KR20210075593A - 토양의 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

토양에서 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 방법이 개시된다. 실시예는 토양에 서식하는 다양한 생물 종들 각각에 중금속 이온의 농도가 미치는 영향을 고려하고, 시기 별로 변화하는 토양의 화학 특성을 고려하여 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

토양의 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 방법{METHOD OF DETERMINING A ECOTOXICALLY ACCEPTABLE CONCENTRATION OF HEAVY METAL IONS ON SOIL}
아래 실시예들은 토양에서 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 방법에 관한 것이다.
생태독성은 환경에 존재하는 화학물질이 생물에 미치는 생태적 영향으로, 생태독성 분석을 통해 생태계에 관한 위해성 정보를 제공할 수 있다. 생체 리간드 모델(Biotic Ligand Model, BLM)은 수계의 독성 예측 모델 중 하나로, 중금속 이온의 생물학적 이용성 및 독성을 평가하는 수단으로 이용된다. 생체 리간드 모델은 수계에서 수용체의 표면에 존재하는 활성 결합 부위(생체 리간드)에 결합하여 독성을 발현하는 중금속 자유 이온의 농도를 분석하여 생물 종에 미치는 중금속 이온의 독성을 평가한다. 생체 리간드 모델은 생체 리간드에 결합할 수 있는 다른 양이온(칼륨이온, 칼슘이온, 마그네슘 이온 등)의 농도, 중금속 자유 이온의 활성도에 영향을 미칠 수 있는 수계의 환경 조건(pH, DOC 등) 등을 고려하여 특정 생물 종에 미치는 중금속 이온의 독성을 평가한다.
실시예들은 토양에 서식하는 다양한 생물 종들 및 시기 별로 변화하는 토양의 화학 특성을 고려하여 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 기술을 제공할 수 있다.
일 측에 따른 토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법은 토양에서 시기별로 채취된 샘플에 기초하여 상기 토양의 중금속 이온 농도를 포함하는 화학 특성을 시기별로 획득하는 단계; 상기 토양의 화학 특성 및 생체 리간드 모델(Biotic Ligand Model, BLM)에 기초하여 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계; 시기별로 산정한 제1 농도들에 기초하여, 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물종의 비율 및 중금속 이온의 위해 농도 기반의 종 민감 분포도(Species Sensitivity Distributions)를 시기별로 결정하는 단계; 상기 종 민감 분포도에 기초하여 중금속 이온의 위해 농도인 제2 농도를 시기별로 산정하는 단계; 및 시기별 화학 특성들 및 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 제1 농도는 생물 종에 포함된 전체 생물 개체들 중 미리 정해진 제1 비율의 개체에 독성 영향을 발현하는 중금속 이온의 농도일 수 있다. 상기 제2 농도는 상기 종 민감 분포도에서 전체 생물 종들 중 상기 미리 정해진 제2 비율의 생물 종에 위해한 영향을 끼치는 중금속 이온의 농도일 수 있다.
상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계는 상기 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 시기별 화학 특성들을 평가하는 독성 단위(toxic unit)들을 산정하는 단계; 상기 독성 단위들의 분포에 기초하여, 미리 정해진 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위를 산정하는 단계; 상기 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위에 기초하여, 상기 시기별 화학 특성들을 변환하는 단계; 및 상기 변환된 시기별 화학 특성들의 분포에 기초하여, 상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 샘플은 토양 공극수 및 토양 용액 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 화학 특성은 pH, DOC 및 이온 농도를 더 포함할 수 있다. 상기 중금속 이온은 구리 이온을 포함할 수 있다.
상기 토양의 화학 특성 및 생체 리간드 모델에 기초하여 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계는 생체 리간드 모델의 적용 대상이 되는 복수의 생물 종들을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측에 따른 토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치는 토양에서 시기별로 채취된 샘플에 기초하여 상기 토양의 중금속 이온 농도를 포함하는 화학 특성을 시기별로 획득하고, 상기 토양의 화학 특성 및 생체 리간드 모델(Biotic Ligand Model, BLM)에 기초하여 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하고, 시기별로 산정한 제1 농도들에 기초하여, 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물종의 비율 및 중금속 이온의 위해 농도 기반의 종 민감 분포도(Species Sensitivity Distributions)를 시기별로 결정하고, 상기 종 민감 분포도에 기초하여 중금속 이온의 위해 농도인 제2 농도를 시기별로 산정하며, 시기별 화학 특성들 및 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.
상기 프로세서는 상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정하기 위하여, 상기 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 시기별 화학 특성들을 평가하는 독성 단위(toxic unit)들을 산정하고, 상기 독성 단위들의 분포에 기초하여, 미리 정해진 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위를 산정하고, 상기 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위에 기초하여, 상기 시기별 화학 특성들을 변환하며, 상기 변환된 시기별 화학 특성들의 분포에 기초하여, 상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 제1 농도를 시기별로 산정하기 위하여, 분석 대상이 되는 복수의 생물 종들을 설정할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 일실시예에 따른 토양의 화학 특성을 분석한 결과를 예시한 도면.
도 3은 일실시예에 따른 생체 리간드 모델을 적용하기 위한 생물 종별 파라미터 값들을 예시한 도면.
도 4는 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 제1 농도 값(EC50{Cu2+})을 시기 별로 산정한 결과를 예시한 도면.
도 5는 특정 시기에 채취된 샘플에서 산정한 복수의 생물 종들의 제1 농도 값들에 기초하여 결정된 종 민감 분포도를 예시한 도면.
도 6 은 시기 별 종 민감 분포도에서 산정한 제2 농도의 값들을 예시한 도면.
도 7은 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 과정에서 이용되는 값들을 예시한 도면.
도 8은 도 7의 자료를 바탕으로 제2 농도, 구리 이온의 농도, Cui,comp 및 TU 값들의 누적 확률 분포를 도시한 도면.
본 명세서에서 개시되어 있는 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 기술적 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 실시예들은 다양한 다른 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~간의에"와 "바로~간의에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
생체 리간드 모델(Biotic Ligand Model, BLM)은 수계에 존재하는 중금속 이온의 독성을 예측하는 모델로, 생물 종에 대응하는 파라미터(들) 및 분석 대상이 되는 환경의 특성에 기초하여 생체 리간드 모델에서 정의한 수학식으로 중금속 이온의 독성을 예측할 수 있다. 예를 들어, 분석 대상이 되는 토양에서 구리 이온의 독성을 예측하기 위해 생체 리간드 모델을 적용하여, 특정 생물 종에 속하는 50%의 개체에 위해한 영향을 미치는 구리 이온의 농도(EC50{Cu2+})를 토양에 존재하는 구리 이온의 독성으로 예측할 수 있다. 생체 리간드 모델을 적용하는 구체적인 방법은 이하 도 3에서 서술한다.
도 1은 일실시예에 따른 토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 일실시예는 다양한 생물종에 대한 중금속 이온의 독성 영향 및 시간에 따른 토양의 화학 특성의 변화를 반영하여 산정한 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 이용하여 토양의 중금속 이온의 독성을 평가할 수 있다. 이하에서 구리 이온을 중금속 이온의 예로 들어 설명하겠으나, 실시예에서 독성을 평가하는 대상이 되는 중금속 이온은 다양한 중금속(예를 들어, 수은, 납, 철, 니켈 등) 이온들을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법은 토양의 중금속 이온 농도를 포함하는 화학 특성을 시기별로 획득하는 단계(110), 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계(120), 종 민감 분포도(Species Sensitivity Distributions)를 시기별로 결정하는 단계(130), 중금속 이온의 위해 농도인 제2 농도를 시기별로 산정하는 단계(140), 및 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계(150)를 포함한다.
일실시예에 따른 토양의 중금속 이온 농도를 포함하는 화학 특성을 시기별로 획득하는 단계(110)는 토양에서 시기별로 채취된 샘플에 기초하여 토양의 중금속 이온 농도를 포함하는 화학 특성을 시기별로 획득하는 단계에 해당할 수 있다. 토양에서 시기별로 채취된 샘플은 평가 대상이 되는 토양에서 시기를 다르게 하여 채취된 복수 개의 샘플들에 해당할 수 있다. 실시예에 따른 샘플은 토양공극수 및/또는 토양 용액을 포함할 수 있다. 토양공극수는 토양 입자 사이의 틈에 존재하는 물을 의미한다. 실시예에 따를 때, 토양공극수를 채취하기 위한 샘플러를 표토 아래에 설치하고, 샘플러의 압력을 낮추어 토양과 샘플러의 압력 차이에 의해 토양공극수가 샘플러 내부에 들어오게 하는 방식으로 토양에서 토양공극수를 채취할 수 있다. 일실시예에 따른 토양 용액은 토양과 증류수를 섞어 가공한 용액에 해당할 수 있다. 실시예에 따를 때, 토양 용액은 평가 대상인 토양을 일부 채취하여 건조시킨 후 증류수를 섞어 평형 상태에 도달하도록 교반시키고, 평형 상태에 도달한 용액을 원심분리기로 회전시켜 필터에 여과시켜 채취할 수 있다. 일실시예에 따른 토양의 화학 특성은 토양의 수소 이온 농도 지수(pH), 용존유기탄소(Dissolved organic carbon; DOC), 중금속 이온의 농도 및 토양에 존재하는 이온의 농도 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따른 중금속 이온은 구리 이온(Cu2+)을 포함할 수 있다. 일실시예에 따를 때, 토양의 이온 농도는 유도결합플라즈마 질량분석기(inductively coupled plasma mass spectrometer; ICP-MS)로 이온을 분리하여 농도를 측정하는 방법으로 획득할 수 있다. 일실시예에 따를 때, 토양의 용존유기탄소는 총 유기탄소 분석기기를 이용하여 용액을 고온으로 연소시켜 용액 내의 유기 탄소를 이산화탄소로 산화시켜 정량하는 방법으로 획득할 수 있다.
일실시예에 따른 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계(120)는 단계(110)에서 획득한 토양의 화학 특성 및 생체 리간드 모델(Biotic Ligand Model; BLM)에 기초하여 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계에 해당할 수 있다. 실시예에서 제1 농도는 생체 리간드 모델을 적용하여 산정된 특정한 하나의 생물 종에 속하는 전체 생물 개체들 중 미리 정해진 제1 비율의 생물 개체에 독성영향을 발현하는 중금속 이온의 농도로, 예를 들어 생체 리간드 모델을 적용하여 특정한 하나의 생물 종에 속하는 50%의 생물 개체에 독성 영향을 발현하는 구리 이온의 농도에 해당할 수 있다. 실시예에 따를 때, 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계(120)는 생체 리간드 모델의 적용 대상이 되는 복수의 생물 종들을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 생체 리간드 모델의 적용 대상이 되는 복수의 생물 종들로 10개의 생물 종들을 설정한 경우, 10개의 생물 종들 각각에 대하여 생체 리간드 모델을 적용하여, 생물 종별 및 시기별로 제1 농도를 산정할 수 있다. 이하에서 생물 종 전체 또는 전체 생물 종은 생체 리간드 모델의 적용 대상이 되는 복수의 생물 종들을 설정하는 단계에서 설정된 복수의 생물 종들 전체를 의미한다. 실시예에 따른 제1 농도를 산정하는 구체적인 방법은 이하 도 3에서 서술한다.
일실시예에 따른 종 민감 분포도를 시기별로 결정하는 단계(130)는 시기별로 산정한 제1 농도들에 기초하여, 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물종의 비율 및 중금속 이온의 위해 농도 기반의 종 민감 분포도(Species Sensitivity Distributions)를 시기별로 결정하는 단계에 해당할 수 있다. 실시예에 따른 시기별로 산정한 제1 농도들은 동일한 시기에 채취한 샘플에서 복수의 생물 종들 각각에 대하여 산정한 제1 농도들에 해당할 수 있다. 실시예에 따른 종 민감 분포도는 중금속 이온 농도에 대응하여 전체 생물 종들 중에서 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물 종의 비율을 나타낸 그래프로, 예를 들어 복수의 생물 종들 각각에 대하여 산정한 제1 농도들의 누적 분포 함수에 해당할 수 있다. 실시예에서 종 민감 분포도를 시기별로 결정하는 것은 토양에서 샘플을 채취한 시기들 각각에 대응하는 종 민감 분포도를 결정하는 것을 의미할 수 있다. 종 민감 분포도에 관한 구체적인 내용은 이하 도 5에서 서술한다.
일실시예에 따른 중금속 이온의 위해 농도인 제2 농도를 시기별로 산정하는 단계(140)는 단계(130)에서 시기별로 결정된 종 민감 분포도에 기초하여 중금속 이온의 위해 농도인 제2 농도를 시기별로 산정하는 단계에 해당할 수 있다. 실시예에서 제2 농도는 전체 생물 종들 중 미리 정해진 제2 비율의 생물 종(들)에 위해한 영향을 끼치는 중금속 이온의 위해 농도(hazardous concentration)로 종 민감 분포도에서 전체 생물 종들 중에서 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물 종의 제2 비율에 대응하는 중금속 이온의 농도에 해당할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 제2 비율이 5%인 경우 제2 농도는 전체 생물 종들 중 5%의 생물 종에 위해한 영향을 끼치는 중금속 이온의 농도에 해당할 수 있고, 종 민감 분포도에서 5%의 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물 종의 비율값에 대응하는 중금속 이온의 농도 값에 해당할 수 있다. 실시예에서 제2 농도를 시기별로 도출하는 경우, 토양에서 샘플을 채취한 시기들 각각에 대응하는 제2 농도가 존재할 수 있다. 이하에서 실시예에 따른 제2 농도는 미리 정해진 제2 비율이 5%인 경우를 예로 들어 설명하겠으며, 제2 농도는 위해 농도 또는 HC5로 지칭될 수 있다.
일실시예에 따른 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계(150)는 시기별 화학 특성들 및 시기별 제2 농도들에 기초하여 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계에 해당할 수 있다. 일실시예에 따른 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계(150)는 시기별 제2 농도들에 기초하여 시기별 화학 특성들을 평가하는 독성 단위(toxic unit)들을 산정하는 단계, 독성 단위들의 분포에 기초하여, 미리 정해진 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위를 산정하는 단계, 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위에 기초하여, 시기별 화학 특성들을 변환하는 단계, 및 변환된 시기별 화학 특성들의 분포에 기초하여, 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 실시예에 따른 단계(150)를 통해 토양에서 샘플을 채취한 시기마다 토양의 pH, DOC, 중금속 이온 농도, 이온 농도 등 토양의 화학 특성의 차이를 반영하여 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정할 수 있다.
실시예에서 미리 정해진 허용 초과 빈도는 중금속 이온의 농도가 제2 농도를 초과하는 빈도의 허용 한계치로, 예를 들어 생태계의 자정 작용을 고려하여 허용 초과 빈도를 1/1095(3년에 1일에 해당하는 빈도)로 정할 수 있다. 참고로, 1/1095는 생태계에서 자정 허용 한계치를 초과하는 사고가 발생한 경우 생태계가 자정 작용을 통해 정상 상태로 돌아오는 시간이 3년인 것을 고려한 빈도에 해당한다. 실시예에 따른 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 구체적인 방법은 이하 도 7에서 서술한다.
도 2는 일실시예에 따른 토양의 화학 특성을 분석한 결과를 예시한 도면에 해당한다. 도 2를 참조하면, 일실시예에 따른 토양의 화학 특성을 분석하는 단계(110)에서 특정 시기에 토양에서 채취된 샘플의 화학 특성(온도, pH, DOC, 다양한 이온들의 농도 등)을 분석하고, 시기별(Sampling Date)로 분석 결과를 나타낼 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 생체 리간드 모델을 적용하기 위한 생물 종별 파라미터 값들을 예시한 도면에 해당한다. 상술한 바와 같이 생체 리간드 모델은 환경 특성 및 특정한 생물 종의 특성에 기초하여 중금속 이온의 독성을 예측하는 모델이다. 생체 리간드 모델은 예를 들어, 특정 생물 종의 50%에 해당하는 개체에 위해한 영향을 끼치는 구리 이온의 농도(EC50{Cu2+})를 중금속 이온의 독성으로 예측할 수 있다. 생체 리간드 모델에서 EC50{Cu2+}은 다음의 수학식 1과 같이 표할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
도 3을 참조하면, 상기 수학식 1의 파라미터들의 값은 생물 종 및 중금속 이온을 포함한 이온들의 농도에 기초하여 결정될 수 있다. 실시예에 따른 제1 농도는 생체 리간드 모델에 따른 특정 생물 종의 50%에 해당하는 개체에 위해한 영향을 끼치는 구리 이온의 농도(EC50{Cu2+})에 해당할 수 있고, 이 경우 제1 농도는 도 3의 파라미터 값들을 상기 수학식 1에 대입하여 산정할 수 있다.
도 4는 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 제1 농도 값(EC50{Cu2+})을 시기 별로 산정한 결과를 예시한 도면이다. 도 4를 참조하면, BLM에 기초하여 생물 종별 중금속 이온의 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계(120)에서 산정된 제1 농도들은 생물 종별(420) 및 시기별(410)로 나타낼 수 있다.
도 5는 특정 시기에 채취된 샘플에서 산정한 복수의 생물 종들의 제1 농도 값들에 기초하여 결정된 종 민감 분포도를 예시한 도면이다. 실시예에 따른 종 민감 분포도는 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물 종의 비율을 y축으로 하고, 중금속 이온의 위해 농도를 x축으로 하는 2차원 그래프에 해당할 수 있다. 일실시예에 따를 때, 종 민감 분포도의 y축은 중금속 이온의 위해 농도의 로그(log)를 취한 값에 해당할 수 있다. 일실시예에 따른 종 민감 분포도는 생물 종들 각각에 대응하는 제1 농도 및 생물 종의 제1 농도를 기준으로 결정된 백분율 순위에 기초하여 결정될 수 있다.
도 5를 참조할 때, 그래프는 특정 시기(예를 들어, 제1 시기)에 대응하는 종 민감 분포도에 해당하고, 그래프 상의 각각의 점은 생물 종에 대응한다. 도 5를 참조할 때, 그래프 상의 각각의 점의 x값은 대응하는 생물 종의 제1 시기에 대응하는 제1 농도에 해당하고, y값은 대응하는 생물 종의 생물 종들의 제1 시기에 대응하는 제1 농도를 기준으로 한 순위(예를 들어, 백분율 순위)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 10개의 생물 종들 중 제1 생물 종의 제1 농도가 가장 낮은 경우, 종 민감 분포도에서 제1 생물 종에 대응하는 점의 y값은 10% 또는 0.1에 해당할 수 있다. 일실시예에 따른 제2 농도는 종 민감 분포도에서 y축(510)의 미리 정해진 값에 대응하는 x축(520)의 값에 해당할 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조할 때, 제2 농도는 종 민감 분포도에서 y축(510)의 5%에 대응하는 x축(520)의 값에 해당할 수 있고, 제2 농도는 HC5로 지칭될 수 있다.
도 6은 시기 별 종 민감 분포도에서 산정한 제2 농도(620)의 값들을 예시한 도면이다. 실시예에서 HC5(620) 값은 종 민감 분포도의 y축(510)의 5%에 대응하는 x축(520)의 값으로 전체 생물 종들 중 5%의 생물 종에 위해한 영향을 끼치는 구리 이온 농도의 값에 해당할 수 있다. 도 6을 참조하면, 실시예에서 특정 시기의 토양의 화학 특성을 분석하여 도출한 종 민감 분포도에 대응하는 제2 농도(620) 값을 산정하여, 시기별(610)로 나타낼 수 있다.
도 7은 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 과정에서 이용되는 값들을 예시한 도면이다.
도 7을 참조할 때, 생태독성학적 환경허용농도를 결정하기 위해 이용되는 값들은 토양에서 샘플을 채취한 시기(710), 실시예에 따른 단계(140)를 거쳐 산정한 제2 농도(720) 값, 토양의 화학 특성을 획득하는 단계(110)에서 산정한 토양 샘플의 구리 이온 농도(730)를 포함할 수 있다.
도 7을 참조할 때, 시기별로 산정된 Toxic Unit(TU)(740)은 시기별 제2 농도들에 기초하여 시기별 화학 특성들을 평가하는 독성 단위로, 해당 시기에 대응하는 구리 이온의 농도(730)를 해당 시기에 대응하는 제2 농도(720) 값으로 나누어 산정할 수 있다. TU(740) 값들의 분산은 토양의 구리 이온의 농도가 제2 농도 값을 초과하지 않을 확률을 추정하는데 이용될 수 있다.
도 7을 참조할 때, TUEF(750)는 독성 단위(TU)들의 분포에 기초하여, 미리 정해진 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위 시기별로 산정한 값으로, 토양에서 측정된 구리 이온의 농도가 산정된 구리 이온의 위해 농도(720)를 초과하는 빈도가 미리 정해진 허용 초과 빈도보다 큰 및/또는 작은 정도를 나타낸다. 예를 들어, TUEF(750)가 1을 초과하는 경우, 토양에서 측정된 구리 이온의 농도(730)가 구리 이온의 위해 농도(720)를 초과하는 빈도가 미리 정해진 허용 초과 빈도보다 크다는 것을 의미할 수 있다. 일실시예에 따른 허용 초과 빈도는 토양의 중금속 이온의 농도가 위해 농도(720)를 초과하는 빈도를 평가하기 위한 기준이 되는 값으로, 예를 들어 3년 중 1일에 해당하는 빈도인 1/1095로 정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 3년은 생태계에서 자정 허용 한계치를 초과하는 사고가 발생한 경우 생태계가 자정 작용을 통해 정상 상태로 돌아오는 데에 소요되는 시간에 해당할 수 있다. 일실시예에 따른 1/1095의 허용 초과 빈도 값은 하나의 예시에 해당하는 것으로, 실시예에 따라 미리 정해진 초과 빈도는 다른 값으로 정해질 수 있다.
실시예에 따른 TUEF(750)는 다음의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
일실시예에 따른 ZEF 는 시기별 TU(740)에 로그를 취한 값들을 정규 분포화하였을 때, 미리 정해진 초과 빈도인 1/1095에 대응하는 표준 점수(Z score)에 해당할 수 있고, 일실시예에 따른 STU는 TU(740)에 로그를 취한 값들의 표준 편차에 해당할 수 있으며, TUMean은 TU(740)에 로그를 취한 값들의 기하평균에 해당할 수 있다.
도 7을 참조할 때, AF(760)는 1/TUEF(750)에 해당할 수 있고, 시기별로 산정한 Cui,comp(770)는 해당 시기의 구리 농도(730)에 AF(760)값을 곱한 값에 해당할 수 있으며, TUi,comp(780)는 Cui,comp(770)/HC5(720)에 해당할 수 있다. 도 7의 FMB(790)는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도로, 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
상기 수학식 3에서 Scu는 구리 이온 농도의 로그 표준 분산에 해당할 수 있고, CuMean,comp는 구리 이온 농도의 기하평균인 CuMean*AF(760) 값에 해당할 수 있다. 일실시예에서 산정된 구리 이온의 생태독성학적 환경허용농도(790)는 토양에 서식하는 다양한 생물 종들 각각에 미치는 구리 이온의 위해한 영향 및 시기 별로 변화하는 토양의 화학 특성을 반영하여 산정한 구리 이온의 생태독성학적으로 허용가능한 농도로, 토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 기준이 될 수 있다.
도 8은 도 7의 자료를 바탕으로 제2 농도(720), 구리 이온의 농도(730), Cui,comp(770) 및 TU(740) 값들의 누적 확률 분포를 도시한 도면이다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (17)

  1. 토양에서 시기별로 채취된 샘플에 기초하여 상기 토양의 중금속 이온 농도를 포함하는 화학 특성을 시기별로 획득하는 단계;
    상기 토양의 화학 특성 및 생체 리간드 모델(Biotic Ligand Model, BLM)에 기초하여 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계;
    시기별로 산정한 제1 농도들에 기초하여, 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물종의 비율 및 중금속 이온의 위해 농도 기반의 종 민감 분포도(Species Sensitivity Distributions)를 시기별로 결정하는 단계;
    상기 종 민감 분포도에 기초하여 중금속 이온의 위해 농도인 제2 농도를 시기별로 산정하는 단계; 및
    시기별 화학 특성들 및 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계
    를 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 농도는
    생물 종에 포함된 전체 생물 개체들 중 미리 정해진 제1 비율의 개체에 독성 영향을 발현하는 중금속 이온의 농도
    인 것을 특징으로 하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 농도는
    상기 종 민감 분포도에서 전체 생물 종들 중 상기 미리 정해진 제2 비율의 생물 종에 위해한 영향을 끼치는 중금속 이온의 농도
    인 것을 특징으로 하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계는
    상기 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 시기별 화학 특성들을 평가하는 독성 단위(toxic unit)들을 산정하는 단계;
    상기 독성 단위들의 분포에 기초하여, 미리 정해진 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위를 산정하는 단계;
    상기 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위에 기초하여, 상기 시기별 화학 특성들을 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 시기별 화학 특성들의 분포에 기초하여, 상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 단계
    를 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 샘플은 토양 공극수 및 토양 용액 중 적어도 하나를 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 화학 특성은 pH, DOC 및 이온 농도를 더 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중금속 이온은 구리 이온을 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 토양의 화학 특성 및 생체 리간드 모델에 기초하여 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하는 단계는
    생체 리간드 모델의 적용 대상이 되는 복수의 생물 종들을 설정하는 단계를 더 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 방법.
  9. 하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  10. 토양에서 시기별로 채취된 샘플에 기초하여 상기 토양의 중금속 이온 농도를 포함하는 화학 특성을 시기별로 획득하고, 상기 토양의 화학 특성 및 생체 리간드 모델(Biotic Ligand Model, BLM)에 기초하여 복수의 생물 종들 각각에 대응하는 중금속 이온의 독성영향 농도인 제1 농도를 시기별로 산정하고, 시기별로 산정한 제1 농도들에 기초하여, 중금속 이온에 위해한 영향을 받는 생물종의 비율 및 중금속 이온의 위해 농도 기반의 종 민감 분포도(Species Sensitivity Distributions)를 시기별로 결정하고, 상기 종 민감 분포도에 기초하여 중금속 이온의 위해 농도인 제2 농도를 시기별로 산정하며, 시기별 화학 특성들 및 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 토양에 대응하는 중금속 이온의 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는 적어도 하나의 프로세서
    를 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 농도는
    생물 종에 포함된 전체 생물 개체들 중 미리 정해진 제1 비율의 개체에 독성 영향을 발현하는 중금속 이온의 농도인 것을 특징으로 하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 농도는
    상기 종 민감 분포도에서 전체 생물 종들 중 상기 미리 정해진 제2 비율의 생물 종에 위해한 영향을 끼치는 중금속 이온의 농도인 것을 특징으로 하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정하기 위하여,
    상기 시기별 제2 농도들에 기초하여 상기 시기별 화학 특성들을 평가하는 독성 단위(toxic unit)들을 산정하고, 상기 독성 단위들의 분포에 기초하여, 미리 정해진 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위를 산정하고, 상기 허용 초과 빈도에 대응하는 독성 단위에 기초하여, 상기 시기별 화학 특성들을 변환하며, 상기 변환된 시기별 화학 특성들의 분포에 기초하여, 상기 생태독성학적 환경허용농도를 결정하는,
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 샘플은 토양 공극수 및 토양 용액 중 적어도 하나를 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 화학 특성은 pH, DOC 및 이온 농도를 더 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 중금속 이온은 구리 이온을 포함하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 농도를 시기별로 산정하기 위하여,
    분석 대상이 되는 복수의 생물 종들을 설정하는
    토양의 중금속 이온의 독성을 평가하는 장치.
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