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본 연구에서는 분석대상화합물로 해양산업시설에서 자주 검출되어 전문가 자문단에서 방류형 관리물질로 지정한 화합물 중 클로로포름(chloroform), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 디브로모클로로메탄(dibromochloromethane), p,m-자일렌(p,m-xylene), o-자일렌(o-xylene)으로 총 6개의 화합물을 연구대상물질로 선정하였다. 분석을 위한 기기 내부표준물질(internal standard, IS)인 1,2-디클로로벤젠-d₄(1,2-dichlorobenzene-d₄)와 분석대상화합물을 포함하는 100 μg/mL의 혼합표준액을 Sigma-Aldrich에서 구입하였으며, 분석 시에는 100 mL 정용 플라스크에 표준 원액 1 mL를 넣고 정제수로 표선까지 채운 희석액(1 μg/mL)을 사용하였다.

분석용 바이알은 사용하기 전에 초음파추출기를 이용하여 불순물을 제거한 후, 메탄올과 초순수로 세척하여 클린벤치에 건조시켰다. 이후 뚜껑을 닫아 전용 거치대에 넣고 폴리에틸렌 지퍼백으로 이중 포장하여 보관하였다. 조사 정점은 2022년 8월 국내 해양산업시설 주변 해역 및 방류구 9곳, 2023년 4월 통영 강구안 5곳, 동호항 5곳, 비진도 주변 해역 1곳으로 설정하여 채수하였다. 시료 채수 시 분석용 바이알을 이용하였으며 넘치도록 담고 가능한 빨리 뚜껑을 닫은 후 뒤집어서 공기방울의 유무를 확인하였다. 공기방울이 존재하면 시료를 다시 채수를 수행하였고, 냉장보관 전 운반시 뒤집은 상태로 포장하는 등 시료 내 분석대상물질의 휘발과 오염에 유의하였다. 모든 현장 시료는 모두 분석 전까지 4℃에서 냉장보관 하였다. 분석대상화합물 특성상 휘발성이 강해 손실을 줄이기 위해서는 채수 후 바로 분석하는 것이 가장 좋으며, 최대 2주 내로 분석을 수행하였다.

모든 시료는 퍼지앤트랩(Lumin 15-2500-200)/GC-MS(Agilent 7890B gas chromatography/5977B mass spectrometry)를 이용하여 정량·정성 분석하였다. 컬럼은 DB-624(60 m × 0.25 mm × 1.40 μm film thickness)(Agilent Technologies J&W Scientific, USA), 운반기체는 99.999%의 고순도 헬륨을 사용하였고, 유속은 1.0 mL/min로 설정하였다. 시료주입방법은 분할 주입법(split)으로 20:1의 분할비로 하였으며, 분당 20 mL로 유지하였다. 시료주입구 온도는 250℃로 설정하였다. 오븐 온도는 40℃에서 시작하여 5분간 유지시킨 후 분당 10℃로 190℃까지 상승시키고, 분당 15℃로 240℃까지 승온 후 1분간 유지시켰다. 질량분석기에서는 특정 질량의 이온만을 선택하여 검출하는 방법인 선택적 이온 모니터링(SIM mode)을 이용하여 Fig. 1과 같은 크로마토그램을 구하였고, Table 1에 기재된 화합물의 정량·정성 이온값을 통해 분석하였다. p-자일렌과 m-자일렌은 분리가 되지 않아 p,m-자일렌으로 표기하였다.

Fig. 1. 
Chromatogram of 30 μg/L target compounds in purified water for peak identification: 1) Chloroform, 2) Benzene, 3) Toluene, 4) Dibromochloromethane, 5) p,m-Xylene, 6) o-Xylene, *) 1,2-Dichlorobenzene-d₄ (IS)

정도관리는 수질오염공정시험기준과 먹는물수질오염공정시험기준과에 따라 수행하였다(Table 2). 검정곡선은 표준물질을 첨가하여 5개 이상의 단계별 농도로 작성하였다. 방법검출한계과 정량한계는 분석기기의 최소 검출 농도를 확인하기 위한 지표로써 일반적으로 반복 시료 7개 간의 표준편차 값에 3.143과 10을 각각 곱하여 나타내었다(Water Pollution Standard Method[2017]). 본 연구에서는 방법검출한계(method detection limits, MDLs)와 정량한계(limits of quantification, LOQs)를 측정하기 위해 수질오염공정시험기준의 정량한계 정도관리 목표값인 1 μg/L가 되도록 정제수에 표준물질을 첨가한 시료 7개를 분석하여 값을 도출하였다. 정확도 및 정밀도 확인을 위하여 검정곡선의 중간 농도인 30 μg/L가 되도록 표준물질을 첨가한 시료 6개를 분석하였다. 최종적으로 기기 분석 직전에 기기내부표준물질을 주입하여 기기 감도에 따른 보정을 통해 회수율을 산정하였다.

분석대상물질 6종에 대한 결정계수(R²)는 클로로포름 0.99, 벤젠 0.98, 톨루엔 0.98, 디브로모클로로메탄 0.99, p,m-자일렌 0.99 그리고 o-자일렌 0.99로 확인되었다(Fig. 2).

Fig. 2. 
Calibration curve of target compounds.

방법검출한계, 정량한계, 정확도 및 정밀도는 Table 3에 기재하였으며, 정확도는 정도관리 목표 기준값인 75%~125%, 정밀도는 25% 범위내로 Fig. 3을 통해 먹는물수질공정시험기준과 수질오염 공정시험기준에 부합하는 것을 확인하였다.

Fig. 3. 
Accuracy of target compounds.

방법검출한계 값은 각각 클로로포름 0.29 μg/L, 벤젠 0.15 μg/L, 톨루엔 0.16 μg/L, 디브로모클로로메탄 0.22 μg/L, p,m-자일렌 0.1 μg/L 그리고 o-자일렌이 0.05 μg/L로 확인되었다. 정량한계는 클로로포름 0.94 μg/L, 벤젠 0.48 μg/L, 톨루엔 0.51 μg/L, 디브로모클로로메탄 0.71 μg/L, p,m-자일렌 0.31 μg/L 그리고 o-자일렌 0.17 μg/L로 산출되었다.

그러므로, 대상화합물의 수질 및 수생태계 보전을 위한 배출허용기준이 10(벤젠)~700(톨루엔) μg/L인 것을 고려하면(Water Environment Conservation Act of South Korea[2021], 해수에서의 대상물질 모니터링을 위해 퍼지앤트랩/GC-MS법은 충분한 감도를 가지는 것으로 판단되었다.

선행연구에 의하면 본 연구의 대상물질과 유사한 물리화학적 특성을 가지는 휘발성 유기화합물은 염분 농도가 높아지면 염석(salting out)효과에 의해 시료 내 화합물의 증기압력이 높아져 회수율이 증가하는 경향을 보였다(Ueta et al.[2015]; Djozan and Assadi[1995]). 본 연구에서는 두 차례에 걸쳐 2반복 시료에 대한 서로 다른 염분 농도에서 측정한 회수율에서 경향성을 확인하였다. 또한 두 변수 간의 통계처리를 통하여 유의수준(p-value)을 구하였다. 기울기(slope)는 염분도와 반복시료의 회수율 값들 간의 선형 회귀선을 통해 구하였으며 염분도에 따른 각 화합물에 대한 회수율, p-value 그리고 기울기를 Fig. 4에 나타내었다. 클로로포름, 벤젠, 톨루엔 그리고 디브로모클로로메탄은 염분도가 높아짐에 따라 회수율이 증가하는 경향성을 보였다. 반면, p,m-자일렌과 o-자일렌은 염분도가 높아짐에 따라 회수율이 감소하거나 일정한 회수율을 유지하는 경향성을 보였다. 통계처리 결과, 분석대상화합물 6종 중 o-자일렌(p=0.74)을 제외한 5개의 화합물은 모두 염분도와 회수율 간의 유의미한 영향(p<0.05)를 보였다.

Fig. 4. 
Recovery rate of target compounds according to various salinity (%), red regression: 1^st experiment, blue regression: 2^nd experiment

각 화합물의 회수율에 있어서 염분도의 영향이 다른 원인을 파악하고자 용해도, 끓는점, 증기압과 같은 화합물의 물리화학적 특성들과 비교하였다. 용해도를 제외한 끓는점과 증기압은 기울기(Fig. 4)와 특징적인 관계성이 나타나지 않았다. 화합물 6종에서의 기울기와 용해도 간의 관계를 Fig. 5에 나타내었다. 이를 통해 용해도가 클수록 기울기가 커지다가 용해도가 1 g/L 이후에는 기울기 변화가 나타나지 않는다는 것을 확인하였다. 이는 용해도가 클수록 물에 더 많이 용존상태로 존재할 수 있지만, 염분도가 높아짐에 따라 염석효과로 인해 용해도가 낮아져 휘발이 용이하게 되므로 회수율이 증가한 것으로 해석되어진다. 다시 말해, 화합물의 물리화학적특성 중 용해도가 일정 수준(1 g/L)까지는 분석대상물질의 회수율을 증가시켰으며, 그 이후로는 더 이상 영향을 보이지 않음을 알 수 있다. 두 번의 실험을 통해 p,m-자일렌과 o-자일렌을 제외한 4개 화합물의 경우에는 동일한 경향성을 갖지만, p,m-자일렌과 o-자일렌은 다른 화합물에 비해 기울기가 크게 차이나며 일정한 경향성을 보이지 않았다(Fig. 5). 본 연구를 통해 해수에서 대상물질의 정확한 농도 측정을 위해서는 염석효과를 고려하여 농도보정을 하여야 하므로 추가적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 5. 
Correlation between slope and solubility, circle point; 1^st experiment, square point; 2^nd experiment.

본 연구에서는 대상화합물이 어느 정도 검출되는지 확인하고자 국내 연안 해양산업시설, 통영시 주변 해역에서 표층 해수를 채수하여 퍼지앤트랩법으로 분석하였다. 각 정점에서의 분석대상화합물별 검출 농도를 Table 4에 나타내었다. 본 연구의 모든 정점에서 대부분의 화합물이 검출한계 미만의 값으로 검출되지 않았으나 해양산업시설 주변 몇몇 정점에서는 미량의 농도로 검출되었다. st-2 정점에서 벤젠이 2.17 μg/L, 톨루엔이 4.92 μg/L, st-4 정점에서는 톨루엔이 3.67 μg/L 그리고 st-6 정점에서 톨루엔이 3.26 μg/L의 농도로 검출되었다.