Article

Korean Journal of Soil Science and Fertilizer. 31 May 2022. 129-138
https://doi.org/10.7745/KJSSF.2022.55.2.129

ABSTRACT


MAIN

  • Introduction

  • Materials and Methods

  •   토양 채취 지역 및 채취 방법

  •   전처리 및 중금속 전함량 분석

  •   데이터 분석

  • Results and Discussion

  •   토양오염 기준농도와 비교

  •   배경농도와 비교 및 오염도 평가

  •   중금속 간 상관관계 분석

  • Conclusions

Introduction

세계적으로 도시인구는 점점 늘어나고 있다 (Yang and Zhang, 2015). 현재 전 세계의 55%가 이미 도시화되었으며 United Nations에서는 2050년까지 후진국의 64%, 선진국의 86%가 도시화될 것으로 보았다. 이에 따라 2030년 도시인구는 2015년에 비해 11억 명 더 늘고 도시면적은 2000년의 세 배가 될 것으로 예상된다 (Seto et al., 2012; Gu, 2019). 도시 면적이 넓어진다는 것은 곧 식량을 생산할 수 있는 양질의 경작지가 사라짐을 의미한다. 경작지 면적이 줄어들면 식량 생산량이 감소하여 전 세계적인 식량부족 사태가 발생하는 등 식량안보가 위협받는다 (Grewal and Grewal, 2012). 도시지역의 식량안보 문제를 개선하기 위하여 도시지역에서 먹거리를 생산하는 도시농업이 세계적으로 활성화되고 있다 (Eigenbrod and Gruda, 2015). 도시농업 토양은 그 자리에서 오랜 시간동안 조성된 토양이 아니라 외부에서 유입되었을 가능성이 크다 (Kim et al., 2011). 좁은 면적에서 다양한 형태로 작물이 재배되기 때문에 일반 농경지 토양과는 비료를 비롯한 각종 관리체계가 다르다 (Kim et al., 2011).

우리나라의 도시농업은 서구와 달리 농업에 대한 향수와 안전한 먹거리 생산을 목적으로 1980년대부터 시작되었다 (Oh and Choi, 2021). 2020년 기준, 우리나라 국민의 92%가 도시에 살고 있고 정부의 지원 아래 도시농업이 활발하게 이루어지고 있다 (Oh and Choi, 2021). 경상남도 진주시에서는 철로 주변 및 공단 인근 부지에서 시민들이 텃밭을 형성하여 먹거리를 생산하고 있다. 진주시 칠암동에는 1925년 개통하여 오랜 기간 시내를 관통하는 철로가 있었고 철로 인근 부지는 오랫동안 밭으로 이용되어 왔다. 현재 역사가 다른 곳으로 이전하면서 칠암동 역사 부지는 공원화되고 있다. 진주시 상평동에는 1977 - 1981년에 조성된 상평일반산업단지가 있는데 2014년부터 시민텃밭이 공단 인근에 조성되어 시민들이 매년 분양받아 이용하고 있다. 철로 및 공단 주변의 도시텃밭은 각종 오염원에 노출될 가능성이 크다. 그중 중금속은 자연적으로 분해되지 않고 이동성이 낮아 토양에 오랜 시간 동안 머물며 환경에 영향을 미친다 (Li et al., 2018). 독성을 나타내는 중금속에는 As, Cd, Cr, Pb, Hg 등이 포함되며 식물생장에 필수 성분인 Cu, Zn, Co, Mn, Ni도 고농도일 때는 독성을 나타낸다 (Li et al., 2018). 중금속은 교통수단에서 발생하는 배기가스, 산업 시설, 도시 폐기물 매립, 건설 및 건축자재의 부식, 화력발전소 등에서 주로 배출되어 도시 토양에 축적된다 (Wei and Yang, 2010; Li et al., 2018).

우리나라는 토양환경보전법에 8개 중금속에 대한 항목이 있고 (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn), 보통 이들 중금속에 대한 조사만 실시한다. 그러나 최근에는 중금속 오염원이 다양해지고 있어 국제적으로 Mn, Li, Ti, V, Co, Sb 등의 토양 중 농도 증가와 관련된 보고가 이루어지고 있다. Ti은 선크림, 치약, 페인트, 광촉매 공정 과정에서 널리 이용되고 있으며 (Keller et al., 2013; Wang et al., 2014; Mitrano et al., 2015; Wen et al., 2015) 관개 또는 하수슬러지 투입으로 토양에 들어갈 수 있다 (Brar et al., 2010). V은 화석연료 연소, 철강산업, 합금 등에 주로 쓰이며 (Larsson et al., 2013) Sb은 합금, 플라스틱, 반도체 등을 만드는데 사용량이 늘어나면서 환경적 우려가 높아지고 있는 원소이다 (Filella et al., 2002; Butterman and Carlin, 2004; Wilson et al., 2010). 국제적으로 이들 중금속을 조사하는 이유는 각 중금속이 인체 위해성이 있기 때문이다. Li은 갑상선 기능 항진증과 관련이 있고 (Perez-Granados and Vaquero, 2002) Ti는 알레르기를 유발한다 (Tibau et al., 2019). 고농도의 Co는 폐와 심장에 심각한 영향을 주고 (ATSDR, 2004) V은 신장장애, 폐종양과 같은 질병을 일으킬 수 있다 (Heinemann et al., 2000; Chen and Liu, 2017). Sb은 암을 유발할 수 있는 성분으로 알려져 (WHO, 2003) 미국 EPA에서 지정한 주요 오염물질 중 하나이다 (USEPA, 1979).

도시 토양 오염은 인간이 직접 토양에 접촉하거나 흡입하는데 관련될 뿐만 아니라 먹이사슬과 같은 간접적인 노출방식으로도 잠재적으로 인간에 위협이 된다 (Yang and Zhang, 2015). 그러므로 도시지역의 텃밭에 대한 오염부하량 및 안전성을 조사할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구는 진주시 철로 주변 토양, 철로 인근 텃밭 토양, 공단 인근 텃밭 토양의 중금속 농도를 분석하고 오염 정도를 평가하였다.

Materials and Methods

토양 채취 지역 및 채취 방법

토양 시료는 2017년도에 진주시 철로 주변과 상평 공단 인근에서 채취하였다. 진주시 칠암동에 있는 구 진주역사 뒤편 철길에서 망경동 방면 철로를 따라 50 m 간격으로 철로 부근 토양의 표토 14점을 채취하였다. 철로를 따라 조성된 텃밭 12곳에서도 표토 시료를 각각 채취하였다. 상평일반산업단지는 진주시 상평동, 상대동 일대에 위치하고 있으며 총면적은 2,135 m2이다. 입주업체 및 가동업체는 515개이고 기계 관련 업종이 절반 이상을 차지하며 섬유의복, 운송장비, 석유화학 등의 업종도 존재한다. 상평공단 인근에 조성된 텃밭은 A-E까지 총 5개 구역으로 나누어져 있다. 각 구역의 면적 및 단위 텃밭의 개수에 비례하여 시료 채취 지점 수를 정하였고 A구역 3개, B구역 12개, C구역 7개, D구역 5개, E구역 6개 총 33개의 표토 시료를 채취하였다. 시료 채취는 모두 오거를 이용하였고 텃밭에서 시료를 채취할 때는 시료의 대표성을 위하여 필지를 3등분하여 채취한 뒤 섞어주었다.

전처리 및 중금속 전함량 분석

채취한 토양은 완전히 건조한 뒤 150 µm 체를 통과한 시료를 실험에 이용하였다. 체거름 한 토양을 다시 막자사발로 갈아 2 g을 분해관에 넣고 왕수 9 mL를 주입하였다. 왕수는 질산과 염산의 비율을 3:1로 하여 제조하였다. 흑연블럭 분해기 (OD-98-001, ODLAB, Korea)에 분해관을 넣어 160°C에서 약 1시간 30분 동안 시료를 분해하여 분해액을 100 mL vol-flask에 넣어 표선까지 증류수를 채웠다. 이 희석용액은 0.45 µm syringe filter로 거른 후 중금속 함량을 ICP-OES (8300DV, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다. 중금속은 토양환경보전법에서 규제하고 있는 As, Cd, Cr (Cr+ 대신 total Cr), Ni, Pb, Zn과 국제적으로 최근 주목받고 있는 Mn, Li, Ti, V, Co, Sb을 분석하였다.

데이터 분석

철도 인근 토양, 철도 인근 텃밭 토양, 공단 인근 텃밭 토양의 각 중금속 농도의 최고, 최저, 평균치를 구하여 법적 기준치 및 배경농도와 비교하였다. 채취 토양의 오염부하 정도를 판단하기 위하여 다음 Eq. 1을 이용해 Geoaccumulation index (Igeo)를 계산하였다.

(Eq. 1)
Igeo=log2Cn/(1.5Bn)

Cn은 토양 시료 중 중금속 n 농도, Bn은 중금속 n의 오염되지 않은 토양 중 n의 농도이다. 본 연구에서는 배경농도를 Bn에 대입하여 Igeo 수치를 구하였다. 본 연구에서는 As, Cd, Cu, Ni, Pb, Zn의 배경농도는 우리나라 토양의 배경농도 조사 결과를 이용하였고 (Yoon et al., 2009) 우리나라에서 배경농도 조사가 이루어지지 않은 Cr, Mn, V, Co, Sb는 유럽 토양의 배경농도 조사 결과를 이용하였다 (Salminen et al., 2005). 상수 1.5는 배경농도의 편차를 보정하기 위한 상수이다 (Khaled et al., 2006). Igeo는 오염되지 않은 토양과 비교했을 때 오염토양의 오염 정도를 수치화할 수 있어 널리 쓰이고 있다 (Khaled et al., 2006; Barbieri, 2016; Huang et al., 2017). Igeo 값은 토양의 오염 정도를 7등급으로 분리하여 나타낸다 (Table 1).

Table 1.

Level of soil contamination by Igeo values (Huang et al., 2017).

Range of Igeo values Level of soil contamination
Igeo ≤ 0 Practically uncontaminated
0 < Igeo < 1 Uncontaminated to moderately contaminated
1 < Igeo < 2 Moderately contaminated
2 < Igeo < 3 Moderately to heavily contaminated
3 < Igeo < 4 Heavily contaminated
4 < Igeo < 5 Heavily to extremely contaminated
5 < Igeo Extremely contaminated

토양 중금속 분석 결과를 이용하여 중금속 종류 사이의 상관관계를 파악하였다. 이를 위해 IBM SPSS Statistics 25를 이용하여 피어슨 상관계수를 분석하였다. 상관계수 분석 전 각 중금속의 평균치에서 크게 벗어나 실제 상관관계를 파악하는데 방해가 되는 값들은 제거하고 분석을 실시하였다.

Results and Discussion

토양오염 기준농도와 비교

철로 주변 토양, 철로 및 공단 인근 텃밭 토양의 중금속 분석 결과를 Table 2에 나타냈다. 토양환경보전법 규제 대상인 As, Cd, Cu, Ni, Pb, Zn은 우리나라 토양환경 우려기준과 비교하였고 Cr, V, Co, Sb은 유럽의 토양 중금속 기준과 비교하였다 (MEF, 2007). 나머지 원소인 Mn, Li, Ti에 대한 법적 기준치는 아직 존재하지 않았다. 철로 주변 토양은 중금속 오염 기준을 초과하는 지점이 없었고 평균수치도 기준을 크게 밑돌았다. 철로 및 공단 인근 텃밭 토양은 중금속 농도 평균치는 낮았으나 토양오염 기준을 초과하는 지점들이 있었다. 철로 인근 텃밭 1개 지점에서 Cu 함량이 156.99 mg kg-1로 Cu 함량이 156.99 mg kg-1로 Cu 우려기준인 150 mg kg-1을 초과하였으며 공단 인근 텃밭 중 1개 지점에서는 Cu와 Zn이 우려기준인 150 mg kg-1을 초과하였으며 공단 인근 텃밭 중 1개 지점에서는 Cu와 Zn이 각각 256.8 mg kg-1과 311.5 mg kg-1로 기준치인 150 mg kg-1와 300 mg kg-1을 초과하였다. 철로 주변 토양은 기차의 윤활유, 기차에서 떨어지는 화물 및 기차 외관 장식 물질, 기차에서 버려지는 쓰레기 등에 의해 오염물질에 노출된다 (Plakhotnik et al., 2005; Liu et al., 2009). 또한 기차의 배기가스와 철로의 마모에 의해 각종 중금속이 표토에 축적될 수 있다 (Blok, 2005). 철로 주변 토양에서는 주로 Cd와 Pb 함량이 높다고 보고되었는데 (Lianfeng et al., 2011; Zhang et al., 2012; Chen et al., 2014) 본 연구에서는 철로 주변 토양과 철로 인근 텃밭 토양의 Cd 평균 함량은 공단 인근 토양과 큰 차이가 없었다. 하지만 Pb 함량은 공단 인근 텃밭 토양의 평균치에 비해 철로 주변 토양은 약 2.7배, 철도 인근 텃밭 토양은 약 5배 높은 것으로 나타났다. 이는 철로를 이용하는 교통수단에 의해 토양 중 Pb 함량이 높아졌음을 의미한다. 또한 Cu 함량도 공단 인근 텃밭 토양 평균치에 비해 철로 주변은 약 2배, 철로 인근 텃밭 토양은 약 3.5배 높았다. Cu와 Zn은 철로 주변 토양보다 철로 인근 텃밭 토양에서 농도가 더 높은 것으로 나타났는데 이는 농자재의 영향일 가능성이 크다. 도시텃밭에서는 친환경 농자재인 가축분 퇴비 사용량이 높다. 가축의 먹이에는 가축의 생장과정에 필요한 Cu와 Zn 등 원소 함량이 높은데 (Xu et al., 2013). 가축의 몸에서 흡수되지 못한 성분들은 분뇨로 빠져나와 가축분 퇴비를 지속적으로 처리하는 토양에는 Cu와 Zn이 축적된다 (Nicholson et al., 2003). 규제 대상이 아닌 금속 중 유럽 기준치가 존재하는 V, Co, Sb는 기준치 초과지점이 없었고 평균치도 기준에 크게 미치지 못하였다.

Table 2.

Statistics of heavy metal concentrations in the investigated soil samples (upper letter (a) Korean guideline; (b) MEF, 2007; (c) Yoon et al., 2009; (d) Salminen et al., 2005).

As
(mg kg-1)
Cd
(mg kg-1)
Cr
(mg kg-1)
Cu
(mg kg-1)
Ni
(mg kg-1)
Pb
(mg kg-1)
Zn
(mg kg-1)
Mn
(mg kg-1)
Li
(mg kg-1)
Ti
(mg kg-1)
V
(mg kg-1)
Co
(mg kg-1)
Sb
(mg kg-1)
Soil near
railway
Min. 0.09 0.00 17.27 15.59 8.42 6.05 45.24 192.86 0.00 196.85 21.04 4.50 0.62
Max. 9.55 0.50 37.14 133.18 31.28 82.76 151.17 642.43 46.28 642.79 41.67 8.99 4.36
Ave. 4.73 0.19 23.36 63.33 17.05 35.92 77.03 273.76 16.90 314.93 29.83 6.24 2.00
Garden
soil near
railway
Min. 2.53 0.04 22.77 60.73 15.12 28.60 79.61 297.51 0.00 180.96 24.44 6.21 1.04
Max. 7.46 0.77 57.34 156.99 35.32 194.98 188.56 593.11 49.27 479.83 37.27 8.54 17.56
Ave. 5.04 0.30 31.58 101.92 22.82 67.43 113.15 376.95 22.41 289.16 29.45 7.37 3.94
Garden
soil near
industrial
complex
Min. 0.06 0.24 16.99 11.70 8.08 4.28 42.20 195.39 0.00 438.12 22.84 4.24 0.69
Max. 0.97 0.24 91.99 256.81 20.79 89.17 311.45 514.84 44.25 629.34 38.66 5.69 6.66
Ave. 0.29 0.24 22.48 28.97 9.87 13.07 70.68 236.01 34.51 523.20 27.19 4.84 1.36
Guideline 25 a 4 a 200 b 150 a 100 a 200 a 300 a - - - 150 b 100 b 50 b
Background level 6.83 c 0.29 c 222.6 d 15.26 c 17.68 c 18.43 c 54.27 c 524 d - - 38 d 8.91 d 1.04 d

배경농도와 비교 및 오염도 평가

배경농도와 비교했을 때 평균치가 배경농도를 초과하는 중금속은 철로 주변 토양에서는 Cu, Pb, Zn, 철로 인근 텃밭 토양은 Cd, Cu, Ni, Pb, Zn, 공단 인근 텃밭 토양에서는 Cu, Zn으로 나타났다. 공통적으로 Cu와 Zn의 함량이 평균적으로 높았다. 배경농도를 이용하여 Igeo 값을 계산한 결과는 Table 3과 같다. 대부분 지점들은 Igeo 값이 0 이하, 즉 오염되지 않은 것으로 나타났지만 철로 인근 토양에서 Igeo 값이 1 이상인 곳이 (보통 정도의 오염) Cu 10 지점, Pb 1 지점이 있었다. 철도 인근 텃밭 토양에서는 Cu 12 지점, Pb 4 지점, Zn 1 지점이 있었고 공단 인근 텃밭에서는 Cu 3 지점, Pb 2 지점, Zn 2 지점이 있었다. 공단 인근 텃밭에서는 Cu 오염도가 3 이상인 곳도 1 지점 존재하였다. 이는 오염물질이 지속적으로 유입되어 연구 지역의 Cu, Pb, Zn 오염도가 배경농도보다 점점 높아지고 있음을 뜻한다. 세 지역 중 철도 인근 텃밭 토양의 Cu, Pb, Zn는 Igeo 값이 0 이하인 지점이 0 - 1군데 밖에 존재하지 않아 다른 지역보다 오염부하가 더 큰 것으로 나타났다. 이는 철로 및 기차에 의한 오염과 텃밭을 가꾸는데 쓰인 친환경 농자재의 영향을 모두 받았기 때문으로 보인다. 철도 차량에서 발생하는 오염물질은 대부분 연료를 태우는 내연기관과 관련이 있다 (Vaiskunaite and Jasiuniene, 2020). 또한 금속 마모와 오래된 휠의 품질 저하에 의해서도 중금속이 주변 환경으로 배출된다 (Vaiskunaite and Jasiuniene, 2020). 엔진과 휠에서 가장 많이 배출되는 두 중금속이 Cu와 Zn이다 (Lee et al., 2020).

Table 3.

The number of soil samples at each Igeo class.

Class As Cd Cu Cr Ni Pb Zn
Soil near
railway
≤0 14 13 2 14 13 5 11
0 - 1 0 1 2 0 1 8 3
1 - 2 0 0 7 0 0 1 0
2 - 3 0 0 3 0 0 0 0
3< 0 0 0 0 0 0 0
Garden
soil near
railway
≤0 12 9 0 12 10 0 1
0 - 1 0 3 0 0 2 8 10
1 - 2 0 0 5 0 0 1 1
2 - 3 0 0 7 0 0 3 0
3 - 4 0 0 0 0 0 0 0
4< 0 0 0 0 0 0 0
Garden
soil near
industrial
complex
≤0 33 33 25 33 33 29 29
0 - 1 0 0 5 0 0 1 2
1 - 2 0 0 1 0 0 3 2
2 - 3 0 0 1 0 0 0 0
3 - 4 0 0 1 0 0 0 0
4< 0 0 0 0 0 0 0

국제적으로 규제 이외 중금속의 오염 부하량이 증가하여 문제가 될 수 있다는 보고가 있었다 (He et al., 2012; Imtiaz et al., 2015; Islam et al., 2015; Larsson et al., 2015; Cao et al., 2017). 규제 이외 중금속 중에서는 Sb이 Igeo 값이 1 이상인 곳이 지역마다 1 지점 이상 존재하였고 철도 인근 텃밭에서는 Igeo 값이 3 이상인 지점도 존재하였다. Sb의 평균 수치가 기준치에 비하면 매우 낮기 때문에 지금 큰 문제가 되지는 않지만 배경농도에 비해 오염이 된 것이므로 지속적인 모니터링이 필요하다. Sb는 철도 및 친환경 농자재와의 관련성은 아직 연구가 부족하지만 자동차 브레이크가 마모될 때 공기 중으로 배출된다는 보고가 있었다 (Sternbeck et al., 2002). 조사 지역들이 철도와 공단에 가깝기는 하지만 주변에 자동차가 다니는 도로도 있기 때문에 자동차에서 배출되는 중금속의 영향도 무시할 수 없다.

중금속 간 상관관계 분석

중금속 사이의 피어슨 상관계수를 Table 4에 나타냈다. p < 0.001 수준의 유의차를 나타내는 상관관계가 많이 나타났는데 그중 가장 높은 정의 상관계수를 보인 Ni-Cr, Cu-Cr, Cu-Ni의 직선 회귀 상관 그래프는 Fig. 1에 나타냈다. 이는 Cr, Cu, Ni의 오염원이 같음을 의미한다. Cr과 Ni은 사문암 지대에서 자연적으로 높을 수 있지만 진주시는 사문암 지대가 아니기 때문에 인간 활동에 의해 토양 중으로 유입된 것으로 볼 수 있다 (Jo et al., 2020). Cu와 마찬가지로 Cr과 Ni도 자동차의 휠, 브레이크, 배기가스, 도장칠 시료 등에서 검출되는 주요 중금속 원소이다 (Lee et al., 2020). 특히 Cr과 Ni은 합금의 주요 원료로 자동차의 금속 계열 시료에서 아주 높은 상관관계를 보여 자동차의 각 부위에서 마모에 의해 두루 발생하는 것으로 추정된다 (Lee et al., 2020). 도시텃밭 토양을 조사했던 다른 연구에서도 두 원소 사이의 상관관계가 높은 것으로 나타났다 (Kim et al., 2015).

Table 4.

Pearson’s correlation coefficient for metals in the invested soil samples (*p < 0.5, **p < 0.1, ***p < 0.001).

As Cd Cu Cr Ni Pb Zn Mn Li Ti V Co
As 1
Cd -0.21 1
Cu 0.70*** 0.35 1
Cr 0.42* 0.48 0.86*** 1
Ni 0.52** 0.38 0.86*** 0.90*** 1
Pb 0.36* 0.17 0.70*** 0.62*** 0.69*** 1
Zn 0.34 0.75** 0.68*** 0.73*** 0.71*** 0.60*** 1
Mn 0.40* 0.31 0.73*** 0.76*** 0.68*** 0.41** 0.60*** 1
Li -0.23 0.00 -0.29* -0.23 -0.32* -0.27* -0.28* -0.18 1
Ti -0.54** 0.07 -0.59*** -0.40** -0.59*** -0.46*** -0.35** -0.10 0.38** 1
V 0.18 0.02 0.36** 0.49*** 0.37** 0.21 0.22 0.53*** -0.24 0.03 1
Co 0.57*** 0.27 0.80*** 0.83*** 0.85*** 0.55*** 0.56*** 0.75*** -0.40** -0.51*** 0.53*** 1
Sb 0.71*** -0.081 0.73*** 0.64*** 0.59** 0.56*** 0.56*** 0.55*** 0.31* -0.26* 0.37** 0.36**

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Fig. 1

Linear relationship between the concentrations of Cu-Cr, Cu-Ni, Ni-Cr in the investigated soil samples.

Conclusions

최근 세계적으로 도시농업이 활성화되면서 진주시에서도 시민들이 철로 및 공단 주변 토양에서 각종 먹거리를 생산하고 있다. 진주시의 철로 주변 토양, 철로 인근 텃밭 토양, 공단 인근 텃밭 토양 중에서는 철로 인근 텃밭 토양이 중금속에 가장 많이 노출된 것으로 나타났다. 중금속 중 Cu, Pb, Zn의 오염도가 가장 높았는데 이는 이들 원소가 철도차량 및 친환경 농자재와 관련이 있기 때문으로 판단된다. 규제 대상이 아닌 원소 중에서는 Sb의 오염이 진행되고 있는 것으로 나타났다. 조사 지역의 중금속 평균농도가 토양환경오염 기준치를 초과하지는 않았지만 이들 토양은 지속적으로 오염원에 노출이 될 것이기 때문에 도시농업의 먹거리 안전성을 확보하기 위해서는 도시텃밭에 과도한 퇴비 사용을 자제하고 토양을 장기적으로 모니터링해야 할 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 농촌진흥청 공동연구사업 (과제번호: PJ0157272022)의 지원에 의해 이루어진 것임.

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