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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

박연희 (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수
유재영
발행연도
2017
저작권
강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수19

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

형광분석을 이용한 지하수 및 지표수 내 용존유기물 특성 연구
박연희 지질학과 2017.01 학위논문

2016

복합 인공함양 기법 지역 양수시험에 따른 지하수 및 지표수 용존유기물 형광 특성 변화 연구
박연희 ,  고경석 ,  하규철 외 1명 대한지질학회 학술대회 2016.10 학술대회자료

초록· 키워드

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지하수와 지표수 수질에 큰 영향을 미치는 용존유기물(dissolved organic matter, DOM)은 용존유기탄소(dissolved organic carbon, DOC)로 구성되어 탄소 운반자 역할을 한다. 이들은 수환경에서 나타나는 다양한 유기물 기원에 대한 정보를 담은 상태에서 이동할 수 있고, DOM 특성 연구는 이를 이해하기 위한 중요한 단서를 제공하게 된다. 최근 들어 DOM 형광성을 활용한 유형 파악 및 기원 추적, 생화학적 반응 기작, 오염물질 저감 모니터링 등의 연구가 국내외에서 활발히 수행되고 있다. 이러한 연구는 수환경 수질을 이해하는데 있어 필수적인 근거를 뒷받침 할 수 있으나, 대다수의 연구는 지표수 연구 분야에 집중되어 있고, 지하수와 연계된 분야에 적용한 사례는 많지 않은 실정이다.
본 연구는 현재 복합 인공함양 기법을 적용하여 지하수 확보 및 활용 기술을 연구 중에 있는 시범지역 경북 상주시 화남면 임곡리에 대한 수질을 이해하고, 나아가 DOM의 특성을 평가하는데 초점을 맞춘다. 연구를 위해 2015년 8월과 11월 총 2회에 걸친 현장 수질조사를 수행하였고, 연구지역 대표 지표수(연못, 저수지, 소하천)와 지하수 관정 4곳 및 갱내유출지하수 현황을 파악하였다. 현장에서 채취한 물시료에 대해 주요이온과 미량원소 및 중금속 성분분석을 수행하여 수리지화학적 특성을 연구한 결과 연구지역 수질유형은 기반암의 석회질 성분에 의해 대부분 지표수 및 지하수에서 [Ca-HCO3] 유형으로 나타났고, 갱내유출지하수에서만 [Ca-(HCO3+SO4)] 유형으로 나타났다. 또한 연구지역 수환경 DOM의 화학구조적 특성을 파악하기 위해 DOC, 자외선흡광도(UV absorbance) 및 고유흡광도(specific ultraviolet absorbance, SUVA) 분석을 더하였으며 그 상관관계를 고찰한 결과 지표수 DOM은 지하수보다 방향족 유기탄소화합물이 우세함을 알 수 있었다. 한편 연구지역 수환경 용존유기물의 기원을 유추하기 위해 형광지표(fluorescence index, FI)를 구해 외부유입(allochthonous) 또는 자체생성(autochthonous)을 구분할 수 있는 인자로 활용하였다. 그리고 휴믹화지수(humification index, HIX)를 산출하여 외부로부터 유입된 토양유기물의 휴믹화 정도를 파악하고, 생물학적지수(biological index, BIX)를 산출하여 수중 서식 미생물 활동에 의한 DOM 생분해 가능성을 고려하였다. 그 결과 HIX는 지표수 DOM의 휴믹화 정도가 지하수에 비해 상대적으로 더 큼을 지시했지만 FI와 BIX는 이들의 기원이 외부생성보다 자체생성 영향에 의한 DOM이 주를 이룸을 알 수 있었다. 그러나 이상의 지시자는 DOM 특성을 보다 정확히 규명하기에는 의미하는 바가 단순하고, 모호하기 때문에 이를 보완하고자 형광 3차원 여기-방출 맵핑(Fluorescence 3D-excitation emission mapping, 3D-EEM)과 Synchronous 형광스펙트럼(Synchronous fluorescence spectrum)을 얻고, 다변량통계분석(Parallel factor analysis, PARAFAC)을 수행하였다. 이와 같은 형광분석 결과를 고찰함으로써 연구지역 지표수 DOM은 휴믹계물질 중 외부생성 기원의 육질성 휴믹산보다 내부생성 기원의 수질성 휴믹산 함량이 크고, 지하수 DOM은 트립토판과 티로신과 같은 단백질계물질 함량이 큼을 파악할 수 있었다.
더불어 DOM 특성 변동 모니터링을 통해 인공함양 적용성 평가를 하고자 연구지역에서 양수시험 및 회복시험을 진행하였다. 양수시험 시간에 따른 지하수(SPW-1/양수정)-지표수(IK2/연못) 및 지하수(SPW-2/양수정)-지하수(IK5/관정) 간 DOM 유형 변화를 3D-EEM 결과로 모니터링 하였는데, 양수 초기 우세하던 지하수 단백질계물질은 양수 후기로 갈수록 주변 지표수 또는 지하수의 영향을 받아 휴믹계물질이 유입된 것을 볼 수 있었다. 이는 추후 인공함양 시스템 적용 시 주입정 및 관측정을 상호적으로 모니터링하여 지하수에 반영되는 수질특성을 평가하고, 인공함양 타당성을 평가하는데 활용할 수 있을 것으로 예상된다.
용매별 토양 용출실험에 따른 DOM 특성 변동 연구는 강우와 농경활동, 산누출 오염이 미치는 지표수 및 지하수 DOM 영향을 파악하고자 실시하였다. 그 결과 지표의 인위적인 영향이 클수록 용출된 중금속과 DOC가 컸음을 알 수 있었고, 휴믹계물질의 3D-EEM 양상은 대체적으로 형광세기가 강했으며 농경활동 영향이 있을 경우 흡착 기작, 산누출 영향이 있을 경우 화학구조 결합 분해로 인해 육질성 휴믹산 함량이 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이는 SAT와 같은 지표 침투식 인공함양을 적용하는데 있어 지표에서 지하로의 강우 직접 침투 또는 경작을 위한 비료 사용 및 산누출 화학사고와 같은 오염물질 유입이 지하수에 미치는 영향을 고려하는데 유용한 형광자료를 제공할 것이다.
이상의 연구를 통해 지하수 및 지표수 내 DOM 기원 및 유형 특성을 이화학적, 분광학적 측면에서 고찰할 수 있었고, 이들이 수환경 수질에 미치는 영향을 파악 및 예측할 수 있었으며 앞으로 수환경을 이해하는데 중요한 지표로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
#용존유기물 #휴믹계물질 #단백질계물질 #형광 3차원 여기-방출 맵핑(3D-EEM) #다변량통계(PARAFAC) 분석

목차

목 차
요 약 i
LIST OF TABLES vi
LIST OF FIGURES viii
1. 서 론 1
1-1. 연구배경 및 문헌연구 1
2. 연구지역 및 방법 11
2-1. 연구지역 11
2-1-1. 인공함양 시범지역 11
2-1-2. 토양시료 채취지역 12
2-2. 토양 용출실험 13
2-2-1. 실험방법 13
2-3. 시료 전처리 14
2-4. 성분분석 15
2-4-1. 이온분석 15
2-4-2. 용존유기탄소량(DOC) 분석 17
2-5. 분광분석 18
2-5-1. 자외선흡광도(UV absorbance) 분석 18
2-5-2. 고유흡광도(SUVA) 분석 19
2-5-3. 형광 3차원 여기-방출 맵핑(3D-EEM) 분석 20
2-6. 평균분자량분석 22
2-6-1. 겔 크로마토그래피(GPC) 분석 22
2-7. 다변량통계(PARAFAC) 분석 25
3. 결과 및 토의 28
3-1. 지하수 및 지표수 수리지화학적 특성 28
3-2. 지하수 및 지표수 용존유기물 화학구조적 특성 37
3-2-1. 용존유기탄소량(DOC) 37
3-2-2. 자외선흡광도(UV absorbance) 40
3-2-3. 고유흡광도(SUVA) 42
3-2-4. DOC 및 SUVA 상관관계 45
3-3. 지하수 및 지표수 용존유기물 기원 유추 46
3-3-1. 형광지표(Fluorescence Index) 46
3-3-2. 휴믹화지수(Humification Index) 48
3-3-3. 생물학적지수(Biological Index) 50
3-4. 지하수 및 지표수 용존유기물 유형 분류 52
3-4-1. 형광 3차원 여기-방출 맵핑(3D-EEM) 52
3-4-2. Synchronous 형광스펙트럼 56
3-4-3. 다변량통계(PARAFAC) 분석 58
3-5. 양수시험에 따른 용존유기물 특성 변동 60
3-5-1. 지하수-지표수 모니터링 60
3-5-2. 지하수-지하수 모니터링 62
3-5-3. 회복시험에 따른 단백질계물질 변동 특성 63
3-6. 토양 용출에 따른 용존유기물 특성 변동 64
3-6-1. 용출 방법별 용출 이온 변화 64
3-6-2. 염효과에 따른 토양 용출액 화학구조적 특성 68
3-6-3. 산효과에 따른 토양 용출액 화학구조적 특성 70
3-6-4. 용출 방법별 평균분자량 분포 특성 74
3-6-5. 용출 방법별 3D-EEM 변화 양상 80
4. 결론 88
참고문헌 92
LIST OF TABLES
Table Page
Table 1. Natural organic matter fraction and chemical groups 3
Table 2. Acidic groups of humic-like substances present in secondary effluents 5
Table 3. DOM types by fluorescence 3D excitation-emission wavelength 10
Table 4. Aquatic system of study area 11
Table 5. Soil sample names by rock type 12
Table 6. ICP-OES analysis conditions 15
Table 7. IC analysis conditions 16
Table 8. Alkalinity analysis conditions 16
Table 9. TOC analysis conditions 17
Table 10. 3D-EEM analysis conditions 21
Table 11. GPC analysis conditions 23
Table 12. Fluorescence indices(1) 26
Table 13. Fluorescence indices(2) 27
Table 14. Water quality measurement of study field (08/2015) 31
Table 15. Water quality measurement of study field (11/2015) 31
Table 16. Results of major ion and trace element (08/2015) 34
Table 17. Results of major ion and trace element (11/2015) 35
Table 18. DOC results of study area 38
Table 19. DOC and absorbance results of study area (11/2015) 43
Table 20. Results of fluorescence index 46
Table 21. Results of humification index 48
Table 22. Results of biological index 50
Table 23. pH and EC by 4 type extraction methods 65
Table 24. Extractable heavy metal concentration of WEOM 66
Table 25. Extractable heavy metal concentration of SEOM 66
Table 26. Extractable heavy metal concentration of AEOM-1 67
Table 27. Extractable heavy metal concentration of AEOM-2 67
Table 28. DOC and SUVA by 4 type extraction methods 71
Table 29. AMW and PDI of WEOM 77
Table 30. AMW and PDI of AEOM-1 78
LIST OF FIGURES
Figure Page
Fig. 1. Hypothetical structures of common aquatic fluorophores 2
Fig. 2. Influence of pH on the removal of fulvic-like acid and humic-like acid 5
Fig. 3. 3D-EEM reference peaks 8
Fig. 4. GPC calibration 24
Fig. 5. Principle of PARAFAC 25
Fig. 6. Box plots of water quality measurement of study area 30
Fig. 7. Piper diagram by water quality types of study area 36
Fig. 8. DOC of groundwater and surfacewater 38
Fig. 9. DOC comparison of aquatic system by seasons 39
Fig. 10. Results of UV254nm absorbance (11/2015) 41
Fig. 11. Results of UV254nm absorbance by water type 41
Fig. 12. Results of SUVA (11/2015) 42
Fig. 13. Results of SUVA by water type 43
Fig. 14. Ratio of UV254nm absorbance/DOC by water type 44
Fig. 15. Comparison between DOC/UV254nm absorbance and DOC/SUVA 45
Fig. 16. Fluorescence spectrums of study area 47
Fig. 17. Correlation of FI and HIX 49
Fig. 18. Correlation of BIX and HIX 51
Fig. 19. Results of 3D-EEMs (11/2015) 55
Fig. 20. Results of synchronous fluorescence spectrum 57
Fig. 21. Results of PARAFAC 59
Fig. 22. 3D-EEMs change of SPW-1 and IK2 by pumping test 61
Fig. 23. 3D-EEMs change of SPW-2 and IK5 by pumping test 62
Fig. 24. 3D-EEMs change of protein-like substances by recharge test 63
Fig. 25. Results of DOC by 4 type extraction methods 72
Fig. 26. Results of SUVA by 4 type extraction methods 72
Fig. 27. Correlation between DOC and SUVA 73
Fig. 28. GPC results of WEOM 75
Fig. 29. GPC results of AEOM-1 76
Fig. 30. Comparison between Mn and Mw (WEOM) 77
Fig. 31. Comparison between Mn and Mw (AEOM-1) 78
Fig. 32. Comparison between PDI (WEOM and AEOM-1) 79
Fig. 33. Humic-like substances group 3D-EEMs of WEOM 83
Fig. 34. Protein-like substances group 3D-EEMs of WEOM 83
Fig. 35. Humic-like substances group 3D-EEMs of SEOM 84
Fig. 36. Protein-like substances group 3D-EEMs of SEOM 84
Fig. 37. Humic-like substances group 3D-EEMs of AEOM-1 85
Fig. 38. Protein-like substances group 3D-EEMs of AEOM-1 85
Fig. 39. Humic-like substances group 3D-EEMs of AEOM-2 86
Fig. 40. Protein-like substances group 3D-EEMs of AEOM-2 86
Fig. 41. Results of synchronous fluorescence spectrum (Δ=30nm) 87

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