중등학교에서 사용 가능한 미세먼지 포집 장치 제작을 통한 대기 중 중금속 및 미생물 분석
권우진1·김영재1·변정호2,
*
1한국교원대학교부설미호중학교, 충청북도 청주시 흥덕구 가로수길 602, 361-892
2삼척고등학교, 강원도 삼척시 사대안길 21, 245-939
Analysis of Heavy Metal Element and Microorganism by Manufacture of Particulate Matter Sampler for Science Project of Secondary School
Woo-Jin Kwon1, Young-Jae Kim1, and Jung-Ho Byeon3,
*
1Korea National University of Education Affiliated Miho Junior High School, Chungbuk, Cheongju, Heungduk, Garosu-Gil 602, 361-892
2Samcheok High Scool, Kangwon Samcheok, Sadaean-Gil 21, 245-939
Abstract: The purpose of this study were to sample particulate matter and analyze its elements and microorganisms for secondary school science project. The particulate matter was sampled on the rooftop a four-store building at a university in Chungju province. A simplified capturing system was developed with the parts, motor-pump, innet, 1.0 µm teflon filter, filter-holder, etc. Using the system, this study had sampled particulate matter during Dec., 2013-Jun., 2014. Then, this study analyzed the elements and microorganisms of the sampled particulate matter. Results have been shown that the particulate matter derived China urban area is mainly consisted of the artificial pollutant, such as Cu, Zn, Cd, Ni, Pb. In addition, this study has been shown that microorganisms, such as bacteria and fungi, are included in the particulate matter.
Therefore, this study suggests a new systemic investigation and monitoring about the particulate matter, specially originated from China. Also, this study provides a sample for secondary school science experiment.
Keywords : particulate matter, sampling system of particulate matter, elements in particulate matter, microorganisms in particulate matter, school science experiment.
요 약: 이 연구에서는 중등학교에서 사용할 수 있는 미세먼지 포집 장치를 직접 설계 및 제작하고 이를 통해 미세먼지에 포함된 중금속 및 미생물을 분석하는 활동이 가능한지 여부를 탐색하고자 한다. 중등학교 현장의 과학 탐구활동을 위해 청 주지역에서 미세먼지를 포집하는 방법과 그 속에 포함된 중금속 및 미생물을 분석하였다. 미세먼지의 포집장소는 청주지역 대학교의 4층 건물 옥상에서 포집하였다. 모터 펌프, 인넷, 지름 1.0 µm 테프론필터, 필터 홀더 등을 이용하여 포집장치를 제작하였다. 이 포집장치를 이용한 미세먼지 포집은 2013년 12월-2014년 6월까지 진행하였다. 포집한 미세먼지의 중금속 성분과 미생물 포함 여부를 분석하였다. 중국에서 날아온 미세먼지 속에는 Cu, Zn, Cd, Ni, Pb 등인위적인 오염물질로 판 단되는 중금속 성분이 국내 기원 미세먼지 보다 많았다. 더 나아가, 미세먼지 속에는 중금속 뿐만 아니라, 곰팡이나 세균 같은 미생물도 다량 포함하고 있었다. 이 연구는 미세먼지가 중금속 뿐만아니라 미생물도 포함하고 있으므로, 이에 대한 체 계적인 연구와 모니터링이 필요함을 시사한다고 할 수 있다. 또한, 이 연구는 중등학교 과학실험의 사례로 제공될 수 있다.
주요어: 미세먼지, 미세먼지 포집장치, 미세먼지 중금속원소, 미세먼지 미생물, 과학실험
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서 론
미국의 차세대과학교육표준에서는 관통개념(crosscutting concept)으로 규칙성, 원인과 효과, 규모·비례 그리고 양, 시스템과 시스템의 모형, 에너지와 물질, 구조와 기능, 안정성과 변화라는 7가지를 제시하고 있으며, 이들은 과학과 공학을 하나로 통합하는 개념으로써 융합적 과학학습에 있어 매우 중요한 개념으로 자리 하고 있다. 앞서 언급한 관통개념들은 특히 인간과 자연의 상호작용을 매우 중요시 하고 있으며, 과학학 습을 위해서는 이에 대한 경험과 중심적 아이디어를 통한 과학학습을 강조하고 있다. 또한 중등학교에서 지구와 인간의 관계를 이해하고 지구계를 시스템적으 로 고찰할 수 있는 지구과학분야 핵심아이디어로는 날씨와 기후를 제시하고 있다(NRC, 2012, 2013).
이러한 관점에서 살펴보면 인접국가와의 기후문제, 지구과학과 다른 과학분야, 공학적 경험 등을 전반적 으로 함께 학습할 수 있는 활동으로 우리나라의 미 세먼지에 포함된 물질을 분석하는 활동이 적합하다고 볼 수 있을 것이다. 미세먼지(Particulate Matter, PM) 란 공기 중에 장기간 떠다니는 입경 10 µm 이하의 미세한 먼지로서(PM10), 자동차나 공장의 매연 등에 서 발생하는 이산화황, 질소 산화물, 납, 오존, 일산 화탄소, 황산염, 일부 토양성분 등이 만드는 수많은 대기오염물질 가운데 한 가지이다(Kim et al., 2012;
Moon et al., 1997). 특히, 입자가 2.5 µm 이하인 경 우는 ‘초미세먼지(PM2.5)’라고 부른다. 미세먼지는 장 거리이동의 영향이 클 뿐만 아니라 그 영향이 국지 적인 영향을 넘어서 대규모 지역단위로 일어난다. 또 한, 황사처럼 특정한 시기에 집중적으로 영향을 주는 것에 그치지 않고, 연중 꾸준히 영향을 미친다.
미세먼지의 발생은 크게 자연적인 발생과 인위적인 발생으로 구분된다(Kim and Chung, 2008). 자연적인 발생은 모래바람의 먼지, 화산재, 산불이 일 때 발생 하는 먼지 등이다. 봄철에 중국에서 건너오는 황사 먼지가 자연적인 발생의 좋은 사례이다(Moon et al., 2014). 해염입자 또한 바다 가까이에 위치한 지역에 는 많은 영향을 미친다. 그런데, 우리가 미세먼지라 고 하면 일반적으로 인위적 활동에 의해 발생하는 지름 10 µm 이하의 먼지를 지칭한다. 인위적인 발생 은 주로 화석연료의 연소에 의해 발생된다. 보일러나 자동차, 발전시설, 공장, 정유시설 등의 화석연료 배 출가스에 포함된 미세먼지와 공사장에서 발생되어 날
아다니는 먼지 등이 미세먼지의 대부분을 차지한다.
미세먼지는 직접 대기 중에 방출되거나, 이렇게 방출 된 기체가 변해서 대기 중에서 2차적으로 오염 입자 로 만들어지기도 한다(Jeon et al., 2005).
한편 최근의 우리나라 미세먼지는 중국으로부터 날 아오는 것이 매우 많다(Bang et al., 2004; Jeon et al., 2011; Kim, 2013; Kim et al., 2010). 대체로 우 리나라 미세먼지의 평균 30-50%는 중국에서 날아온 다(Kim, 2013). 특히, 중국에서 발생한 대량의 미세 먼지는 황해에 위치한 이동성 고기압과 만주 위쪽에 위치한 저기압의 영향으로 바람이 우리나라로 불어올 때 중국의 미세먼지가 우리나라로 날아온다. 계절적 으로는 겨울철 스모그가 발생할 때부터 봄철 황사 발생 시기 동안 중국의 영향이 더욱 크다. 이러한 중 국 발 미세먼지는 중국 가정에서 겨울 난방용으로 사용하는 무연탄(석탄의존도70%)과 자동차 배기가스 가 주원인으로, 다량의 유독성 화합물과 중금속이 포 함되어 있다(Kim et al., 2012).
수 µm 이하 범위의 입자인 미세먼지는 특성상 가 라앉거나 응집이 이루어지기가 쉽지 않고, 대기 중에 서 떠다니는 시간이 길기 때문에 숨을 쉬면서 폐로 의 침투가 가장 용이하다(Kim, 2013; Jeon et al., 2005). 더 나아가 미세먼지 중 자동차에서 많이 배출 되는 물질은 크기가 수 µm 이하로 아주 작으며, 대 부분 몸에 해로운 중금속이나 독성이 강한 화합물들 이다(Kim et al., 2010; Bang et al., 2004). 미세먼지 의 이러한 특성으로 인해서 미세먼지는 건강에 매우 해롭다. 또 PM10 이상 크기의 미세먼지는 코나 기도 에서 많이 걸러지지만 PM10 (10µm) 이하의 미세먼 지는 코나 기관지에 걸러지지 않고 폐포 끝까지 이 동한다. 이들은 산소와 이산화탄소가 교환되는 순간 모세혈관으로 이동하여 기관지염, 폐렴 같은 호흡기 계통 질환, 협심증, 심근경색증 같은 심혈관 질환을 유발할 수도 있다. PM10에 관한 국내의 연구를 살펴 보면 수도권, 대구, 군산, 울산, 부산 등 주로 공업지 역이나 광역시 이상의 지역에서 주로 이루어졌으며, 주로 국내의 미세먼지 발생원에 대해 조사하였다 (Choi and Song, 2000; Choi et al., 1999; Jeon et al., 2004; Kim and Kim, 2000; Lee, 2000). 반면, 인 체에 심각한 영향을 초래할 수 있는 PM2.5에 대한 농 도 측정에 대한 연구는 적은 편이며, 특히 중부권 지 역에 대한 미세먼지 농도 측정에 대한 연구는 다소 미비한 편이다.
지구계에서 일어나는 다양한 상호작용에 의한 대기 의 흐름과 부수적으로 발생하는 자연현상에 대한 이 해 뿐만 아니라, 이를 바탕으로 과학과 공학을 통합 한 탐구활동의 경험이 매우 중요하다(NRC, 2013).
학생 중심의 자유로운 통합적 탐구활동의 경험을 위 해서는 탐구에 사용되는 장치를 중등학교 수준에 적 합하게 직접 제작하는 활동이 무엇보다도 필수적이라 고 할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 중등학교에서 사용할 수 있는 미세먼지 포집 장치를 직접 설계 및 제작하고 이를 통해 미세먼지에 포함된 중금속 및 미생물을 분석하는 활동이 가능한지 여부를 탐색함으 로써 제작된 장치의 효용성을 확인하고자 한다. 또한 육안으로 관찰하기 어려운 미세먼지 속 세균과 곰팡 이 배양을 통해 미세먼지 속에 존재하는 미생물을 부가적으로 확인할 것이다.
연구 방법
간이포집장치 제작
이 연구에서는 대기 중의 PM10과 PM2.5 미세먼지 를 직접 포집하기 위해서 미세먼지 간이포집장치를 설계하여 제작하였다. 먼저 미세먼지 간이포집 장치 의 제작은 ‘진공청소기의 구조’ 등을 참고하여 요구 되는 부품들을 정리하고 수치정보가 기입되지 않은 간이 설계도를 작성하였으며, 간이설계도를 기반으로 각 부분의 세밀화 및 수치 정보를 기입한 정밀 설계 도를 작성하였다. 이후 미세먼지 간이포집장치 제작 에 소요되는 부품을 구입하였으며, 설계도 작성을 통 해 요구되는 부품의 크기나 형태가 상호 호환되지 않는 경우에는 인근 공업사에서 부품을 가공 하였다.
갖추어진 부품들을 순차적으로 조립하여 미세먼지 간 이포집장치를 제작하였으며, 실내에서의 구동여부를 먼저 확인하였다. 구동여부 확인과정에서 발생하는 오류의 원인을 찾고 수정함으로써 최종 확인한 후 간이포집장치를 건물 옥상의 포집 장소에 설치하여 미세먼지를 포집하였다.
포집 지역
이 연구는 2013년 12월-2014년 6월까지 충북 청주 ((36o36'29.9"N 127o21'40.2"E))에 위치한 00대학교 4 층 건물 옥상에서 PM10과 PM2.5를 측정했다. Fig. 1 은 한반도 중부지역인 청주에 위치한 포집 지점을 표시한 지도이다. 대기 중의 PM10, PM2.5를 직접 제
작한 포집장치를 이용하여 건물 4층 옥상에서 수행 하였다. 또한 포집지점 주변은 주로 논을 비롯한 농 경지와 대학교 캠퍼스가 위치해 있으며, 주변에서는 미호천이 흐르고 있다. 먼지 포집은 주로 낮 시간에 혼합고가 충분히 높은 상태에서 중국으로부터 이동되 어온 먼지가 지표로 혼합된 상태에서 이루어지도록 했다.
미세먼지 속 중금속 분석
이 연구에서는 미세먼지에 중금속이 들어있는지 알 아보고자 한다. 이를 알아보기 위해 먼저, 포집한 미 세먼지를 총 중금속 측정 키트(B50-Meta, Industrial Test System)를 사용하여 총 중금속이 얼마나 들어있 는지 알아보았다. 또한 이 중금속 측정 키트로는 어 떤 중금속이 들어있는지 알 수 없었다. 그래서 ‘한국 기초과학지원연구원’에 미세먼지 속에 어떤 중금속이 들어있는지 알아보기 위하여 미세먼지 속에 들어있는 중금속 성분을 분석하였다. 연구과정은 아래와 같다.
미세먼지 속의 총 중금속량 측정 과정
① 먼저, 우리나라에서 발생한 미세먼지를 포집한 필터와 중국에서 날아온 미세먼지를 포집한 필 터(PM10, 10-1µm 크기)를 준비한다. 이때 발생 한 미세먼지는 Fig. 2와 같은 위성사진을 이용 하여 그 기원을 판정한다.
② 포집된 각 필터를 이용하여 미세먼지 용액을 만든 후, Fig. 3의 총 중금속량 측정 키트(B50- Meta, Industrial Test System) 스트립을 앞뒤로
Fig. 1. Region of sampling particulate matter.
저어가며 30 µg/L초간 담근다.
③ 총 중금속량 측정 키트(B50-Meta, Industrial Test System) 스트립의 물을 털어내고 2분간 기 다린 다음, 30초 내에 키트 겉면에 있는 색 대 조표를 이용하여 측정치를 Fig. 3과 같이 결정 한다. 아래의 사진에서는 약 50 µg/L에 해당하 는 중금속을 포함하고 있음을 키트의 스트립은 보여주고 있다.
미세먼지 속의 중금속 성분 분석 과정
① 중국에서 날아온 미세먼지 포집필터, 국내 발생 미세먼지 포집필터, 황사 포집필터, 맑은 날 미 세먼지 포집필터, 미세먼지를 포집하지 않은 새 필터로 구분하여 준비한다.
② 중금속 성분 분석에 선정된 필터는 위성사진의 분석을 통해서 선정하였다. 이때 분석된 대표적 인 위성사진은 아래 Fig. 4에 제시하였다.
③ 선정된 필터는 ‘한국기초과학지원연구원’에 있 는 ‘환경과학연구부’의 질량성분분석팀에 의뢰 해서 미세먼지 속에 들어있는 Al, Ca, Fe, Mg, Na, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb을 분석하 였다. 이때, 중금속 분석 원소의 선정은 김학성 등(2012)의 연구를 참고하였다.
④ 중금속 성분중 Mg, Ca, Fe, Cr, Co, Al는 토양 기원 물질이고, Cu, Zn, Cd, Pb, Ni 등은 인위 적인 오염물질로 알려져 있다(방소영 등, 2004).
미세먼지 속 미생물 분석
이 연구에서는 미세먼지에 세균이나 박테리아 같은 미생물이 들어있는지 알아보고자 한다. 이 연구를 수 행하기 위해서 미세먼지를 특정 미생물만 배양하는 패트리필름(3MTM PetrifilmTM Plate, 3M)을 사용하여 미세먼지를 배양하였다. 미세먼지 속 미생물을 배양 하고 분석하는 연구과정은 Fig. 5와 같다.
① 미세먼지가 포집된 필터(중국발 미세먼지, 국내 미세먼지, 황사 등이 포집된 필터)를 준비한다.
② 각 미세먼지의 필터를 어떻게 비교할지를 설계 한다.
③ 각 미세먼지를 Fig 5와 같이 항균시설이 갖추 어진 클린벤치에서 패트리필름에 접종한다.
④ 접종된 패트리필름을 항온항습배양기에 넣고 배양한다.
⑤ 배양한 패트리필름을 확인하여 미세먼지에 포 함된 미생물을 분석한다.
Fig. 2. Satellite image during sampling days to measure the total amount of heavy metal among particulate matter.
Fig. 3. B50-Meta kit.
Fig. 4. Satellite image of particulate matter during sampling day.
Fig. 5. Cultivation of microorganisms in particulate matter using Petri-film.
연구 결과
간이포집장치 제작 설계도 작성 및 재료 준비
이 연구에서는 먼저 미세먼지를 중고등학교 수준에 서 포집할 수 있는 간이포집장치를 제작하여 사용하 였다. 간이포집장치 제작이 첫 번째 단계로 Fig. 6과 같은 설계도를 작성하였다. 미세먼지를 간단하게 포 집하기 위해서는 먼저 PM10 이상의 커다란 먼지를 일차적으로 거르는 장치가 필요하다. 그 다음으로, PM10 이하의 미세먼지를 걸러서 포집해주는 필터와 이 필터를 잡아주는 필터홀더가 필요하다. 그리고 이 과정으로 공기가 유입될 수 있도록 펌프질 해주는 먼지흡입 펌프가 있어야 한다. 마지막으로 이때 유입 되는 공기의 양을 일정하게 조절해주는 유량계도 있 어야 한다. 물론, 이들을 이어주는 튜브와 함께 연결 고리 역할을 하는 닛블(nipple)이라는 작은 이음장치 도 있어야 한다.
그림에서 알 수 있듯이 간이포집장치를 제작하기
위해서는 PM10이상이 되는 큰 먼지를 거른 다음 크 기가 10 µm 이하의 먼지를 걸러주는 필터, 이 필터 를 잡아주는 필터홀더, 먼지를 흡입하는 펌프와 흡입 한 먼지량을 알 수 있게 해주는 유량계가 필요하다.
크기가 1.0 µm 이하만 통과시키고 그 이상을 걸러주 는 필터는 집진 필터이며, PM10 이상이 되는 큰 먼 지를 걸러주는 장치는 ‘주입구(inlet)’이다. 또 먼지를 걸러주기 위해서 필터를 고정시켜주는 장비는 ‘거름 망 고정장치(filter holder)’이다. 공기를 펌프질 하는
‘공기유입 펌프’와 미세먼지의 질량을 정밀하게 측정 할 수 있는 전자저울도 필요하다. 이상의 정보를 바 탕으로 미세먼지 간이포집장치를 만들기 위해서 필요 한 재료를 정리하면 Table 1과 같다.
간이포집장치 제작 및 설치
준비된 부품을 활용하여 Fig. 7과 같이 조립을 하 였다. 먼저 공기펌프에 닛블(nipple)이라고 불리는 원 터치밸브를 이용하여 튜브와 연결한다. 물론 공기를 유입하도록 하는 펌프를 작동시키기 위해서는 펌프에 전기를 연결해야 한다. 이어서 파란색 튜브를 연결하 고 닛불들을 펌프에 꼽는다. 이번에는 공기펌프에 연 결된 튜브를 거름망 고장장치(filter holder)에 연결한 후 이 튜브는 나중에 야외에 설치할 때 주입구(inlet) 에 연결한다. 그런 다음, 필터 홀더를 스탠드로 고정 시킨다.
실험실에서 조립한 미세먼지 간이포집장치는 야외
Fig. 6. Design of a simplified system for capturing particu-
late matter.
Table 1. Materials for manufacturing a simplified capturing system of particulate matter
index material
fine dust sampler
Innet (primary filtration system: PM
10more than dust filtering device), the air inlet pump, PM1.0 filter (size more than 1.0 million being collected dust), the filter holder, flow meters, stand to hold the filter holder, ball valves, tubes
apparatus of measurement and sealing Electronic scales, parafilm, tweezers
electric parts, supplies, tools rip, driver, wrench, bench, nuts and bolts, U clamp
Fig. 7. Manufacturing process of the simplified capturing system of particulate matter.
의 4층 건물 옥상에 있는 포집장소에 설치하였다. 전 기가 연결되어야만 작동하는 공기유입펌프는 비로부 터 보호가 되는 시설을 갖추어서 설치하였고, 외부 공기를 빨아들이는 주입구(inlet)은 외부에 설치하였 다. 야외에 설치한 미세먼지 간이포집장치는 Fig. 8 과 같다.
이렇게 중등학교 과학탐구에서 미세먼지를 포집할 수 있는 간이포집장치는 직접 제작하여 사용할 수 있다. 간이포집장치를 직접 제작한다면 이런 창의적 인 설계 능력도 향상될 뿐만 아니라 설계한 것을 직 접 창작할 수 있는 융합적 탐구 능력도 향상될 수 있을 것이다. 아울러, 간이포집장치의 제작을 통해서 미세먼지의 특성에 대해서도 더 잘 이해할 수 있다.
미세먼지 속 중금속 분석 총 중금속량 측정
미세먼지에 들어있는 총 중금속량을 측정하기 위해 서 국내 PM2.5 미세먼지 용액, 국내 PM10 미세먼지 용액, 중국유래 미세먼지 용액, 증류수를 비교하였다.
이들 용액과 증류수에 키트의 스트립을 담가서 총 중금속량을 측정한 다음, 새 스트립과 비교한 결과는 Fig. 9와 같다.
미세먼지가 많은 용액(국내 PM2.5 미세먼지, 국내 PM10 미세먼지, 중국유래 미세먼지)의 스트립은 새 키트나 증류수에 비해서 훨씬 진한 주홍색으로 나타 났다. 실물에서는 사진으로 보는 것보다 훨씬 뚜렷한 차이를 나타냈다. 대조표에 비교해본 결과, 중국에서 날아온 미세먼지에는 약 50-100 µg/L에 해당하는 중
금속을 포함하고 있었다. 국내의 PM10 미세먼지 스 트립과 PM2.5미세먼지 스트립에서는 약 100-200 µg/
L에 해당하는 중금속을 함유하고 있었다. 이 실험 결 과에 따르면 미세먼지에는 많은 중금속이 포함되어 있다는 것을 알수 있다. 이러한 결과는 미세먼지와 관련된 이전의 연구결과와도 일치하고 있다(Bang et al., 2004; Kim et al., 2010; Kim et al., 2012). 특히, 중국에서 날아온 미세먼지에도 많은 중금속을 포함하 고 있다는 것을 이 실험 결과는 다시 한 번 보여주 고 있다.
미세먼지 속의 중금속 성분 분석
미세먼지 속의 각 중금속 성분별 질량 분석 결과 는 Table 2와 같이 나타났으며, 여기에서 알 수 있듯 이 중국에서 날아온 미세먼지, 국내 미세먼지, 황사 는 거의 모든 중금속 성분에서 국내의 맑은 날 포집 된 미세먼지에 비해서 많은 양의 중금속을 함유하고
Fig. 8. The simplified capturing system of particulate matter in outside.
Fig. 9. Measuring the total amount of heavy metal among
particulate matter using a simple kit.
있었다. 그에 비해서 맑은 날 국내에서 포집된 미세 먼지에는 상대적으로 매우 적은 중금속량을 보여주고 있다.
한편, 중국에서 날아온 미세먼지와 국내 미세먼지 를 비교해보면 특정 중금속 성분에서 차이가 있다.
중국에서 날아온 미세먼지는 국내 미세먼지에 비해서 Cu, Zn, Ni, Pb 등에서 비교적 많은 양을 포함하고 있었고, Al, Ca, Mg 등에서는 국내 미세먼지가 미세 하게 많은 양을 나타내었다. 더 나아가, 중국에서 날 아온 미세먼지(위성사진으로 판정할 때 중국 내륙의 도시지역에서 기원한 것으로 판단됨)는 황사와 비교 했을 때 Cu, Zn, Cd, Ni, Pb 등에서 월등하게 많은 양을 포함하고 있었다. 반면 황사는 Al, Ca, Fe, Na 등에서 중국의 미세먼지보다 뚜렷하게 많은 양을 포 함하고 있었다. 이는 중국의 미세먼지는 배기가스 등 의 인위적 오염물질이 미세먼지에 많이 포함되어 있 다는 것을 의미하고, 황사는 토양에서 기원한 금속 성분을 많이 포함하고 있다는 것을 알 수 있었다.
이러한 결과로 볼 때 중국 내륙에서 날아온 미세 먼지에는 인체에 해로우며 인위적 오염물질로 인해서 발생한 Cu, Zn, Cd, Ni, Pb 같은 중금속이 많이 들 어있음을 알 수 있다. 이 결과는 Kim et al.(2012)과 Bang et al.(2004)의 연구결과에서 나타난 측정 결과 와도 대체로 일치하는 결과이다. 이러한 중금속 성분 은 건강에 매우 해로우며, 호흡기 질환뿐만 아니라 인체에 축적될 경우 다양한 질병을 유발할 수 있는 위험 물질이다.
미세먼지 속 미생물 분석
중국에서 2월에 날아온 미세먼지(PM10), 황사 미세 먼지(PM10), 황사 미세먼지(PM2.5), 맑은 날 국내 미 세먼지(PM10), 중국에서 3월에 날아온 미세먼지 (PM10), 그리고 새 필터를 일반세균, 대장균, 곰팡이 패트리필름에 접종하여 항온항습배양기에 배양한 결 과는 Fig. 10과 같다.
Fig. 10의 배양 결과에 따르면, 중국 도시지역에서 날아온 미세먼지와 내몽골지역에서 날아온 황사 미세 먼지는 모두 세균과 곰팡이를 포함하고 있었다. 이는 일반적으로 미세먼지에는 중금속만이 있다는 생각과 황사에는 모래 먼지만이 있다는 생각이 틀렸음을 알 수 있었다. 이 연구에서는 중국 도시지역에서 날아온 미세먼지이든 또 황사 미세먼지이든 모두 세균과 곰 팡이를 포함한 미세먼지라는 것이 밝혀졌다. 또한 3 월의 중국 미세먼지는 물론이고, 추운 늦겨울 날씨인 2월의 중국 미세먼지 모두 세균과 곰팡이를 포함하고 있었다.
더 나아가, 대장균 패트리 필름 배양 결과 중국에 서 유래한 미세먼지(중국 3월 미세먼지)와 황사 미세 먼지(PM10)에서는 2-3개의 작은 대장균 군체가 발견 되었다는 사실이다. 중국의 3월 미세먼지와 황사에는 대장균까지도 포함하고 있다는 것이다. 대장균도 존 재한다면 다른 세균들도 존재할 가능성이 크다고 할 수 있다.
이러한 결과는 최근의 여러 연구결과와도 일치한 다. Jeon et al. (2011)은 아시아 지역의 먼지와 미세
Table 2. The mass analysis of heavy metal among particulate matter
index Al Ca Fe Mg Mn Na Zn Cr Co Ni Cu Cd Pb
µg ng
chinese-1 12.38 10.09 14.22 4.40 0.69 7.02 3.46 400.9 8.7 160.4 391.2 47.6 1444.7 chinese-2 17.26 13.98 22.59 6.05 1.38 10.08 9.33 534.4 14.6 289.1 949.1 97.6 2650.3 chinese-3 5.19 4.34 10.54 3.06 0.97 5.95 6.11 495.8 8.3 257.5 729.0 84.0 2191.5 chinese-4 18.94 9.56 19.28 6.07 1.15 14.68 5.91 372.9 12.8 309.3 502.3 60.0 2170.2 chinese-5 20.44 9.47 13.65 4.17 0.68 5.56 3.63 356.6 7.3 67.9 274.0 42.9 1055.2 domestic 21.52 16.37 21.78 7.19 0.91 11.46 3.01 447.2 11.4 101.1 253.9 45.8 1571.3 clear day-1 2.99 3.30 1.71 0.74 0.06 0.66 0.34 300.8 0.9 20.0 24.4 4.4 77.7 clear day-2 3.39 3.03 2.15 0.88 0.10 0.31 0.75 268.2 1.7 28.9 74.9 11.1 155.0 yellow dust 27.02 16.73 26.22 5.07 0.87 23.75 2.91 415.1 13.1 108.8 347.1 26.1 758.0 new filter-1 0.73 1.70 0.00 0.06 0.00 0.00 0.00 180.1 0.00 0.00 0.00 0.3 1.4 new filter-2 0.70 1.85 0.00 0.05 0.00 0.00 0.00 219.6 0.00 0.00 0.00 0.2 2.6
*unit: µg (microgram), ng (nanogram)
먼지에는 세균이 포함되어 있음을 밝혔다. Kobayashi et al. (2011)는 일본지역의 3,000 m 상공에서 채집한 황사먼지에 세균이 포함되어 있음을 연구하였다. 이 상의 결과를 종합해보면 중국에서 날아온 미세먼지나 황사로부터 중금속이나 먼지만 경계하는 것으로는 부 족하다. 질병을 일으키는 미생물도 함께 날아온다는 사실을 알고 이에 대한 대비를 해야 할 것이다. 더 나아가, 중국의 미세먼지 뿐만 아니라 우리나라에서 발생한 미세먼지에서도 일부 세균과 곰팡이가 포함되 어 있음이 확인되었다. 그러므로 미세먼지가 존재하
면 중금속 같은 물질 뿐만 아니라 세균이나 곰팡이 도 같은 미생물도 포함되어 있다는 사실을 인지하고 이에 대한 대비책을 강구해야 할 것이다.
결론 및 제언
이 연구에서는 중등학교에서 사용할 수 있는 미세 먼지 간이포집장치를 설계 및 제작하여 포집된 미세 먼지 내의 중금속과 미생물을 분석함으로서 제작한 미세먼지 포집장치의 활용 및 분석활동을 수행하였
Fig. 10. The cultivation results of microorganism in particulate matter using Petri-film
*film no: 1-chinese origin fine dust (february), 2-yellow dust (PM
10), 3-domestic fine dust (clear day), 4-new filter, 5-chinese ori- gin fine dust (march), 6-yellow dust (PM
2.5)
*heavy: more than 5 colonies, light: less than 5 colonies
다. 특히 융합적 과학 활동을 위해 직접 미세먼지 포 집장치를 설계 및 제작하여 사용함으로써 다음과 같 은 결론을 내릴 수 있었다.
첫째, 인터넷의 정보와 주변 공구상가 부품들을 활 용하여 비교적 간편하게 미세먼지 간이포집장치를 제 작하는 것이 가능하였다. 진공청소기의 원리를 통해 제작한 간이포집장치로 직접 미세먼지를 포집하였고, 포집한 미세먼지는 중금속 분석과 미생물 분석에 활 용할 수 있었다. 따라서 중등학교에서 이와 유사한 장치를 설계하고 제작하는 과정은 창의적 사고의 개 발과 융합적 탐구 능력 배양에 매우 유용한 활동으 로 활용될 수 있을 것이다.
둘째, 직접 제작한 간이포집장치를 통해 포집된 미 세먼지 내의 중금속을 확인하였다. 먼저, 총 중금속 량 측정 키트를 사용하여 미세먼지에 포함되어 있는 구리(Cu), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni), 납(Pb), 망 간(Mn) 등의 중금속 총량을 측정하였다. 이러한 측 정연수에서 중국에서 날아온 미세먼지나 국내에서 발 생한 미세먼지에는 중금속이 포함되어 있음을 알 수 있었다. 이런 중금속이 미세먼지에 포함되어 있으므 로 인해서 미세먼지를 포집한 필터가 시커먼 연필심 같은 모습을 갖는 것도 알 수 있었다. 특히 이 연구 에서는 미세먼지의 각 중금속 성분도 분석하였다. 분 석 결과, 중국에서 날아온 미세먼지에는 주로 인위적 인 오염물질인 Cu, Zn, Cd, Ni, Pb 등이 많이 포함 되어 있었다. 이들 중금속은 호흡기를 통해서 우리 몸에 들어오면 배출이 잘 안되고 우리 몸에 축적이 된다. 그에 비해 국내에서 발원된 미세먼지나 황사에 는 Al, Ca, Fe, Na 등과 같이 토양에서 만들어진 중 금속들이 많이 들어있다. 특히 몇 년 전부터 겨울철 과 초봄에 중국에서 우리나라로 미세먼지가 많이 유 입되고 있다. 그런데, 중국의 미세먼지에는 주로 배 기가스 등에서 만들어진 인위적 오염물질로서 해로운 중금속이 많이 포함되어 있으므로 적절한 차단 대책 과 추가적인 연구가 필요할 것이다.
셋째, 미세먼지가 더 이상 중금속이나 흙먼지 같은 먼지로만 구성되어 있는 것이 아니라는 것을 확인하 였다. 미세먼지에는 세균과 같은 살아있는 미세한 생 물들도 함께 있다는 것을 이 연구를 통해서 알 수 있었다. 특히, 중국에서 날아온 미세먼지에는 세균이 나 곰팡이 같은 미생물도 함께 날아온다는 것을 알 게 되었다. 심지어 대장균은 중국에서 날아온 미세먼 지와 황사에만 포함되어 있음을 분석결과 알 수 있
었다. 이 연구를 통해서 미세먼지 속에는 중금속과 흙먼지뿐만 아니라, 병을 일으킬 수 있는 미생물들도 같이 포함되어 있는 ‘살아있는 미세먼지’라는 것을 실험으로 밝혀낼 수 있었다. 따라서 미세먼지로 인한 해로움을 방지하는 대책에 중금속 대책뿐만 아니라 미생물 오염 대책도 함께 연구하고 마련해야 할 필 요가 있다.
이 연구에서는 중등학교에서 사용할 수 있는 미세 먼지 간이포집장치를 직접 설계하고 제작함으로써 과 학과 공학이 융합된 통합적 탐구활동이 가능함을 확 인하였다. 뿐만 아니라 제작된 간이포집장치를 통해 미세먼지에 포함된 중금속 및 미생물을 분석하는 활 동이 가능한지 여부를 탐색함으로써 제작된 장치의 효용성을 확인하였다. 이 연구는 학생 스스로 제시한 과학적 아이디어의 구체화와 실물 제작에 초점을 두 었으며, 이를 통해 아이디어의 생성과 설계단계에 머 무르는 기존의 융합 과학 활동과 달리 공학적 장치 실현이 가능함을 제시하고 있다. 그러므로 이 연구의 결과는 향후 중등학생들의 통합적 과학 활동에서 제 시된 아이디어의 구체화와 실물 장치 제작 과정의 기초를 제공할 수 있을 것이다. 또한 과학영재 학생 의 창의적 사고 신장과 창의성 발현의 기회를 제공 할 수 있는 활동 기초로 사용될 수 있을 것이다.
