영흥도 주변 해역에서 해양환경을 대표하는 주요 인자들의 분포 특성을 살펴보기 위해 해양환경공단 소속의 아라미1호를 이용하여 2017년 7월(하계)과 2018년 1월(동계)에 각각 1회 현장조사 및 시료를 채취하였다. 해수 시료는 16개 정점에서 로젯 샘플러를 이용하여 채취하였으며, 표층 퇴적물(상부 2 cm) 시료는 20개 정점에서 van Veen 그랩을 이용하여 채취하였다(Fig. 1).

수온과 염분은 CTD(SBE 19plus V2, Sea-Bird Electronics, USA)를 이용하여 측정하였고, 수소이온농도(pH)는 채수시 기포가 발생하지 않도록 시료병에 옮겨 담은 후 pH meter(Orion Star A329, Thermo Scientific, USA)로 현장에서 측정하였다. 해수 중 용존산소(DO)는 윙클러-아지드화나트륨 적정법으로 측정하였으며, 투명도는 지름 30 cm 백색 원판(Secchi disk)을 이용하여 측정하였다.

영양염(NO₂^-, NO₃^-, PO₄^3-, Si(OH)₄) 분석을 위해서 해수 시료는 GF/F 여과지로 여과한 후, 여과된 해수 100 mL를 채취하여 분석 전까지 냉동 보관하였다. 암모늄(NH₄⁺) 측정을 위한 시료는 여과 과정에서의 오염을 최소화하기 위해서 여과를 하지 않은 원수를 취하여 즉시 냉동 보관하였다. 영양염 농도는 영양염자동분석기(QuAAtro, Seal Analytical GmbH, Germany)를 이용하여 분석하였다.

해수 중 chlorophyll a 농도는 해수를 여과하기 전에 330 μm mesh로 동물플랑크톤을 제거한 후 membrane 여과지(공경 0.45 μm)를 이용하여 여과하고 여과지는 90% 아세톤으로 추출한 후 형광광도계(10-AU, Turner Designs, USA)로 측정하였다.

표층 퇴적물 내 입도는 Ingram[1971]의 표준입도분석 방법에 따라 분석하였다. 표층 퇴적물 시료는 과산화수소(H₂O₂)와 염산(HCl)을 이용하여 유기물과 탄산염을 제거한 후 습식체질에 의해 조립질과 세립질로 분리하였다. 4Ø 이하의 조립질 시료는 sieve shaker를 이용하여 체질한 후 입도별로(1Ø 간격) 무게 백분율을 구하였고, 4Ø이상의 세립질 퇴적물은 약 2 g을 취한 후 자동입도분석기(Sedigraph III 5120, Micromeritics, USA)를 이용하여 측정하였다.

표층 퇴적물 중 총유기탄소(TOC)는 동결건조된 시료를 분말화한 다음 1 M 염산으로 전처리한 후 CHN analyzer(Thermo FLASH 2000 Series, Thermo Scientific, USA)를 이용하여 측정하였다.

표층 퇴적물 내 중금속의 농도 분석은 균질화된 시료 약 0.2 g에 혼합산(HNO₃:HF:HCIO4 = 2:2:1)을 가하여 완전히 가열·분해한 다음 증발·건조하고, 1% HNO₃ 용액으로 재용해 하였다. 산분해를 통해 얻어진 용액 중 Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Li의 농도는 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS, NexION 300D, PerkinElmer Inc., USA)를 이용하였고, Hg의 농도는 균질화된 시료를 전처리 없이 자동수은분석기(Direct Mercury Analyzer, DMA-80, Milestone S&T Co., Italy)를 이용하여 분석하였다. 분석자료의 신뢰성을 확보하기 위해서 인증표준물질인 MESS-4(marine sediment reference material, National Research Council Canada)를 시료와 함께 분석하였다. 각 원소별 회수율은 Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Hg, Pb, Li에 대해서 각각 평균 84±4%, 92±3%, 89±4%, 87±2%, 96±3%, 90±4%, 97±3%, 93±3%, 85±4%이다.

해수 수질은 해양환경기준 생태기반 해수 수질 기준에 의거(해양수산부 고시 2018-10호)하여 5등급으로 평가하였다(수질평가 항목: 저층산소포화도, 투명도, 표층 식물플랑크톤 농도, 표층 용존무기질소(DIN) 농도, 표층 용존무기인(DIP) 농도).

표층 퇴적물의 중금속 오염도 평가는 농축인자(EF: enrichment factor, I_geo: geo-accumulation index)와 오염부하량 지수(PLI: pollution load index)를 이용하였고, 중금속의 생태위해성 평가는 국내 해양환경기준(해양수산부 고시 2018-10호)과 생태계위해도지수(ERI: ecological risk index)를 활용하였다.

EF는 퇴적물 내 금속원소의 기원과 인위적 오염도를 평가하는 방법으로 보존성 원소인 Li을 이용하여 아래와 같이 계산하였다(Zhang and Liu[2002]).

(Ci/Li)_sample는 시료 중 Li에 대한 각 금속원소의 농도, (Ci/Li)_background는 Li에 대한 각 금속원소의 배경농도를 나타낸다. 각 중금속에 대한 배경농도는 Woo et al.[2019]에 의해서 입도 지시자 Li으로 표준화된 한반도 연안 퇴적물의 중금속 배경농도(Cr: 46.1 mg kg^-1, Ni: 20 mg kg^-1, Cu: 14.7 mg kg^-1, Zn: 69.8 mg kg^-1, As: 7.4 mg kg^-1, Cd: 0.134 mg kg^-1, Hg: 0.0159 mg kg^-1, Pb: 25.2 mg kg^-1)를 이용하였다.

I_geo는 퇴적물 내 중금속 오염도를 총 7단계로 구분하여 평가하는 방법이다(Muller[1981]).

여기서 C_i는 시료 내 측정된 각 중금속의 농도, C_b는 각 중금속의 배경농도를 나타내며, 상수 1.5는 서로 다른 지각에서 존재하는 중금속의 배경농도를 보정하기 위해 사용되었다(Ghani et al.[2013]).

퇴적물 내 중금속에 대한 전체적인 오염도를 평가하기 위해 PLI방법을 이용하였으며, 다음의 식 (3)으로 계산하였다(Tomlinson et al.[1980]).

여기서 CF(C_metal/B_metal)는 각 중금속의 배경농도(B_metal)에 대한 시료의 중금속 농도(C_metal) 비, n은 시료의 총 수를 나타낸다.

각 금속원소의 독성계수(toxic coefficient)를 이용하여 퇴적물 내 모든 중금속 농도에 대한 저서생물의 위해도를 ERI 방법으로 평가 하였다(Hakanson[1980]).

여기서 CF는 식 (3)의 CF와 동일하며, T_metal은 각 중금속의 독성계수, n은 분석된 중금속 시료의 개수이다. 생태독성계수는 널리 사용되고 있는 8종(Cr: 2, Ni: 5, Cu: 5, Zn: 1, As: 10, Cd: 30, Hg: 40, Pb: 5)의 중금속에 대해서 적용하였다(Koo et al.[2019]; Lim et al.[2013]; Sheykhi and Moore[2013]).

영흥도 주변 해역(대조구 정점 제외)에서 하계(7월)와 동계(1월)에 표층 수온은 각각 21.29~23.85°C(평균 22.85±0.74°C), 1.60~3.46°C(평균 2.59±0.44°C) 범위로 동계보다 하계에 평균 약 9배 높았다(Table 1, Fig. 2). 표층 염분은 하계와 동계에 각각 29.35~31.22(평균 30.58±0.50), 31.61~31.74(평균 31.70±0.04)의 범위에서 변하였고, 하계보다 동계에 평균 약 1.12 높았다.

Fig. 2. 
The horizontal distributions of seasurface temperature around Youngheung Island during (a) summer and (b) winter seasons, respectively.

표층수의 분포 양상을 살펴보면 하계에 영흥도 북동해역에 나타난 고온·저염의 수괴가 영흥도 서부연안을 따라서 유입되는 양상이 뚜렷하게 나타났다(Figs. 2, 3). 영흥도 북동해역(대조구 정점, 염분 29.81)에 비해 영흥도 서부연안에 위치한 정점 4(염분 29.35)에서 염분이 상대적으로 낮은 값을 보여 주변 육상으로부터 담수의 유입이 있는 것으로 판단된다. 동계에는 하계에 비해 정점간 염분의 변화가 적으며, 영흥도의 북동해역(대조구 정점)에서 상대적으로 낮게 나타났다(Figs. 4, 5). 하계에는 표층수와 저층수 모두에서 수온과 염분 사이에 매우 양호한 음의 상관관계(r²=0.7)를 보이는 반면, 동계에는 정점간 염분의 변화가 적어 뚜렷한 상관성을 보이지 않았다(Figs. 4, 5).

Fig. 3. 
The horizontal distributions of seasurface salinity around Youngheung Island during (a) summer and (b) winter seasons, respectively.

Fig. 4. 
Plots of salinity versus environmental parameters (temperature, pH, DO, DIN, Si(OH)₄, and chlorophyll a) in surface and bottom seawater around Youngheung Island during summer season.

Fig. 5. 
Plots of salinity versus environmental parameters (temperature, pH, DO, DIN, Si(OH)4, and chlorophyll a) in surface and bottom seawater around Youngheung Island during winter season.

하계에 표층수의 pH와 DO 농도는 각각 8.03~8.10(평균 8.07±0.02)와 7.24~7.71 mg L^-1(평균 7.48±0.14 mg L^-1) 범위이며, 표층수와 비교하여 저층수에서 pH와 DO 농도는 염분과 좋은 양의 상관관계를 보인다(Fig. 4). 동계에 표층수의 pH와 DO 농도는 각각 평균 8.17±0.02와 10.87±0.25 mg L^-1로 하계보다 상대적으로 높았다. 하계와 동계에 표층수의 DO 포화도는 각각 평균 103%, 99%로 하계에 활발한 식물플랑크톤의 광합성으로 인해 과포화 상태였다(Cole et al.[1992]). 저층수 중 DO 농도는 수온 변화에 의한 기체포화도 차이로 DO 농도의 분포가 조절되고 DO 농도의 변화에 따라 pH가 영향을 받은 것으로 해석된다. 반면 표층수의 pH와 DO 농도는 수온 및 염분과 낮은 상관성을 보인다(Fig. 4). 이는 식물플랑크톤의 광합성 과정에서 생성된 산소가 표층수 중 DO 농도 분포에 반영되어 나타난 현상으로 해석된다. 반면, 동계에는 pH와 DO 농도 사이에는 뚜렷한 상관성이 나타나지 않았다(Fig. 5).

영흥도 주변 해역에서 하계와 동계에 DIN(NO₃^-, NO₂^-, NH₄⁺의 합), DIP(PO₄^3-) 그리고 DSi(Si(OH)₄) 농도의 분포 특성을 조사하였다(Figs. 4, 5). 하계 표층수에서 DIN, DIP, DSi 농도는 염분과 좋은 음의 상관관계를 보이며, 이는 영양염이 주로 육상 담수 기원임을 지시한다(Fig. 4)(Lee and Kim[2007]). 또한 표층수의 염분과 chlorophyll a 농도 사이에도 좋은 음의 상관관계를 보이는 바, 하계에 담수의 유입시 공급된 영양염에 의해 식물플랑크톤의 광합성도 활발하게 이루어진 것으로 해석된다. 따라서 하계에는 한강 유출수와 시화호 방류수, 인천 연안으로부터 유입된 염분이 낮고 영양염이 풍부한 수괴가 영흥도 주변 해역까지 영향을 미치는 것으로 판단된다. 반면 동계에는 이들 사이에 뚜렷한 상관성을 보이지 않는다(Fig. 5). 표층수와 저층수간 농도 차이는 동계에 비해 하계에 상대적으로 크게 나타났으며, 하계에는 저층수에 비해 표층수에서 영양염 농도가 상대적으로 높다. 계절별 해수 중 영양염 농도는 하계에 비해 동계에 상대적으로 높다(Table 1). 동계에 영흥도 북동해역(대조구 정점)에서 상대적으로 낮은 염분을 보였으며(Fig. 5), 이는 주로 인천 연안으로 유입된 담수의 영향인 것으로 판단된다. 또한 동계에 표·저층간 염분 차이가 상대적으로 작다. 따라서 본 연구해역에서 동계에 표층수 중 높은 영양염은 인천 연안으로부터 유입된 영양염과 활발한 수직혼합에 의한 저층으로부터 공급된 영양염에 의한 것으로 추측된다(Fig. 5). DIN/DIP 몰농도 비는 동계(13.7)에 비해 하계(15.3)에 상대적으로 높았으며, 동계에 정점별로 편차(5.72)가 크게 나타났다. 표층수 중 평균 chlorophyll a 농도는 동계(평균 0.79±0.07 mg L^-1)에 비해 하계(평균 1.27±0.29 mg L^-1)에 상대적으로 높게 나타났다.

국내 연안에서 수질 평가를 위해 Lim et al.[2011]은 통계적 접근방법으로 수질성분(COD, DIN, DIP, chlorophyll a)들의 해역별 농도 특성을 근거로 등급화를 시도하였으며, Rho et al.[2012]은 해역별 환경특성을 고려하여 개별 평가항목들을 하나의 지수로 표현 할 수 있는 수질지수를 개발하였다. 본 연구에서는 Rho et al.[2012]의 연구결과를 바탕으로 설정된 생태기반 해수 수질평가 지수(해양수산부 고시 2018-10호)를 이용하여 영흥도 주변 해역의 수질을 평가하였다.

수질평가 결과 동계에 영흥도 북동쪽에 위치한 대조구 정점(II등급: 좋음)을 제외하고 하계와 동계 모든 정점에서 수질 I등급(매우좋음) 수준이었다. 하계에는 수질평가 항목들의 점수가 모두 1점으로 총 평가점수가 20점이었으며, 동계에도 대부분의 정점에서 모든 항목이 1점으로 매우 양호한 수준이었으나 일부 정점에서 DIP의 농도가 2점과 3점으로 나타났다. 동계에 수질 II등급으로 나타난 대조구 정점에서 DIP 농도가 35.3 μg L^-1로 3점(기준: >33 μg L^-1, <37.5 μg L^-1)으로 나타났다. 대조구를 제외한 영흥도 주변 해역의 동계에 DIP 평균 농도는 30.5 μg L^-1이었다(Table 1). 영흥도 주변 해역의 수질은 대체로 양호한 것으로 나타났으나 인천 연안 및 시화호부터 방류되는 유출수의 영향을 직간접적으로 받고 있는 것으로 판단된다. 영흥도 주변 해역에 대한 관리를 위해서는 육상으로부터 유입되는 오염물질에 대한 지속적인 관찰이 필요할 것으로 판단된다.

영흥도 서부해역에서 표층 퇴적물의 입도를 분석한 결과, 하계와 동계 모두 모래의 함량이 각각 평균 57.0%, 59.4%로 가장 높았으며, 실트(평균 21.2%, 23.7%), 자갈(평균 11.7%, 7.3%)과 점토(평균 10.1%, 9.5%) 순이었다(Fig. 6). TOC 함량은 0-0.64%(평균 0.23%) 범위이며, 영흥도 남쪽 연안에서 상대적으로 높고, 남서쪽 외곽에 위치한 정점들에서 낮다. 하계에는 평균 입도와 TOC 농도 사이에 유의한 상관관계를 보이지 않았다(p>0.05, r=0.38)(Table 2). 동계에 표층 퇴적물의 TOC 농도는 0.05~0.54%(평균 0.21%) 범위에 분포하였으며, 영흥도 남쪽 외곽에서 상대적으로 높은 함량을 보였다. 동계에 입도와 TOC 농도 사이의 상관계수는 하계에 비해 상대적으로 높게 나타났다(p<0.01, r=0.62)(Table 2). 하계와 동계에 TOC 농도는 큰 차이를 보이지 않았으며, Kim et al.[2013]에 의해 2011년에 영흥도 주변 해역에서 조사했던 결과(평균 0.26%)와 유사하였다.

Fig. 6. 
The ternary diagrams showing the major sediment type of surface sediments around Youngheung Island.

표층 퇴적물의 중금속 농도를 측정하기 위하여 하계와 동계에 각각 조사를 실시하였으며, 표층 퇴적물의 Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Hg, Pb 농도는 각각 3.01~62.91 mg kg^-1, 1.20~25.24 mg kg^-1, 0.74~17.16 mg kg^-1, 5.41~79.96 mg kg^-1, 3.23~9.62 mg kg^-1, 0.01~0.18 mg kg^-1, 18.7~36.1 mg kg^-1, 0.001~0.019 mg kg^-1 범위였다(Table 3). 하계와 동계에 표층 퇴적물의 중금속 평균 농도는 Zn(하계: 46.6 mg kg^-1, 동계: 41.6 mg kg^-1)이 가장 높으며, Hg(하계: 0.009 mg kg^-1, 동계: 0.008 mg kg^-1)이 가장 낮다. 중금속별 평균 농도는 동계에 비해 하계에 상대적으로 높게 나타났으나(Table 3), 통계적으로 유의한 차이는 없었다(P<0.05).

퇴적물 입도와 원소별 상관성을 살펴보기 위해서 SPSS(ver. 21)를 이용하여 Pearson 상관분석을 실시하였다(Table 2). 하계에는 표층 퇴적물 입도와 Cr, Ni, Li 원소 사이에 상관계수(r)가 0.7 이상으로 상관관계가 높은 것으로 나타났다. 동계에는 Ni, Cu, Zn, Li이 상관계수 0.7 이상으로 나타났다(Table 2). 퇴적물의 입도와 TOC 농도는 하계에 비해 동계에 상대적으로 상관계수(r=0.623, p<0.01)가 높게 나타났으며, 중금속과 TOC 농도와의 상관성 역시 동계에 높은 상관성을 보였다(Table 2). 조사시기와 금속 원소별로 서로 다른 양상을 보이지만 본 연구해역에서 표층 퇴적물 중금속의 시공간적 분포는 주로 입도에 의해 영향을 받는 것으로 판단된다(Zhang and Gao[2015]; Sun et al.[2018]).

본 연구해역에서 조사된 중금속 농도를 국내 해저퇴적물 해양환경기준(해양수산부 고시 2018-10호) 중금속 농도(주의 및 관리기준)와 비교한 결과, 모든 조사 정점의 모든 항목에서 주의기준(부정적인 생태 영향이 없을 것으로 예측되는 농도) 이하로 나타났다(Fig. 7). Kim et al.[2013]은 2011년에 영흥도를 비롯한 옹진군 어장관리해역에서 표층 퇴적물 중 중금속 농도를 측정하였으며, 모든 정점에서 NOAA에서 권고하는 퇴적물 하위권고기준인 ERL(Effects Range Low) 이하로 나타났으나, 영흥도 주변 1개 정점에서 Cr 농도가 ERL(Cr: 81 mg kg^-1)을 초과한 것으로 나타났다. 그러나 국내 주의기준(Cr: 116 mg kg^-1) 보다는 낮은 수준이었다. 우리나라 퇴적물 중 중금속이 오염되어 있는 주요해역에서 조사된 결과에 비해 낮은 수준이며, 남서해 연안의 수산자원보호구역 표층 퇴적물 중 중금속 농도와 비교해서도 유사하거나 낮은 수준이었다(Table 3).

Fig. 7. 
Temporal and spatial variations of trace metals in surface sediments around Youngheung Island. The solid lines represent the value of threshold effects level (TEL) in Korean sediment quality guidelines. Cu and Zn concentrations were corrected for sediment grain size (Li concentration).

EF로 인위적 오염도를 평가한 결과, As와 Pb을 제외한 모든 금속원소들은 하계와 동계에 평균 1.5 이하로 지각물질 또는 자연적 풍화작용에 의해 농도가 조절되고 인위적인 공급은 없는 것으로 판단된다(Zhang and Liu[2002]). As와 Pb은 일부 정점에서 1.5 이상으로 나타나 이들 정점에서 비 지각물질에 의해 조절되는 것으로 나타났으며(Tables 4, 5), 하계와 동계 모두 영흥도와 인접한 정점 보다는 바깥쪽에 위치한 정점들(정점 10, 11, 12, 13, 17, 18)에서 상대적으로 높은 값을 보였다.

I_geo 방법을 이용하여 퇴적물의 중금속 오염도를 평가한 결과, Cr, Cu, Zn, As, Cd, Hg, Pb은 하계와 동계의 모든 정점에서 0 이하(unpolluted)로 나타났다(Fig. 8)(Muller[1981], Sun et al.[2015]). 중금속 분석 결과(Cr, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Hg, Pb)를 이용하여 PLI로 오염도를 평가한 결과, 하계에는 정점 7(PLI: 1.02), 동계에는 정점 14(PLI: 1.03), 정점 19(PLI: 1.01)를 제외하고 모든 정점에서 1 미만(no pollution)으로 나타났다(Tables 4, 5).

Fig. 8. 
Geo-accumulation index (I_geo) of heavy metals in surface sediments around Youngheung Island. Bar and error bar represent average and standard deviation, respectively.

하계와 동계에 표층 퇴적물 중 ERI는 각각 23.3~104.3(평균 60.3), 17.0~96.8(평균 53.9)의 범위였으며, 대부분의 정점에서 100미만으로 저서생물에 위해성을 줄 가능성이 낮은 상태였다(low risk)(Tables 4, 5). 하계에 일부 정점(정점 7과 19)에서 저서생물에 어느 정도 위해를 줄 수 있는 범위(100 < ERI < 150, moderate risk)로 나타났다. 금속원소별 상대적 기여도를 살펴보았을 때 하계와 동계 모두 Hg의 기여도가(하계: 평균 32.9%, 동계: 평균 34.7%) 가장 큰 것으로 나타났다. 다음으로 Cd(하계: 평균 27.7%, 동계: 평균 24.7%), As(하계: 평균 16.0%, 동계: 15.6%), Pb(하계: 평균 9.5%, 동계: 10.9%) 순이었으며, Cr, Ni, Cu, Zn의 기여도는 평균 5% 내외였다. 따라서 영흥도 서부해역에서 조사한 퇴적물의 중금속 농도는 대체로 저서생물에 미치는 영향이 적을 것으로 판단된다.