 원소별 회수율은 , As 105 %, Cd 100 %, Cr 94 %, Cu 95 %, Fe 77 %, Hg 104 %, Mn 81 %, Pb 98 %, Zn 103 % 였다.
중금속의 오염 평가 2.2
퇴적물 중 중금속 오염을 평가하는데 있어서 다양한 평가 방법이 있다 먼저 각 중금속 원소별 오염을 평가하는 데 . ,
있어서 가장 쉽고 편리하게 중금속 오염을 파악할 수 있는 방법은 퇴적물 기준(Sediment quality guidelines, SQGs)이다 이 . 방법은 중금속 원소별 분석결과와 기준농도와의 비교를 통 하여 신속하게 오염을 평가할 수 있는 장점이 있지만 기준농, 도의 범위가 매우 넓어 오염정도 및 인위적인 오염여부를 파 악하는데 어려움이 있다 이러한 퇴적물 내 중금속의 오염. 정 도 및 인위적인 오염여부를 파악하는데 적합한 평가방법으로 는 농축계수(Enrichment factor, EF)와 농집지수(Geoaccumulation index, Igeo)가 있다 이 방법은 각 중금속의 원소별 분석결과. 와 배경농도와 관계를 이용하여 중금속 오염도를 파악할 수 있다 하지만 이상의 가지 평가 방법은 각 중금속 원소별 . , 3 오염 평가는 가능하지만 실제 퇴적물 내에는 다양한 중금, 속이 존재하고 있고 이들 중금속들의 농도가 복합적으로 작 용하여 오염 영향을 미친다 따라서 퇴적물 내 존재하는 모. , 든 중금속을 고려한 전체적인 오염도를 평가할 필요가 있으 며 이러한 평가를 위한 대표적인 방법으로 오염부하량지수, 가 있다 또한 각 중금속 마다 독성 (Pollution load index, PLI) . ,
의 세기가 달라 이들 중금속이 생물에 미치는 영향 또한 다 르기 때문에 이들 중금속이 생물에 미치는 영향을 살펴볼 필요가 있으며 이러한 평가를 위한 대표적인 방법으로 생, 태계위해도지수(Ecological risk index, ERI)가 있다(Sun et al.,
따라서 이 연구에서는 최근에 국 2014; Hwang et al., 2015a). ,
내 외 여러 연구자들에 의해 널리 사용되어 오고 있는 이들 · 가지 대표적인 평가방법을 이용하여 자란만 퇴적물 중 중 5
금속 오염도를 평가하였다.
먼저 미국 캐나다 중국 호주 등 여러 나라에서는 각국, , , , 의 환경특성과 중금속 농도에 따른 생물의 영향을 고려하여
Fig. 1. A map showing the sampling locations for analyzing the grain size, organic matter, and heavy metals in surface sediment of Jaran Bay.
를 설정해 놓고 있다 이 연구에서는 SQGs (Choi et al., 2015a).
자란만 퇴적물 중 중금속 오염을 평가하기 위해 전 세계적으 로 널리 사용되고 있는 미국 해양대기청(National Oceanic and
에서 권고하는
Atmospheric Administration, NOAA) ERL(Effect
농도와 비교하였다 은 저서생물에 유해한 영
range low) . ERL
향을 줄 수 있는 개의 미량금속9 (As, Ag, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, 에 대한 하위 기준 값이다
Pb, Zn) (Buchman, 2008).
는 퇴적물 내 광물의 구성 비율을 고려하여 보정 원소 EF
예 등 에 대한 금속의 농도비 값을 이용하여 지각에
( , Al, Fe )
비해 퇴적물 중의 중금속이 어느 정도 농축되어있는지 알아 보는 방법이다(Hwang et al., 2011; 2015a). 이 연구에서는 을 Fe 이용하여 다음의 식(1)으로부터 EF 값을 계산하였다.
EF MeFecrust
MeFesample
(1)
여기서 (Me/Fe)sample는 연구해역 내 퇴적물 중 Fe에 대한 각 중금속의 농도비이며, (Me/Fe)crust는 지각 중 에 대한 각 Fe 중금속의 농도비를 나타낸다.
Igeo는 퇴적물 중 중금속 농도를 오염되지 않은 자연상태 의 중금속 배경농도를 이용하여 환산함으로서 오염도를 정 량화하는 방법으로 다음의 식(2)로부터 계산하였다(Müller, 1979).
Igeo logBmetal×
Cmetal
(2)
여기서 Cmetal은 연구해역 내 퇴적물 중 중금속 농도, Bmetal은
각 중금속의 배경농도이며, 1.5는 서로 다른 지각에 존재하는 중금속의 배경농도(Background 또는 reference concentration)를 보정하기 위한 지수이다(Ghani et al., 2013; Choi et al., 2015a).
는 퇴적물 내 모든 중금속에 의한 전체적인 오염도를 PLI
평가하는 방법으로 다음의 식(3)으로부터 계산하였다(Tomlinson et al., 1980).
PLI n CF× CF× CF×⋯× CFn (3)
여기서 CF (=Cmetal/Bmetal)는 각 중금속의 배경농도(Bmetal)에 대한 연구해역 내 퇴적물 중 중금속의 농도(Cmetal) , n비 은 분 석된 중금속의 총 개수이며 이 연구에서는 지각에 풍부하, 게 존재하며 보존적 성질을 지니는 을 제외한 개 중금속Fe 8 에 대하여 오염도를 평가하였다.
는 퇴적물 내 각 중금속에 대한 독성계수
ERI (Toxic coefficient
를 이용하여 퇴적물 내 모든 중금속 농도에 따 of heavy metal)
른 저서생물의 위해도를 평가하는 방법으로 다음의 식(4), 를 이용하여 계산하였다
(5) (Hakanson, 1980).
Ei Tmetal× CF (4)
ERI
i n
Ei (5)
여기서 CF는 식(3)의 CF와 동일하며, Tmetal은 각 중금속의 독성계수, n은 분석된 중금속의 개수이다 이 연구에서는 분. 석된 중금속 중 생태독성계수가 알려져 있는 종의 중금속7 (As=10, Cd=30, Cr=2, Cu=5, Hg=40, Pb=5, Zn=1, Lim et al.,
에 대하여 를 계산하였다
2013; Sheykhi and Moore, 2013) ERI . 한편 이 연구에서 , EF, Igeo, PLI, ERI 기법을 이용한 자란만 퇴적물 중 중금속 오염평가 시 필요한 지각 중 에 대한 각 Fe 중금속의 농도비와 각 중금속의 배경농도(Bmetal)는 지금까지 국내외 많은 연구자들이 널리 사용되어져 온 Taylor(1964)와 의 전 세계 연안 대륙붕지역의 퇴 Taylor and McLennan(1995)
적물 내 중금속의 평균농도(As 1.5 mg/kg, Cd 0.098 mg/kg, Cr 35 mg/kg, Cu 25 mg/kg, Fe 3.5 %, Hg 0.08 mg/kg, Mn 600 mg/kg, Pb 20 mg/kg, Zn 71mg/kg)를 이용하였다.
결과 및 고찰 3.
퇴적물의 입도조성 3.1
표층 퇴적물의 입도는 현재의 수리 역학적 퇴적환경 특성· 을 반영하는 중요한 요인 중 하나이며 퇴적물의 공급원 파, , 도 조류 등과 같은 다양한 요인의 변동에 의해 그 구성이 달, 라진다(Gao and Collins, 1992; Lee et al., 2004). 자란만 표층 퇴
Fig. 2. Spatial distribution of the sedimentary types in Jaran Bay (Abbreviations: M - mud, C - clay). The values below sedimentary facies represent the mean grain sizes of sediment in the study region.
적물의 입도분석 결과 점토의 함량이 , 58.0~78.9%(평균 66.5 %) 로 가장 높고 그 다음으로 실트와 모래가 각각 18.9~39.8 % (평균 32.5%)와 0.2~2.2%(평균 1.0%)의 함량을 나타내었으 며 자갈은 모든 정점에서 나타나지 않았다.
입도분석 결과를 기초로 Folk(1968)의 분류법에 따라 자란 만 표층 퇴적물의 유형을 살펴본 결과 니, (Mud, M)와 점토 의 개의 단순한 퇴적물 유형으로 구분되었다 공간
(Clay, C) 2 .
적으로 만 안쪽 해역 중 정점 1, 2, 4와 만 입구 쪽인 정점
정점 에서는 퇴적물이었고 그 외 지역에서 퇴
10, 13~15 M , C
적물이었다(Fig. 2). Mz는 8.6~9.8Ø(평균 9.3±0.3Ø) 범위로 모든 정점에서 비슷한Mz를 보이며 세립실트(Fine silt)보다 세립한 퇴적물로 이루어져 있었다 따라서 자란만 표층 퇴. , 적물은 서로 비슷한 퇴적물 공급원과 수리 역학적 에너지의 · 영향을 받고 있으며 모든 해역에서 세립질 퇴적물이 넓게 , 분포하고 있어 유기물 및 중금속이 축적되기 쉬운 퇴적환 경인 것으로 판단된다 일반적으로 퇴적물은 세립한 입자로 . 구성될수록 표면적이 커져 유기물 및 중금속의 흡착능력이 뛰어난 것으로 알려져 있다(Horowitz, 1991; Hwang et al., 2010).
유기물 함량 특성 3.2
퇴적물 중 유기물 함량 및 오염의 지표로는 강열감량
화학적산소요구량 산
(Ignition loss), (Chemical oxygen demand), 휘발성황화물(Acid volatile sulfate), 총유기탄소(TOC), 총질소
등이 있으며 이 연구에서는 와 을 분석하여 자란
(TN) , TOC TN
만 퇴적물의 유기물 함량 및 분포특성을 살펴보았다 퇴적물 . 중 TOC와 TN의 농도는 각각 1.51~2.39%(평균 1.74±0.22 %), 0.20~0.33%(평균 0.23±0.03%)의 범위였다(Fig. 3). TOC와 TN 모두 정점 에서 가장 높고7 , TOC는 정점 11, TN은 정점 4, 정점 5, 정점 에서 낮았으며 자란도 주변의 일부 정점 정11 , ( 점 2, 3, 7, 8)을 제외하면 TOC, TN 모두 공간적으로 큰 농도
차이를 보이지 않았다 이러한 자란만의 퇴적물 중 . TOC와 의 평균농도는 최근 같은 연구 해역에서
TN Cho et al.(2013)
이 분석한 결과 보다는 약간 높고 우리나라의 대표적인 굴 , 생산해역 중에 하나인 가막만(Noh et al., 2006)과 우리나라 연안 전체(Kang et al., 1993)에서 보고된 결과에 비해 높은 농 도였다(Table 1).
자란만의 퇴적물 중 TOC와 TN의 농도가 우리나라의 다 른 해역에 비해 높다는 것은 유기물의 공급이 다른 해역에 비해 상대적으로 많다는 것을 의미한다 따라서. , TOC에 대 한 TN의 비(C/N ratio)를 이용하여 자란만 표층 퇴적물 내 유 기물의 기원을 알아보았다 일반적으로 퇴적물의 . C/N ratio는 퇴적물 내에 보존되어 있는 유기물의 특성과 기원을 규명하 는 지시자로 사용되어 왔으며(Stein, 1990; Shim et al., 2014b), 공급되는 유기물질의 특성이나 기원에 따라 값을 달리한다
가 이상인 경우
(Meyers, 1994; Meyers et al., 1996). C/N ratio 10
에는 인근 육상으로부터 도시하수나 산업폐수의 유입에 따 른 육상기인 유기물이고, C/N ratio가 5~10 사이의 값을 가질 경우에는 해역 자체의 생물체에 의해 생성된 해양기원성 유 기물임을 의미한다(Hyun et al., 2003, 2004; Hwang et al.,
Study region Organic matter (%) Heavy metal (mg/kg)
Reference
TOC TN As Cd Cr Cu Hg Pb Zn
Korean coast 1.10 0.19 9.1 0.25 58 37 0.05 35 122 Kang et al. (1993), Ra et al. (2013a) Gamak Bay 1.03 0.14 9.8 0.10 78 28 0.02 28 114 Noh et al. (2006), Kim et al. (2012)
Jaran Bay 1.44 0.20 - - - - - - - Cho et al. (2013)
Jaran Bay 1.74 0.23 9.8 0.15 78 31 0.03 40 146 This study
Yeoja Bay - - 7.4 0.05 81 17 0.02 29 137 Choi et al. (2015b)
Gangjin Bay - - 10.5 0.12 82 27 0.03 33 157 Choi et al. (2015b)
Jinhae Bay - - 11.1 0.50 70 57 0.06 40 167 Choi et al. (2015a)
Hansan-Geoje Bay - - 10.3 0.10 89 38 0.03 30 140 Hwang et al. (2015b)
ERL 8.2 1.2 81 34 0.15 46.7 150 Buchman (2008)
Table 1. Comparison of the average of organic matter (total organic carbon, TOC and totlal nitrogen, TN) contents and heavy metal (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, and Zn) concentrations between this study area and other coastal area in Korea
Fig. 3. The concentrations of total organic carbon (TOC) and total nitrogen (TN) in surface sedimet of Jaran Bay.
자란만 표층 퇴적물 내 를 살펴보면
2006). C/N ratio (Fig. 4),
모든 정점에서 10 이하(7.2~8.2)로 나타났다 따라서 자란만 . , 표층 퇴적물 내 유기물은 해역 내의 생물에 의해 생성된 해 양기원성 유기물이며 전반적으로 자란만 퇴적물 중 , TOC와
의 공간적 차이가 크지 않고 자란만 전체에 걸쳐 어패류 TN
양식장이 넓게 산재해 있다는 사실을 고려할 때 이들 유기, 물은 양식생물 및 부착생물의 배설물 혹은 사체 등 과 같은 양식장에서 발생한 유기물인 것으로 판단된다.
중금속의 농도 및 분포 3.3
자란만 표층 퇴적물 중 중금속 농도는 As 7.1~14.9 mg/kg (평균 9.8±1.9 mg/kg), Cd 0.06~0.35mg/kg(평균 0.15±0.08 mg/kg), Cr 62.9~88.9mg/kg(평균 77.6±8.5 mg/kg), Cu 7.4~13.4mg/kg(평
균 9.0±1.8 mg/kg), Fe 3.5~4.2%(평균 4.0±0.2 %), Hg 0.023~0.036 mg/kg(평균 0.028±0.004 mg/kg), Mn 504~992mg/kg(평균 673±134 mg/kg), Pb 33.6~63.0(평균 40.0±7.4 mg/kg), Zn 131~170mg/kg(평 균 146±10mg/kg)의 범위였다(Fig. 5). 이들 분석된 중금속들 은 공간적으로 큰 농도 차이를 보였으며 크게 가지 분포패, 3 턴을 나타내었다. As, Cd, Hg은 만 내 북서쪽의 학림천과 수 양천 앞쪽 정점들에서 높았고 만의 바깥쪽으로 갈수록 낮아 지는 경향을 보였다 또한. , Cu, Pb, Zn은 만 내 북동쪽의 장 치천 삼봉천과 미룡천 앞쪽 정점들에서 높고 만의 입구 쪽· 에 낮은 농도를 보였으며 그 외 , Cr, Fe, Mn은 만의 안쪽에서 낮고 만의 입구 쪽 정점들에서 높은 농도를 보였다.
지화학적 특성 및 거동이 유사한 중금속들은 비슷한 농도 분포를 보이고 높은 상관관계를 나타내므로 각 중금속들 간 그리고 환경인자와의 상관관계를 분석하는 것은 이들의 , 농도분포를 조절하는 요인을 파악하는데 유용하다(Harman,
일반적으로 연안역에서 퇴적물 중 1967; Summerhayes, 1972).
중금속의 농도분포는 입도와 유기물 함량과 밀접한 관련이 있고 일부 공업단지 및 대도시 인근 해역에서는 주변의 인, 위적인 오염원이 중금속의 분포에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Kim et al, 2012; Hwang et al., 2015b). 그러므로, 자란만 표층 퇴적물의 평균입도 유기물, (TOC와 TN) 그리고 중금속(As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, Zn) 간에 어떠한 상관 관계가 있는지 상관분석(Pearson’s correlation coefficients)을 실 시하였다(Table 2). 그 결과 자란만 표층 퇴적물은 모든 중금, 속이 입도에 대하여 상관성을 보이지 않았고 유기물에 있, 어서도 Cd 만이 TOC와 TN에 대해 높은 양의 상관성을 나타 낼 뿐 그 외 나머지 중금속은 상관성을 보이지 않았다 그러. 므로 자란만 표층 퇴적물 중 Cd을 제외한 모든 중금속은 입 Fig. 4. Plot of total nitrogen (TN) versus total organic carbon
(TOC) of surface sediment in Jaran Bay.
Mz TOC TN As Cd Cr Cu Fe Hg Mn Pb
TOC 0.247
TN 0.307 0.964**
As -0.500 0.104 -0.124
Cd 0.171 0.952** 0.847** 0.323
Cr 0.209 -0.095 0.121 -0.758** -0.346
Cu -0.101 0.137 -0.060 0.630* 0.331 -0.843**
Fe 0.026 -0.303 -0.133 -0.482 -0.505 0.840** -0.629*
Hg -0.316 0.490 0.282 0.849** 0.662** -0.757** 0.608* -0.677**
Mn -0.048 -0.505 -0.319 -0.572* -0.677** 0.534* -0.437 0.608* -0.789**
Pb 0.167 -0.107 -0.224 0.305 0.034 -0.597* 0.860** -0.331 0.175 -0.105
Zn 0.018 0.162 0.028 0.419 0.268 -0.535* 0.892** -0.256 0.370 -0.264 0.889**
* : p <0.05, ** : p <0.01 (two tails)
Table 2. Pearson’s correlation coefficients between mean grain size (Mz), total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN) and heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, and Zn)
도와 유기물 분포와 관련이 없다 이러한 자란만 퇴적물 중 . 중금속의 농도분포는 앞서 퇴적물 중 유기물(TOC와 TN)과 는 다른 분포양상을 나타내어 유기물과 달리 자란만 전체, 에 걸쳐 산재하고 있는 어패류 양식장의 분포 및 밀집정도 와는 큰 관련성이 없는 것으로 보인다 따라서 자란만 주변 . , 육상으로부터 인위적인 유입 퇴적물 내 산화 환원 환경에 , · 따른 속성작용(Diagenesis), 생물교란(Bioturbation) 등의 이차적 인 요인들이 복합적으로 작용하여 중금속 원소별 각기 다른 분포양상을 보이는 것으로 생각된다 특히 앞서 중금속의 . , 공간적 분포 설명에서 언급한 As-Hg, Cu-Pb-Zn, Cr-Fe-Mn은 서로 간에 유의한 양의 상관관계를 나타내었는데 이는 이, 들 중금속들이 서로 같은 요인의 영향을 크게 받고 있는 것 으로 생각된다.
한편 자란만 표층 퇴적물의 중금속, (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb,
의 평균농도는 남해 중부에 위치한 패류 양식해역인 가 Zn)
막만(Kim et al., 2012)과 여자만(Choi et al., 2015b) 퇴적물 중 중금속 농도보다는 비슷하거나 다소 높았지만 우리나라 전, 체 연안 퇴적물 중 중금속 평균농도(Ra et al., 2013a)에 비해 서 As, Cr, Pb, Zn은 높고, Cd, Cu, Hg은 낮았다(Table 1). 또한, 연구해역 인근에 위치한 진해만(Choi et al., 2015a) 퇴적물 중
강진만 과 거제만 퇴
Cr, (Choi et al., 2015b) (Hwang et al., 2015b) 적물 중 Cd과 Pb에 비해서는 다소 높았지만 그 외 중금속 , 농도는 비슷하거나 낮았다(Table 1).
중금속 오염도 평가 3.4
퇴적물 내 중금속은 연안해역의 생지화학적 환경변화를 잘 반영하며 오염의 역사를 장기간 보존하는 특성을 가지, 므로 그 해역의 오염현황을 파악하기 위한 좋은 지표로 사
Fig. 5. The spatial distributions of heavy metal (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Pb, and Zn) concentrations in surface sediment of Jaran Bay.
용된다(Lee et al., 2004; Choi et al., 2015b). 특히 퇴적물 중 중, 금속의 오염도를 평가하는 것은 해역 내 중금속이 해양 생 태계에 미치는 영향을 예측하는데 매우 유용한 방법으로 알 려져 있다(Yuan et al., 2012; Ra et al., 2013a; Hwang et al.,
따라서 이 연구에서는 앞서 절에서 설명한
2015a). , 2.2 SQGs,
EF, Igeo, PLI, ERI를 이용하여 자란만 표층 퇴적물 중 중금속 의 오염도를 살펴보았다.
먼저, NOAA에서 사용하는 퇴적물 오염기준 중 하위기준 인 ERL 값과 자란만의 각 정점별 중금속 농도를 Fig. 6에 나
타내었다 일반적으로. , ERL 값 이하의 중금속 농도는 저서 생물에 부정적인 영향이 없음을 의미한다(Buchman, 2008;
자란만 표층 퇴적물의 경우 중금속 중 Hwang et al., 2015a).
과 은 모든 정점에서 값보다 낮았지만
Cd Hg ERL , Cu, Pb, Zn
은 만의 북동쪽에 위치한 각각 개 정점 2 ( 4~5), 4 (개 정점 2~5),
개 정점 정점 정점에서 을 초과하였고 은 만
5 ( 2~5, 10) ERL , Cr
의 입구 쪽의 개 정점 정점 6 ( 8~10, 정점 12~14)에서 ERL을 초 과한 것으로 나타났다 특히 는 입구 쪽인 정점 과 정점 . As 11
를 제외한 모든 정점에서 기준을 초과하였다
12 ERL .
Fig. 6. The concentrations of heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, and Zn) with each station in surface sediments of Jaran Bay. The dash lines indicate the effect range level (ERL) proposed by National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) as sediment quality guideline.
는 퇴적물 중 중금속의 인위적인 농축 경향을 파악하기 EF
위한 평가방법으로 일반적으로, EF 값이 1.5보다 클 경우 외 부의 인위적인 요인에 의한 오염으로 평가해 왔다(Zhang and
최근 는 이 값을
Liu, 2002; Hyun et al., 2007). Birth(2003) EF 7 단계로 세분화하여 평가하였으며 이 연구에서는 이 세분화, 된 평가기준을 적용하여 자란만 퇴적물에 대한 EF 계산결과 를 Table 3에 나타내었다. Hg은 EF 값이 0.2~0.4(평균 0.3)의 범위로 모든 정점에서 < 1.0 의 값을 보여 오염되지 않은 상 태(No enrichment)에 해당하였다. Mn은 EF 값이 0.8~1.4(평균
의 범위로 자란만의 안쪽 지역인 정점 은 의
1.0) 1~10 < 1.0
값으로 오염되지 않은 상태(No enrichment)를 나타낸 반면 자 란만의 입구 쪽에 위치한 정점 11~15은 1.0~1.4 사이의 값을 보여 약간 오염된 상태(Minor enrichment)를 나타냈다 유사하. 게, Cu는 EF 값이 0.8~1.7(평균 1.1)의 범위로 중앙부의 정점
정점 그리고 입구 쪽의 정점 에서는 의 값
6, 9~10, 11~14 < 1.0
을 보여 오염되지 않은 상태(No enrichment)를 나타냈지만,
그 외 정점에서는 1.0~1.7 사이의 값을 보여 약간 오염된 상 태(Minor enrichment)를 보였다. Cr, Pb, 그리고 Zn의 EF 값은 각각 1.6~2.1(평균 1.9), 1.5~2.8(평균 1.8), 1.6~2.2(평균 1.8)의 범위로 모든 정점에서 1.0~3.0 사이의 값을 보여 약간 오염 된 상태(Minor enrichment)를 보였다 반면. , Cd은 EF 값이
평균 의 범위로 중앙부인 정점 와 입구 지역인
0.5~3.3( 1.3) 9
정점 11~15에서는 < 1.0의 값을 보여 오염되지 않은 상태(No
인 반면 자란도 인근의 정점 에서는 의 값을
enrichment) 7 3.3
보여 중간 오염 상태(Moderate enrichment), 그 외 정점에서는 사이의 값을 보여 약간 오염된 상태
1.0~3.0 (Minor enrichment)
인 것으로 나타났다 특히. , As는 EF 값이 4.1~9.1(평균 5.8)의 범위로 다른 중금속에 비해 높은 오염도를 나타내었으며, 입구 쪽의 정점 11~14에서는 4.1~5.0 사이의 값을 보여 중간 오염 상태(Moderate enrichment)인 반면 그 외 정점에서는
사이의 값을 보여 조금 심한 오염 상태
5.0~9.1 (Moderately
를 나타내었다 severe enrichment) .
EF
range Designation of sediment quality Number of EF
As Cd Cr Cu Hg Mn Pb Zn
> 50 Extremely severe enrichment 0 0 0 0 0 0 0 0
25-50 Very severe enrichment 0 0 0 0 0 0 0 0
10-25 Severe enrichment 0 0 0 0 0 0 0 0
5-10 Moderately severe enrichment 11 0 0 0 0 0 0 0
3-5 Moderate enrichment 4 1 0 0 0 0 0 0
1-3 Minor enrichment 0 8 15 8 0 5 15 15
< 1 No einrichment 0 6 0 7 15 10 0 0
Average of EF 5.8 1.3 1.9 1.1 0.3 1.0 1.8 1.8
Table 3. Classification of enrichment factor (EF) and the number of EF for the heavy metal (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Pb, and Zn) concentrations in surface sediments of Jaran Bay
Igeo
range Igeo
class Designation of sediment quality Number of Igeo
As Cd Cr Cu Hg Mn Pb Zn
> 5 6 Very strongly polluted 0 0 0 0 0 0 0 0
4-5 5 Strongly / very strongly polluted 0 0 0 0 0 0 0 0
3-4 4 Strongly polluted 0 0 0 0 0 0 0 0
2-3 3 Moderately / strongly polluted 10 0 0 0 0 0 0 0
1-2 2 Moderately polluted 5 1 0 0 0 0 1 0
0-1 1 Practically unpolluted / moderately polluted 0 6 15 3 0 1 14 15
< 0 0 Practically unpolluted 0 8 0 12 15 14 0 0
Average of Igeo 2.1 -0.2 0.6 -0.3 -2.1 -0.4 0.4 0.5
Table 4. Classification of geoaccumulation index (Igeo) and the number of Igeo for the heavy metal (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Pb, and Zn) concentrations in surface sediments of Jaran Bay
Igeo또한 EF와 마찬가지로 Müller(1981)에 의해 총 단계로 7 세분화하여 평가되어 왔으며 자란만 퇴적물의 , Igeo계산결과를
에 나타내었다 결과와 유사하게 은
Table 4 . EF Hg 2.4~ 1.7
평균 의 범위로 모든 정점에서
( 2.1) < 0 의 값을 나타내 Igeo
에 해당하여 오염되지 않은 수준
class 0 (Practically unpolluted) 으로 나타났다. Cu와 Mn은 각각 0.7~0.3(평균 0.3), 0.8~0.1
평균 의 범위로 는 만의 안쪽인 정점 은 만
( 0.4) , Cu 3~5, Mn
의 입구 쪽인 정점 에서 15 0.0~1.0 사이로 Igeo class 1에 해당 하여 거의 오염되지 않은 수준(Practically unpolluted/moderately
로 나타났으며 그 외 정점에서
polluted) , 는 < 0 의 값을 보여
Igeo class 0에 해당하여 오염되지 않은 수준(Practically unpolluted) 으로 나타났다. Cr, Pb, Zn은 각각 0.3~0.8(평균 0.6), 0.2~1.1(평균
평균 의 범위였으며 과 은 모든 정점에서
0.4), 0.3~0.7( 0.5) , Cr Zn
0.0~1.0 사이로 Igeo class 1에 해당하여 거의 오염되지 않은 수준 (Practically unpolluted/moderately polluted)이었고, Pb은 만의 북동 쪽의 정점 에서 5 1.1로서 Igeo class 2에 해당하여 약간 오염된 수준(Moderately polluted)이었지만 그 외 정점에서는 0.0~1.0 사이로 Igeo class 1에 해당하여 거의 오염되지 않은 수준 (Practically unpolluted/moderately polluted)으로 나타났다. Cd은
평균 의 범위로 자란도 인근의 정점 은 으로
1.2~1.3( 0.2) 7 1.3
Igeo class 2에 해당하여 약간 오염된 수준(Moderately polluted) 이었고 만 안쪽인 정점 , 1~4와 중앙부인 정점 6, 정점 은 8 0.0~1.0 사이로 Igeo class 1에 해당하여 거의 오염되지 않은 수 준(Practically unpolluted/moderately polluted), 그리고 그 외 정점 에서는 < 0 의 값을 나타내 Igeo class 0에 해당하여 오염되지 않은 수준(Practically unpolluted)이었다 반면. , As는 1.7~2.7(평균 의 범위로 자란도 인근의 정점 과 만의 입구 쪽인 정점
2.1) 7
는 사이로
11~14 1.7~2.0 Igeo class 2에 해당하여 약간 오염된 수 준(Moderately polluted)이었고 그 외 정점에서는 , 2.0~2.7 사이로 Igeo class 3에 해당하여 약간 오염된 수준과 심한 오염 수준의 중간 단계(Moderately/strongly polluted)인 것으로 나타났다.
각 정점별 퇴적물 내 모든 중금속에 의한 전체적인 오염 도 및 저서생물의 위해도를 평가하기 위한 PLI와 ERI 계산 결과를 Fig. 7에 나타내었다. PLI의 경우 PLI 값이 1.0 보다 클 경우 중금속에 대하여 오염된 상태(Polluted)를 의미한다. 자란만의 경우 퇴적물 중 을 제외한 종의 중금속에 의한 , Fe 8
는 평균 의 범위로 전 정점에서 을 초과한
PLI 1.3~1.8( 1.6) 1.0
것으로 나타나 오염된 상태(Polluted)를 보였으며 특히 자란, , 만 안쪽 해역이 입구 쪽 해역보다 오염도가 높은 것으로 나 타났다.
는 값의 범위에 따라 총 개의 오염도로 평가되며
ERI 5 , ERI
< 100 인 경우 저서생물에 위해성을 줄 가능성이 낮은 상태 (Low risk), 100< ERI <150 인 경우 저서생물에 어느 정도 위해 성을 줄 수 있는 상태(Moderate risk), 150< ERI <200 인 경우 저서생물에 상당한 위해성을 줄 수 있는 상태(Considerable risk), 200< ERI <300 인 경우 저서생물에 매우 심한 위해성을 줄 수 있는 상태(Very high risk), 300< ERI 인 경우 저서생물 에 극심한 위해성을 줄 수 있는 상태(Disastrous risk)임을 나 타낸다 자란만 표층 퇴적물의 경우. , ERI는 101~202(평균
의 범위였으며 만의 중앙부와 만의 입구 쪽에 위치한
146) ,
정점 9~15는 100~150 사이로 저서생물에 어느 정도 위해성 을 줄 수 있는 상태(Moderate risk)였고 비교적 높은 PLI 값을 보였던 만의 안쪽해역과 중앙부에 위치한 정점 1~6과 정점
은 사이로 저서생물에 상당한 위해성을 줄 수 있는
8 150~200
Fig. 7. The horizontal distributions of pollution load index (PLI) and ecological risk index (ERI) calculated by using background concentration and toxic coefficient of each heavy metal and metal concentrations in surface sediment of Jaran Bay.
