1. 서 론

산업발달은 수생태계에 지속적인 오염부하를 가중시키고 있고, 산 업폐수 중에는 고농도의 수질오염물질이 포함되어 있어 공공수역으 로 배출 시 위험성이 매우 크다[1]. 이들 수질오염물질 중 휘발성 유기 물질, 유기용제, 다환 방향족 탄화수소 등 합성 유기화합물과 중금속 등은 각종 질환과 발암, 내분비계 장애 등 사람의 건강은 물론 수생태 계에도 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 국내에서도 수질오염물질들의 유해성을 중심으로 산업폐수 관리체계를 강화하고 있다[2]. 주로 중금 속류와 휘발성 유기화합물(VOCs; volatile organic compounds)인 특정 수질유해물질은 산업폐수와 생활하수로 배출되어 처리과정을 거친 후에도 방류수 중에 잔류되어 지하수 및 하천수에 검출되고 있어 배 출업종별로 분류해서 집중 관리하는 효율성 제고가 요구되고 있다[3]. 수계에 존재하는 수십만 종의 화학물질이 물속에서 어떤 반응을 하며, 결과적으로 어떤 최종 유해성을 갖는지는 알 수가 없으므로 지표생물 을 이용하여 폐수의 독성유무를 진단하는 전 배수독성(WET; whole effluent toxicity test)은 방류수에 존재하는 오염물질의 혼합독성과 화 학분석이 되지 않는 미지의 오염물질에 의한 독성까지 반영할 수 있기 때문에 새로운 오염관리 기법으로 적용되고 있다[4]. EPA (미국 환경 보호국)는 독성의 확인에 통합적 접근법인 생태독성시험법을 수질근 거 분석과 함께 사용하도록 권고하고 있으며, 이 시험법은 다양한 종 류의 어류와 물벼룩을 이용한다[5]. 생물을 이용한 독성에 관한 연구 는 국내외적으로 오랜 기간 시행되고 있으며 Min[6]은 조류, 물벼룩, 형광박테리아를 이용한 금속의 독성평가, Jeong[7]은 물벼룩에 대한 중금속의 급성 및 만성독성, Cho[8]는 물벼룩을 이용하여 살충제의 급성 및 만성독성에 관한 연구를 하였다. Kim[9]은 Daphnia magna와 Vibrio fischeri를 이용하여 산업폐수의 생물독성평가에 관한 연구를 하였다. Lee[10]는 낙동강 내 1,4-다이옥산의 독성 모니터링, Choi[11] 는 DEHP (di-2-ethylhexyl phthalate)의 노출에 따른 암 위해성 평가, Woo[12]는 환경 인자에 대한 카드뮴의 생태 위해성, Seo[13]는 bronopol에 대한 생물독성 위해성 평가에 관한 연구를 하였다. Lee 등[14] 은 산업폐수에 대한 이화학적 분석과 물벼룩 생태독성의 비교 연구를 수행하였는데, 아연 등 중금속이 초과 배출되었을 경우에 생태독성값 의 변화를 조사하였다. 그런데 매년 확대 지정되고 있는 특정수질유 해물질 중 VOCs에 대해서는 검출 현황 조사나 처리기술에 대한 연구 는 이루어져 왔지만, 수많은 개별물질과 이들의 혼합물질에 대한 생 태독성평가는 미지 물질 및 검출 한계 이하로 존재할 경우, 해석의 어 려움과 복잡성으로 인해 거의 수행되지 않고 있는 실정이다.

울산지역 폐수배출사업장 방류수 내 특정수질유해물질 중 배출허 용기준을 초과하여 검출되는 휘발성 유기화합물은 1,4-다이옥산(0.012 ~13.252 mg/L)과 디클로로메탄(0.001~0.662 mg/L)이었고, 배출허용 기준은 1,4-다이옥산이 4.0 mg/L 이하, 디클로로메탄이 0.2 mg/L 이하 로 설정되어 있으며, 생태독성 기준은 1 TU (toxic unit) 이하(청정지 역), 2 TU 이하(가, 나, 특례지역)로 설정되어 있다. 고농도로 검출된 업종은 화학물질 제조시설, 석유화학계 기초화합물 제조시설, 합성수 지 및 기타 플라스틱물질 제조시설 등이었으며, 2016년 화학물질 배 출량 조사결과, 1,4-다이옥산의 배출량과 이동량은 각각 1,157 kg/yr 및 79,294 kg이었고, 디클로로메탄의 배출량과 이동량은 각각 3,022,692 kg/yr 및 302,294 kg이었다[15]. 수생태계에는 독성물질 한 개가 아니 라 다양한 혼합물에 노출되어 있기 때문에[16] 본 연구에서는 울산지 역에서 중금속을 배출하지 않는 석유화학업체 방류수의 VOCs에 대 하여 이화학적 농도분석과 물벼룩을 이용한 생태독성시험을 수행하고 상호 배출허용기준의 적정성을 조사하며, 동시에 실험실에서 합성폐수 를 제조하여 1,4-다이옥산 및 디클로로메탄에 대한 단일 및 혼합 독성 평가를 실시하여 TU에 대한 산업폐수와의 괴리를 조사하고자 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1. 시약 및 재료

산업폐수는 울산지역 42개 사업장 방류수를 대상으로 중금속을 배 출하지 않고, 주로 VOCs를 배출하는 석유화학업체들의 방류수 중 1,4-다이옥산 및 디클로로메탄을 배출하는 8개 지점을 선정하여 시료 를 채취하였다. 실험실에서 제조된 합성폐수는 1,4-다이옥산 및 디클 로로메탄(CH₂Cl₂)의 표준용액을 AccuStandard에서 구매하여 사용하 였으며, 메탄올(CH₃OH)을 용매로 하여 stock solution (모액)을 조제 한 후 물벼룩 배양액으로 희석하여 사용하였다.

2.2. 생태독성시험

시험생물 준비 및 생태독성 분석방법은 수질오염공정시험기준 제 49항 “물벼룩을 이용한 급성독성시험법”에 따라 시행하였다. 대상 시험 종인 물벼룩의 배양조건은 온도 20 ± 1 ℃, 광조건은 1,000 lux 이하, 광주기는 light : dark = 16 h : 8 h, 용존산소는 3 mg/L 이상으로 하였 다. 먹이는 주먹이인 Chlorella sp.와 보조먹이인 YCT (yeast cerophyll trout chow)를 3 : 1로 1 day 1회, 배양액 1 L 기준으로 2.5 mL 공급하 였다. 시험수는 원수(100%), 50, 25, 12.5, 6.25%로 준비하여 4번의 반 복실험을 하였으며, 실험용액 50 mL에 물벼룩 5마리씩 투입하였다. 실험에는 3회 이상 어린 개체를 생산한 어미로부터 얻은 개체 가운데 생후 24 h 이내의 신생아를 선별하여 사용하였으며, 시험 중에는 먹이 공급을 하지 않았다. 24 h 후의 유영저해 및 사망여부를 관찰하여 그 결과 반수영향농도(EC₅₀)를 구하였다.

유영저해란 시험용기를 조용히 움직여 준 후, 약 15 s 후에 관찰하 여 일부 기관(촉각, 후복부 등)은 움직이나 유영하지 않는 것을 말하 며, 반수영향농도는 일정 시험기간 동안 시험생물의 50%가 유영저해를 일으키는 시료농도[시험수 중 시료의 함유율(%)]이다.

2.3. 생태독성값 계산

생태독성값(TU) 계산은 시험기간 동안 물벼룩의 50%가 유영저해를 일으키는 농도[시험수 중 시료 함유율(%)]인 EC₅₀을 100 / EC₅₀으로 환 산한 값이며, 통계학적 분석방법인 TSK (trimmed spearman method) 혹은 probit method를 이용하였다[17].

3. 결과 및 고찰

3.1. 표준 독성시험

독성시험에 사용되는 시험생물은 독성물질에 대한 민감도(sensitivity) 가 일정하게 유지되어야 하며 잘 통제된 환경에서 정해진 시험절 차를 따라야 한다. 실험에 허용 가능한 기준, 실험조건, 농도-반응단계, 지표독성물질 실험의 시험민감도는 행해진 실험이 유효한 실험이라 는 것을 증명하기 위해 필요하다. 따라서 독성시험 때마다 시험동물 의 생물학적 특성 및 제반 시험절차가 일정하게 유지되는지 확인하는 것은 독성시험의 신뢰도를 위해 매우 중요하다[18]. 지표독성물질로 는 NaCl (sodium chloride), KCl (potassium chloride), CdCl2 (cadmium chloride), K₂Cr₂O₇ (potassium dichromate) 등이 있는데, 본 연구에서 는 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇)을 표준독성물질로 사용하여 표준지표 독성 시험(standard reference toxicity test)을 수행하였다. ISO (international organization for standardization)에서는 용존산소 농도가 2 mg/L 이상, 대조구의 유영저해율이 10% 이하이며, 중크롬산칼륨의 24 h EC₅₀ 값 이 0.9~2.1 mg/L의 범위 내에 있으면 시험이 정당하게 이루어졌음을 인정할 수 있는데, Table 1에 나타낸 바와 같이, 7회의 표준 독성시험 결과 24 h EC₅₀ 값이 0.98~1.35 mg/L의 범위 내에 있었으며, 평균값 이 1.12 mg/L이었다. 이후 월 1회씩 수행한 결과에서도 일정한 범위 내의 값을 나타내어 본 연구에 사용된 Daphnia magna의 민감성은 일 정하게 유지된다고 판단되었다.

3.2. 폐수배출사업장의 휘발성 유기화합물 분석 결과

산업단지 폐수 내 특정수질유해물질 농도 및 독성값을 조사하기 위 해 중금속을 배출하지 않고, 주로 VOCs를 배출하는 석유화학업체들 의 방류수를 분석하였으며, 그 중 농도가 검출된 항목은 Table 2와 같 다. 1,4-다이옥산과 디클로로메탄을 제외한 다른 항목은 대부분 미량 으로 검출되거나 불검출이었으며, 물벼룩 생태독성값 또한 낮았다. 수 질배출허용기준을 초과해서 검출된 배출수(sites 1, 2, 4, 7)의 경우, 화 학물질 제조시설, 석유화학계 기초화합물 제조시설, 합성수지 및 기타 플라스틱물질 제조시설 등 업종이 다양했으며, 물벼룩 독성값 또한 업종별로 큰 차이를 나타내었다. Table 2에 나타난 바와 같이, 1,4-다 이옥산의 경우, 배출허용농도(4.0 mg/L)를 초과하여 배출한 site 4에서 는 TU 값이 1.0 이하이었지만, 배출허용농도 이하인 sites 3 및 7에서는 TU 값이 1.0을 초과하였다. 특히, site 3에서는 1,4-다이옥산 및 디클로 로메탄의 배출농도가 매우 낮고, 다른 VOCs가 검출되지 않았음에도 불구하고 TU 값이 1.0을 초과하였으므로 혼합물질에 대한 해석의 어 려움이 존재하고 있는 실정이다. 또한, 산업폐수 중 벤젠, 클로로포름, 아 크릴로니트릴 및 DEHP (di-2-ethyl hexyl phthalate)가 미량 존재하더 라도 TU 값이 1.0 이하인 것으로 나타나 혼합폐수에 미치는 영향이 낮 은 것으로 나타났다. 따라서 분석결과를 바탕으로 고농도로 검출된 1,4-다이옥산 및 디클로로메탄과 독성값과의 상관관계를 조사하기 위 해 단일물질 및 혼합물질의 농도별 물벼룩 독성시험을 수행하였다.

3.3. 1,4-다이옥산의 물벼룩 급성독성시험

1,4-다이옥산은 산업 활동의 결과로 발생하는 인위적인 산물로 우 리나라의 경우, 폴리에스테르 섬유를 제조하는 공장이 주 배출원으로 특히 4대강 유역 중 섬유산업이 밀집되어 있는 낙동강 수계에서 자주 검출되는 경향을 보이고 있다[19]. 시험농도는 예비시험 결과를 기초 로 하여 400, 800, 1,200, 1,600, 2,000 mg/L로 선정하였으며, 각 농도 별로 준비된 시험용액 50 mL를 비커에 넣고, 비커마다 물벼룩 5마리 씩 투입하고 4개의 반복구를 두어 시험농도 당 총 20마리의 물벼룩을 사용하였다. 시험시간은 총 48 h이었으며, 최종 관찰점(end point)은 유영저해로서 24와 48 h 후에 노출중인 개체를 관찰하였다. Table 3에 나타낸 바와 같이, 24 h 후 1,200 mg/L 이하의 농도에서는 물벼룩 유 영저해가 나타나지 않았으나, 1,600 mg/L에서 10%, 2,000 mg/L에서 100% 유영저해가 관찰되었다. 48 h 후에는 800 mg/L 이하의 농도에 서는 물벼룩 유영저해가 나타나지 않았으나, 1,200 mg/L에서 10%, 1,600 mg/L에서 80%, 2,000 mg/L에서 100% 유영저해가 관찰되었다. 1,4-다이옥산에 노출된 Daphnia magna의 급성독성시험 결과로 반수 영향농도(EC₅₀)와 무영향 관찰농도(NOEC; no observed effect concentration) 값을 산출하여 sigmoid curve (Figure 1)를 작성하였다(Sigma Plot program 사용).

1,4-다이옥산의 NOEC 값은 24 h 1,200 mg/L, 48 h 800 mg/L이었고, 24와 48 h의 EC₅₀ 값과 95% 신뢰구간은 각각 1,744 (1,685~1,805), 1,409 (1,320~1,504) mg/L으로 물벼룩 독성 값으로 환산하면 0.06~ 0.07 TU로 배출허용기준(1.0 TU)에 비해 매우 낮았다. 실험결과(1,744 mg/L)를 바탕으로 계산된 24 h TU 값은 약 0.06이었으며, 1,500 mg/L 의 농도에서 0.05 TU를 나타내었으므로 1.0 TU 값을 구하기 위하여 외 삽하면 약 30,000 mg/L의 농도로 추정되어 Table 2에 나타낸 산업폐 수의 측정값과 매우 큰 괴리를 나타내고 있다. 조류를 이용한 생태독성 시험 결과 1,4-다이옥산에 대한 자연형광 측정법의 EC₅₀ 값은 21,966 mg/L으로 다른 특정수질유해물질에 비해 독성이 매우 낮은 것으로 나타났다[19]. EPA의 독성자료에서도 1,4-다이옥산에 대한 생물독성 결과가 4,700~8,450 (Daphnia manga), 985 (어류, 96 h), 500 mg/L (녹조류, 72 h) 등으로 수계에서 배출되는 농도보다 매우 높으므로 안 전한 수준으로 평가되고 있다[20]. 반면, Park 등[22]의 결과에서는 1,4-다이옥산의 EC₅₀ 값이 8.6 mg/L (Daphnia manga)로 매우 높은 수 치를 나타내었는데, 이는 1,4-다이옥산을 방류하는 업체의 공장배출수 를 직접 시료 채취하여 실험한 결과로서 1,4-다이옥산 외 다른 유해물 질과의 혼합에 의해 독성값이 증가한 것으로 보여진다. Kamrin[23]은 EC₅₀ 값에 따른 독성 정도를 평가하였는데(Table 4), 1,4-dioxane의 경 우, EC₅₀ 값(1,409~1,744 mg/L)이 100 mg/L 이상 구간에 해당되어 독 성이 거의 없는 것으로 볼 수 있다.

3.4. 디클로로메탄의 물벼룩 급성독성평가

디클로로메탄은 염화메틸 또는 메탄을 염소화하거나 클로로폼을 아연과 아세트산으로 환원하면 얻어지는 화합물로서 주로 반응용제, 냉매나 세척제 등으로 사용되고, 높은 휘발성 때문에 주로 호흡기 장 애를 일으키며, 발암가능성 물질로 보고되고 있다[24]. 시험농도는 예 비시험 결과를 기초로 하여 40, 80, 120, 160, 200 mg/L로 선정하였다. Daphnia magna를 이용하여 디클로로메탄의 급성독성시험을 수행한 결과는 Table 5와 같다.

Table 5에 나타낸 바와 같이, 24 h 후 120 mg/L 이하의 농도에서는 물벼룩 유영저해가 나타나지 않았으나, 160 mg/L에서 20%, 200 mg/L 에서 100% 유영저해가 관찰되었다. 48 h 후에는 80 mg/L 이하의 농 도에서는 물벼룩 유영저해가 나타나지 않았으나, 120 mg/L에서 20%, 160 mg/L에서 60%, 200 mg/L에서 100% 유영저해가 관찰되었다. 디 클로로메탄에 노출된 Daphnia magna의 급성독성시험 결과로 반수영 향농도(EC₅₀)와 무영향 관찰농도(NOEC)값을 산출하여 sigmoid curve (Figure 2)를 작성하였다(sigma plot program 사용). 디클로로메탄의 NOEC 값은 24 h 120 mg/L, 48 h 80 mg/L이었고, 24와 48 h의 EC₅₀ 값과 95% 신뢰구간은 각각 170 (162~178), 143 (132~156) mg/L으로 물벼룩 독성 값으로 환산하면 0.6~0.7 TU로 배출허용기준(1.0 TU)과 큰 차이가 없어 독성영향이 우려된다. 실험결과를 바탕으로 24 h에서 1.0 TU 값을 구하기 위하여 외삽하면 약 270 mg/L의 농도로 추정되어 Table 2에 나타낸 산업폐수의 측정값과 매우 큰 괴리를 나타내고 있 다. 1988년도 환경부[25]에서 디클로로메탄에 대한 독성평가를 실시한 결과, 물벼룩의 24 h EC₅₀ 값이 247 mg/L, 어류(O. latipes)의 24 h EC₅₀ 값이 423 mg/L, mouse의 경구독성 LD50 값이 6,202 mg/kg으로 보고 하였으며, 이는 본 연구의 물벼룩에 대한 시험결과와 유사한 범위 내의 값을 나타내었다. EC₅₀ 값에 따른 독성 정도표(Table 4)에서는 디클로 로메탄이 143~170 mg/L (100 mg/L 이상 구간)으로 독성이 없는 구간 에 해당되었으나, 타 시험종의 급성 및 만성결과도 함께 고려해야 할 것으로 사료된다.

3.5. 혼합독성평가

단일 화학물질에 대한 독성평가는 다양한 생물을 통해 평가되어 왔 지만, 환경에 존재하는 유해물질은 대부분 여러 종류가 함께 존재하 는 것이 일반적이고, 여러 물질이 혼재하는 경우에는 개별 물질의 독 성영향의 단순 합보다 증가하거나(synergism), 감소하는(antagonism) 물질 간의 상호작용이 존재할 수 있으므로[25] 혼합독성에 대한 사전 정보 없이 단일 화학물질을 이용한 독성시험의 결과를 이용하여 혼합 물질의 독성영향을 예측하는 것은 부정확할 수 있다[26]. 단일물질에 대한 독성시험 결과를 이용하여 혼합독성시험을 위한 1,4-다이옥산과 디클로로메탄의 농도 조합을 설정하였는데, 1,4-다이옥산 100 mg/L과 디클로로메탄 1, 5, 10 mg/L의 혼합 용액 및 디클로로메탄 100 mg/L 과 1,4-다이옥산 1, 5 10 mg/L의 조합으로 독성시험에 사용하였다. 각 농도별로 준비된 시험용액 50 mL를 비커에 넣고, 비커마다 물벼룩 5 마리 씩 투입하고 4개의 반복구를 두어 24 h 후에 유영저해를 나타내 는 개체를 관찰하였다.

2종류 물질의 혼합에 의한 독성영향을 평가하기 위하여 1,4-다이옥 산 100 mg/L에 디클로로메탄을 1, 5, 10 mg/L으로 첨가했을 때의 물 벼룩 독성값을 나타내었으며(Figure 3), 디클로로메탄의 농도가 증가 할수록 독성값 또한 증가하는 경향을 보였고, 혼합물질의 독성영향을 해석하기 위해 단일물질의 독성값의 합과 혼합물질의 실제 관찰된 값 을 비교하였다(Figure 4). 실제 관찰된 값이 예측값보다 높으면 혼합 물질 독성영향이 상승효과를 나타내며, 낮을 경우에는 길항 효과를 보이는 것으로 판단하였고, 두 값이 유의하지 않으면 첨가효과로 판 단된다[27]. 1,4-다이옥산 100 mg/L (TU 0.01)에 디클로로메탄 1 (TU 0.01), 5 (TU 0.02), 10 mg/L (TU 0.07)이 첨가된 혼합물에 대한 TU값 이 각각 0.01, 0.02, 0.04, 0.10으로 예측된 값보다 약간 높게 나타나 1,4-다이옥산과 디클로로메탄에서 독성이 대체로 상승되는 효과(synergy effect)로 볼 수 있었다. 혼합독성 예측모델에 따르면 독성물질 사이의 상호작용에 따라 상승(concentration addition) 또는 독립(independent action)작용을 한다고 알려져 있으며[28], 1,4-다이옥산과 디클 로로메탄의 경우 상승작용을 한 것으로 사료된다.

한편, 디클로로메탄 100 mg/L에 1,4-다이옥산을 1, 5, 10 mg/L으로 첨가했을 때의 물벼룩 독성값(Figure 5)에서도 1,4-다이옥산의 농도가 증가할수록 독성값 또한 증가하는 경향을 보였으며, 상대적으로 완만 하게 상승하였다. 두 물질 간의 독성영향을 살펴본 결과(Figure 5), 디 클로로메탄 100 mg/L (TU 0.40)에 1,4-다이옥산 1 (TU 0), 5 (TU 0), 10 mg/L (TU 0)이 첨가된 혼합물에 대한 TU값이 각각 0.40, 0.50, 0.55, 0.60로 나타나 앞의 경우와 마찬가지로 독성이 대체로 상승되는 효과를 볼 수 있었다. 그러나 첨가한 1,4-다이옥산의 농도가 낮고(TU 0), 디클로로메탄에 비해 독성값도 상대적으로 매우 낮아서 혼합물질 에 대한 독성영향은 판단할 수 없었다.

4. 결 론

공공수역으로 방류되는 산업폐수 내 특정수질유해물질 중 1,4-다이 옥산과 디클로로메탄이 배출허용기준을 초과한 경우가 자주 발생하 여 Daphnia magna를 이용한 생태독성시험을 수행하였으며, 동시에 실험실에서 합성한 단일 물질 및 혼합폐수에 대해서도 생태독성시험 을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.