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Bioconcentration Factor(BCF) of Perchlorate from Agricultural Products and Soils
Bioconcentration Factor(BCF) of Perchlorate from Agricultural Products and Soils
Korean Journal of Environmental Agriculture. 2013. Sep, 32(3): 224-230
Copyright © 2013, The Korean Society of Environmental Agriculture
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : August 23, 2013
  • Accepted : September 24, 2013
  • Published : September 30, 2013
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지영 김
민지 김
정미 이
두호 김
기문 박
원일 김
wikim721@korea.kr

Abstract
BACKGROUND:
Perchlorate(ClO 4 - ) is an anion that is extremely water-soluble and environmentally stable. It mostly exists in the form of sodium perchlorate, ammonium perchlorate and potassium perchlorate which are used in rocket fuels, propellants, ignitable sources, air bag inflation systems and explosives. Perchlorate can be taken into the thyroid glands and interfere with iodide uptake. The determination of perchlorate in agricultural products is important due to its potential health impact on humans. The objective of this study was to determine the perchlorate concentrations in the samples of various agricultural products and soils.
METHODS AND RESULTS:
In this study, samples of cereal(Rice, Barley, Corn, Bean), vegetable(Spinach, Lettuce, Sesame, Chives, Chili, Pumpkin, Tomato), fruit(Apple, Pear, Tangerine, Grape) were analyzed for perchlorate contents. Perchlorate concentrations were analyzed by liquid chromatography-tandem mass spectrometry. The results showed that agricultural products respectively contained perchlorate concentrations in the range of : cereals N.D.~7.46 μg/kg, vegetables 0.52~23.06 μg/kg, fruits 0.19~2.66 μg/kg. Bioconcentration factor was in the order of : vegetables > cereals > fruits. Bioconcentration factor was highest follwed by Sesame 37.88, Corn 21.51, Spinach 10.57, Tangerine 4.39, Chives 2.89 and Lettuce 1.90. The recoveries of perchlorate from spiked agricultural products and soils ranged from 87.72~111.26% and 102.09~111.23%.
CONCLUSION(S):
The health risk assessment results obtained in this study are lower than the RfD(Reference Dose, 0.0007 mg/kg/body weight/day) value as suggested by the Integrated Risk Information System(US IRIS). Our results indicate that, people currently exposed to perchlorate from agricultural products consumption are considered as safe.
Keywords
서 론
퍼클로레이트(Perchlorate, ClO 4 - )는 하나의 염소원자에 네 개의 산소원자가 결합한 염소산화물의 일종으로 자연적으로 발생하기도 하지만 대부분은 공업용으로 사용하기 위해 인공적으로 제조된다. 일상생활에서 사용되는 건전지, 자동차에어백, 페인트, 의약품과 비료, 화약류의 제조공정이 주요 발생원이며 특히 LCD 제조공정의 세정제나 아연제련 공정에서 배출되는 폐수가 우리나라의 주 오염원으로 보고되었다( Phlip 2004 ; Ellington and Evans, 2000 ; Ellington et al., 2001 ). 퍼클로레이트는 암모늄 퍼클로레이트(NH 4 ClO 4 ), 소듐 퍼클로레이트(NaClO 4 ), 칼륨 퍼클로레이트(KClO 4 ), 퍼크로릭 산(HClO 4 ) 등의 다양한 염의 형태로 생산되며 물에서 화학적으로 안정하여 쉽게 분해되지 않고 용해도가 높으며 비휘발성이다. 대기, 토양, 지표수, 지하수 등에 1차적으로 유입되어 음용수 및 농산물을 오염시키며 인체의 주요 노출 경로로 보고되고 있다( Ellington et al., 2001 ; Huber et al., 2011 ). 오염된 지하수를 농업용수 등으로 이용하거나 퍼클로레이트를 함유한 비료의 사용으로 인해 토양이 오염될 수 있으며, 토양 내에서 식물의 뿌리를 통해 흡수되어, 식물에 농축될 수 있다( Huh et al., 2007 ). 인체가 퍼클로레이트에 장기간 노출되었을 때, 갑상선에서 요오드의 이동을 방해하여 갑상선 호르몬의 합성을 억제하며 갑상선종 및 갑상선 기능 저하증을 일으켜 내분비계에 장애를 일으키고, 태아와 유아의 경우에는 신경발달 및 성장을 방해하는 등 인체의 대사 및 성장에 영향을 끼친다고 보고되고 있다( Sanchez et al., 2005 ; Alexander and Richard, 2004 ; Andrea 2006 ; National Academy of Sciences / National Research Council(NAS/NRC), 2005 ). 국내에서는 2006년 낙동강 수계 일부정수장에서 17-18 μg/L 농도로 퍼클로레이트가 검출되면서 사회적으로 대두되었으며 미국에서는 18개 주에서 채취된 47개 우유와 36개 모유에서 각각 2 μg/L와 10.5 μg/L의 퍼클로레이트가 검출되어 이슈가 되었다( Kirk et al., 2005 ; Shin et al., 2007 ). 국ㆍ내외에서 퍼클로레이트로 인한 식품의 오염 및 인체의 질병 유발 물질로의 안전성 문제가 연구ㆍ보고되면서 국가차원의 규제 기준 등이 마련되고 있다. 미국 식품의약국(U.S. FDA)은 2004년 다양한 식품에 대한 퍼클로레이트의 농도 및 인체 노출가능성을 조사ㆍ연구하여 홈페이지에 공개함으로써 국민들이 안전하게 식품을 섭취할 수 있도록하고 있으며, 미국과학학회기관(NAS)의 연구 결과에 근거하여 수돗물에서의 퍼클로레이트 허용 농도를 24.5 μg/L로 규정하였다( U.S. FDA, 2004 ). 미국 환경청(U.S. EPA)은 2006년 퍼클로레이트의 매일 섭취 또는 흡입하여도 인체에 치명적인 해를 입히지 않는, 가능한 인체허용수준을 나타내는 기준 노출량(Reference Dose, RfD)을 0.0007 mg/kg/body weight/day으로 설정하였으며, 국내에서는 2008년 수질 오염 물질로 추가, 2010년 환경부령 307호 먹는 물 수질검사항목으로 지정하였다. 퍼클로레이트는 인체에 유해성을 유발할 수 있는 오염물질로서, 국내에서는 퍼클로레이트의 저감을 위한 다양한 방법 및 분석법 등의 연구가 이루어지고 있으나 인체노출의 주요 경로인 식품에 대한 오염현황 및 위해성 연구는 부족하다. 국내 농산물 중 퍼클로레이트 분석결과 과실류는 평균 0.78~4.42 μg/kg, 엽채류는 평균 1.01~39.9 μg/kg으로 검출되었으며, 토양 중 퍼클로레이트는 평균 N.D.~18.24 μg/kg으로 조사되었다( Kim et al., 2008 ). 미국식품의약국(FDA)의 분석결과, 곡류는 평균 0.50~4.27 μg/kg, 과실류는 0.15~8.58 μg/kg, 엽채류는 0.15~115 μg/kg으로 검출되었으며, 이를 기본으로 평균 섭취량을 감안하면 0.053 μg/kg/bw/day정도 섭취되는 것으로 나타났다( US FDA, 2004 ). 그러나 현재까지 연구는 각기 재배지의 농산물과 토양 결과만 있으며, 같은 재배지에서의 토양과 농산물을 비교한 연구는 미흡한 실정이다. 또한, 이러한 오염물질의 주경로인 토양 및 수계에서 농산물로의 전이 연구 역시 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 재배되는 대표적인 농산물 및 재배지 토양을 채취하여 퍼클로레이트의 오염정도를 파악하고, 퍼클로레이트에 오염된 농산물 섭취 시 인체에 끼치는 위해성을 평가하고자 하였다.
재료 및 방법
- 조사대상 선정 및 검체 수거
분석대상 시료는 곡류 4종(쌀, 보리, 옥수수, 두류), 채소류 7종(시금치, 상추, 깻잎, 부추, 고추, 호박, 토마토), 과일류 4종(사과, 배, 귤, 포도)으로 선정하였으며, 농산물과 토양 중의 퍼클로레이트 노출정도를 파악하기 위해 전국(서울, 경기, 강원, 충청 남ㆍ북도, 경상 남ㆍ북도, 전라 남ㆍ북도, 제주도) 각 생산지역에서 2010년부터 2012년까지 각 농산물의 수확시기에 농산물과 각 농산물이 재배된 토양을 함께 수거하였다( Table 1 ). 대상 농산물 11종에 대해서 각각 5-30개의 시료를 2 kg씩 채취하였으며 토양은 표토의 유기물 층을 제거하고 15 cm 깊이에서 채취하였다.
Description of agricultural products sampled in nine different cities in Korea
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- 시약 및 초자
시약은 모두 특급시약을 구입하여 사용하였고, 초순수는 Milipore water purification system(Le Mont-sur-Lausanne, Switzerland)을 사용하여 제조하였다. 퍼클로레이트의 표준품은 Accustandard(AccuStandard, Inc. New Haven, Darmstadt, USA)에서 구입하여 사용하였다. 실험시 유효성검증을 위하여 사용된 Internal Standard는 Perchloric acid(18O 4 , Cambridge Isotope laboratories, Inc. MA, USA)를 사용하였다. HPLC grade의 Acetic acid는 Junsei(Junsei Chemical Co. Ltd., Tokyo, Japan)에서 Acetonitrile은 Merck(Darmstadt, Germany)에서 Methylamine은 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구매하여 사용하였다.
- LC-MS/MS를 이용한 퍼클로레이트 측정
채취된 농산물은 식품공전시험법에 따라 가식부를 균질화하여 사용하였다. 수집한 시료 중 곡류는 곱게 갈아 균질화한 후 체질하였고, 과채류는 일정량을 취해 믹서기로 갈아 균질화한 후 실험 시료로 사용하였다. 시료는 폴리에틸렌 용기에 담아 냉동(-20℃ 이하)보관하여 분석하였다. 농산물 시료는 수분함량에 따라 고수분 시료는 1% Acetic aicd를, 저수분 시료는 1% Acetic acid와 Acetonitrile을 추출용액로 사용하였다. 저수분 시료의 경우 고수분시료에 비해 단백질 함량이 높기 때문에 단백질을 제거하기 위해 Acetonitrile을 첨가하였다. 각각의 시료에 추출용액을 첨가하여 시료 교반기를 이용해 시료와 추출용액이 충분히 섞이도록 200 rpm이상에서 2시간동안 추출하였다. 3000 rpm에서 1시간 원심분리 시켜 추출액과 고형분을 분리하여 추출액의 상등액을 활성화시킨 SPE카트리지(Supelco supelclean TM ENVI-Carb)로 정제하고 실린지 필터(0.2 μm × 25 mm)로 여과한 뒤 분석하였다(KFDA, 2010). 토양 시료는 풍건 후 0.2 mm로 체질하여 전처리 시료로 사용하였다. 토양 시료 10 g에 증류수 30mL를 첨가하여 250 rpm으로 24시간 충분히 교반하였으며 교반시킨 시료는 2000 rpm으로 135분간 원심분리 시켜 추출액을 분리한 다음 필터(0.2 μm × 25 mm)로 여과 후 분석하였다( Kim et al., 2008 ). 퍼클로레이트 분석을 위하여 액체 크로마토그래피(Agilent 1200, Hewlett-Packard Co., Palo Alto, USA)와 질량분석기(Agilent 6460, Hewlett-Packard)를 사용하여 동위원소 희석법으로 분석하였다. 분석용 컬럼은 Dionex AS21(2×250 mm, 7 μm), 컬럼온도는 40 ℃, 이동상으로 용매 231 mM Methylamine을 이용하여 분석하였으며, 유속은 0.3 mL/min, 주입량은 50 uL로 하여 측정하였다. 퍼클로레이트의 확인시험은 텐덤질량분석기를 이용하였으며, 모분자인 m/z 99에 m/z 83이온에 대한 85 이온의 백분율을 비교하여 ±20%이내일 경우, 퍼클로레이트에 대한 확인시험을 수행하였다( Table 2 , Fig 1 ).
LC-MS/MS conditions for perchlorate analysis
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LC-MS/MS conditions for perchlorate analysis
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Chromatogram of perchlorate in standard solution(left) and agricultural sample(right).
- 생물농축계수 산출
생물농축계수(BCF, Bioconcentration Factor)는 어떤 화학물질이 환경으로부터 생물체내로 들어가 그 농도가 높아지는 비율, 유해물질의 상대적인 흡수비를 의미하며( Lee et al., 2012 ), 이는 인체 위해성 평가 자료로 사용되고 있다. 퍼클로레이트의 생물농축계수는 다음 식을 이용하여 구하였다.
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- 농산물 섭취로 인한 퍼클로레이트 위해평가
농산물 섭취로 인한 퍼클로레이트 노출량 산출을 위해서 식품섭취량 및 평균 체중은 질병관리본부에서 발간한 국민건강영양조사 3기(2008년) 자료를 활용하였고 체중은 55 kg을 사용하였다. 퍼클로레이트의 노출량 평가는 결정론적 방식(determination approach)에 따라 수행하였으며, 농산물별 평균 퍼클로레이트 함량만을 사용하였다.
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결과 및 고찰
- 농산물 및 재배 토양 중 퍼클로레이트 분석법 검증
분석법에 대한 유효성 검증 결과 검량선(Calibration curve)은 0.1-100 ㎍/㎏사이의 농도에서 %RSD(Relative Standard Deviation) 값은 1.67~5.33%, R²값은 0.999이상으로 나타나 우수한 직선성(linearity)을 보여주었다. 검출한계 및 정량한계는 신호대 잡음비(S/N ratio)의 3과 10을 상용하고 있으며, 이를 이용하여 정량한계를 산출하였다. 농산물 시료에 퍼클로레이트를 각각 LOQ 및 LOQ 2배 농도가 되도록 표준물질을 첨가하고 시험용액 조제 과정을 거쳐 회수율 시험을 수행하였으며 3반복 실험을 통해 정확성과 정밀성을 평가하였다. 농산물의 경우 10 μg/kg 처리농도의 퍼클로레이트에 대한 회수율이 87.72~111.26%( Table 3 ), 토양은 10 μg/kg 처리농도의 퍼클로레이트에 대한 회수율이 102.09~111.23%로 나타났다( Table 4 ).
Validation result of perchlorate in agricultural products and soils
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Validation result of perchlorate in agricultural products and soils
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a) Limit of Detection : S/N ratio × 3 b) Limit of Quantatation : S/N ratio × 5~10
- 농산물 및 재배 토양 중 퍼클로레이트 함량
농산물 중 퍼클로레이트 검출량은 N.D.~342.67 μg/kg(평균 6.85)이고, 그 중 채소류의 검출량은 평균 전체식품 오염도의 90.8%를 차지하고 과일류 6.5%, 곡류 2.6%순으로 나타났다( Table 5 ). 곡류에서는 콩이 7.46(0.00~22.36) μg/kg, 채소류에서는 깻잎이 23.06(1.09~46.85) μg/kg, 과일류에서는 귤이 2.66(0.00~7.86) μg/kg으로 가장 높게 조사되었다. 총 15품목 중 깻잎 > 호박 > 토마토 > 시금치 > 콩의 순으로 채소류에서 비교적 높게 나타났다. 국내 연구보고서(KFDA, 2010)와 비교하면 채소류의 경우 1.01~39.9 μg/kg, 과일류의 경우 0.78~19.8 μg/kg, 미국 FDA 연구보고서와 비교하면 곡류는 LOD~4.27 μg/kg, 채소류는 LOD~115 μg/kg, 과일류는 LOD~8.58 μg/kg 수준으로 본 연구에서 조사된 함량과 유사하게 조사되었다. 시금치의 경우 일반재배지역과 구미나 대구의 공단지역에서 재배된 시금치를 채취하여 결과를 비교해 보았으나 시금치에서의 퍼클로레이트 함량은 큰 차이가 나지 않았다.
Concentraion and Bio-Concentration Factor (BCF) of perchlorate in agricultural products and soil
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* Mean (Min-Max)
농산물 재배 토양 중 퍼클로레이트 함량은 그룹 별로 Table 5 에 제시하였다.총 15품목 중 콩 > 호박 > 상추 > 시금치 > 사과 순으로 채소류를 재배한 토양에서 다소 높게 검출되었다. 2004년 U.S FDA에서 상추, 토마토, 시금치, 강낭콩 등 채소시료 등을 조사한 결과 N.D.~107.6 μg/kg까지 다양한 농도범위로 검출되었으며, 본 연구 결과에서도 호박은 0.04-342.67 μg/kg, 재배토양은 0.97-96.62 μg/kg으로 다양한 범위로 검출되었다. 미국 네바다 주에서는 51개 지역에 대해 모니터링 한 결과 24.7 μg/g으로 매우 높게 검출된 결과와 비교하면 국내 토양에서는 매우 낮은 함량을 보였다( Smith et al., 2004 ). 국내 일부 토양 24지점에 대해서 모니터링 한 결과 평균 N.D.~18.24 μg/kg으로 검출된 결과 본 연구 결과와 유사한 결과를 나타냈다. 토양의 경우, 주변의 농업용수나 비료 등으로 인해 오염되는 경우가 있으므로 농자재 등에 대한 검토가 필요한 것으로 사료 된다. 또한, 다른 농산물과는 달리 보리, 고추, 토마토, 포도의 토양에서는 퍼클로레이트가 검출되지 않았으나 농작물에서는 검출되는 경우가 있었다. 이는 퍼클로레이트의 경우, 다른 자연유기물질과 달리 토양과 결합력이 낮고, 지하수 및 지표수 등을 통한 오염이 주요 오염원이 될 것으로 판단된다( Huh et al., 2007 ). 현재 토양 중 퍼클로레이트에 대한 가이드라인은 국내ㆍ외에서 아직 설정이 되지 않은 상태이다.
- 농산물 내 퍼클로레이트 생물농축계수
퍼클로레이트는 높은 이동성과 용해성으로 인해 배출원으로부터 방출되면 토양이나 수질, 대기 등 환경을 오염시킨다는 연구가 많이 보고되어 있다( Huh et al., 2007 ). 이에 따라 본 연구에서는 실제 채취한 토양으로부터 농산물로의 생물농축계수를 산출하였다( Table 5 ). 그 결과 옥수수 21.51(3.89~67.42), 콩 1.60(0.00~8.00), 시금치 10.57(1.58~78.20), 상추 0.48(0.00~3.73), 깻잎 37.88(0.29~122.63), 부추 2.89(0.00~6.56), 호박 1.90 (0.00~10.01), 사과 0.23 (0.02~0.21), 배 0.89(0.43~1.99), 귤 4.39(0.00~273.65)로 산출하였으며, 깻잎 > 옥수수 > 시금치 > 귤 > 부추 > 호박 순으로 채소류에서 높은계수를 나타냈다.
- 농산물 섭취에 따른 퍼클로레이트 위해평가
본 연구에서 조사된 농산물에 대해서 전체인구집단 및 연령별 인구집단의 섭취량 및 체중을 고려하여 식이섭취를 통한 퍼클로레이트 노출평가를 수행하였다( Table 6 ). 곡류에서는 보리 0.11×10 -3 , 옥수수 0.28×10 -3 으로 타 연령층에 비해 2세 이하의 그룹에서 높은 노출량을 나타냈으며 두류에서는 0.19×10 -3 으로 3~6세 그룹에서 높은 노출량을 확인하였다. 채소류에서는 상추 0.07×10 -3 , 깻잎 0.39×10 -3 , 부추 0.27×10 -3 , 고추 0.05×10 -3 으로 20∼64세의 그룹에서 가장 높은 노출량을 나타냈으며 시금치 2.21×10 -3 , 호박 6.58×10 -3 , 토마토 10.86×10 -3 으로 2세 미만의 그룹에서 가장 높은 노출량을 나타냈다. 과일류에서도 사과 0.36×10 -3 , 배 2.59×10 -3 , 귤 4.58×10 -3 , 포도 1.39×10 -3 으로 2세 미만의 그룹에서 가장 높은 노출량을 나타냈다. 그러나 이러한 결과들을 기준허용노출량과 비교해볼때 곡류, 과일류, 채소류 모두 1.0 이하로 안전한 수준임을 확인하였다.
Daily dietary exposure and risk of perchlorate by agricultural products
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Daily dietary exposure and risk of perchlorate by agricultural products
요 약
퍼클로레이트의 인체 노출경로 중 식품섭취로 인한 노출경로가 전체 노출경로의 대부분을 차지하고 있음에도 불구하고 국내에서는 식품에 대한 연구가 미비한 상태이다. 또한, 국내 오염물질에 대한 국내산 토양으로부터 농산물로의 생물농축계수에 대한 데이터베이스가 미흡한 상태이므로 데이터베이스 체계 구축을 위한 연구도 필요한 실정이다. 본 연구에서는 퍼클로레이트 계수 산출을 위해 농산물이 재배된 토양을 함께 채취하여 농산물과 토양에 대한 각각의 퍼클로레이트 함량을 조사하고 그 결과를 이용해 생물농축계수 및 위해 평가를 실시하였다.
그 결과 농산물 각 그룹별 퍼클로레이트의 평균함량이 곡류 2.70, 과일류 1.43, 채소류 10.32 μg/kg으로 녹색 채소류에서 가장 높은 함량이 조사되었으며, 본 연구에서 얻어진 결과 값은 기존의 국내ㆍ외 연구 결과 값과 비슷한 값을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 토양의 경우 곡류 8.38, 과일류 1.01, 채소류 5.20 μg/kg의 함량이 조사되었다. 이렇게 얻어진 농산물과 토양의 결과를 이용해 토양에서 농산물로의 퍼클로레이트 생물농축계수를 산출한 결과 깻잎(37.88) > 옥수수(21.51) > 시금치(10.57) > 귤(4.39) > 부추(2.89) > 호박(1.90) 순으로 채소류에서 높은 생물농축계수를 나타냈다. 실제 토양에서는 농산물마다 흡수이행 되는 패턴이 다르기 때문에 퍼클로레이트의 전이 매커니즘 규명 등에 관한 연구가 더 필요할 것으로 사료된다. 또한 실제 퍼클로레이트가 함유된 농산물을 섭취하였을 경우 퍼클로레이트에 대한 인체 노출량을 조사한 결과, 곡류, 채소류, 과일류 모두 2세 미만 그리고 3~6세의 영유아 그룹에서 높은 노출량을 확인할 수 있었으며 곡류, 과일류, 채소류 모두 1이하로 안전한 수준이기는 하나 곡류, 과일류, 채소류 대부분이 영유아 그룹에서 높은 노출량을 나타내고 있으므로 취약계층에 대한 연구가 더 필요할 것으로 사료된다.
Acknowledgements
This study was carried out with the support of “Research Program for Agricultural Science & Technology Development (Project No. PJ008650022013)”, National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration, Republic of Korea.
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