서 론
국민 여가생활 확대에 따라 도시공원 이용자가 늘어나고 있다. 특히 2020년 3월 이후 코로나바이러스감염증-19 (COVID-19)의 확산은 주민들이 밀폐된 실내보다는 개방된 실외 활동을 선호하도록 만들었으며 이로 인해 도시에 있는 대표적인 실외 공간인 도시공원은 주민들의 안전한 휴식처이자 여가공간으로서 주목을 받고 있다(Park et al., 2021b). 도시공원은 산책과 운동, 휴식, 자연환경과의 교감 등 주민들의 건강증진을 위한 공간으로 인식되고 있으며(Park et al., 2021b), 이러한 관점에서 도시공원을 구성하는 환경요소(공기-토양-물 등)에 대한 유해물질 안전성은 확실하게 담보되어야 한다. 도시공원의 토양은 지자체의 관리담당부서에서 병원균 등 유해미생물 제거를 위한 소독을 주기적으로 실시하고 있으나 그 외 중금속이나 유기오염 물질에 대한 안전성은 명확히 알려지지 않은 상황으로 이에 대한 조사와 정보제공이 필요한 실정이다.
중금속은 자연계에서 분해되지 않으며 식물체 및 이를 섭취하는 인간에게 전이, 축적되어 건강에 치명적인 악영향을 초래한다(Kumpiene et al., 2008; Lee et al., 2013; Lim et al., 2017; Seo et al., 2016). 일례로 카드뮴(Cd) 중독에 의한 이타이이타이병, 수은(Hg) 중독에 의한 미나마타병 등이 잘 알려져 있다(Adriano, 2001). 도시공원의 경우 도심지역에 위치하여 도로에 인접한 경우가 많아 중금속 등 유해물질로 인한 오염이 우려된다. 특히 도로에서는 엔진배기가스, 도로나 자동차 부품의 마모 등을 통해 발생하는 납(Pb), 구리(Cu), 아연(Zn) 등 다양한 중금속이 방출되어 주변으로 확산될 수 있으며(Adamiec et al., 2016; Hong et al., 2020; Winther and Slentø, 2010), 이러한 영향을 받아 인접한 도시공원 토양이 중금속으로 오염될 가능성이 존재한다.
환경요소의 안전성을 확보하기 위하여 토양에 존재하는 중금속 총함량을 법적 기준치 이내로 관리하는 것은 중요한 과제이다. 그러나 조사한 중금속 함량과 기준치를 단순 비교하는 것은 기준치 초과 및 미초과에 따른 오염 및 비오염의 여부만을 판단하므로 오염의 수준과 주변 환경에 미치는 영향을 판단하기에는 다소 어려움이 존재한다. 이를 보완하기 위해 토양 중금속 오염을 효과적으로 평가하는 오염지수(pollution index) 산출방법이 활용되고 있다(Caeiro et al., 2005; Håkanson, 1980; Hu et al., 2013; Jang et al., 2016; Jung et al., 2012; Kim et al., 2016; Kim et al., 2018; Kowalska et al., 2018; Park et al., 2021a; Suwanmanon and Kim, 2021). 기존의 토양분석 데이터에 비해 몇 가지 오염수준으로 축약된 오염지수는 도표 등으로 시각화되어 토양의 중금속 오염을 전문가 뿐만 아니라 일반인에게도 쉽게 설명이 가능하다는 장점이 있다(Caeiro et al., 2005).
토양오염의 평가방법 중 가장 널리 적용되는 오염지수는 토양 내 개별 중금속의 오염을 평가하는 단일오염지수(single pollution index, PI), 지화학적 농축계수(geoaccumulation index, Igeo), 다수의 중금속을 종합적으로 평가하는 Nemerow 오염지수(Nemerow pollution index, PIne), 잠재적 생태위해도(potential ecological risk, RI)이다(Kowalska et al., 2018). PI는 여러 중금속 중 토양환경에 가장 큰 위협이 되는 개별 중금속을 평가하며, 토양의 중금속 농도와 배경농도 간의 비율로 중금속 오염을 평가한다(Hu et al., 2013; Kowalska et al., 2018). Igeo는 Muller(1969)가 제시한 방법으로 지화학적 배경농도(value of geochemical background, GB) 대비 토양이나 저질토(sediment)에 존재하는 개별 중금속의 오염수준을 평가하는 방법으로 사용한다(Adamiec et al., 2016; Kowalska et al., 2018; Nowrouzi and Pourkhabbaz, 2014; Yaqin et al., 2008). PIne와 RI는 개별이 아닌 여러 중금속에 의한 토양오염 수준을 종합적으로 평가하는데, 이 중 RI는 중금속의 잠재적인 생태위험성을 평가하기 위해 사용한다(Håkanson, 1980; Kowalska et al., 2018). 이러한 오염지수 평가를 통해 토양질(soil quality)을 포괄적으로 평가할 수 있을 뿐만 아니라 환경적 위험성을 예측할 수 있다(Caeiro et al., 2005; Kowalska et al., 2018).
국내의 경우 토양 오염지수를 활용한 연구들은 대부분 공단, 폐광산, 도시 인근 농경지, 도로 인근 토양(Jang et al., 2016; Jung et al., 2012; Kim et al., 2016; Kim et al., 2018; Park et al., 2021a; Suwanmanon and Kim, 2021) 등을 대상으로 하고 있으나 도시공원 토양에 대한 것은 미비한 실정이다. 본 연구에서는 강원도에 소재한 도시공원 중 주민이용률이 높거나 도로 등에 인접한 도시공원의 토양에 대한 중금속 함량을 조사하여 그 결과를 국내 기준 및 자연배경농도와 비교하고 토양오염도를 평가하기 위해 오염지수를 산출하였다. 이를 토대로 강원도 소재 도시공원의 중금속 오염도를 평가하였다.
재료 및 방법
조사대상 및 시료채취
조사대상 공원은 주민 이용률이 높거나 도로에 인접한 공원으로 강원도 전체 18개 시･군의 도시공원 75개소를 대상으로 하였다(Table S1). 시료는 공원 내에서 주민의 접촉이 많은 벤치, 운동기구 주변과 잔디밭의 표토(0－15 cm)를 채취하였다. 채취한 토양은 풍건한 후 중금속 분석을 위해 2 mm(10 mesh) 및 0.15 mm(100 mesh) 체로 거른 후 분석에 사용하였다.
토양 중금속 분석
도시공원 토양의 중금속 분석은 토양오염공정시험기준에 따라 실시하였다(MOE, 2018). 토양(< 0.15 mm) 3.0 g에 왕수(aqua regia, conc. HCl 21 mL + conc. HNO3 7 mL)를 첨가하여 혼합한 후 흑연블럭(Gerhardt, SMA-L 20s, Germany)을 이용하여 가열･분해하였다. 분해용액은 Whatman No. 40(pore size 8 µm) 으로 여과하고 0.5M HNO3 용액을 이용하여 100 mL로 표선한 것을 시료용액으로 하였다. 이 후 ICP-OES(PerkinElmer, Optima 8000, USA)로 시료용액의 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 비소(As), 납(Pb), 크롬(Cr), 아연(Zn), 니켈(Ni)을 분석하였다. 수은(Hg)의 경우 토양 시료(< 0.15 mm) 0.05 g을 사용하였으며 열적분해 아말감 원자흡수분광광도계(Milestone, DMA-80 evo, Italy)로 분석하였다(MOE, 2018). 정도보증 및 정도관리는 토양오염공정시험기준에 따라 수행되었으며, 동일한 방법으로 전처리 후 분석한 인증표준물질의 중금속 평균 회수율은 72－96%로 나타났다.
오염지수 산출방법
단일오염지수(single pollution index, PI)는 토양의 개별 중금속 오염도를 비오염(absent)－매우 강한 오염(very strong)으로 분류하여 평가하며, 산출결과 PI가 1을 초과하면 오염된 것으로 판단한다(Table 1).
Table 1.
Classification of soil pollution indices applied in this study
지화학적 농축계수(geoaccumulation index, Igeo)는 비오염(unpolluted)에서 심각한 오염수준(extremely polluted)으로 분류하여 토양에 존재하는 개별 중금속의 오염도를 평가하며, Igeo가 0보다 크면 오염된 것으로 판단한다(Table 1). PI와 Igeo 산출식에서 Cn은 개별 중금속의 농도, GB는 지화학적 배경농도이다. 본 연구에서는 국내 토양 중 자연배경농도(Yoon et al., 2009)를 GB로 사용하였다. 1.5는 중금속 자연배경농도의 가변성을 보정하기 위한 계수로 사용한다(Kowalska et al., 2018; Nowrouzi and Pourkhabbaz, 2014; Yaqin et al., 2008).
Nemerow 오염지수(nemerow pollution index, PIne)는 토양을 비오염(clean)에서 심각한 오염 수준(heavily polluted)으로 분류하여 여러 중금속에 의한 토양오염도를 통합적으로 나타낸다(Table 1). PIne가 0.7보다 크면 오염된 것으로 판단한다. 산출식에서 PI는 앞서 계산된 단일오염지수(PI)를 사용하였으며, PImax는 원소별 PI 중 최대값, n은 분석대상 중금속 원소의 개수이다.
도시공원별 중금속 함량에 의한 잠재적 생태위해도(potential ecological risk, RI)를 산출하였다. RI는 토양 내 중금속에 의한 생태적 위험정도 평가에 사용되는 지수로 잠재적 생태 위험성이 낮은(low) 수준에서 매우 강한(highly strong) 수준으로 분류하여 평가한다(Kowalska et al., 2018)(Table 1). 산출식에서 Tr은 Håkanson(1980)이 제안한 개별 중금속의 독성반응상수(Cd : 30, Cu : 5, As : 10, Hg : 40, Pb : 5, Cr : 2, Zn : 2, Ni : 5)를 사용하며, PI는 앞서 계산된 단일오염지수(PI) 값을 사용하였다(Kowalska et al., 2018).
결과 및 고찰
공원토양의 중금속 함량
조사대상 75개 도시공원 토양의 중금속 함량은 전 지점에서 토양오염우려기준(1지역) 이내이며(Table 2, Table S2)(MOE, 2023), 기준치와 비교할 때 평균함량은 Cd 0.0%, Cu 7.6%, As 16.0%, Hg 1.0%, Pb 5.3%, Zn 20.3%, Ni 9.4% 수준으로 나타났다(Table 3). 국내 토양의 중금속 자연배경농도(Yoon et al., 2009)와 비교할 때 평균 함량은 Cd 0.0%, Cu 74.7%, As 58.6%, Hg 45.0%, Pb 57.0%, Cr 68.9%, Zn 112.1%, Ni 52.9% 수준으로 나타나 전반적인 오염 개연성은 낮았다. 그러나 일부 공원 토양의 중금속 최대값은 자연배경농도(Cd : 0.3 mg/kg, Cu : 15.3 mg/kg, As : 6.8 mg/kg, Hg : 0.1 mg/kg, Pb : 18.4 mg/kg, Cr : 25.4 mg/kg, Zn : 54.3 mg/kg, Ni : 17.7 mg/kg) 대비 0－255%(Cd : not detected, Cu : 32.6 mg/kg, As : 11.6 mg/kg, Hg : 0.2 mg/kg, Pb : 33.9 mg/kg, Cr : 64.7 mg/kg, Zn : 93.4 mg/kg, Ni : 33.4 mg/kg)까지 나타났다. Hong et al.(2020)은 자동차 주행 시 타이어나 제동장치 등 부품 마모를 통해 발생하는 분진에 함유된 중금속이 도시도로 주변으로 침전되며, 자동차 부위별 발생하는 주요 중금속은 타이어가 Zn, 배기가스는 Cr과 Ni, brake lining dust는 Cu 등이라고 보고하였다. 본 조사결과에서 제시된 자연배경농도를 상회하는 중금속의 기원은 도시공원에 인접한 도로에서 발생하는 분진 등에 의한 것으로 판단된다.
Table 2.
Total concentrations of heavy metal(loid) in the urban park soils
| Contents | Cd | Cu | As | Hg | Pb | Cr | Zn | Ni |
| (unit : mg/kg) | ||||||||
|
Average (min－max) | ND1) |
11.4 (ND－32.6) |
4.0 (ND－11.6) |
0.04 (ND－0.23) |
10.5 (2.0－33.9) |
17.5 (3.2－64.7) |
60.8 (25.8－93.4) |
9.4 (2.2－33.4) |
|
Warning criteria (region 1) | 4.0 | 150.0 | 25.0 | 4.0 | 200.0 | NA2) | 300.0 | 100.0 |
|
Korean natural background3) | 0.3 | 15.3 | 6.8 | 0.09 | 18.4 | 25.4 | 54.3 | 17.7 |
1)Not detected; 2)Not available; 3)Yoon et al.(2009)
Table 3.
Comparison of heavy metal(loid) concentrations to the warning criteria and the natural background concentrations
| Contents | Cd | Cu | As | Hg | Pb | Cr | Zn | Ni |
| (unit : %) | ||||||||
|
Average of metal (loid) conc. / Warning criteria | 0.0 | 7.6 | 16.0 | 1.0 | 5.3 | NA1) | 20.3 | 9.4 |
|
Average of metal (loid) conc. / Natural background | 0.0 | 74.7 | 58.6 | 45.0 | 57.0 | 68.9 | 112.1 | 52.9 |
공원토양의 중금속 오염도
조사대상 75개 도시공원 토양의 개별 중금속 오염도를 PI로 산출하였다(Fig. 1, Table S3). 산출결과 개별 중금속 오염도는 Zn과 Cu를 제외한 중금속에서 도시공원의 80% 이상이 대부분 PI < 1로 ‘비오염(absent)’ 상태였다. 도시공원 1－3% 정도에서 낮은 수준의 오염(low) 및 중간 수준 오염(moderate)이 일부 있었으며(Cu, Cr, Hg), 높은 수준의 오염(strong)은 전체 공원에서 나타나지 않았다. Zn은 전체 공원 중 26개 공원(35%)이 비오염 상태, 49개 공원(65%)이 낮은 수준의 오염(low) 상태로 나타나 조사 대상 중금속 중 상대적으로 높은 수준의 오염도를 나타냈다. Cu의 경우 52개 공원(69%)이 비오염 상태, 22개 공원(29%)이 낮은 수준 오염으로 나타났다. 1개 공원(1%)은 중간 수준 오염(moderate)으로 나타났다. Cr과 Hg의 경우 2개 공원(3%)에서 중간 수준의 오염으로 나타났다. 전체 공원의 PI 평균값은 Zn(1.12) > Cu(0.75) > Cr(0.69) > As(0.59) > Pb(0.57) > Ni(0.53) > Hg(0.45) > Cd(0.00)이며 전반적으로 Zn, Cu, Cr이 상대적으로 높은 값을 나타냈다.
75개 도시공원의 개별 중금속 토양오염도를 Igeo로 산출하였다(Fig. 2, Table S4). Igeo 산출결과는 PI 산출결과와 유사한 경향이었으며 개별 중금속 오염도는 도시공원의 90% 이상이 ‘비오염(unpolluted)’ 상태였다. PI 산출결과에 비해 비오염 경향이 높았는데 이는 중금속 자연배경농도의 가변성을 보정하기 위한 계수(1.5)를 분모 GB에 곱해주기 때문에 나타난 결과이다. Cr의 경우 전체 공원 중 68개 공원(91%)이 비오염 상태, 7개 공원(9%)에서 낮은 수준의 오염 상태(unpolluted to moderately polluted)로 나타났다. Zn과 Cu는 69개 공원(92%)이 비오염 상태, 6개 공원(8%)이 낮은 수준의 오염 상태였다.
75개 지점 8개 중금속별로 산출된 PI와 Igeo를 통해 판단할 때 개별 중금속 오염도는 매우 낮은 수준인 것으로 판단된다. Park et al.(2021a)은 도로변 가로수 토양의 조사결과, Cu와 Zn의 PI가 타 중금속에 비해 높으며, 농경지나 산림토양에 대해서도 상대적으로 높은 오염도를 나타낸다고 보고하였다. 이를 통해 자동차 내･외부로부터 기인된 배출물질에 의한 도로변 가로수 토양의 중금속(Cu, Zn 등) 축적 가능성을 보고하였다. Adamiec et al.(2016)은 고속도로(motorway)와 도시도로(urban road) 분진(dust)의 중금속 함량을 산간도로(mountain road) 분진과 비교한 결과, 인위적인 오염영향이 적은 산간도로 분진의 중금속 함량 및 Igeo가 고속도로 및 도시도로에 비해 상대적으로 낮은 수준임을 보고한 바 있다. 본 조사결과도 PI와 Igeo 모두 Zn, Cu, Cr이 타 중금속 대비 상대적으로 높은 수준이었는데 이는 조사대상 도시공원이 도로에 인접하여 자동차나 도로에서 발생하는 분진 등에 의한 영향을 받은 결과로 판단된다.
조사대상 75개 도시공원 전 지점의 중금속 오염도를 PIne로 산출하였다(Fig. 3, Table S5). PIne 산출결과 도시공원들의 중금속 오염도는 전체 75개 공원 중 65개 공원(87%)이 오염이 되지 않은 ‘깨끗한(clean)’ 상태로 분류되었다. ‘Warning limit(주의수준)’은 전체의 13%인 10개 공원이었다.
조사대상 75개 도시공원 전 지점의 중금속 오염도를 RI로 산출하였다(Fig. 3, Table S5). RI 산출결과, 도시공원 토양은 대부분 독성반응상수가 상대적으로 높은 Cd(30), Hg(40)외에 독성반응상수가 낮은 Zn(2)과 Cu(5)의 함량이 높아 전체적으로는 잠재적 위험성이 낮게 나타났다. 도시공원들의 중금속 오염도는 전체 75개 공원 중 97%인 73개 공원의 잠재적 생태위해성이 ‘낮은(low)’ 상태였으며 2개 공원(3%)의 생태위해성은 ‘중간(moderate)’ 수준으로 분류되었다. ‘심각한(strong)’ 수준의 생태위해성이 있는 도시공원 토양은 존재하지 않았다.
여러 중금속에 의한 토양오염도를 통합적으로 나타내는 PIne와 토양의 중금속 함량에 따른 잠재적인 생태적 위험성을 평가하는 RI 산출결과를 종합할 때, 조사대상 도시공원 토양의 중금속 오염도와 잠재적 위험성은 대부분 매우 낮은 수준인 것으로 판단된다.
결 론
강원도 소재 도시공원 75개소의 토양 중금속 오염도를 조사한 결과, 중금속별 평균함량은 자연배경농도의 0.0－112.1%, 토양오염우려기준의 0.0－20.3% 수준이며, Zn > Cu > Cr > As > Pb > Ni > Hg > Cd 순으로 나타났다. 전반적인 중금속 오염도는 매우 낮은 수준이나 Zn과 Cu가 상대적으로 높아 도시공원 토양이 도로의 교통수단 등 오염원의 영향을 받는 것으로 판단된다. 조사결과는 모두 법적기준치 이하이며 오염도 수준도 매우 낮아 안전한 것으로 판단되나 중금속의 특성상 토양으로의 지속적인 축적 가능성이 상존하므로 도시공원 토양에 대한 정기적인 모니터링 등 관리가 필요한 것으로 판단된다.
