서 론
우라늄은 자연적 오염원과 인위적 오염원에 의 해 오염이 되는 원소이다. 인위적 오염은 우라늄의 무기 및 산업활동에 사용하는 경우이며 자연적 오 염원은 지각에 존재하는 우라늄이 풍화 등의 자연 적 현상에 의해 용출되는 경우이다. 우리나라의 경 우 인위적 오염은 찾기 힘들며 대부분 자연적 원인 에 의한 것이라 할 수 있다. 자연기원의 우라늄은 3개의 동위원소로 이루어져 있으며 238U, 235U, 234U가 각각 99.3%, 0.72%, 0.0054%를 차지한다.
우라늄은 자연계에 존재하는 가장 무거운 원소 중 의 하나이며 모든 동위원소가 방사능을 방출하는 방사능원소이다. 이들은 화학적 독성과 방사성 독 성을 동시에 갖고 있다(Lee et al., 2001; Fedoseer et al., 2002; Kim et al., 2004; Orloff et al., 2004; Oeh et al., 2007; Ioannidou et al., 2011; Nriagu et al., 2012; Berisha and Goessler, 2013; Wiegrad and Schwendenmann, 2013; Bhalara et al., 2014; Wu et al., 2014).
국내에는 상수도 보급율이 점차 증가하여 도시 지역의 경우 100%에 가까운 보급률이 달성되었다. 대규모 상수시설의 경우 전문 인력에 의해 고품질 의 먹는 물의 생산과 유지관리가 가능하다. 그러나 농촌 및 어촌지역의 경우 마을상수도 및 지하수 이 용률이 여전히 높으며 대규모상수도에 비해 수질 관리가 용이하지 않다. 지하수의 경우 질산성질소 등 지표수 또는 토양오염에서 유입된 오염에 의해 먹는 물로 적절하지 않은 경우가 많다. 또한 지질 적 특성에 따라 중금속의 농도가 높게 검출되는 경 우도 있다. 우라늄의 경우 외부에서 유입된 경우는 흔하지 않으며 대부분 암반 및 토양에서 용출되어 유입된 경우가 대부분이다(Lee et al., 2001; Kim et al., 2004; Orloff et al., 2004; Ioannidou et al., 2011; Bhalara et al., 2014; Wu et al., 2014).
음식 섭취 등을 통한 우라늄의 평균섭취량은 약 2 μg/dayday이며 신진대사 작용으로 섭취량과 유사한 양이 배출된다. 방사성 독성과 중금속 화학적 독성 으로 구분되며 우라늄의 인체에 가장 큰 위해는 방 사성 독성보다 화학적 독성에 의한 신장독성으로 알려져 있다(Park and Rim, 2003; Park and Rim, 2004).
WHO의 먹는 물 권고기준은 15 μg/ℓ이고, 미국 환경보호청과 대한민국의 권고기준은 30 μg/ℓ이다. 우라늄으로 오염된 지하수환경의 경우 다양한 방 법으로 오염제거 또는 복원이 가능하며 오염제거 기술로는 흡착, 막여과, 식물상정화, 환원적 침전, 생물학적 침전 등이 있다(Berisha and Goessler, 2013).
국내외의 선행연구결과를 살펴보면 지하수 중 우라늄의 농도는 지질적 요인에 많은 영향을 받는 것으로 되어 있다. 실험실 용출실험결과 철-망간수 산화물과 규소광물이 우라늄의 주된 보유광물이며 광물로부터의 용출 또는 탈착, 착물형성 그리고 환 원적 침전 등이 우라늄의 지하수내로 용출을 결정 짓는 인자들임을 증명하였다(Jeong et al., 2013).
국내에서는 옥천지역의 지하수 중 우라늄 동위 원소의 농도 및 활동도비 대한 조사에서 234U/238U 의 비는 냉천지역에서 1.20-3.58 범위로 지하수의 머무름 시간에 따라 변동이 있었으나 온천지역에 서는 그 비가 1.10 ± 0.07 으로 평형값에 근접했다 (Lee et al., 2001). 4년에 걸쳐 498개의 시료에 대 한 국내 지하수에 포함된 우라늄에 대한 건강위해 성 평가 조사에서 기하평균은 0.17 μg/ℓ이며 방사 성위해성에 의한 발암위해성은 10-7정도이며 화학 적 위해도에 의한 hazard quotient는 0.005로 건강 위해성이 비교적 낮은 것으로 평가되었다(Kim et al., 2004).
중국 북부지역에서 지질적 특성을 고려한 지하 수 중의 우라늄 농도에 관한 연구에서 우라늄의 농 도는 일반적으로 화성암과 변성암에 대하여 1 mg/kg이하이며 석탄기와 페름기 퇴적암에서 2-5 mg/kg정도이며 퇴적토와 표토에서 약 3 mg/kg정 도라고 발표하였다. 천층지하수에서 우라늄의 농도 는 약 0.02-288 μg/ℓ (average 24 μg/ℓ)이며 약 24%의 시료가 WHO의 기준인 30 μg/ℓ를 초과하 였다(Wu et al., 2014).
본 연구에서는 보건환경연구원에 분석 의뢰되는 경상북도 지역의 마을상수도 및 소규모 급수시설, 지하수, 샘물 및 먹는 샘물, 먹는 물 공동시설, 지 하수 측정망 및 민방위비상급 등을 대상으로 우라 늄 농도를 측정하였으며 결과를 국내외 수질기준 과 비교하였으며 지질적 특성 및 행정적 구역으로 나누어 고찰하였다.
실험재료 및 방법
시약 및 재료
본 연구에 사용된 시약은 모두 고순도의 시약이 며 구입 후 추가정제 없이 사용하였다. 중금속 분 석에 질산(HNO3, 68-70%, 유해중금속용, JUNSEI) 을 사용하였고 표준원액으로 Manufactured under ISO 9001 Quality Assurance System : Multi-Element Calibration Standard 3 (No Hg, 5% HNO3, 125 mℓ) 10 mg/ℓ 등이 사용되었다.
먹는 물 시료의 채취
경상북도 중남부지역 시⋅군에 소재하고 있는 2,000여 개소의 마을상수도 및 소규모급수시설, 지 하수, 샘물 및 먹는 샘물, 먹는 물 공동시설, 지하 수 측정망, 민방위비상급수 등은 연구원에 의뢰되 는 시료이며 일부 사회복지시설 지하수, 민⋅관합 동수질확인검사 시료 등은 연구원에서 직접 시료를 채수하여 2011년 1월-12월 기간 동안 조사하였다.
시료의 전처리 및 분석
우라늄은 표준원액(ICP-MS용 100 mg/ℓ) 및 질 산(68-70%, 특급)을 각각 1 mℓ씩 취하여 100 mℓ 용량플라스크에 표선까지 3차 증류수를 넣어 표준 용액(1 mg/ℓ)을 조제하였다. 시료는 Whatman사의 0.45 μm의 PTFE Syrige Filter를 이용하여 여과한 뒤 질산(68~70%, 특급)으로 전처리(0.5 V/V%로 산 처리)하여 유도결합플라즈마 질량분석기(ICP-MS Spectrometer, Perkin Elmer, ELAN DRC-e)를 사 용하여 우라늄(U238)을 정량분석 하였다(Table. 1). ICP-MS 분석시 표준용액(1 mg/ℓ)을 증류수로 희 석하여 4 point의 우라늄(U238)농도 검량선을 작성 하여 시료를 분석하였다.
결과 및 고찰
총 803개의 시료를 채취하여 분석하였으며 각 시료구분별 시료의 수는 지하수, 정수, 마을 상수 도, 샘물, 민방위 비상급수, 소규모정수시설에 대하 여 각각 195, 64, 68, 54, 104, 264개로 소규모 급 수시설과 지하수가 가장 많은 수의 시료를 차지한 다. 전체시료에 대한 평균농도는 3.13 μg/ℓ이며 표준편차는 5.95이다. 중간값은 0.96이고, 하위 25%는 0.45 μg/ℓ, 상위 25%는 2.64 μg/ℓ이다. WHO의 먹는 물 권고기준인 15 μg/ℓ를 초과하는 시료의 수는 48개이며 비율은 5.98%이다. 미국의 먹는 물 권고기준 또는 우리나라의 권고기준인 30 μg/ℓ을 초과하는 시료의 수는 6개이며 전체시료 에서 차지하는 비율은 0.7%로 몇몇의 시료는 건강 의 위해성을 가져올 수 있을 정도로 높은 농도의 우라늄을 포함하고 있는 것으로 나타나고 있다.
지자체별로 구분하여 분석결과를 Table 2와 Fig. 1에 나타내었다. 각 지자체별 우라늄의 농도를 비 교분석하면 평균농도 및 중간값이 각각 16.2 μg/ℓ 로 영주시가 두드러지게 높고 그 외 지자체는 평균 농도기준으로 구미시 > 김천시 > 칠곡군의 순서이 나 대부분 4.0 μg/ℓ 이하로 높지 않다.
앞에서 논의한 바와 같이 우라늄의 오염원은 인 위적인 것보다 자연적인 원인에 의한 부분이 큰 비 중을 차지하므로 지자체별 오염도를 분석하는 것 보다 지질별로 구분하는 것이 학술적 의미가 있을 것으로 판단된다. 선행연구에서도 국내의 경우 화 강암지역에서 우라늄 농도에 대한 조사가 수행되 었다(Cho et al., 2011; Han et al., 2011; Cho et al., 2013; Hwang, 2013; Jeong et al., 2013). 한 등은 경기북부지역 지하수 중 우라늄농도에 대한 조사에서 215개의 지하수를 검사하였으며 41개 지 점에서 우라늄이 검출되었고 1개 지점에서 WHO 의 가이드 라인 이상의 우라늄이 검출되었으며, 포 천지역의 경우 쥬라기 흑운모 화강암 지역이 넓게 분포하고 있다고 보고하였다(Han et al., 2011). 조 등은 단양지역의 지하수에서 우라늄과 라돈의 농 도를 측정하였으며 백악기 화강암과 선캄브리아기 변성암 지역에서 우라늄 함량이 높게 나타나며 퇴 적암류에서는 상대적으로 낮은 농도가 검출된 것 으로 보고하였다(Cho et al., 2013). 또한 조 등은 이천의 화강암 지역 지하수의 우라늄과 라돈도 분 석하였으며 총 74개 지하수에 대한 조사결과 0.02-1,640 μg/ℓ (중앙값 2.03 μg/ℓ) 범위의 결과 를 보고하였다(Cho et al., 2011). 본 조사연구에서 의 결과를 지질별로 구분하여 Table 3과 Fig. 2에 나타내었다. 중앙값을 기준으로 보면 흑운모 화강 섬록암과 흑운모 화강암 지역의 먹는 물이 10.0 μg/ℓ 이상의 우라늄을 포함하고 있어 다른 지질대 에 비하여 유의하게 높다. 편마상화강암지역의 경 우에도 중앙값이 8.1 μg/ℓ로서 상당히 높은 농도 를 보이며 다른 지질지역은 화강암질 편마암이 2.8 μg/ℓ, 함안층, 점곡층이 각각 2.6 μg/ℓ이고, 팔공 산 화강암, 반야월층, 층적층, 금오산화산암류 지역 이 각각 1.6 μg/ℓ, 1.3 μg/ℓ, 1.3 μg/ℓ, 1.1 μg/ ℓ의 농도를 보이고 있으며 그 외 지질대의 경우 모두 1.0 μg/ℓ 미만의 농도를 보이고 있어 상대적 으로 낮다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 화강암 류 지역에서 높은 농도의 우라늄이 먹는 물에 포함 될 수 있으며 특히 흑운모 화강암 및 화강섬록암의 경우 매우 높은 농도의 우라늄이 용출될 가능성이 있음을 보여주고 있다.
유럽지역의 먹는 물에 포함된 우라늄에 대한 조 사는 다수의 연구자들에 의해 발표되었으며 그 대 상은 수돗물과 공공용수, 샘물과 우물, 지하수를 포함하여 다양하다. 일반적으로 수돗물이나 공공용 수에 비해 지하수 및 샘물의 우라늄 농도가 높은 것으로 나타나며 특히 지하수의 경우 그 농도편차 가 매우 크다(Kurttio et al., 2002; Prat et al., 2009; Dinelli et al., 2012). 핀란드의 경우 지하수 를 대상으로 우라늄의 농도를 조사한 결과 1920 μg/ℓ의 높은 값을 나타내는 경우가 있었으며 (Kurttio et al., 2002), 이탈리아에서 수돗물에 대 한 조사결과 0.0016-16 μg/ℓ 범위의 우라늄이 검 출되었다(Dinelli et al., 2012).
지하수를 포함한 각 시료종류에 따른 우라늄의 농도를 분석하여 Fig. 3에 나타내었다. 샘물과 지 하수의 우라늄 농도가 정수 및 마을상수도에 비해 높은 것으로 나타나 지표수가 포함된 정수 및 수돗 물에 비해 지각물질과 접촉시간이 긴 먹는 물 시료 의 우라늄 농도가 상대적으로 높다고 할 수 있다. 민방위비상급수 및 소규모급수시설의 경우 공급원 이 하천수일 수도 있고 지하수인 경우도 있어 명확 히 구분이 불가능하다. 농도범위는 지하수 및 샘물 과 정수의 중간정도이다.
우라늄 농도가 높게 검출된 상위 100개의 시료 에 대하여 황산이온농도, pH, 경도, 과망간산칼륨 소비량 등의 일반적 수질인자들과의 상관성조사를 수행하였다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 우라늄은 기타수질 인자와의 상관성이 매우 낮은 것으로 나 타났다.
결 론
지하수, 마을상수도, 샘물 등 경북지역의 소규모 먹는 물 시설에서 채취한 800여 개의 시료를 분석 하여 우라늄의 농도를 측정하였다. 전체시료에 대 한 평균농도는 3.13 μg/ℓ이며 미국의 먹는 물 권 고기준 또는 우리나라의 권고기준인 30 μg/ℓ를 초과하는 시료의 수는 6개이며 전체시료에서 차지 하는 비율은 0.7%로 비율은 낮으나 몇몇의 먹는 물은 추가적인 처리가 없을 경우 건강에 위해성을 가져올 수 있을 정도로 높은 농도의 우라늄을 포함 하고 있는 것으로 나타났다. 시료의 종류별 분류에 서는 지하수, 샘물 등 지하수를 기반으로 한 먹는 물에서 상대적으로 높은 농도의 우라늄이 검출되 었다. 먹는 물에 포함된 대부분의 우라늄은 지질적 기원에 의한 것이며 지질적 특성과 매우 연관성이 있다. 본 연구에서는 흑운모화강섬록암, 흑운모화 강암, 편마상화강암 등의 지질특성을 가진 지역에 서 상대적으로 높은 농도의 우라늄이 검출되었다. 황산이온, pH 등의 수질인자들과의 상관성조사에 서 우라늄은 기타수질 인자와의 상관성이 매우 낮 은 것을 보여주었다.
