http://dx.doi.org/10.7857/jsge.2015.20.7.070 Research Paper ISSN 1598-6438 (Print), ISSN 2287-8831 (Online) 분자량크기별토양휴믹산 (HA) 의구조적특성및페난트렌흡착반응특성비교 이두희 1,2 김소희 1 신현상 1 * 1 서울과학기술대학교에너지환경공학과 2 국립환경과학원환경측정분석센터 Comparison in Structural Characteristics and Phenanthrene Sorption of Molecular Size-Fractionated Humic Acids Doo-Hee Lee 1,2 So-Hui Kim 1 Hyun-Sang Shin 1 * 1 Department of Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology 2 Environmental Measurement and Analysis Center, National Institute of Environmental Research ABSTRACT A sample of soil humic acid (HA) was divided by ultrafiltration (UF) into five fractions of different molecular size (UF 1 : >300, UF 2 : 100~300, UF 3 : 30~100, UF 4 : 10~30, UF 5 : 1~10 kilodaltons). Apparent average molecular weight (M w ) of the HA fractions were measured using high performance size exclusion chromatography (HPSEC), and the chemical and structural properties of the five HA fractions were characterized by elemental compositions (H/C, O/C and w ((2O + 3N- H)/C)) and ultraviolet-visible absorption ratios (SUVA, A 4/6 ). The organic carbon normalized-sorption coefficients (Koc) for the binding of phenanthrene to the HA fractions were determined by fluorescence quenching and relationship between the sorption coefficients and structural characteristics of the HA fractions were investigated. The elemental analysis and UV-vis spectral data indicated that the HA fractions with higher molecular weights have grater aliphatic character and lower contents of oxygen, while the HA fractions with lower molecular size have greater aromatic character and molecular polarity that correspond to greater SUVA and internal oxidation values (w). The log Koc values (L/kg C) were gradual increased from 4.45 for UF 5 to 4.87 for UF 1. The correlation study between the structural descriptors of the HA fractions and log Koc values of phenanthrene show that the magnitude of Koc values positively correlated with M w and H/C, while negatively correlated with the independent descriptors of the O/C, w, SUVA and A 4/6. Key words : Soil humic acid, Molecular size-fractionation, Chemical-structural properties, Phenanthrene, Koc 1. 서론 PAHs(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, 다환방향족탄화수소류 ) 는방향족고리가두개이상연결된구조로서대부분이강한독성과잔류성을지닌대표적인 HOCs(Hydrophobic Organic Compounds, 소수성유기화합물 ) 이다 (Edwards, 1983). 토양에노출된 PAHs의분포와거동은토양입자와의흡 탈착과정에영향을받는다 (Aiken et al., 1985). 특히, SOM(Soil Organic Matter, 토양유기물 ) 과의흡착 (sorption) 반응은 PAHs와같은소수성유기오염물질의토양내분포와거동에영향을미치는주요요인으로알려진다 (Aiken et al., 1985; Chiou, 2002). HS(Humic Substances, 휴믹물 ) 은토양및지하수에서가장흔히발견되는대표적인 SOM으로서. 함량은일반적으로전체 SOM의 60~70% 를차지하는것으로알려진다 (Aiken et al., 1985). HS는다양한기원의자연유기물이휴믹화 (humification) 과정을통해생성되는고분자성의불균질유기물혼합체로서 ph에따른용해도에따라 *Corresponding author : hyuns@seoultech.ac.kr Received : 2015. 8. 5 Reviewed : 2015. 8. 27 Accepted : 2015. 9. 22 Discussion until : 2016. 2. 29 70
분자량크기별토양휴믹산 (HA) 의구조적특성및페난트렌흡착반응특성비교 71 HA(Humic Acid, 휴믹산 ), FA(Fulvic Acid, 풀빅산 ) 및 Hu(Humin, 휴민 ) 등으로분류된다 (IHSS, 2015). 특히, HA는토양환경에존재하는주요 DOM(Dissolved Organic Matter, 용존성유기물 ) 로서 -COOH, -OH 등의산성작용기를가진다전해질성 (polyelectrolyte) 물질이어서높은산화상태 (Z 2+) 의중금속이온과강한착화합물을형성할뿐만아니라, 분자내친수성과소수성을가진일종의 micelle 구조를가지고있어 HOCs와도강한친화력을가진다 (Leenheer et al., 1989). 이러한상호작용특성은 HA의기원이나구조적특성 ( 지방족성또는방향족성등 ) 에따라큰차이를보이는것으로알려진다. 그러나다양한유기물의혼합체인 HA가가지는불균질성 (heterogeneity) 으로인해여전히 HOCs와의흡착특성에대한통일화된이론이정립되지않은상태이다 (Chefetz and Xing, 2009; IHSS, 2015). 대표적인불균질성의예로서 HA는분자량이수백에서수십만 daltons에이르는다분산성 (polydispersity) 물질이며, 분자량크기에따라분자구조특성에차이가있는것으로보고된다 (Leenheer et al., 1989; Shin et al., 1999). Li et al.(2004) 은 8개의분자량크기별로분리한 HA에대하여물질특성 ( 13 C-NMR, Pyrolysis-GC-MS 등 ) 규명을통해 HA분자는동일한기원에서도분자량에따라화학적, 구조적특성이서로다른일련의고분자혼합체임을제시하였고, Shin et al.(2003) 은토양 HA는토양층의깊이가증가할수록상대적으로저분자량의특성을가지며, 구조적으로는방향족성과카르복실산함량이증가함을밝혔다. 특히, Trubetskaya et al.(2014) 는 HA의역상크로마토그래피분석을통해고분자 HA일수록소수성의특성을가짐을보였으며, Lee et al.(2015) 은분자량 크기별 HA의형광특성 ( 즉, EEM-PARAFAC) 비교를통해고분자량의 HA가보다밀집된형태의방향족 (condensed aromatic) 탄소구조를가지며그래핀 (graphene) 산화물에대하보다높은흡착친화력을가짐을제안한바있다. 또한, Rao and Choppin(1994) 는서로다른분자량을가진 HA와 Cd(II), Np(V) 과의결합특성에대한분광학적연구를통해, 분자량이클수록금속이온과더강한결합을형성함을보였으며, Chen et al.(2013) 은형광소광법을적용한 HA와 Cu(II), Hg(II) 와의반응특성비교를통해, ph와함께분자량크기가 HA의금속이온과의흡착친화력에영향을미치는중요인자임을제시하였다. 이러한 HA의분자량크기에따른차이는토양및지하수환경에서의 HOCs 및중금속이온의반응과거동이 HA의분자량크기에크게영향을받음을제시한다 (Sun et al., 2013). 따라서 HA의분자량크기에따른분리와 PAHs와의흡착특성에대한연구는환경중소수성유기오염물질의거동특성에대한보다상세한정보를제공할수있다. 그러나국내 외에서의분자량크기별 HA와 PAHs와의반응특성규명에대한연구는미미한실정이다. 본연구에서는국내토양에서추출한 HA를대상으로한외여과법 (UF) 을적용하여분자량크기별분리를실시하였다. 분자량크기별 HA은 SEC(Size Exclusion Chromatography, 크기배제크로마토그래피 ) 분석, 원소분석, 자외선- 가시광선분석등을통하여분자량크기에따른분자구조특성을비교평가하였다. 또한 PAHs의모델화합물로서기존에널리연구된 PHE(Phenanthrene, 페난트렌 ) 을선정하여분자량크기별 HA와의유기탄소표준화분배계수 (K OC ) 를도출하였고, 각 HA의물질특성자료와의상관관계를해석함으로서 PAHs의흡착에기여하는분자량크기별 HA의주요물질특성인자를규명하였다. 2. 실험재료및방법 2.1. 토양 HA의추출및정제본연구에서사용한토양 HA은강원도고성지역의토양으로부터추출및정제하여사용하였다. 토양시료는국내토양에서일반적인 10YR 계열의황갈색토색을띠었으며, 실트질 (< 63 μm) 함량이 18% 인모래질의토성 (soil texture) 과 1.16% 의유기탄소함량 (w/w) 을보였다 (Cha et al., 2004). 토양 HA의추출과정제는 Soxhlet 용매추출을통해 Lipid 성분을제거한후, 국제휴믹학회 (IHSS) 의표준절차서에따른산 염기침전법을이용하였고 (IHSS, 2015), 동결건조를통해고운분말상태의최종시료를얻었다. 토양 HA의추출과정제과정은이전문헌에상세히기술한바와같다 (Lee et al., 2004) 2.2. 한외여과법에의한 HA의분자량크기별분리 HA 시료의분자량크기별분리는한외여과법 (UF) 을적용하였다 (Shin et al., 1999). 분자량분리를위한 HA 모액 (stock solution) 은고운분말상태의휴믹산시료 200 mg을 1.0 M NaOH 5.0 ml에완전히녹인후증류수를이용하여 1L로희석하여 200 mg/l 농도로제조하였다. 이과정에서 0.1 M HCl 사용하여모액의 ph는 7.0 (± 0.2) 로맞추었다. HA 모액 (1 L) 은 PTFE(0.45 μm, PALL. Co. Ltd) 재질의멤브레인필터로거른후, 한외여과장치와연결된저장용기에넣어일정크기의 cut-off 막필터가장착된 200 ml 용량의 UF(Ultrafiltration, 한외여과 ) 장치
72 이두희 김소희 신현상 (Amicon 8010) 를통과시켰다. 실험은일정크기를가진일련의한외여과 cut-off 막필터를교환해가면서수행하였다. 실험에사용된 UF 막은직경 63.5 mm의셀룰로스재질 (Millipore, USA) 로서 MWCO(Molecular Weight Cutoff. 분획분자량 ) 에따라 YM1(1 kda), YM10(10 kda), YM30 (30, kda), YM100(100 kda) 및 PM300(300 kda) 이었으며, 분자량크기순서대로 > 300 kda(f 1 ), 100~300 kda(f 2 ), 30~100 kda(f 3 ) 10~30 kda(f 4 ), 1~10 kda(f 5 ) 의 HA 용액을얻었다. 분리된각용액은 1M HCl를사용하여 ph 2.0 이하로조정한후하루밤정치시켜침전시켰다. 침전된 HA는증류수를사용하여 2~3회세척과원심분리 (3,000 rpm, 10 min.) 를통해분리한후, 냉동동결건조 (freeze-dry) 하여고운분말상태의최종분자량크기별 HA 시료를얻었다. 2.3. 분자량크기및분광학적특성분석 HA 분자의분자량크기는 Waters사의 Protein Pak 125A(7.8 4,300 mm) 컬럼을사용한 SEC를사용하여분석하였다. HA 시료의농도는 SEC 분석측정값에영향을미치기때문에일정한농도 (10 mg-c/l, ph 7.0) 에서수행하였다. 여기서 HA 농도는 TOC 분석기 (TOC- 5000A, Shimazu) 를통해결정하였다. 이동상은 2mM phosphate buffer(in ph 6.8, 0.1 M NaCl) 를사용하였으며, 흐름속도 (flow rate) 는 1mL/min을유지하였다. 시료주입량은 20 μl이었으며, 254 nm의 UV 검출기를사용하여분석하였다. 분자량결정을위한검정곡선의작성은 PSS(polystyrene sulfonates sodium) 18, 8, 4.6(kDa) (Polysciences Inc., Warrington, PA) 및저분자영역인 Salicylic acid(138 Da, Aldrich), Acetone(58 Da, HPLC grade, Aldrich) 표준시료를제조하여사용하였다 (Zhou et al., 2000). 다음의식 (1) 은상기표준시료 5종을이용하여얻은검량선의직선식을나타낸것으로서, 결정계수 (R 2 ) 0.99의양호한상관성을보였다. 여기서 M w 는겉보기중량평균분자량 (apparent weight-averaged molecular weights), R t 는머무름시간 (retention time) 을나타낸다. LogM w = 0.28R t + 6.08 (r 2 = 0.99) (1) 각 HA분자에대한 M w 의계산은 SEC 크로마토그램과다음식 (2) 를이용하여도출하였다 (Conte and Piccolo, 1999; Zhou et al., 2000). 여기서, M i 는작성된검량선에의한 i시간대에서의분자량크기이며 h i 는 i시간대서의 SEC 크로마토그래프의높이를나타낸다. M w = Σ i h i M i Σ i h i (2) HA 분자의 C, H, N, O 원소분석은 CHNS-932, VTF 900(LECO Co.) 를사용하여수행하였다. C,H,N,S의분석은 1.0 ± 0.5 mg의분말시료를주석 (Sn) 캡슐에담아 1,000 o C로가열함으로서연소시에발생하는 CO 2, H 2 O 및 N 2 가스의양을 IR(infrared detector) 과 TCD(thermo conductivity detector) 로 3회반복하여측정하였다. 산소 (O) 의분석은시료를은 (Ag) 캡슐에담아 1100 o C에서열분해시켜유기산소로부터전환된 CO 발생량을정량하여측정하였다. 각 HA의원소성분비 (H/C, O/C, w (= (2O + 3N-H)/C) 등 ) 값은이들원소분석자료로부터계산을통해얻었다 (Lee et al., 2004; Ciesleqixs and Gonet, 2004). HA 분자의흡광분석은자외선-가시광선분광분석기 (UV- 1601, Shimadzu) 를사용하여측정하였다. 흡광분석은제조된분석시료 (10 mg-c/l, ph 6.0) 를 10 mm 석영셀에담아 200~700 nm 영역에서의흡광스펙트럼을얻은후, 254 nm에서의 SUVA(specific UV absorbance)( 즉, UV 254 / DOC, L/mgC) 및 465 nm와 665 nm의흡광도비인 A 4/6 를결정하였다. 2.4. HA와 PHE과의흡착실험 HA와 PHE과의흡착실험은형광소광법 (fluorescence quenching) 을이용하였다 (Peuravuori, 2001). PHE(C 14 H 10, purity > 97%) 는 Aldrich 사에서구입하였으며별도의정제과정없이사용하였다. 실험에사용한 PHE 표준용액 (1.0 mg/l, ph 6.0) 은과량을녹여포화용액을만든후, 0.45 μm 막여과지 (MFS, JPO50) 로여과하여조제하였다. 이때미생물방지를위해 5 mm CaCl 2 및 0.01 mm HgCl 2 를첨가하였으며 0.1 M NaOH 또는 0.1 M HCl을사용하여 ph 6으로조절하였다. 흡착실험은회분식으로수행하였으며 20 ml 용량의 serum bottle을사용하였다. 반응용액은일정 PHE 표준용액 (1.0 mg/l, ph 6.0) 에 HA 모용액 (10 mg-c/l, ph 6.0) 을첨가하여최종농도가 1~5 mg-oc/l가되도록변화시켰다. 반응용액은휘발에의한영향을줄이기위해서반응용기상층공간 (head space) 을최소화하였으며, 사용된유리관의마개는표면흡착에의한영향을방지하기위하여별도로제작하여밀봉하였다. 각시료용기는알루미늄박을이용하여빛에유입을차단한후 20분동안의평형시간경과후곧바로형광분석을실시하였다 (Lee et al., 2008). 형광분석은 Perkin-Elmer의 LS-50B 형광분광기를사용하였고, SyF (synchronous fluorescence, 동시형광 ) 모드에서측정하였다. SyF 스펙트럼은 5.0 nm 들뜸과방출슬릿너비, 500 nm/min. 의주사속도조건에서 350~600 nm의파장범위에
분자량크기별토양휴믹산 (HA) 의구조적특성및페난트렌흡착반응특성비교 73 서얻었다. 들뜸과방출의파장차이 (Δλ) 는 30 nm로일정하게유지하였고, 모든실험은상온 (25 o C) 에서수행하였다. HA와 PHE와의흡착자료해석은 HA 자체의형광바탕신호와식 (3) 의내부-필터효과 (inner-filter effect, IFE) 에기인한보정과정을거친후, 식 (4) 의 Stern-volmer 식에적용하여해석함으로서유기탄소표준화분배계수 (K oc ) 값을도출하였다 (Peuravuori, 2001). 보정을위한 HA 시료는 PHE가첨가되지않은 HA를대상으로 1~5 mg-c/l(ph 6.0) 를따로조제하여사용하였고, 내부필터효과 (IFE) 는형광들뜸파장 (λ ex, 250 nm) 와방출파장 (λ em, 347 nm) 에서의 HA시료의 UV흡광도를측정하여결정하였다. 문헌에따르면, HA의자체흡수에의한 IFE 보정인자가 3 이상일경우 PAHs의형광소광보정값의신뢰성이낮아지는것으로보고된다 (Pan et al., 2007). 이에본실험에서는 HA 자체에의한내부필터효과의영향을최소화하기위해 HA 농도를최대 <5mg-C/L로설정함으로서 IFE 보정인자를 1.0~1.5 범위내로유지하였다. F cor 2.3A --------- ex Δx10 A ex x 1 -------------------------------------- 2.3A em Δy10A em y 1 = ---------------------------------------- F obs 1 10 A exδx 1 10 A emδy F ----- o = 1 + Koc[ OC F HA ] 식 (3) 에서의 F cor 은보정된형광강도이고, F obs 는관찰 (3) (4) 된형광강도이며, A ex 와 A em 은형광분석시사용한들뜸 (excitation) 과방출 (emission) 파장에서의흡광도이다. ΔY 는들뜸슬릿너비이고 ΔX는방출슬릿너비를나타내며 X 1 과 Y 1 은각각들뜸과방출빛 (beam) 의끝과큐벳 (cuvette) 끝까지의거리이다. 형광바탕신호를보정하기위한시료는 PHE가첨가되지않은분자량크기별 HA 시료를대상으로 1~5 mg-c/l(ph 6.0 ± 0.1) 를따로조제한후 PHE가첨가된시료와의차로서계산하였다. 식 (4) 에서의 F 0 는초기 PHE의형광강도, F는 HA을포함하고있는시료에서 HA영향을보정한형광강도이며, [OC HA ] 는사용된 HA의농도 (mg-c/l) 를나타낸다. 3. 결과및고찰 3.1. 토양 HA의분자량크기분포및 SEC 분석결과한외여과에의해분리한분자량크기별 HA 소부분의상대적인분포 (wt, %) 는 Table 1에제시하였다. 토양 HA의주요분자량크기 (MWCO) 분포영역은 > 300 kda와 30~100 kda으로서각각 33.3% 와 26.3% 의분포비를나타냈다. 특히 >30kDa 영역의고분자 HA(UF 1 ~UF 3 ) 가약 72% 로대부분을차지한반면, 저분자 HA(1~10 kda, UF 5 ) 는약 10.6% 를차지하였다. 이는문헌에보고된한외여과법에의한다양한기원의토양 HA에서의분자량분포경향과도유사하다. 예로서, Lee et al.(2003) 국내화강암기원의토양 HA에대한분자량분포측정 Table 1. Molecular size distribution (%), averaged molecular weight (Mw), elemental composition (%), atomic ratios and UV/vis index of Whole HA and its UF fractions Size fractions Mass (wt, %) M w (kda) Elemental composition (%) a Atomic ratios b UV/vis index C H O N H/C O/C w SUVA (L/mgC) A 4/6 c Whole HA 10.27 53.47 4.37 37.94 4.22 0.98 0.53 0.721 4.37 5.57 UF 1 (> 300 kda) 33.3 16.95 56.19 4.77 34.54 4.49 1.02 0.46 0.665 3.50 4.67 UF 2 (100~300 kda) 12.2 11.06 54.87 4.51 36.89 3.72 0.99 0.50 0.679 3.60 4.90 UF 3 (30~100 kda) 26.3 6.65 54.62 4.21 37.65 3.52 0.93 0.52 0.683 4.17 5.23 UF 4 (10~30 kda) 17.6 4.54 54.34 3.95 37.56 4.15 0.87 0.52 0.715 4.44 6.34 UF 5 (1~10 kda) 10.6 3.31 53.90 3.68 38.44 3.98 0.82 0.53 0.725 4.63 8.66 a Normalized to 100% of organic compounds. b degree of internal oxidation (w =(2O+3N H) / C). c absorbance ratio at 465 nm and 665 nm
74 이두희 김소희 신현상 인 0.2~8.9 kda에비교해서는높은분자량크기를보였다. 한편, SEC에의해측정된 M w 값 (kda) 이한외여과방법에서의 MWCO 값 (kda) 에비교해낮은것은기존문헌결과와도일치하는것으로서, 분석방법의차이에기인한다. 즉, 실제 HA 분자는한외여과법에서 MWCO의기준으로사용하는표준물질 ( 즉, 구형단백질 ) 과달리다전해질성으로인해 UF 막에쉽게걸러지기때문에상대적으로더큰겉보기분자크기를나타내기때문으로알려진다 (Christ et al., 2000; Li et al., 2004). Fig. 1. SEC spectra of the five UF fractions and WHA. 을통해 MWCO > 30 kda이 60~75% 범위에해당함을보고한바있으며, Christ et al.(2000) 은휴믹화도가높은토양 (Humic Gleysol) 표층에서얻은 HA에서 MWCO > 300 kda와 30~100 kda 부분이각각 52% 와 34% 로주요분포영역임을보고한바있다. 이러한토양 HA의분자량분포특성은일반적으로수질기원 HA에서 <10 kda의저분자가 70~97% 로서대부분을차지함을고려할때, 토양 HA가수질기원 HA에비교해매우높은분자량크기를가짐을보여준다 (Thurman et al., 1982). 한외여과법으로분리한각분자량크기별 HA의보다정확한분자량을측정하기위하여각 HA 시료의크기배제크로마토그래피 (SEC) 분석을실시하였다. Fig. 1은한외여과분리전의 Whole HA(WHA) 시료와각분자량크기별 HA(UF 1-5 ) 의크로마토그램을나타낸것이며, Table 1은크로마토그램에서의머무름시간 (R t ) 를식 (1)- (2) 에적용하여얻은각 HA 시료의겉보기중량평균분자량 (M w, kda) 을타나낸것이다. 분석결과 Whole HA의 M w 는 10.27이었으며, 각분자량크기별 HA의 M w 는 3.31(UF 5 )~16.95(UF 1 ) 의범위에서한외여과막의분획분자량 (MWCO) 이증가할수록일정하게증가하였다. 본연구에서의각분자량크기별 HA의 M w 값은 Li et al. (2004) 이유사한한외여과실험조건에서분리한이탄 (peat) 기원 HA의 M w 값 (kda) 인 1.18(1~3 kda)~18.56(> 300 kda) 과유사하였으며, Chung et al.(2004) 이보고한국내화산재토양에서얻은펄빅산 (FA) 의분자량분포 (M w ) 값 3.2. 분자량크기별 HA의원소성분비및흡광특성분석 Table 1은 WHA와각분자량크기별 HA(UF 1-5 ) 의원소분석결과및 UV-Vis 흡광분석결과를나타낸것이다. 원소성분비와흡광분석은미량 (< ~2 mg) 의시료로신속한분석이가능하며, HA의구조적특성에대한유용한정보를제공한다. Table 1에서볼수있듯이 UF 1-5 의 C와 H 의함량 (%) 은 53.90~56.19 및 3.68~4.77의범위에서, 분자량크기가증가할수록 (UF 5 UF 1 ) 증가한반면, O의함량 (%) 은 34.54~38.44의범위에서일정하게감소하였다. 원소성분비에대한보다정확한정보를얻기위해수소에대한탄소비 (H/C) 및산소에대한탄소비 (O/C) 및분자산화도 (degree of internal oxidation, w =(2O+3N- H)/C) 등을조사하였다. 그결과, HA의분자량크기가증가할수록 H/C가 0.82에서 1.02로일정하게증가한반면, O/C는 0.46에서 0.53로일정하게감소하였다. 또한, HA의분자산화도 (w) 값도 0.725(UF 5 ) 0.665(UF 1 ) 로분자량이증가하면서일정하게감소하였다. 분자산화도는토양휴믹산의특성과기원을추적하는지표로활용되며, 호기성조건에서의분해과정을거칠수록 w 값이높아지는경향이있는것으로알려진다 (Cieslewicz and gonet, 2004). 일반적으로 H/C비가높을수록 -CH 2, -CH 3 등을포함하는지방족 (aliphatic) 알킬기의성분이더높고, O/C비가높을수록산소-포함작용기의함량이높은것으로알려진다 (Leenheer et al., 1989). 따라서이러한결과는고분자량의 HA 분자일수록지방족성탄화수소성분을높게포함하며, 저분자량의 HA 분자일수록카르복실산 (-COOH) 과 phenolic-oh 등의극성작용기성분이높음을제시한다. 이는기존문헌에서의결과와도일치하는것으로서, Li et al.(2004) 은탄소구조에대한보다직접적인정보를제공하는 13 C NMR을분석을통해고분자량의 HA 분자일수록높은지방족탄소 (aliphatic carbons) 함량을가짐을밝혔으며, Shin et al.(1999) 은작용기함량분석 ( 즉, ph 적정 ) 을통해고분자량의 HA가저분자 HA 보다단
분자량크기별토양휴믹산 (HA) 의구조적특성및페난트렌흡착반응특성비교 75 위질량당카르복실기함량 (mmol/g) 이낮음을밝혔다. 한편, 분자산화도 (w) 가고분자량의 HA로갈수록증가한것은고분자 HA일수록산소, 질소-포함작용기의함량이낮아분자가보다비극성을띰을의미하며, 소수성유기물과의흡착능이높을수있음을제시한다 (Aiken et al., 1985; Lee et al., 2008). UV/vis 흡광분석을통하여 HA의특성분석에널리이용되는 254 nm에서의 UV 흡광도값 (SUVA, L/cm mg- C) 및 665 nm에대한 465 nm에서의흡광도비 (A 4/6 ) 등을도출하였고, 그결과는 Table 1에제시하였다. SUVA 값은분자량크기가증가할수록 4.63(UF 5 ) 에서 3.50(UF 1 ) 로일정하게감소하였으며, A 4/6 값도 8.66(UF 5 ) 에서 4.67(UF 1 ) 로일정하게감소하였다. 일반적으로 SUVA 값이높을수록자연유기물은유기탄소당불포화탄소결합이많으며, 높은방향족탄소함량을가지는것으로알려지며, A 4/6 값은휴믹물질의휴믹화정도를판단하는지표 (humification index) 로서분자량과분자구조의밀집성 (condensed) 에는반비례하고, 산도 (acidity) 에는비례하는것으로알려진다 (Weishaar et al., 2003). 따라서이상의결과는저분자량의 HA 분자일수록방향족성과산도가높은반면, 고분자량의 HA일수록지방족성과분자구조의밀집성 (condensed) 이높은분자구조특성을가짐을의미한다. 이는앞선원소분석 (H/C, O/C, w 등 ) 및기존 문헌에서의결과와도일치한다. 예로서, Li et al.(2004) 은분자량별로분리한이탄 (peat) HA를대상으로한 pyrolysis-gc-ms 분석을통해저분자 HA는리그닌유래의산소-포함벤젠구조 pyrolysates 함량이높은반면, 고분자 HA는지질성분이풍부한생체고분자 (biopolymer) 에서유래하는다양한지방족 pyrolysates 함량이높음을밝혔다. 이상의결과로부터토양 HA은분자량크기별로분자구조와극성도가서로다른고분자혼합물임을알수 있었으며, 이러한분자량크기별 HA의분자구조특성에대한정보는환경중 SOM과오염물질 (PAHs, 중금속등 ) 의반응특성해석및이들의환경중거동과영향평가에유용한지표인자로활용가능하다. 3.3. 분자량크기별 HA과 PHE의흡착상수 (Koc) 비교 Fig. 2는분자량크기별 HA와 PHE의흡착반응에대한형광소광결과를보정과정을거친후식 (3) 에적용하여얻은 Stern-Volmer plot을나타낸것이다. 분석결과, 모든 HA 시료에서선형회귀식의결정계수 (r 2 ) 는 0.994~0.999였으며, 기울기값으로부터얻은각 HA의 PHE에대한유기탄소표준화분배계수 (Koc) 는 Table 2에제시하였다. Fig. 2. Fitting results of Stern-volmer plots obtained for the binding of phenanthrene to the Whole HA and its UF fractions. Table 2. Sorption fitting results of Whole HA and its UF fractions Sample Fitting results by Stern-Vomler plot Koc (L kg C 1 ) log Koc (L kg C 1 ) WHA 56,234 ± 768 4.75 0.999 UF 1 (> 300 kda) 74,308 ± 1,120 4.87 0.994 UF 2 (100~300 kda) 58,393 ± 1,640 4.77 0.997 UF 3 (30~100 kda) 42,218 ± 448 4.63 0.999 UF 4 (10~30 kda) 34,572 ± 1,230 4.54 0.995 UF 5 (1~10 kda) 28,410 ± 690 4.45 0.999 Whole HA의 Koc(L/kg C 1 ) 는 56,234 ± 768로서, 기존문헌에보고된토양 HA-PHE 흡착상수값인 41,000~ 58,800(Laor and Rebhun, 1997) 및 Lee et al.(2008) 이보고한국내산토양 HA에서의 31,400~83,400와유사한범위에있었다. 분자량크기에따른 Koc(L/kg C 1 ) 는표에서볼수있듯이 UF 1 (56,234 ± 768) 에서 UF 5 (28,410 ± 690) 로일정하게감소하였다. 보다명확한비교를위하여 SEC 분석을통해얻은 HA( 즉, UFs) 의겉보기분자량 (M w ) 과 log Koc와의상관성을조사한결과, 상관계수는 (+)0.96 (p < 0.011) 로서높은양 (positive) 의상관성을보였다 (Fig. 3.). 이는높은분자량의 HA 분자가저분자 HA에비교해 PHE와같은소수성유기화합물에대해더높은흡착친화력을가짐을의미한다. 유사한예로서, Chin et al.(1994) 및 Hur와 Schlautman(2004) 등은토양및수질기원의다양한 Whole HA와 FA를대상으로겉보기분자량 (M w ) 과 Pyrene 흡착상수 (Koc) 와의상관성분석을통해분자량이증가할수록 Pyrene과의흡착친화력이증가함을보고한바있다. r 2
76 이두희 김소희 신현상 Table 3. Correlation coefficients between the log Koc values and structural parameters of the UF fractions Mw (kda) H/C O/C w SUVA A 4/6 R value 0.96 0.99 ( )0.89 ( )0.95 ( )0.99 ( )0.89 p value 0.010 < 0.001 0.040 0.013 < 0.001 0.043 Fig. 3. A correlation between apparent molecular weight (kda) and the log Koc values of the UF fractions. Fig. 4. A correlation between w(= (2O + 3N H) / C) ratios and the log Koc values of the UF fractions. 3.4. 분자량크기별 HA의분자구조특성과 Koc와의상관성해석 Table 3은앞서얻은결과를토대로분자량크기별토양 HA의물질특성 ( 원소성분비, UV-vis 흡광도등 ) 과 PHE 흡착상수 (log Koc) 와의상관관계를분석하여정리한것이다. 원소성분비 (H/C, O/C, w) 와흡착상수와의상관성해석결과, PHE 흡착상수는 H/C와는높은양 (+) 의상관성을보인반면, O/C 및분자산화도 (w) 와는각각상관계수 (r) ( )0.89(p = 0.04) 와 ( )0.95(p = 0.013) 로서음 ( ) 의상관성을보였다 (Fig. 4). O/C와 w 값의증가는분자내산소, 질소-포함작용기의함량이높아 HA 분자가보다극성을띰을의미함 (Cieslewicz, 2004) 을고려할때, 이러한결과는분자량크기별 HA 분자의극성이낮아질수록 PHE에대한흡착친화력이높아짐을제시한다. 이는일반토양 HA 시료 ( 즉, Whole HA) 를대상으로얻은기존문헌에서의결과와도일치한다. 예로서, Kang and Xing(2005) 은알칼리연속추축을통해얻은토양 HA를대상으로물질특성-PHE 흡착상수상관성해석연구를통해분자극성도가높을수록흡착친화력이감소함을보고한바있으며, Chen et al.(2005) 도식물표피에서추출한자연유기물을대상으로한분자극성도와 PHE 흡착상수와의상관성해석을통해동일한결론을도출한바있다. 따라서토양 HA의분자극성도가분자량크기의차이에도불구하고 HOCs의흡착친화력예측에유용한물질특성인자 ( 즉, molecular descriptors) 임을알수있다. 한편, H/C는 log Koc와상관계수 (r) 0.996(p < 0.001) 로서 H/C의값이클수록 log Koc 값이감소하였다 (Table 3). 이는분자량별로분리한 HA에서의비교시방향족대비지방족성분의비율이높은 ( 즉, H/C 증가 ) 고분자 HA일수록 HOCs와의흡착친화력이증가함을제시한다. 일반적으로 HOCs와의흡착은 SOM의생성기원과구조적특성에따라큰차이를보이며, 주요흡착영역이지방족또는방향족성분인지에대하여는아직까지통일화된이론이정립되어있지않은상태임을고려할때 (Chefetz and Xing, 2009; Lee et al., 2013), 본연구결과는분자극성도가낮은고분자 HA에서는지방족성분이 HOCs의흡착에보다직접적인영향을미치는인자임을제시한다. 이러한결과는지방족성분함량이높은 SOM인케로겐 (kerogen) 과휴믹산 (Salloum et al., 2002) 및식물기원의유기물 (cuticles) (Chen et al., 2005), 휴민 (Lee et al., 2013) 등을대상으로보고된 HOCs와의흡착특성규명관련최근의연구결과와도일치한다. 이러한경향성은 UV 흡광특성인자중 SUVA와 log Koc 상관성분석결과에서도동일하게관찰되었다. Fig. 5에서볼수있듯이 SUVA 와 log Koc의상관계수 (r) 는 ( ) 0.992(p < 0.001) 로서고분자에서저분자 HA로갈수록방향족탄소비율이높아지면서 ( 즉, SUVA 증가 ) PHE 와의흡착친화력이감소하는것으로나타났다. 이는앞선
분자량크기별토양휴믹산 (HA) 의구조적특성및페난트렌흡착반응특성비교 77 Fig. 5. A correlation between SUVA values and the log Koc values of the UF fractions. H/C와 log Koc의상관성분석과동일한결과로서, 분자량크기별로분리하여비교한 HA에서는지방족과비교시방향족성분함량이높은저분자량의 HA일수록 PHE와의흡착친화력이낮음을제시한다. 유사한예로서, Khalaf et al.(2003) 는한외여과분획 HA시료를대상으로 13 C- NMR 및 19 F-NMR 분석을통해 hexafluoro-benzene와의흡착특성규명연구에서고분자 HA(0.2 μm~50 kda) 의주요흡착영역 (sorption domain) 은 HOCs와의강한흡착능을가진 rigid, condensed type 의지방족탄소영역에해당함을밝혔으며, 저분자 HA(0.5~50 kda) 에서의상대적으로낮은 HOCs 흡착능은대부분의방향족탄소가극성작용기로치환된형태를가지기때문임을제시하였다. 한편, A 4/6 분석결과와 PHE에대한 log Koc 상관성분석결과, 상관계수 (r) 는 ( )0.894로음의상관관계를보였다 (Table 3). A 4/6 가휴믹물질의분자량과분자구조의밀집성 (condensed) 에는반비례하고, 산도 (acidity) 에는비례하는인자임을고려할때, 본결과는산도가낮은고분자량의 HA일수록높은휴믹화도특성을가지며 HOCs와의흡착친화력이증가하는경향이있음을알수있다. 4. 결론 본연구에서는한외여과법을이용분획한분자량크기별토양휴믹산 (HA) 의겉보기평균분자량, 원소성분비, UV/vis 흡광특성을규명하였고, 분자량크기별 HA와페난트렌 (PHE) 유기탄소표준화분배계수 (Koc) 와의상관성해석을통하여소수성유기화합물과의흡착반응에영향을미치는 HA의분자량크기별주요물질특성인자를도출하였다. 토양 HA는분자량크기에따라서로다른화학 적조성과구조적특성및 PHE과의흡착특성을지닌고분자유기물혼합체로서, 분자량이높은 HA분자일수록방향족 (aromatic) 대비지방족 (aliphatic) 성분의비율이높고 ( 즉, H/C), 단위탄소당 UV 흡광도는 (SUVA) 가낮으며, 분자극성도 (O/C, w) 가더낮은특징을보였다. PHE 유기탄소표준화분배계수 (Koc) 는고분자량의 HA에서더높았다. HA의물질특성과 Koc와의상관성해석결과로부터분자극성도 (O/C, w) 가분자량크기에관계없이소수성유기화합물의흡착친화력예측에유용한물질특성인자 ( 즉, molecular descriptors) 임을확인하였다. 또한, 분자량크기별로분획한 HA를대상으로도출한 H/C, SUVA 등과 log Koc와의상관성해석결과로부터방향족대비지방족성분의비율이높은고분자량의 HA에서는분자내지방족성분이 HOCs의흡착에주로기여함을알수있었다. 일반적으로소수성유기화합물과의흡착은토양유기물의생성기원과구조적특성에따라큰차이를보이며, 주요흡착영역 ( 지방족또는방향족성분 ) 에대한통일화된이론이정립되어있지않은상태임을고려할때, 본연구결과는분자량크기별 HA에서는지방족성분이소수성유기화합물의흡착에중요흡착영역임을제시했다는점에서의미가있다. 또한, 본연구를통해확보된분자량크기별 HA의물질특성규명자료와상관성해석자료는소수성유기오염물질의토양및지하수내에서의흡착과분포에토양유기물이미치는영향과거동특성평가에유용한기초자료로활용될수있을것으로기대된다. 사 이연구는서울과학기술대학교교내학술연구비지원 (2015) 으로수행되었음. 사 References Aiken, G.R., Mcknight, D.M., Wershaw, R.L., and MacCharthy, P., 1985, An Introduction to Humic Substances in Soil, Sediment, and Water, In Humic Substances in Soil, Sediment and Water: Geochemistry, Isolation, and Characterization (G. R. Aiken, D. M., MaKnight and R. L. Wershaw, eds.), John Wiley and Sons, USA. Cha, H.J., Park, D., Park, H., Kang, M.J., Lee, W., Choi, G.S., Cho, Y.H., Chung, K.H., Lee, H.P., Shin, H.S., and Lee, C.W., 2004, Vertical distribution of 137Cs and 90Sr activities in the soils of Korea, J. Korea Asso. Radiat. Prot., 29(3), 197-204. Chefetz, B. and Xing, B., 2009, Relative role of aliphatic and
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