연안 및 해양환경에서 수은의 종류

수중에 존재하는 수은의 종류(species)는 아주 다양하다. 크게 네 가지 정도를 꼽을 수 있는데, elemental mercury (Hgo), dimethylmercury ((CH3)2Hg, DMHg), inorganic mercury (Hg2+, Hg(II)), 그리고 monomethylmercury (CH3Hg+, MMHg)를 들 수 있다. 이 중 elemental mercury와 DMHg는 기체상태로 존재하며, Hg(II)와 MMHg는 고체상태 (dissolved solid)로 존재한다.

연안 및 해양환경에서 수은의 지화학적 특성

수중에서 수은의 화학은 아주 복잡하다. 왜냐면, 수은은 열역학적으로 예상이 가능한 반응이나 상호 작용을 따르지 않기 때문이다. 수중환경에서 수은의 다양한 변화와 이동에 대해 가장 중요한 것은 수은이 수중에서 입자와 결합하여 퇴적물로 가라앉아 제거된 후, 미생물에 의해 변환되어 생태계의 먹이사슬 내에 유입되는 과정이다. 제거된 수은은 퇴적물에서 불용성 (insoluble) mercuric sulfide (HgS)로 퇴적물 깊이 묻히거나, MMHg로 변환된다. 가장 큰 pool인 Hg(II)와 MMHg사이의 상대적 양은 methylation 과 demethylation이라는 두개의 작용의 결과에 따라 결정된다. Methylation은 주로 퇴적물내에 있는 sulfate reducing bacteria에 의해 일어난다고 알려져 있으며, 이와 비슷하게 demethylation 역시 주로 박테리아에 의해 일어난다. MMHg는 주로 퇴적물에서 수층으로 전달되는데, 식물성 플랑크톤의 성장과정에서 먹이사슬로 들어온다. 일단 먹이 사슬로 들어온 MMHg는 1차, 2차, 3차 소비자로 올라갈수록 점점 더 그 농도가 높아진다. 한편 Hg(II)의 일부는 수중에서 식물플랑크톤이나 태양광선에 의해 Hgo로 환원되어, 대기중으로 날아가기도 한다. 그리고 대기 중의 Hgo는 아주 멀리 이동을 하기도 하며, 강우에 섞여 다시 표층수로 되돌아온다. 기체 상태의 수은을 제외하면, inorganic mercury나 MMHg는 수중에서 있는 입자 (particulate), 콜로이드 (colloids) 그리고 용존성 유기물 (dissolved orgnaic matter, DOM)과의 반응성이 아주 크다. 따라서 이러한 물질들과 결합하고 있지 않은 자유이온상태로 있는 수은의 양은 극히 적다. 금속원소들의 독성은 모든 species의 전체 농도보다는 자유이온상태의 농도에 의해 크게 좌우된다.

그러므로 수은이 수중에서 이들 물질들과 어떻게 반응하는가를 파악하는 것은 아주 중요하다.

Species Chemical Formula Characteristics
Elemental mercury Hgo 기체상태이며, 해양에서 대기로의 공급이 이 형태로 일어남
Dimethylmercury (CH3)2Hgo 기체상태이고, 극히 미량으로 존재
Inorganic mercury Hg2+ 수중에 존재하는 가장 일반적이 형태
Monomethylmercury CH3Hg+ 수중에는 소량 존재하나 생물체에 축적되는 형태로 독성이 가장 강함

Total mercury 분석
해수나 담수 중의 Hg(II)나 MMHg는 아주 극미량 존재하므로 분석과정 중 약간의 실수로 결과에 큰 차이를 가져올 수 있다. 모든 샘플링이나 분석방법은 ultra clean technique을 따라야 한다.

샘플 중의 모든 수은을 sodium borohydride (NaBH4)을 이용해 Hgo으로 환원시켜, gold column에서 trap한 후, cold vapor atomic fluorescence spectrometer로 측정하는 방법이다. 여기에 자동분석기 부분을 포함한 전체 기계의 모습이 있다.

Monomethylmercury 분석

간단하게 말하면, 샘플안의 모든 수은들을 sodium tetraethyl borate (NaBEt4)로 ethylate시킨 후, GC에서 분리하고, 높은 온도에서 Hgo로 decompose 시켜, Hg(II)와 마찬가지로 cold vapor atomic fluorescence spectrometer로 측정한다.

샘플은 peristaltic pump를 이용하여 채취하여 반드시 FEP Teflon bottle에 담아 실험실로 옮긴다.
0.5% 의 HCl로 pH를 2 이하로 낮춘다.
Distillation
60mL PFA Teflon vial에 45 mL의 샘플을 넣고 100uL의 APDC를 첨가한 후,
145oC에서 40mL를 증류시킨다 (약 4시간 30분 소요).
Carrier gas 로는 40mL/min의 UHP Ar gas를 이용한다.
Ethylation
40mL의 distillate를 bubbler에 넣고, DI water를 부어 100mL를 만든후,
Acetate buffer (pH~4.5)와 NaBEt4를 넣는다.
bubbler에 Carbotrap을 연결시킨다.
17분간 반응시키고, 15분간 Ar gas로 purge한다. 이제 샘플에 있던 모든 수은 species들은 ethylating되어 Carbortrap으로 옮겨졌다.
Detect
GC packing material - 70 cm 길이의 60/80 mesh 15% OV-3 on Chromosorb W AW-DMSC
Carbotrap을 GC (110oC)에 연결시키고,
200oC에서 30초 간 가열하면 Carbotrap에 흡착된 수은의 ethyl derivatives 들이 elute된다.
organic mercury spcies들은 GC column에서 분자량에 따라 분리되고,
최종적으로 700oC이상으로 가열한 Quartz wool column을 통과하면서 Hgo로 변환되고 CVAFS로 측정한다.
Atomic Fluorescence Apectrometer는 어떻게 작동하나?

적당한 그림이 없는 것이 아쉬우나, 기계의 가장 핵심적인 부분은 자외선 램프 하나와 UV-visible photomultiplier하나로 이루어져 있을 뿐이다. 램프에서는 254 nm의 파장을 가진 자외선이 기화된 Hgo에 조사되었을때, 수은 원자는 잠시 들뜬 상태로 되었다가 곧 기저상태로 되돌아온다. 이때 형광을 발생하고 이는 photomultiplier에서 증폭된 전자의 흐름으로 바뀐다.

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콜로이드란 무엇인가?
일반적으로, 콜로이드란 그 성분이 무엇이냐에 관계없이 일반적으로 입자의 크기가 0.45um (혹은 0.2um)보다 작고, 1000 Da (Dalton, 분자 하나의 무게)보다는 큰 모든 것을 가리킨다. 과거에는 콜로이드를 용존태로 분류하였으나 지금은 콜로이드를 입자태와 용존태 사이의 전이 상태로 보고 있다.

콜로이드의 성분

해양에서 콜로이드의 대부분의 유기물 (>90%)과 소량의 무기물 (광물 입자) 등으로 구성되어져 있다고 밝혀졌다.

Microorganism and biological debris
Iron oxyhydroxide - tens of nanometer to microns.
CaCO3
Clays
Amorphous silica
Polysaccharides and organic fibrillar material
Gel-like organic material
Soil-derived fulvic compounds - very small entities, nanometer. Aggregate together or adsorbed at the surface of larger colloids, thin coating
Inorganic colloids are bridged together by comparatively larger organic structure, called filamentous material.
왜 콜로이드는 중요한가?
최근 들어, 콜로이드가 희유원소의 흡착(uptake)과 운반에 아주 중요하다는 증거가 계속 발견되고 있으며, 콜로이드에 흡착(sorption)된 희유원소가 궁극적으로는 입자태 희유원소로 coagulate되는데 있어서 중간자로 작용한다는 가설이 받아들여지고 있기 때문이다 (COLLOIDAL PUMPING).

콜로이드 분석

콜로이드의 분석방법은 resin을 이용한 화학적인 방법과 ultrafiltration과 같은 물리적인 방법으로 나눌 수 있다. 그러나 여기서는 Cross (또는 Tangential) Flow Filtration (CFF)을 이용한 ultrafiltration애 대해서만 다루기로 한다.

Ultrafiltraion의 원리

위의 그림은 ultrafiltration의 개략적인 흐름도이다. 우선 펌프가 있어야 하고, 샘플을 담아놓는 reservior에서 출발한 샘플은 cartridge를 통해서 흐른 후 다시 reservoir로 되돌아 온다. Outlet의 바로 뒤에는 밸브가 있어서 카트리지내부의 압력을 조절할 수 있게 되어있다. 이 back pressure가 없을 때는 샘플을 계속 순환만 하지만, 어느 정도 압력이 가해지면 (~30psi), membrane의 NMWC보다 적은 입자 (filtrate or permeate) 들 중 아주 작은 부분은 membrane의 pore를 통과하여 따로 모이게 되고, 그 외의 용액들은 다시 reservoir로 되돌아가 재순환이 된다. 좀 쉽게 설명을 한다면, 수도꼭지에 연결된 고무관을 생각해 보자. 그리고 그 고무관의 중간부분에 바늘로 작은 구멍을 하나 내고 수도꼭지의 물을 틀어보자. 구멍이 아주 크지 않다면, 물이 그 작은 구멍으로 새지는 않을 것이다. 이제 고무관의 끝을 손으로 약간 세게 잡아보자. 이때 고무관 내의 수압은 커지게 되고 바늘로 만든 작은 구멍으로 가는 물줄기가 나올 것이다. 이것이 바로 back pressure를 이용한 ultrafiltration의 원리이다.

이때 콜로이드를 포함하고 있는 retentate는 계속 농축되기 때문에, 이를 concentration mode라고 한다. 때에 따라서 빠져나가는 filtrate의 양만큼을 같은 양의 증류수나 버퍼로 채워주면서, 항상 같은 양의 recirculation volume을 유지시켜 주는 diafiltration mode를 사용하기도 한다.

Concentration Factor

Ultrafiltration에 있어서 중요한 것이 바로 concentration factor (CF)이다. 이는 샘플의 초기 부피를 최종 retentate의 부피로 나눈 값으로서, 만약 1 L의 샘플을 처리해서 최종적으로 200 mL의 retentate을 얻었다면 이때 CF는 바로 5이다. 최적의 CF를 정하는 방법은 전적으로 콜로이드의 양애 따라 달라진다. 해양애서 대부분의 콜로이드가 유기탄소라고 알려져 있으므로, 용존유기탄소의 농도가 CF를 정하는 좋은 지시자이다. 일반적으로 해안이나 estuaries에서의 희유원소의 분석시에 5-10정도의 CF가 이용된다. 용존유기탄소의 농도가 아주 낮은 대양에서는 훨씬 더 높은 (~100) CF가 이용되기도 한다.

CFF Cartridges의 종류

Cartriges의 종류는 membrane의 재질이나 모양 그리고 pore 의 크기에 따라 달라진다. CFF cartridges에는 miniplates , spiral wound , hollow fiber등이 있다.

위에서 보여준 그림은 miniplate의 단면도이다. 필터의 inlet과 outlet사이에는 membrane filter가 있는데, nominal molecular weight cutoff (NMWC)에 따라 3000, 10000, 30000, 100000 Da 4가지 종류가 있다. Ultrafiltration은 시간이 많이 소모되는 아주 "참을성"을 많이 필요로 하는 작업이다. 예를 들면, 10kDa로 1L에서 시작하여 800mL를 filter하여 200mL까지 줄이는데에는 약 1시간 30분이 걸리며, 3kDa로 같은 작업을 할 경우 pore의 크기가 훨씬 작기 때문에 약 5시간이 소요된다. 따라서 500 또는 1000 Da 등과 같이 훨씬 작은 pore size를 이용할 때에는 표면적이 넓은 spiral wound cartridge를 사용하는 것이 유리하다.