광풍화 조건에서 미세플라스틱과 자연유래 입자로부터 용출된 용존 유기물 특성 비교 연구 :Characterization of dissolved organic matter leached from microplastics and natural particles under UV irradiation

최나은

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최나은 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 허진

발행연도: 2022

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이용수27

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

광풍화 조건에서 미세플라스틱과 자연유래 입자로부터 용출된 용존 유기물 특성 비교 연구

최나은 환경에너지융합 2022.01 학위논문

2021

UV 광풍화에 의한 미세플라스틱 기원 유기물 용출과 형광 특성: 자연 유래 유기성 입자와의 비교

최나은 , 허진 , 이윤경 대한환경공학회 학술발표논문집 2021.11 학술대회자료

2020

용존 유기물 분광 측정 기반의 미세플라스틱 감지 시스템

최나은 , 이윤경 , 허진 대한환경공학회 학술발표논문집 2020.11 학술대회자료

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환경 시료 속에서 발견되는 플라스틱 입자의 발생 및 영향에 관하여 수많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 미세플라스틱으로부터 용출되는 용존 유기물질(Dissolved organic matter: DOM)에 관한 연구는 부족한 실정이다. 일반적으로 미세플라스틱이 오염된 환경은 미세플라스틱과 자연 유래 입자성 물질들이 혼재되어 있으며, 이들은 실제 수 환경에서 신속한 미세플라스틱의 검출을 방해한다. 이러한 맥락에서 미세플라스틱 및 자연 입자성 물질로부터 용출되는 DOM의 구별과 특성화가 필요하다. 하지만 미세플라스틱과 자연유래를 포함한 다양한 기원의 입자성 물질로부터 용출된 DOM과 그 특성에 대해 기원별로 정량적 분석을 시도한 연구는 없었다. UV 조사가 입자성 물질로부터 DOM 방출을 촉진시킨다는 최근 보고들을 바탕으로, 본 연구에서는 자연 환경에서 미세플라스틱이 겪는 대표적인 풍화 과정 중 하나 인 UV 광 조사 하에 첨가제가 배제된 고분자 미세플라스틱(Polystyrene polymer: PPS와 Polyvinylchloride polymer: PPVC) 및 첨가제가 포함된 상업용 미세플라스틱(Commercial polystyrene: CPS와 Commercial polyvinylchloride: CPVC)의 DOM 용출에 관하여 자연 입자성 물질(Forest soil: FS, Litter leaves: LL)의 DOM 용출과 비교하였다. DOM 용출 및 형광 특성은 빛이 없는 조건과 UV 광이 있는 조건으로 나누어 비교하였다. UV광은 기원에 상관없이 DOM 방출을 촉진시켰다. 용출 조건에 상관없이, 자연 입자 물질이 미세플라스틱 보다 더 많은 DOM을 방출시켰다. 하지만 일부 미세플라스틱에서 UV광에 의한 DOM 용출 촉진 효과는 자연 입자물질보다 더 두드러졌다. 수중 미세플라스틱 검출에 널리 쓰이는 FT-IR분석을 통하여 미세플라스틱 유래 DOM에서 플라스틱 관련 -CH₂피크가 관찰되어 이들이 미세플라스틱에서 유래되었음을 예상할 수 있었다. 그럼에도 NP-DOM의 스펙트럼에서 -CH₂관련 피크들이 동일하게 관찰되어, FT-IR분석이 두 기원 구별에 접합하지 않음을 알 수 있었다. 이에 보다 간단하고, 유의미한 기원 구별을 위하여 3차원 형광 스펙트럼 및 주요 피크(B, T, A, M, C 피크)를 비교하였다. 그 결과 UV 광 조건에서 MP-DOM은 단백질-유사 형광 영역이 두드러졌던 반면, NP-DOM은 휴믹-유사 형광 영역이 더 두드러졌다. 이러한 경향에 착안하여 본 연구에서 제시한 형광 피크 비율(피크 (B+M)/(A+C))은 UV광 조사 시 MP-DOM 그룹에서 플라스틱의 종류나 첨가제 유/무와 상관없이 NP-DOM과 구분되었다. 이 비율은 수중 대표적인 생지화학적 변화 중 하나인 생분해과정 이후에도 두 기원간 유의미한 차이를 보였으므로, 이는 미세플라스틱과 자연입자물질 유래 DOM을 구분 지을 수 있는 고유한 분광학적 특성으로 여겨진다. 본 연구는 햇빛의 영향이 존재하는 수 환경에 다량의 미세플라스틱이 오염된다면 그로부터 무시할 수 없는 양의 DOM이 용출 될 수 있음이 예상되며, 제안된 형광 피크 비율을 이용하여 기존 복잡한 미세플라스틱 검출 방법을 보완할 수 있는 신속한 모니터링 도구로서 발전될 수 있을 것으로 기대한다.

There were numerous studies that have investigated the occurrence and fate of plastic particles in the environment. Only limited effort has been devoted toward exploring the characteristics of dissolved organic matter(DOM) leached from microplastics. In microplastic(MP)-contaminated environment, MPs are typically mixed with naturally-occurring particles which interfere with the detection of MPs in real environmental samples. In this context, it is necessary to discriminate between DOM leached from MPs and natural particles and also to characterize their characteristics. However, there have been no study that attempted quantitative analysis of DOM and their characteristics leaching from particulate matter of various origins, including microplastics and naturally-derived. Based on the recent report that UV irradiation promotes DOM leaching from particulate matter, this study investigated DOM leaching from MP polymer(Polystyrene polymer: PPS, Polyvinylchloride polymer: PPVC), commercial MP(Commercial polystyrene: CPS, Commercial polyvinylchloride: CPVC) and natural particulate matters(Forest soil: FS, Litter leaves: LL) under UV light, which is one of the main weathering processes to MPs in the environment. The leached DOM concentrations and fluorescence characteristics were compared under dark versus light conditions. Regardless of the origin, the UV light promoted DOM release from the particulate matters. More DOM was released from natural particles than from MPs for both conditions. However, the effect of promoting DOM release by UV was more pronounced for some MPs than for natural particles. FT-IR is widely used for the detection of microplastics in water. In the FT-IR analysis, microplastic-related -CH₂peaks were observed in the DOM leaching from microplastics, confirming that they originated from microplastics. However, -CH₂related peaks were also observed in the spectrum of NP-DOM. This indicates that FT-IR analysis does not suitable for identification of two origins. For simpler and more reliable identification of origins, fluorescence analysis was performed. As a result of fluorescence analysis, MP-DOM had a dominant protein-like fluorescence region whereas NP-DOM had a dominant humic-like fluorescence region under the light condition. Using this, the fluorescence ratio(peak (B+M)/(A+C)) presented in this study was distinguished from NP-DOM regardless of type of plastic and presence or absence of additives in the MP-DOM group with UV irradiation. This ratio showed a significant difference between the two origins even after the biodegradation experiment, which is one of the representative geochemical changes in water. Therefore, it is considered as one of the characteristics that can distinguish the DOM derived from microplastics and natural particulate matter. This study implies that non-negligible amount of DOM could be leached from MPs even in the MP-polluted environment under UV light. Furthermore, it was found that the fluorescence ratio could be utilized as a fast-monitoring indicator to separate the two main sources of particles under the light condition.

#미세플라스틱 #자연유래 입자물질 #용존 유기물질 #UV 광 조사 #형광 EEM #생분해

I. 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 2
1.2 연구 가설 및 목표 10
II. 이론적 배경 14
2.1 미세플라스틱으로부터 기인한 용존 유기물 15
2.2 자연 유래 입자로부터 기인한 용존 유기물 18
2.3 용존 유기물 특성화를 위한 분광분석법 19
2.3.1 3차원 형광 EEM 스펙트럼 21
2.3.2 FT-IR 분석법 24
III. 연구 방법 27
3.1 입자성 시료 선정 및 채취 방법 28
3.1.1 미세플라스틱의 선정 및 준비 28
3.1.2 자연유래 입자물질의 선정 및 준비 30
3.2 용존 유기물 시료를 얻기 위한 용출 실험 31
3.3 생분해 실험 34
3.4 분석방법 37
3.4.1 용존 유기탄소 농도 37
3.4.2 원소 분석 37
3.4.3 FT-IR스펙트럼 38
3.4.4 3차원 형광 EEM 분석 및 Coble의 형광 정의를 이용한 해석 39
Ⅴ. 결과 및 고찰 41
4.1 미세플라스틱과 자연입자성 시료 간의 용존 유기탄소 용출량 비교 42
4.1.1 용출 시간에 따른 유기탄소 농도 비교 42
4.1.2 입자 탄소 당 용존 유기탄소 용출량 비교 46
4.2 분광분석을 통한 용존 유기물의 기원 구별 52
4.2.1 FT-IR을 통한 미세플라스틱 유래 용존 유기물의 기원 구별 52
4.2.2 3차원 형광 EEM 스펙트럼 분포 비교 57
4.2.3 기원별 용출 DOM 구분을 위한 형광 피크 비율 65
4.3 미세플라스틱과 자연입자성 시료 간의 생분해 전후 DOM 성상 비교 69
4.3.1 용존 유기탄소 농도 변화 69
4.3.2 3차원 형광 EEM 및 비율 비교 71
Ⅵ. 결론 76
5.1 결론 77
5.2 환경적 영향 및 추후연구 80
Abstract (In English) 82
참고 문헌 84

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