이어도 해양과학기지 인근의 해양표층 퇴적토는 국립 P대학교의 탐사선을 2019년 4월에 투입하여 채취하였다. 총 21곳의 시료채취 장소는 채취 순서대로 1에서 25로 명명하였고 Fig. 2에 표시하였다. 이 중 5, 7, 8, 12, 13, 14, 18, 그리고 23번은 해양과학기지와 인접한 지역으로 시료채취를 하지 못하였다. 비교 시료로 사용하기 위해 과학기지를 기준으로 서남방 지역에서 C1과 C2 시료를 채취하였고 또한 과학기지와 제주도 사이에서 19JO1, 19JO2, 19JO3 시료를 채취하였으며, 비교 시료 채취장소는 Fig. 2에 표시하였다. 시료채취는 9 L 용량의 Vanveen grab sampler를 이용하였으며 대상 지점을 기준으로 동서남북 20 m 지점의 시료를 채취한 후 균질시료(composite sample)로 만든 후 분석 전까지 4℃에서 냉장 보관하였다.

퇴적토의 유기물 함량을 측정하기 위해 퇴적토의 강열감량(ignition loss)을 측정하였으며, 강열감량은 해양오염공정시험법에서 제시한 방법에 따라 측정되었다. 먼저 젖은 시료 약 50 g을 플라스틱 숟가락으로 시료용기에서 덜어내 125 mL 광구 플라스틱병에 넣었으며 병에 담긴 시료를 냉동고에서 완전히 동결시킨 후 동결된 시료는 동결건조기에 넣고 완전히 건조시켰다. 건조된 시료는 막자사발을 이용하여 곱게 분마한 후 230 메쉬 크기의 체를 통과시켜 통과된 시료를 강열감량 분석에 사용하였다. 230 메쉬 체를 통과한 시료는 건조기에서 60℃로 48시간 동안 건조하여 수분을 완전히 증발시킨 후 수분을 제거한 건조 시료 5 g을 전기로에서 550℃로 2시간 가열하여 유기물 연소로 인한 가열 전후의 무게차로 시료의 강열감량을 계산하였다. 시료에 포함된 C, H, N, S의 함량을 분석하기 위해 원소분석기(Macro and Micro Elemental Analyzer, Elementar, Germany)를 사용하였으며 분석은 ASTM D5291-93 실험방법에 따라 진행이 되었다. 시료는 1,150℃로 가열하여 각종 원소를 함유한 가스로 분해하고 열전도도 검출기를 이용하여 원소의 종류와 함량을 알아내었다. 퇴적토의 중금속 함량은 해양오염공정시험법에서 제시하고 있는 중금속 분석방법을 이용하여 측정하였다. 퇴적토 1 g을 비이커에 넣은 후 질산, 과염소산 및 불소산을 이용하여 완전 분해한 후 1 N 질산용액으로 재용해한 후 중금속 성분을 분석하였다. 본 연구에서는 Optima 3300XL Inductively Coupled Plasma Emission Spectrometer (Perkin elmer, USA)를 이용하여 6개의 중금속(Cu, Pb, Ni, Zn, Cd, 그리고 Cr)에 대해 분석을 수행하였다.

중금속오염도 평가는 먼저 미국 환경청(US Environmental Protection Agency)에서 제시하는 기준치를 이용하여 평가하였다. 이 평가에서는 대상 퇴적토를 비오염, 중간오염, 심한오염으로 분류하는 방법을 설명하고 있으며, 사용하는 지표는 5개의 중금속 농도(Cd, Cu, Ni, Pb, Zn)와 퇴적토의 강열감량이다. 또한, 각각의 중금속에 대한 Enrichment factor (EF)는 산업활동을 포함한 인간 활동으로(anthropogenic activities) 인해 유발된 중금속의 오염정도를 평가하는데 사용된다[13]. 각 중금속에 대한 EF 값은 다음과 같이 계산된다.

여기서, C_x는 퇴적토에 포함된 해당 중금속의 농도, C_back는 해당 중금속의 배경농도를 의미한다. 본 연구에서는 6개의 중금속(Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn)에 대해 EF 값을 계산하였다. 6개 중금속의 배경농도는 기존 연구결과를 참조하여 국제적으로 통용되는 threshold effect level (TEL) 값을 사용하였다[16]. 각 중금속의 TEL 농도는 Cd: 0.68 mg/kg, Cr: 52.3 mg/kg, Cu: 18.7 mg/kg, Ni: 15.9 mg/kg, Pb: 30.2 mg/kg, Zn: 124 mg/kg이었다. EF 값에 따른 오염도 평가 가이드라인은 Table 1에 정리하였다.

퇴적토에 포함된 중금속의 발생원이 자연발생적인지 혹은 외부로부터 유입이 된 것인지를 정량적으로 판단하기 위해 Geoaccumulation index (I_geo)를 이용하였으며, 아래 식으로 표현된다.

여기서, C_x는 퇴적토에 포함된 해당 중금속 x의 농도이고 C_back는 해당 중금속의 자연발생농도(배경농도)를 의미한다. 각 I_geo 값에 대한 해당 퇴적토에 포함된 해당 중금속의 오염도의 분류범위 및 오염도평가는 Table 1에 정리하였다. I_geo 값이 <0인 경우에는 해당 중금속은 배경농도와 같은 효과를 가지며 >2인 경우에는 오염된 것으로 분류가 되는데 숫자가 커질수록 해당 중금속으로 인해 오염이 심한 것으로 분류가 된다.

Potential ecological risk factor (PERF)는 퇴적토에 포함된 중금속으로 인해 발생할 수 있는 생태학적 위해성을 정량적으로 표시하는 인자이며, PERF는 아래와 같이 표현된다[15].

여기서, PERFⁱ는 해당 중금속에 대한 생태학적 위험인자를 나타내며, Tri 는 해당 중금속의 독성반응 인자를 의미하는데, 6가지 중금속에 대한 Tri 는 기존의 연구를 참조하여 다음의 값을 사용하였다(i.e., Zn=1, Cr=2, Cu, Pb, Ni=5, 그리고 Cd=30)[11,18]. 독성반응 인자 값이 클수록 생태학적 위해성이 큰 것을 의미하는 데, Zn과 Cr은 각각 1과 2로 생태학적 위해성이 상대적으로 낮음을 의미하고 Cu, Pb, Ni은 5로써 Zn과 Cr에 비해 생태학적 위해성이 높음을 알 수 있다. Cd의 경우 30으로 고려한 5가지 중금속 중 가장 큰 값을 보이고 있어 생태학적 위해성이 가장 크다는 것을 의미한다. Cxi와 Cbacki는 각각 퇴적토 내에 포함된 해당 중금속과 TEL 농도를 의미한다. PERF 값에 따른 대상 퇴적토의 생태학적 위해성 분류는 Table 1에 요약하였다. PERF 값이 40 이하인 경우에는 해당 중금속으로 인한 생태학적 위해성이 상대적으로 낮음으로 분류가 되고, 160-320의 경우에는 위해성이 매우 높음으로 분류가 된다. 그리고 PERF 값이 320 이상인 경우에는 생태학적 위해성이 극히 매우 높음(very high risk)으로 분류가 된다.

해수 중에는 염소, 황산염 등과 같은 음이온이 존재하는데 이들 음이온들은 해양퇴적토에 포함된 중금속과 결합하여 복합체(complex) 형태로 존재하게 된다. 중금속이 복합체를 형성할 경우에는 중금속이 순수 이온으로 존재할 때와는 다른 생물학적 독성 및 위해성을 보이는 경우가 있다. 중금속이 복합체의 형태를 가진 경우의 중금속의 잠재적 생물학적 위해성을 정확히 평가하기 위해 각 중금속의 mean quotients를 고려하는 평가방법이 제시되었고, mean PEL quotient는 다음과 같은 식으로 표현된다[15].

여기서, n은 위 계산식에 사용된 중금속의 숫자를 의미하고, C_x는 퇴적토에 포함된 각 중금속의 절대농도를 의미한다. PEL_x (Probable effects level)는 해당 중금속의 영향을 줄 수 있는 가능성 수준을 나타낸다. 본 연구에서는 6가지 중금속을 고려하였으므로 n 값으로는 6을 사용하였다. 각각의 중금속에 대한 PEL 값을 이용하면 각 중금속이 생태계에 영향을 주는 확율을 파악할 수 있지만 여러 개의 중금속이 같이 존재할 경우에는 포함된 모든 중금속의 복합적 영향을 고려한 mean PEL quotient 식을 사용하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 계산된 mean PEL quotient 값에 따른 해당 퇴적토의 분류기준 및 범위는 Table 1에 요약하였다[17]. mean PEL quotient 값이 0.1 이하이면 주변에 독성을 미칠 확률이 8% 이하이고, 0.11-1.5 값일 경우에는 21%, 1.51-2.3 값일 경우에는 49%, 그리고 2.3 이상일 경우에는 주변에 독성을 미칠 확률이 73% 이상이라는 것을 의미한다.

원소분석기를 이용하여 분석한 퇴적토의 원소분석 결과 및 퇴적토의 강열감량 결과는 Table 2에 정리하였다. N, H, S의 경우 미량으로 존재하였으며 C의 경우 N, H, S의 합보다 큰 것으로 파악되었다. N의 경우 0에서 0.11%, H는 0.29에서 0.84%, S는 0.04에서 1.23%의 값을 가졌다. C의 경우 0.99에서 13.39%로 각 지역마다 큰 차이를 보였다. 이는 시료 채취장소에 따라 퇴적토의 원소조성이 N, H, S의 경우에는 크게 차이가 나지 않지만 C의 경우는 큰 차이를 보인다는 것을 의미한다. 강열감량의 경우 해양과학기지가 위치한 중간지점을 제외한 나머지 지역의 값을 이용하여 Fig. 3에 contour line으로 표시하였다. 기지 주변은 낮은 값을 보여주었고 기지 외곽으로 갈수록 강열감량의 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 기지가 위치한 지역이 수심이 낮은 암반지대이므로 강열감량 값이 낮은 것이며 외각은 수심이 깊은 지역으로 퇴적토가 많이 존재하는 지역이기 때문으로 판단된다. 25번 지역의 강열감량은 11.3%로 가장 높았으며 다음은 20번 지역의 10.0%, 그리고 2번 지역은 9.2%였다. 이 세 지역을 중심으로 기지 쪽으로 접근할수록 강열감량이 감소하는 양상을 확인할 수 있다.

총 21개 시료에 대한 6개의 중금속 분석결과(Cu, Pb, Ni, Zn, Cd, Cr)와 미국환경청에서 제시한 퇴적물 오염분류기준을 Table 3에 요약하였다. 각 시료에 대한 중금속 분석은 3회 실시한 후 평균값을 사용하였으며, 각 중금속 분석값의 표준편차는 <3%로 판명되었다. 중금속 분석결과는 먼저 미국환경청에서 제시한 퇴적토 오염분류기준을 이용하여 퇴적토의 중금속 오염여부를 확인하였다. Cu, Pb, Zn, Cd의 경우 모두 비오염(non polluted)으로 분류되었고 Cr의 경우 오염분류기준이 없어 평가하지 못하였다. 반면, Ni의 경우 대부분의 지역에서 약간 혹은 심각한 오염으로 분류되었다. 해양과학기지 주변 시료 중 10번과 19번의 경우 <20 mg/kg으로 비오염이었고, 6번, 9번, 15번, 22번 시료의 경우 >50 mg/kg으로 심각한 오염으로 분류되었다. 나머지 시료는 모두 약간 오염으로 분류되었다. 이에 반해 기지에서 서남쪽으로 멀리 떨어진 C1과 C2는 각각 약간오염 그리고 비오염으로 분류되었다. 기지와 제주도 사이에서 채취한 19JO1, 19JO2, 19JO3 중 앞의 두시료는 비오염이고 19JO3는 약간 오염으로 분류가 되었으나 비오염과 약간 오염의 경계치에 위치하고 있었다. Table 3에 표시된 TEL guideline은 threshold effect level을 뜻하며 이는 중금속의 농도가 TEL 값 이하일 경우 이 중금속으로 인해 생태계에 악영향을 미칠 가능성이 거의 없다는 것을 의미한다[19]. PEL guideline은 probable effect level을 뜻하며 이는 어떤 중금속의 농도가 PEL 값 이상일 경우 생태계에 악영향을 미치는 경우가 종종 발생한다는 것을 의미한다[19]. TEL과 PEL 기준을 적용하면 모든 지역에서 Cu, Pb, Zn, Cd, Cr의 경우 PEL 기준 이하인 것을 확인하였으나, Ni의 경우에는 6번, 9번, 15번, 16번, 22번 시료에서 PEL을 초과하는 결과가 도출되었다. 특히 15번과 22번의 경우 각각 109.1, 108 mg/kg으로 가장 높은 농도값 을 나타내었다. 위의 결과를 통해 과학기지 주변은 Ni에 의한 오염이 있다는 것을 알 수 있었으며, 더욱 정확한 평가를 위해 I_geo, EF, PERF, PEL mean quotient 지수 산정을 하였고 이 결과를 Table 4에 요약하였다. Fig. 4의 결과를 통해 해양과학기지 우측과 남서방향 두 군데 지점에서 I_geo, EF, PERF, PEL mean quotient 값이 공통적으로 높게 나오기 때문에 오염지점을 쉽게 파악할 수가 있다.