Residue Study for Bisphenol A in Agricultural Reservoirs

서 론

비스페놀 A {Bisphenol A, BPA, 2,2-Bis(4-hydroxyphenyl) propane), CAS No.: 80-05-7, (CH₃)₂C(C₆H₄OH)₂}는 두개의 Hydroxyphenyl 그룹을 갖고 있는 Diphenylmethane 유도체와 Bisphenol 그룹에 속한 유기합성 화학물로 무색의 고체이며 유기용매에는 잘 녹으나 물에는 거의 녹지 않는다(Suzuki et al., 2004). 비스페놀 A의 주요 분해산물로는 4-hydroxyacetophenone (4-HAP), 4-hydroxybenzoic acid (4-HBA), 4-isopropenylphenol, - 4-(1-hydroxy-1-methylethyl) phenol, 3-4 HBP-4, 4'dihydroxy-benzophenone 및 Hydroquinone이고 그 중 주요 산화물은 방향성 중간대사산물인 4-HAP과 4-HBA로 알려져 있다(Fig. 1). 또한 비스페놀 A는 내분비계 장애를 일으키는 대표적인 환경호르몬으로서(Howdeshell et al., 1999; Vandenberg et al., 2007) 매우 적은 농도에서도 내분비계교란물질로 작용하는 것으로 알려져 있으며(Rubin et al., 2001) 콤팩트디스크, 자동차 부품, 유아용 젖병, 플라스틱 그릇, 안경렌즈, 충격 방지제 등의 재료로 쓰이는 폴리카보네이트 플라스틱(polycarbonate plastic)과 식료품의 캔, 병마개, 식품포장재, 치과용 자재류 등에 주로 사용되는 에폭시 레진(epoxy resin)과 난연제(flame retardants) 등의 기초물질로 가장 많이 사용되는 화학물질이다(Staples et al., 1998; Rivas et al., 2009; Mboula et al., 2013). 이 생산 공정에서 나온 비스페놀 A가 현재 약 635톤이 환경으로 유출되고 있다고 알려져 있으며 국내 생산량은 연간 85,871톤이며 소량의 비스페놀 A가 자연수계나 대기, 산업 폐수나 가정 폐수에서도 발견되어 인체에 해로운 영향을 미치는 것으로 알려져 있다(Yamamoto et al., 2001).

국외적으로 비스페놀 A가 처리 된 폐수로 관개 된 작물재배지나 생물학적 고형물 또는 매립지에 근처의 개간된 농경지의 토양과 지하수에서 고농도로 검출되었다는 연구보고가 많이 있다(Heemken et al., 2001; Kawahata et al., 2004; Cespedes et al., 2005; Vethaak et al., 2005; Loos et al., 2007; Félix-Cańedo et al., 2013; Wu et al., 2013; Gorga et al., 2014; Michałowicz 2014).

환경부에서는 1999년 4월부터 2000년 8월까지 17 개월 동안 생태계와 환경 등을 대상으로 내분비계 교란물질(환경호르몬) 잔류 실태를 조사한 결과(환경부 보고서, 2006), 수질과 저질(하천 · 호수 바닥물질) · 대기 · 토양 등 113개 지점에서 환경호르몬으로 추정되는 13개 물질군, 28개 물질(조사 대상 37개 물질군, 87개 물질)이 나왔다고 밝혔는데 이중 bisphenol A가 수질에서 0.0056-0.9758 μg/L이 저질에서 0-5.7 μg/kg이 검출되었다고 보도하였다. 그리고 국립환경과학원이 2012년부터 2년간 전국의 초 · 중 · 고(만 6∼18세) 어린이와 청소년, 총 1천820명을 대상으로 체내 유해물질 농도와 환경 노출 등을 조사한 결과, 생식기계 발달과 내분비계 이상 등을 초래한다고 알려진 bisphenol A의 농도는 어린이(만 6∼11세)가 1.41 μg/g cr로, 성인(만 19세 이상) 0.88 μ g/g cr의 1.6배이었다고 보고하였으며(환경부 보도자료, 2015), 식약처에서 우리나라 어린이(만 3세-18세)의 뇨 중 bisphenol A 분석 결과를 근거로 하여 평균 일일노출량은 0.022 μg/kg/day로 추정산출 되었다. 이는 인체안전기준치(TDI) 대비 0.04% 수준으로 나타났다. 어린이의 bisphenol A 노출량은 비슷한 연령대의 미국(0.058 μg/kg/day)과 캐나다 어린이(0.038 μg/kg/day)보다 낮은 것으로 나타났다. 특히 환경부의 환경호르몬 2차 조사에 따르면(환경부 보고서, 2006), 여전히 대기, 토양은 물론 강, 바다까지 비스페놀 A가 광범위하게 퍼져있는 것으로 확인되었으나, 농경지 및 환경오염 우려지역에 대한 비스페놀 A의 작물재배환경 중 잔류실태조사가 수행되지 않고 있다. 더구나, 비스페놀 A가 기존에 알려졌던 것보다 체내에 더 오래 잔존해 있는 것으로 나타나고 인체에 치명적인 악영향을 나타낸다는 연구 결과(Vandenberg et al., 2007)가 보고되고 있는 상황에서 비스페놀 A의 인체 유해성과 광범위한 노출 범위를 고려해 농업환경 및 농작물을 대상으로 비스페놀 A 대한 모니터링과 잔류 저감방법 개발을 통해 농산물 안전성 확보가 필요하게 되었다.

본 연구에서는 경기, 충청, 경북, 전남의 주요 농업용저수지의 농용수와 토양을 채취하여 비스페놀 A 대한 잔류량 조사를 실시하여 농업환경 중 잔류량을 파악하고 오염을 방지할 수 있는 방안과 저감화 방법을 개발하는데 기초자료로 활용하고자 하였다.

재료 및 방법

사용기기 및 시약

본 연구에 사용된 Bisphenol A(99%) 표준물질은 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA)에서 구입하여 사용하였으며, bisphenol A의 잔류분석을 위해 사용한 acetonitrile, dichloromethane, methanol 및 deionized water는 Tedia (USA)사에서 HPLC급을 구입하여 사용하였다. Ammonium acetate, hydro chloride, sodium chloride 및 sodium sulfate anhydrous는 Junsei Chemical(Japan)사의 제품을 사용하였다. Bisphenol A 잔류량을 분석할 때 Rotary vacuum evaporator(RV-10, IKA, Germany), Speratory funnel shaker (SR-2W, Taitec Co., Japan)를 사용하였으며, Triple Quad 4500가 장착된 LC-Q-MS/MSD(AB Sciex Co., USA)을 이용하여 잔류량을 분석하였다.

시료채취

농용수 및 저니토양 채취는 2015년, 2016년 6월-8월 사이에 수행되었으며 모든 농용수는 농어촌 공사 수질 관리하에 있는 저수지를 선정하였다. 충남지역 30개 지역(60점), 충북 24개 지역(48점), 경기 34개 지역(68점), 경남 10개 지역(20점), 경북 10개 지역(20점), 전북 10개 지역(20점) 및 전남 10개 지역(20점) 총 256점의 시료를 채취하였다. 물은 250 mL용 갈색병에 직접 채취하였으며 저니토양은 Fig. 2에 나와 있는 것과 같은 토양 채취기로 이용하여 100 g이상 채취한 후 중력수를 제거한 후 갈색병에 담아 밀봉한 후 분석 장소로 운반하였으며, 처리구별로 균질화하고, 혼합하여 4℃ 냉장고에 보관 후 bisphenol A 분석 시 사용하였다. 각 시료는 3반복 분석을 수행하였다.

농용수 및 저니토에서 bisphenol A의 추출 및 조제

채취한 농용수 시료 100 mL을 취하여 500 mL용량의 분액 여두에 옮긴 후 0.1 M HCl을 이용하여 pH 3-3.5로 조정하였다. 여기에 포화식염수 50 mL을 가하고 CH₂Cl₂ 50 mL를 가하여 5분간 진탕 추출하였다. 유기 용매층을 무수 Na₂SO₄층을 통과시켜 탈수하고 남아있는 물층에 재차 CH₂Cl₂ 50 mL를 가하여 진탕 추출한 뒤 탈수하고 앞서 추출한 CH₂Cl₂과 합한 다음 rotary vacuum evaporator를 이용하여 40℃이하에서 감압농축하고 건고물을 DW:MeOH (2:8,v/v)혼합용액 5 mL로 재용해하였다. 이 용액을 LC/MS/MS에 10 μL 주입하여 표준검량선에 의해 농도를 산출하였다.

토양시료 50 g을 삼각플라스크에 취하고 여기에 아세톤 100 mL을 가한 후 1시간 동안 180 rpm으로 진탕 추출하였다. 추출물을 감압여과하고 여분의 acetone 50 mL으로 용기 및 잔사를 씻어 500 mL용량의 분액여두에 옮긴 후 증류수 200 mL을 가한 다음 0.1 M HCl을 이용하여 pH 3-3.5로 조정하였다. 여기에 포화식염수 50 mL을 가하고 CH₂Cl₂ 50 mL를 가하여 5분간 진탕추출하였다. 유기용매층을 무수 sodium sulfate층을 통과시켜 탈수하고 남아 있는 물층에 재차 CH₂Cl₂ 50 mL를 가하여 진탕추출한 뒤 탈수하고 앞서 추출한 CH₂Cl₂와 합한 다음 rotary vacuum evaporator를 이용하여 40℃이하에서 감압농축하고 건조물을 DW:MeOH(2:8, v/v) 혼합용액 5 mL로 재용해 하였다. 이 용액을 LC/MS/MS에 10 μL 주입하여 표준검량선에 의해 농도를 산출하였다. 분석기기 및 분석조건은 Table 1, 2와 같다. 위 조건에서 bisphenol A의 retention time은 약 1.8 min 이었고, data processing에는 Analyst 1.6.2를 사용하였다.

결과 및 고찰

농용수 및 저니토 중 bisphenol A 회수율

농용수와 저니토에서 bisphenol A의 LC/MS/MS 최소 검출량은 0.01 ng(S/N:5) 이였으며 분석법의 검출한계는 각각 0.05 μg/L 및 0.1 μg/kg이였다. 분석과정의 적합성을 판단하기 위하여 bisphenol A가 검출(<0.05 ppb)되지 않은 농용수 100 mL에 0.05 및 0.25 mg/L의 표준용액 1 mL를 각각 정확히 가하고, 균일하게 혼합하여 30 분간 방치한 후, 상기의 분석과정을 수행하여 회수율을 산출하였으며 bisphenol A가 검출(<0.1 ppb)되지 않은 저니토 50 g에 0.05 및 0.25 mg/L의 표준용액 1 mL를 각각 정확히 가하고, 균일하게 혼합하여 상기의 시료분석과정을 행하여 회수율을 구하였다.

농용수에 bisphenol A를 0.5 μg/L와 2.5 μg/L 처리했을 때 각각 97.2% 및 95.7%의 회수율 나타냈으며 저니토에서는 bisphenol A를 1.0 μg/kg와 5.0 μg/kg 처리했을 때 각 91.5% 및 100.3%의 회수율 나타내어 본 분석법이 농업용저수지에서 bisphenol A의 잔류분석에 적합하였다(Table 3).

경기지역의 농용수 및 저니토 중 bisphenol A 잔류량조사

2015년 6월부터 8월까지의 시험기간 중 농업용 저수지의 평균기온은 18.6-29.0℃이었으며, 평균습도 범위는 33.6%-88.8%이었다. 경기 지역 34개의 농용수저수지에서 농용수 및 저니토 68점 시료 채취 분석결과, 농용수에서 bisphenol A가 0.05-1.00 μg/L이 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 0.5-.9 μg/L수준으로 검출되었고 1개 지역에서만 16.00 μg/L이 검출되었다(Table 4).

충청지역의 농용수 및 저니토 중 bisphenol A 잔류량조사

2015년 6월부터 8월까지의 시험기간 중 농업용 저수지의 평균기온은 18.8-30.6℃이었으며, 평균상대습도 범위는 42.8-96.4%이었다. Table 4와 같이 충남지역 30지점에서 농용수 및 저니토 60점 채취 분석결과, 농용수에서 bisphenol A가 0.05-0.13 μg/L이 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 0.4-2.4 μg/kg 수준으로 검출되었고 1개 지역에서만 34.0 μg/kg이 검출되었다. 충북 24지역 농용수 저수지에서 농용수 및 저니토 48점 채취 분석결과, 농용수에서 bisphenol A가 0.05-0.18 μg/L이 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 0.8-3.93 μg/kg 수준으로 검출되었고 1개 지역에서만 14.43 μg/kg이 검출되었다(Table 4).

전라지역의 농용수 및 저니토 중 bisphenol A 잔류량조사

2016년 6월부터 8월까지의 시험기간 중 농업용 저수지의 평균기온은 18.1-29.3℃이었으며, 평균습도 범위는 60.3-92.9%이었다. 전남 지역 농용수 저수지 10개소와 전북 지역 농용수 저수지 10개소에서 채취한 농용수 및 저니토 중 bisphenol A의 잔류분석 결과, 전남지역 농용수에서 bisphenol A가 평균 0.06-0.17 μg/L이 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 평균 0.1-9.0 μg/kg 수준으로 검출되었고 1개 지역 에서 만 최대 12.1 μg/kg이 검출되었다(Table 5). 그리고 전북지역의 농용수에서 bisphenol A가 평균 0.05-0.06 μg/L으로 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 평균 0.1-3.8 μg/kg 수준으로 다른 지역에 비해 미량이었다(Table 5).

경상지역의 농용수 및 저니토 중 bisphenol A 잔류량조사

2016년 6월부터 8월까지의 시험기간 중 농업용 저수지의 평균기온은 18.2-30.6℃이었으며, 평균습도 범위는 41.4-93.9%이었다. 경북 지역 농용수 저수지 10개소와 경남 지역 농용수 저수지 10개소에서 채취한 농용수 및 저니토 중 bisphenol A의 잔류분석 결과, 경남지역 농용수에서 bisphenol A가 평균 0.06-0.11 μg/L이 검출되었으며 토양에서는 bisphenol A가 평균 0.2-9.2 μg/kg 수준으로 검출되었으나 1개 지역에서만 최대 12.4 μg/kg이 검출되었다(Table 5). 그리고 경북지역의 농용수에서 bisphenol A가 평균 0.05-0.06 μg/L으로 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 평균 0.1-0.35 μg/kg 수준으로 검출 되었다(Table 5).

본 연구에서 수행한 전국 농업용저수지에서 bisphenol A 모터링 결과 경기 지역 농용수에서 bisphenol A가 평균 0.05-1.00 μg/L이 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 평균 0.5-7.9 μg/L수준으로 검출되었으나 1개 지역에서는 최대 16.00 μg/L이 검출되었다. 충청지역 농용수에서 bisphenol A가 평균 0.05-0.18 μg/L이 검출되었으며 토양에서는 bisphenol A가 평균 0.4-3.93 μg/kg이 검출되었다. 그 중 1개 지역 농용수 저니토에서 최대 34.0 μg/kg이 검출되었으며, 충북 1개 지역의 농용수 저니토에 최대 14.43 μg/L이 검출되었다. 이렇게 다른 지역보다 많이 검출된 것은 주변의 요양원등 주변의 생활폐수 유입에 의한 것으로 판단된다. 전라 지역 농용수에서는 bisphenol A가 평균 0.05-0.17 μg/L수준이고 저니토에서는 평균 0.1-9.0 μg/kg 수준으로 검출되었으나 1개 지역에서는 최대 12.1 μg/kg이 검출되었다. 전북지역의 농용수에서는 bisphenol A가 평균 0.05-0.06 μg/L으로 검출되었으며 저니토양에서는 bisphenol A가 평균 0.1-3.8 μg/kg 수준으로 다른 지역에 비해 미량이 검출되었다. 경상 지역에서 채취한 농용수에서 bisphenol A가 평균 0.05-0.11 μg/L이 검출되었으며 저니토에서는 bisphenol A가 평균 0.1-9.2 μg/kg 수준으로 검출되었으나 1개 지역에서는 최대 12.4 μg/kg이 검출되었다.

Kinney등은 2008년에 bisphenol A가 폐수로 관개 된 작물재배지나 생물학적 고형물 또는 매립지에 근처의 개간된 농경지의 토양에서 0.55~147 μg/kg (dry weight basis)로 검출되었다고 보고하였는데, 개량되지 않은 농경지 토양에서 bisphenol A가 최대 147 μg/kg (d.w.) 검출되었고 생물학적 고형물로 개량된 지역에서는 87 μg/kg (d.w.)이 검출되었다고 보고하였다. 또한 Gibson등은 2010년에 미국 캘리포니아에서 90년 동안 폐수로 관개된 농경지에서 bisphenol A가 30.2 μg/kg (d.w)이 검출되어 결과적으로 bisphenol A가 토양에서 축적되지 않는다고 보고하였다.

2015년~2016년에 본 연구에서 수행된 전국 농업용저수지의 농용수와 저니토 중 bisphenol A가 10 μg/kg(미국에서 90년 동안 폐수로 관개된 농경지에서 검출된 30.2 μg/kg의 1/3수준) 이상 검출된 농업용저수지는 경기 및 충남 지역은 각각 3개 저수지이고, 충북 지역은 5개 저수지 그리고 경남과 전남 지역은 각각 1개 저수지로 총 13지역 이였다. 이것을 토대로 bisphenol A가 10 μg/kg 이상 검출된 농용수 주변에서 재배되는 농작물 시료를 채취 및 분석하여 농용수에 있는 bisphenol A가 농작물에 흡수 이행되는지에 관한 연구가 필요하다고 판단된다.

ACKNOWLEDGEMENT

This work was supported by the “Research Program for Agricultural Science & Technology Development (PJ010896)” Rural Development Administration, Republic of Korea.

Tables & Figures

Fig. 1. Bisphenol A & its aromatic intermediates.

Fig. 2. Soil core sampler.

Table 1. LC-MS/MS operating conditions for the analysis of bisphenol A in water and water sediment of agricultural reservoirs

Table 2. Selected reaction monitering (SRM) condition of bisphenol A

Table 3. Recovery of bisphenol A in waste water and water sediment

Table 4. Determination of bisphenol A in the water and water sediment of agricultural reservoirs in the Kyunggi & Chungcheong province (2015 year)

Table 5. Determination of bisphenol A in the water and water sediment of agricultural reservoirs in the Jeolla & Kyungsang province (2016 year)

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