KR102645223B1 - 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연소 생성물로부터 예상 오염 물질을 추정하는 단계; 기상 정보를 통해 예상 오염 물질의 확산 방향을 추정하는 단계; 추정된 예상 오염 물질의 확산 방향에 위치하는 오염 예상 토양과 예상 오염 물질의 확산의 반대 방향에 위치하는 대조 토양을 수집하는 단계; 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체를 각각 추출하는 단계; 및 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계;를 포함하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법으로, 구체적으로, LC-MS 기반의 대사체 분석(Metabolomics)을 통한 오염 물질에 오염된 토양 생태계 피해를 검증할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 제조업의 발달로 인해 국내 및 국외 산업시설이 증가하고 있으며 화학 물질의 취급량이 증가하고 있다. 이에 따라, 화학사고 중 화재 폭발에 의해 대기오염이 발생하거나 산업시설 인근, 석탄발전소 등에서 대기 오염물질이 발생하고 있다.
그러나, 이러한 대기 오염원 인근 토양에 대한 생태 영향 평가가 전무하다.
또한, 종래에는 화학물질이 누출되는 사고가 토양의 고농도 오염을 일으키므로 누출사고 후 토양 생태 영향평가가 주목 받아 왔다. 그러나, 화학 물질 화재, 폭발 또는 대기오염에 의한 토양 오염 조사 및 환경생태영향평가에 대한 심각성에 대한 인식이 부족하다.
특히, 대기 오염 물질은 대기 확산으로 저농도화 되거나 자외선으로 인해 광분해되는 것이 일반적인 인식이다. 그러나, 화재 폭발 후 발생하는 연소 생성물이나 산업시설, 도심지역에서 발생하는 대기 오염 물질은 특정 대기 조건에서는 토양 지표에 도달하여 악영향을 미칠 수 있다.
또한, 화학 사고 중 화학 물질의 화재 폭발 후 불완전 연소 반응이 발생하며 이때 발생하는 불완전연소 생성물들은 인간뿐만 아니라 토양 생태계에도 독성을 미친다.
따라서, 대기 오염 물질 또는 화학 사고 중 화재, 폭발에 의해 발생된 연소생성물에 의해 오염된 토양을 탐색하고 해당 토양 생물체들의 대사체 분석 및 해석하는 시스템이 요구된다.
따라서, 본 발명은 산업 시설 인근 대기 오염 물질 또는 화학사고 중 화재, 폭발 사고로 인해 발생하는 대기 오염 물질에 영향을 받은 토양 미생물, 식물의 대사체를 해석하여 생태학적 상태를 진단함으로써, 유해화학물질에 의한 토양 피해를 분석할 수 있는 과학적 근거를 제시하고자 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 연소 생성물로부터 예상 오염 물질을 추정하는 단계; 기상 정보를 통해 예상 오염 물질의 확산 방향을 추정하는 단계; 추정된 예상 오염 물질의 확산 방향에 위치하는 오염 예상 토양과 예상 오염 물질의 확산의 반대 방향에 위치하는 대조 토양을 수집하는 단계; 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체를 각각 추출하는 단계; 및 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계;를 포함하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 기상 정보는 풍향, 풍속 및 기온 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체를 추출하는 단계는, 대상 토양과 용매를 혼합하는 단계; 토양과 용매의 혼합액을 교반하여 용매에 토양 내 대사체를 추출하는 단계; 초음파 분쇄를 통해 토양 내 대사체를 탈착하여 시료를 생성하는 단계; 시료 중 점토성 물질과 콜로이드성 부유 물질들을 여과하는 단계; 시료를 건조하여 농축하는 단계; 건조된 시료를 재용해하는 단계; 및 재용해된 시료로부터 콜로이드 물질을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 토양 내 대사체를 탈착하는 단계는, 초음파 분쇄기를 저온으로 유지하여 수행될 수 있으며, 시료를 건조하여 농축하는 단계는, 질소 가스를 주입하여 시료를 건조할 수 있다.
또한, 본 발명의 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계는, LC-MS 분석을 통해 수행될 수 있으며, 이러한 LC-MS 분석은 액체 크로마토 그래피 질량분석기를 통해 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계는, LC-MS 분석의 데이터를 통계 처리하여 소정의 기준값 이상의 데이터만을 추출하여 비교할 수 있다.
본 발명은 대기 오염 물질에 영향을 받은 토양 환경 대사체를 분석함으로써, 토양 미생물 또는 식물체가 생태학적 스트레스 상태인지 혹은 정상상태인지 판별할 수 있는 과학적 근거를 제시할 수 있다.
또한, 본 발명은 산업 시설 인근 경작지에서 재배되는 농작물 또는 식물체들의 생태 영향 평가를 통해 피해보상을 마련하는 근거로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 오염 물질인 톨루엔의 연소 생성물을 확인하는 장치 및 연소 생성물을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 톨루엔 화재 사고 지역의 토양을 샘플링한 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 통계 분석 처리를 통해 LC-MS 분석 결과를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 분석된 대사체를 해석하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 연소 생성물에 의해 식물체가 영향을 받았는지를 판정하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 톨루엔 화재 사고 지역의 토양을 샘플링한 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 통계 분석 처리를 통해 LC-MS 분석 결과를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 분석된 대사체를 해석하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 연소 생성물에 의해 식물체가 영향을 받았는지를 판정하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법에 대하여 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.
본 발명은 연소 생성물로부터 예상 오염 물질을 추정하는 단계, 기상 정보를 통해 예상 오염 물질의 확산 방향을 추정하는 단계, 추정된 예상 오염 물질의 확산 방향에 위치하는 오염 예상 토양과 예상 오염 물질의 확산의 반대 방향에 위치하는 대조 토양을 수집하는 단계, 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체를 각각 추출하는 단계, 및 오염 예상 토양과 대조 토양 내 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계를 통해 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시 태양과 방법은 아래의 실시예를 통해 설명하기로 한다.
[실시예]
본 발명의 일 실시예는 톨루엔 화재 사고 지역인 경기도 김포시 산업단지 인근 토양을 채취하여 토양 환경 대사체 분석을 진행하였으며, 분석된 대사체를 과학적으로 해석하여 대기오염에 의한 스트레스 반응을 보이는지 또는 정상상태 인지 검증하였다.
즉, 대기오염물질(톨루엔 연소생성물) 오염 예상 지역의 토양에서 대사체를 추출하고 통계처리, 정성 분석(semi-identification)하는 형태로 진행하였다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따라, 톨루엔 연소 생성물을 예측하고, 화재사고 당일 대기오염물질의 확산방향을 예측하기 위해 기상 정보를 확인하였으며, 토양을 채취하여 전처리를 실시하고, LC-MS를 이용하여 분석하여, 분석된 대사체 정보를 해석하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 오염 물질인 톨루엔의 연소 생성물을 확인하는 장치 및 연소 생성물을 나타내는 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에서는 연소된 가스로서, 노말 헥산, 메탄올, 증류수로 차례대로 가스가 이동 및 용해되는 형태를 이용하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 톨루엔 화재 사고 지역의 토양을 샘플링한 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 토양의 샘플링 채취에 앞서, 본 발명의 일 실시 형태에서는 오염 물질인 연소 생성물이 지표에 도달할 수 있는 시나리오를 예측하여 토양 샘플링의 위치를 정할 수 있으며, 예를 들어, 연소 생성물이 화재 및 폭발 후 대기 역전층이 형성되었을 때, 하강기류를 만나 연소 생성물이 토양과 접촉하는 것을 가정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 연소 생성물로 오염된 토양을 특정하고 샘플링하기 위해, 기상 정보를 확인하여 대기 오염 물질의 확산 방향을 추정하였고, 기상자료개방포털를 확인하여 풍향 풍속을 확인하여 토양 샘플링 방향을 결정하였다.
본 발명의 일 실시 형태에서는 샘플링된 토양의 전처리를 실시하였다.
구체적으로, 토양 10g과 용매 30mL를 혼합한 후 볼텍서 믹싱을 한다. 이후 로터리 쉐이커를 이용하여 수직 방향 혼합을 실시하였다. 혼합 후 초음파 분쇄기에 아이스팩이나 얼음을 넣어 저온으로 유지하면서 시료를 30분 동안 초음파 분쇄를 실시하였다. 초음파 분쇄 후 PVDF 실린지 필터로 여과한 후, 질소 가스로 모두 여과된 용액을 건조하였다. 이후 이소프로판올(isopropanol) 3mL를 넣어 용기 내부에 붙어있는 유기 물질들을 재용해하고, 재용해할 때는 전술한 방법과 동일한 방법으로 초음파 분쇄를 실시하였다. 재용해 후 다시 여과하여 샘플을 준비하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 통계 분석 처리를 통해 LC-MS 분석 결과를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, LC-MS를 이용한 토양 내 대사체 분석을 위한 기기 분석 조건을 구체적으로 설명하기로 한다.
Ultra-High-Performance Liquid Chromatography (UHPLC) system coupled with Orbitrap-MS for metabolomics를 활용하여 비표적 대사체 분석(non-targeted metabolomics)을 수행하였으며 대조군(非오염토양)의 샘플과 비교 분석하였다.
기기분석 조건은, 액체크로마토 그래피 질량분석기는 LC system coupled with Orbitrap VelosPro MS (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)이며 BEH-C18 (100mm length × 2.1mm i.d., 1.7μm particle size; Waters, USA) 컬럼을 사용하였으며 유속은 400 μL/min이다. 이동상은 A(0.1% formic acid in DW) 와 B(0.1% formic acid in acetonitrile)이다. 이동상 gradient 조건은 0-3min at 5% B; 3-10min, 5%-65% B; 10-11.5min, 65%-90% B; 11.5-16min, 90% B; 16-16.1min, 90-5% B; 16.1-19min, 5% B 이다.
마지막 gradient는 초기 컨디션으로 돌아오도록 하였다. 컬럼은 40℃로 유지되었으며 총 가동 시간은 16분이다. 5μL의 샘플이 주입되었으며 샘플은 자동샘플러(autosampler)에서 4℃로 보관하여 분석 시간에도 샘플 변질을 방지하도록 하였다.
질량 분석기는 ion spray voltage를 3.8Kv로 설정하여 충분히 분무된 시료가 하전이온을 형성하도록 하였으며 320℃ 조건에서 수행되었다. 모든 샘플은 FTMS (Fourier Transform Mass Spectrometr) full scan mode로 분석하여 고행상의 모든 피크를 분석하여 데이터로 취합하였으며, 분해능(resolving power)은 60,000으로 하였으며 m/z(mass to charge ratio) ranges 는 50-1600로 설정하여 profile mode에서 분석되었다.
분석 결과, 대략적으로 100개 이상의 변수와 검출 강도(intensity)가 표현된 데이터가 생성되고, 본 발명의 일 실시 형태의 LC-MS raw 분석 데이터에는 다양한 변수가 존재하므로 데이터의 차원 축소(Pareto scaling)를 적용하였다.
구체적으로, SIMCA 16 소프트웨어를 사용하여 raw 분석 데이터를 Projection to Latent Structures-Discriminant Analysis(PLS-DA) 통계 처리하였다. 이 때, 출력되는 결과는 Score plot, Loading plot, VIP value 등 3가지로 확인하였으며, VIP value가 1보다 높은 대사체들은 오염 토양과 대조(비오염) 토양 내에 대사체의 검출 강도가 서로 상이하며 통계적으로 유의미한 대사체들로만 판단을 하였다.
한편, 1보다 높은 VIP value를 보이는 대사체(변수)들은 Loading plot에서 확인할 수 있었고, Metaboanalyst 5.0의 프로그램에서 통계 분석을 실시하여 T-test(t-검정)을 실시하고, p-value가 0.05 이하인 대사체(변수)들의 정보를 확보할 수 있었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다변량 통계분석인 PLS-DA 처리를 통해 LC-MS 분석결과를 아래와 같이 2차원으로 차원축소하여 표현하였으며, 사고지역 토양과 비사고지역 토양간의 대사체 검출강도가 서로 상이함을 확인하였다.
결론적으로, 사고지역 토양이 톨루엔 화재로 인해 연소생성물의 영향을 받았음을 추정할 수 있었다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 분석된 대사체를 해석하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 연소 생성물에 의해 식물체가 영향을 받았는지를 판정하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, Metaboanalyst 5.0 프로그램을 활용하여 토양 내 미생물이 연소생성물에 스트레스를 받아 지방산 합성 대사체를 생성하여 self-protection 작용을 하고 있음을 확인하여, 톨루엔 화재사고로 인해 피해 검증 판정이 가능하였다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 식물체가 연소생성물의 식물세포막 침투로 인해 방어 작용을 하여 3-nitroacrylate를 생성하고있음을 확인하였으므로, 톨루엔 화재사고로 인해 피해 검증 판정이 가능하였다.
정리하면, 확보된 대사체의 대사경로분석, 대사네트워크 분석을 통해, 토양 내 환경 대사체들이 연소오염물질에 의해 영향을 받고 있는지 여부를 판단 및 검증할 수 있었다.
전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해하여야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은, 대기오염물질 또는 화학사고 중 화재 폭발이 발생하였을 때 발생하는 가스 구름 속 연소생성물에 의해 오염된 토양을 특정하고, LC-MS 기반 비표적 대사체 분석법을 이용하여 오염된 토양 생태영향평가 방법을 통해, 대기 오염물질로 인해 토양 생태계가 피해를 받았는지 검증할 수 있다.
Claims (8)
- 연소 생성물로부터 예상 오염 물질을 추정하는 단계;
풍향, 풍속 및 기온 중 하나 이상을 포함하는 기상 정보를 통해 상기 예상 오염 물질의 확산 방향을 추정하는 단계;
추정된 상기 예상 오염 물질의 확산 방향에 위치하는 오염 예상 토양과 상기 예상 오염 물질의 확산의 반대 방향에 위치하는 대조 토양을 수집하는 단계;
상기 오염 예상 토양과 상기 대조 토양 내 미생물 및 식물의 대사체를 각각 추출하는 단계; 및
상기 오염 예상 토양과 상기 대조 토양 내 미생물 및 식물의 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계;를 포함하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법으로서,
상기 오염 예상 토양과 상기 대조 토양 내 미생물 및 식물의 대사체를 추출하는 단계는,
대상 토양과 용매를 혼합하는 단계; 상기 토양과 용매의 혼합액을 교반하여 용매에 토양 내 미생물 및 식물의 대사체를 추출하는 단계; 초음파 분쇄를 통해 토양 내 미생물 및 식물의 대사체를 탈착하여 시료를 생성하는 단계; 상기 시료 중 점토성 물질과 콜로이드성 부유 물질들을 여과하는 단계; 상기 시료를 건조하여 농축하는 단계; 상기 건조된 시료를 재용해하는 단계; 및 상기 재용해된 시료로부터 콜로이드 물질을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 시료를 건조하여 농축하는 단계는, 질소 가스를 주입하여 상기 시료를 건조하는 것을 특징으로 하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 오염 예상 토양과 상기 대조 토양 내 미생물 및 식물의 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계는, LC-MS 분석을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 LC-MS 분석은 액체 크로마토 그래피 질량분석기를 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 오염 예상 토양과 상기 대조 토양 내 미생물 및 식물의 대사체의 검출 강도를 비교하는 단계는, 상기 LC-MS 분석의 데이터를 통계 처리하여 소정의 기준값 이상의 데이터만을 추출하여 비교하는 것을 특징으로 하는 오염 물질에 의한 토양 피해 분석 방법.
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| JP2011072941A (ja) | 2009-09-30 | 2011-04-14 | Kumagai Gumi Co Ltd | 土壌の状態判定方法 |
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|---|---|---|---|---|
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2021
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Patent Citations (2)
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| Title |
|---|
| 조성진. 기후환경변화 대응 환경유해물질의 생물학적 검출 및 위해성 평가 기법 개발. 충북대학교, 농촌진흥청 완결과제 최종보고서. 2019. PJ011661.* |
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| KR20230053867A (ko) | 2023-04-24 |
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