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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.32 No.6 pp.559-572
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2018.32.6.559

Evaluation and application of pretreatment methods for pharmaceuticals and personal care products in the solid phase of sewage samples

Junwon Park, Changsoo Kim, Byoungkyu Ju, Wonseok Lee, Hyenmi Chung, Dong-Hwan Jeong*
National Institute of Environmental Research, Water Supply and Sewerage Research Division, Incheon Seo-gu Hwangyeong-ro 42, 22689
Corresponding author: Dong-Hwan Jeong (E-mail: dwcheong@korea.kr)
08/10/2018 23/11/2018 26/11/2018

Abstract


The aim of this study was to evaluate pretreatment methods for 27 pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in various sewage samples using a modified quick, easy, cheap, effective, rugged, and safe (QuEChERS) and online solid-phase extraction with LC-MS/MS. Extraction efficiencies of PPCPs in the solid phase under different experimental conditions were evaluated, showing that the highest recoveries were obtained with the addition of sodium sulfate and ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dehydrate in acidified conditions. The recoveries of target compounds ranged from 91 to 117.2% for liquid samples and from 61.3 to 137.2% for solid samples, with a good precision. The methods under development were applied to sewage samples collected in two sewage treatment plants (STPs) to determine PPCPs in liquid and solid phases. Out of 27 PPCPs, more than 19 compounds were detected in liquid samples (i.e., influent and effluent) of two STPs, with concentration ranges of LOQ-33,152 ng/L in influents and LOQ-4,523 ng/L in effluents, respectively. In addition, some PPCPs such as acetylsalicylic acid, ibuprofen, and ofloxacin were detected at high concentrations in activated sludge as well as in excess sludge. This methodology was successfully applied to sewage samples for the determination of the target compounds in STPs.



하수처리시설 고상시료 중 잔류의약물질 분석을 위한 전처리법 평가 및 적용

박 준원, 김 창수, 주 병규, 이 원석, 정 현미, 정 동환*
국립환경과학원 상하수도연구과, 인천 서구 환경로 42, 22689

초록


    National Institute of Environmental Research

    1. 서 론

    생활수준의 향상, 새로운 화학물질의 증가, 의약 기 술의 발전으로 인해 잔류의약물질(Pharmaceuticals and personal care products, PPCPs) 및 내분비계 장애물질 등 신규 미량오염물질이 물환경에서 지속적으로 검출 되고 있어 사회적 관심이 높아지고 있다 (Carballa et al., 2004;Daughton and Ternes, 1999;Sui et al., 2015). 잔류의약물질은 1)사람 및 동물의 질병 치료, 2)농∙축 산업의 성장촉진 및 면역력 향상, 3)화장품, 향균제 등 개인 위생관리 등을 목적으로 활용되는 모든 화합물 을 포함하며, 물환경 내 잔류하여 ng/L~㎍/L 단위의 미량으로 존재하더라도 수생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있고 잠재적으로 인체에 위해의 우려가 있다 고 보고되고 있다 (Behera et al., 2011;Gabet-Giraud et al., 2010). 물환경에서 검출되는 잔류의약물질은 하수 처리시설에서 충분히 제거되지 않고 배출되는 방류수 가 주요 원인으로 알려져 있으며 (Joss et al., 2006;Luo et al., 2014;Vieno et al., 2007), 국내에서도 2008 년부터 5년에 걸쳐 “환경 중 의약물질 배출원 조사 및 거동연구”를 통해 축산분뇨처리시설 및 하수처리시설 의 방류수가 잔류의약물질의 배출원 중 가장 큰 비중 을 차지한다고 보고한 바 있다 (NIER, 2012).

    잔류의약물질의 분석은 조사대상 물질의 특성에 따라 카트리지를 선택하여 고체상추출(Solid-phase extraction, SPE) 후 LC-MS/MS로 분석하는 것이 보편적이나 추 출, 정제, 농축 등 복잡한 전처리 과정을 거처야 하므 로 분석시간이 많이 소요되며, 추출한 시료를 로딩하 는 과정에서 매트릭스 효과가 발생할 수 있는 단점이 있다 (Hwang et al., 2013;Trenholm et al., 2009). 반면 에 온라인 SPE LC-MS/MS는 시료의 전처리 과정을 자동화시킴으로써 분석 시간을 단축시키고 분석의 신 뢰성 및 재현성을 향상시킬 수 있다 (López-Serna et al., 2010). 또한 분석에 필요한 시료의 양이 적어 시료 및 용매의 사용량을 줄이고 온라인 SPE 카트리지를 세척하여 재사용 가능하므로 전반적인 분석 비용을 절감시킬 수 있다 (Goh et al., 2016;Trenholm et al., 2009). 위와 같은 장점으로 인해 온라인 SPE를 활용하 여 지표수, 지하수, 음용수, 하수처리시설 유입수 및 방류수 등 물환경 중 다양한 매체에 대하여 잔류의약 물질을 분석하는 연구가 활발히 진행되고 있으나 (Khan et al., 2012;López-Serna et al., 2010;Panditi et al., 2013;Trenholm et al., 2009), 많은 연구에서 주로 액상시료를 대상으로 분석방법을 개발하고 검출 농도 를 조사하여 부유물질 및 슬러지 등 하수처리시설의 고상시료에 흡착되어 있는 물질에 대한 정량적인 평 가가 어렵다.

    고상시료의 전처리법 중 quick, easy, cheap, effective, rugged, and safe (QuEChERS)는 과일, 채소 내 다성분 잔류농약 및 항생제를 분석하기 위한 방법으로 Anastassiades et al. (2003)에 의해 개발되어 분석기관 협의회(Association of analytical communities, AOAC)와 유 럽표준위원회(European committee for standardization, CEN)에서 공인된 방법으로 인정받았으며 (AOAC, 2011;CEN, 2008), 최근에는 토양, 분뇨, 하수슬러지에 흡착되어있는 항생제, 살충제, 비스테로이드 항염증 제, 대사체 등 미량오염물질의 분석까지 활용 범위가 확대되고 있다 (Guo et al., 2016;Ponce-Robles et al., 2017;Rossini et al., 2016). QuEChERS 방법의 추출단 계는 salting-out 추출을 통한 분리(partitioning)를 기반 으로 이루어지는데 아세토니트릴이 추출용매로 사용 되며, 추출 후 정제 단계에서는 추출액에 포함된 방 해물질을 제거하게 된다. 선행 연구에서 고상시료에 흡착된 물질들을 추출하기 위해 QuEChERS 방법을 이용하고 있으나 하수처리시설의 시료에 분포하고 있는 잔류의약물질을 분석하기 위한 검토는 아직 미 흡하며, 특히 QuEChERS 방법과 온라인 SPE LC-MS/ MS를 병합하여 분석한 사례는 부족하다. 더욱이 QuEChERS 방법은 추출단계에서 흡수제 종류, pH 조 정, 극성화합물의 방해작용 억제 등 전처리법을 일부 분 수정하여 추출효율을 향상시킬 수 있으나 조사대 상물질 및 매체가 각각 다르므로 동일한 방법을 적용 시키기에 어려움이 있고, 이에 따라 화학 구조, 분자 량, 극성, 용해도 등 물리 화학적 특성이 다른 대상물 질을 동시에 분석이 가능하도록 분석방법을 확립할 필요가 있다.

    따라서 본 연구에서는 하수처리시설에서 항생제, 비스테로이드 항염증제, 각성제, 호르몬 등 27종의 잔류의약물질을 동시분석하기 위해 추출 과정에서 QuEChERS 방법을 응용하여 고상시료의 전처리법 을 평가하였고, 액상 및 고상시료의 분석방법에 대 한 정도관리를 제시하였다. 또한 하수처리시설의 실제 시료에 확립한 방법을 적용함으로써 하수처리 시설 내 잔류의약물질의 농도 분포를 파악하고자 하 였다.

    2. 연구방법

    2.1 조사대상 물질

    조사대상 잔류의약물질은 항생제 11종, 비스테로이 드 항염증제 6종, 항부정맥제 2종, 기타 8종 등 27종 을 선정하였으며, 물질별 물리∙화학적 특성은 Table 1 에 나타내었다. 표준물질은 Sigma-Aldrich, Fluka에서 98% 이상의 고순도 시약을 구입하여 사용하였으며, 물질별로 용해 특성에 맞게 용매를 선택하여(메탄올, 물, 0.1N HCl) 10 mg/L의 표준용액을 조제한 후 -20℃ 이하의 냉동고와 4℃ 냉장고에 각각 보관하였다. 대체표 준물질(surrogate)은 acetaminophen-D4, ciprofloxacin-D8, sulfadimethoxine-(phenyl-13C6) 등 3종을 이용하여 메 탄올로 표준용액을 조제한 후 분석 당일에 희석하여 사용하였다.

    2.2 전처리 및 분석방법

    하수처리시설에서 잔류의약물질은 액상 혹은 고상 의 형태로 존재하므로 본 연구에서는 두 가지 형태의 시료에 대해 전처리법을 다르게 적용하였다. 유입수 와 방류수 등 액상시료는 Fig. 1(a)의 흐름에 따라 분 석하였으며, 부유물질과 슬러지 등 고상시료는 각각 Fig. 1(a)와 Fig. 1(b)의 흐름에 따라 추출 과정을 수행 하여 분석하였다.

    2.2.1 액상시료

    액상시료는 0.45 ㎛의 유리섬유 여과지로 여과한 후 2 mL LC-MS/MS용 바이알에 900 μL를 취하고 1% 포름산(formic acid, 100 μL)을 첨가한다. 40 mg/mL 농도의 ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dehydrate(Na2EDTA, 10 μL)를 가하고 10 ㎍/L 농 도의 대체표준물질(10 μL)를 첨가하여 분석을 수행하 였다.

    2.2.2 고상시료

    고상시료 중 부유물질의 경우 0.45 ㎛의 유리섬유 여과지로 여과한 뒤 고형물이 흡착된 여과지를 50 mL 유리원심관에 넣고 1% 아세트산(acetic acid, 5 mL), 아세토니트릴(acetonitrile, 10 mL), 무수황산나트륨 (Na2SO4, 2 g), 40 mg/mL 농도의 Na2EDTA(0.2 mL), 100 ㎍/L 농도의 대체표준물질(100 μL)를 첨가하여 1 분간 볼텍스(vortex)를 이용하여 혼합한다. 균질화된 시료는 다시 원심분리기로 4,000 rpm으로 5분간 고액 분리를 시키고 아세토니트릴 층 1 mL를 유리관에 취 하여 질소농축기를 이용해 농축시킨 후 메탄올과 0.1% 포름산을 1:9로 혼합한 용매를 이용해 용해하였 다. 추출 과정에서 발생한 불순물 및 입자성 물질이 LC 컬럼으로 유입되는 것을 방지하기 위해 polyvinylidene fluoride (PVDF) 재질의 0.45 ㎛ 실린지 필터를 이용해 여과하고 이를 최종 시료로 사용하였다. 또한 고상시 료 중 슬러지의 경우 원심분리기를 이용하여 3,000 rpm으로 5분간 고액분리를 시켜 상등수는 PVDF 재질 의 0.45 ㎛ 실린지 필터를 이용해 여과하여 액상시료 와 동일한 방법으로 분석하였고, 원심분리되어 원심 유리관에 남은 슬러지는 1 g-wet을 취하여 부유물질의 추출방법과 동일한 순서로 분석을 수행하였다.

    2.3 고상시료 회수율 실험

    부유물질 및 슬러지 등 고상시료에 흡착된 잔류의 약물질을 추출하기 위해 CEN과 AOAC의 공인된 QuEChERS 방법을 참고하였으며, Table 2의 실험 조 건으로 회수율 실험을 수행하였다. 우선 QuEChERS 방법의 추출단계에서 흡수제로써 MgSO4와 Na2SO4가 주로 사용되고 있으므로(Anastassiades et al., 2003;Bourdat-Deschamps et al., 2014;Rossini et al., 2016), 두 종류의 흡수제의 첨가에 따른 회수율을 평가하였다. 또한 전처리 과정에서 추출효율을 향상시키는데 pH 가 중요한 요인으로 작용하므로 아세트산의 주입으로 인해 낮아진 pH를 조정하기 위한 역할로 완충제(Na acetate)의 첨가여부에 따른 회수율과 분석 과정에서 킬레이트 형성을 억제하고 중금속 등 간섭물질을 제 거하기 위해 첨가되는 Na2EDTA의 첨가 순서에 따른 회수율을 각각 비교하였다.

    시료는 하수처리시설의 생물반응조 호기조에서 채 취한 슬러지를 이용하였으며, 3,000 rpm으로 5분간 원 심분리하여 상등액을 제거하였다. 표준용액을 첨가하 지 않은 시료와 표준용액을 첨가하여 최종 농도가 100 ng/g이 되도록 첨가한 시료를 각각의 실험 조건에 대해 3회씩 반복 수행하였으며, 측정된 농도 평균값으 로 식(1)을 이용하여 회수율을 나타내었다.

    R e c o v e r y ( % ) = C s p i k e d C u n s p i k d e d C k n o w n × 100
    (1)

    여기서,

    • Cspiked: 시료에 표준용액을 첨가한 후 측정된 농도

    • Cunspiked: 시료에 표준용액을 첨가하지 않은 후 측정 된 농도

    • Cknown: 시료에 첨가한 표준용액 농도

    2.4 분석기기 조건

    분석 장비는 시마즈사의 HPLC(Nexera X2, Japan)를 사용하였으며, 질량분석장치(LCMS-8050, Shimadzu, Japan) 를 이용하여 분리된 피크의 확인 및 정량을 하였다. 이동상 용액으로 0.1% 포름산(A)과 아세토니트릴(B) 을 각각 0.2 mL/min의 유량이 되도록 설정하였으며, 이동상의 조성 변화는 10% B(0-2.5 min)-100% B(13.0-17.0 min)-10% B(17.1-20.0 min)로 하였다(Table 3). 시료 주입량은 300 μL로 설정하였으며, HPLC 컬 럼과 온라인 SPE 컬럼은 각각 ACE 5 C18-PFP(150 x 2.1 mm)와 MAYI-ODS(G)(2.0 x 10 mm)를 사용하였다. MS 분석은 4종의 물질(acetylsalicylic acid, diclofenac, ibuprofen, gemfibrozil)에 대해서 negative electrospray ionization (ESI) mode를 사용하였고, 그 외 물질들은 positive ESI mode로 이온화하였다.

    2.5 조사대상 하수처리시설 및 시료 채수

    A 하수처리시설의 시설용량은 42,500 m3/d이고 처 리공법은 membrane bioreactor이며, B 하수처리시설의 시설용량 80,000 m3/d이고 처리공법은 sequencing batch reactor이다. 2개의 하수처리시설에서 공정별로 유입수, 활성슬러지, 잉여슬러지, 방류수를 스테인레 스 용기를 이용하여 갈색 유리병에 채수 하였고, polytetrafluoroethylene 마개로 밀봉하여 채수 즉시 아 이스박스로 옮겨졌으며 4℃ 냉장 보관하였다. 시료채 취 후 전처리는 4일 내로 수행하였고, 전처리 후 72시 간 내에 분석을 완료하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 고상시료 회수율 평가

    Table 2의 실험 조건에 맞게 QuEChERS 방법을 일 부분 수정하여 고상시료의 회수율을 평가하였고 Fig. 2에 그 결과를 나타내었다. 우선 흡수제 종류에 따른 추출효율을 평가하기 위해서 무수황산마그네슘 (MgSO4, E1-4)과 Na2SO4(E5-8)를 첨가한 후 회수율을 비교하였다. 27물질 중 70~130%의 회수율 범위에 포 함되는 물질은 MgSO4를 첨가 시 11~14종 이였으며, Na2SO4를 첨가 시 12~18종으로 나타났다. Atenolol, erythromycin, naproxen, oxolinic acid, caffeine과 같은 물 질들은 흡수제의 종류와 관계없이 평균 70% 이상의 높 은 회수율을 보였으나, trimethoprim, diphenhydramine, gemfibrozil, testosterone 등 50%미만의 회수율을 보이 는 물질들이 MgSO4를 첨가 했을 때 더 많은 것으로 나타났다. Ciprofloxacin과 ofloxacin의 경우, MgSO4를 첨가 시 회수율이 평균 37%와 54%를 나타냈으나, Na2SO4를 첨가 했을 때 각각 평균 48%와 78%로 회수 율이 향상되었다. 이는 fluoroquinolone계 물질들이 MgSO4에 포함된 2가 마그네슘과 킬레이트를 형성하 기 때문이라고 판단되며 (Marshall and Piddock, 1994), MgSO4를 대신하여 Na2SO4를 흡수제로써 사용하여 ofloxacin, ciprofloxacin, chlortetracycline 등 fluoroquinolone 계 및 tetracycline계 물질들의 회수율을 높인 바 있다 (Bourdat-Deschamps et al., 2014).

    흡수제의 종류와 관계없이 완충제로써 Na acetate를 첨가하지 않은 경우 50% 이상 130% 이하의 회수율을 나타낸 물질들이 27물질 중 25종(E3), 19종(E4), 26종 (E7), 24종(E8)이였으나, 완충제를 첨가한 경우 18종 (E1), 17종(E2), 22종(E5), 19종(E6)으로 나타났다. Acetylsalicylic acid, propranolol, atenolol은 완충제의 첨 가 유무와 관계없이 90% 이상의 높은 회수율을 보였 으며, caffeine, roxithromycin, naproxen, diclofenac, carbamazepine은 80% 이상의 회수율을 나타내었다. 또 한 ciprofloxacin, cimetidine, cefradine의 회수율은 완충 제를 첨가하지 않았을 때 평균 56%, 53%, 57%이였으나, 완충제를 첨가하였을 때 평균 29%, 35%, 20%로 나타 났다. 실험 조건에서 Na acetate를 첨가한 경우 pH는 5.3~6.1를 나타내었고, 첨가하지 않은 경우 pH는 2.8~3.7를 나타내었다. Clarithromycin, roxithromycin 등 macrolide계 항생제의 경우 Na acetate를 첨가하지 않 았을 때 회수율이 높았는데 이들 물질은 pH가 높아지 면 분해되는 경향이 나타나는 것으로 알려져 있기 때 문으로 판단된다 (Ternes and Joss, 2006). 또한, Table 1에 나타난 바와 같이 잔류의약물질은 산해리상수 (pKa) 값이 각각 다르므로 추출액의 pH에 따라 이온 화 정도에 차이를 보이며 이는 전처리 과정에서 추출 효율을 변화시킨다. Sulfamethoxazole, sulfamethazine, sulfadimethoxine은 Na acetate를 첨가하지 않은 경우가 Na acetate를 첨가한 경우 보다 회수율이 5~30% 높아 진 결과를 보였는데, 이는 sulfonamide계 항생제가 두 개의 pKa 값을 가지며 강산과 염기 조건에서 각각 양 성자화와 탈양성자화가 일어나기 때문이다. 따라서 전처리 시 Na acetate를 주입하여 pH를 조정하는 것보 다 Na acetate를 주입하지 않음으로써 산성 조건을 유 지하는 것이 다성분 동시분석에서 회수율을 높일 수 있다고 판단되며, 선행 연구에서도 토양, 슬러지 등 고상시료 추출 시 산성 조건(pH 2)에서 다양한 잔류 의약물질의 회수율을 높인 바 있다 (US EPA, 2007).

    Na2EDTA는 fluoroquinolone계 및 tetracycline계 물질 들의 킬레이트 형성을 방지하여 추출효율을 높임으로 써 고상시료에 흡착된 잔류의약물질의 전처리 과정 에서 사용되고 있다 (Lindsey et al., 2001;Pailler et al., 2009). 전처리 시 Na2EDTA의 첨가 순서에 따른 회수율을 평가한 결과 Na2EDTA를 추출 과정 중에 첨가했을 때 50% 이상 130% 이하의 회수율을 나타 낸 물질들이 27물질 중 18종(E1), 25종(E3), 22종(E5), 26종(E7)이였고, 추출 과정 후 Na2EDTA를 첨가한 경 우 17종(E2), 19종(E4), 19종(E6), 24종(E8)으로 나타 났다. Na2EDTA의 첨가 순서를 제외한 동일한 조건의 회수율을 비교한 결과 전처리 시 Na2EDTA를 추출 과 정 중에 첨가시키는 것이 높은 회수율을 얻을 수 있 었다.

    고상시료의 회수율 평가 결과를 종합해 보면 E7의 실험 조건처럼 전처리 시 흡수제는 Na2SO4를 사용하 고 Na acetate를 첨가하지 않으며 Na2EDTA를 추출 과 정 중에 첨가하였을 때 평균 회수율이 88.5%였으며, 물질별로 62.6~130.5%의 범위로 나타나 다른 조건에 서 실험한 결과보다 높은 값을 보여 가장 효과적으로 고상시료에 흡착된 잔류의약물질을 추출할 수 있다고 판단된다.

    3.2 분석방법의 정도관리

    3.2.1 액상시료

    10 mg/L의 표준용액을 11단계(0, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1,000, 2,000, 5,000, 10,000 ng/L)로 순차적으 로 희석하여 검정곡선을 작성하였고, 절대검정곡선법을 이용하여 정량하였다. Table 4에 나타난 바와 같이 검정 곡선 직선성 평가 결과 모든 물질의 결정계수(R2)가 0.99 이상으로 높은 값을 나타내었다. 검출한계(Limit of detection, LOD)와 정량한계(Limit of quantification, LOQ)는 크로마토그램 상에서 신호 대 잡음비(S/N ratio)가 각각 3, 10 이상으로 산출하였고 (Shrivastava and Gupta, 2011), LOD와 LOQ는 각각 0.3~10.4 ng/L와 1~31.6 ng/L로 나타났다. 정확도는 물질별로 10~100 ng/L(저농도), 400~4,000 ng/L(중농도), 800~8,000 ng/L (고농도)가 되도록 표준물질을 첨가한 7개의 시료를 평가하였고, 첨가한 표준물질의 농도에 대한 측정 평 균값의 상대 백분율로 나타내었다(Table 5). 저농도, 중농도, 고농도 정확도 평가 결과 각각 91.5~116.8%, 91~117.2%, 91.3~110.5%의 높은 값을 나타내어 액상 시료의 분석방법에 대한 신뢰도를 확인할 수 있었다. 또한 시료의 반복 분석에 대한 재현성을 나타내는 정 밀도 평가 결과 중농도(3.8%), 고농도(3.2%)에서보다 저농도(9.1%)에서 상대적으로 낮은 결과 값을 나타내 었으나 전반적으로 양호한 결과를 확인하였다.

    3.2.2 고상시료

    3.1에서 확립한 전처리법을 이용해 물질별로 10 ng/g (저농도), 50 ng/g(중농도), 100 ng/g(고농도)가 되도록 표준물질을 첨가한 7개의 시료에 대하여 equation 1을 이용해 회수율을 구하였다. Table 5에 나타난 바와 같이 저농도, 중농도, 고농도 회수율은 각각 61.3~120.6%, 67.2~119.3%, 64~137.2%를 나타내었고, 첨가한 표준용 액의 양과 관계없이 일정한 회수율을 보여 고상시료 에 다양한 농도 범위로 존재하는 잔류의약물질의 추 출을 포괄할 수 있다고 판단된다. 해외 문헌에서도 하 수 슬러지에서 비스테로이드 항염증제 및 대사체의 농도 분포를 파악하기 위해 온라인 SPE LC-MS/MS를 이용하여 분석방법을 개발하였고, 13종의 물질에 대 해 37~101%의 회수율을 제시한 바 있다 (Rossini et al., 2016). Bourdat-Deschamps et al. (2014)은 슬러지, 소화조 탈리액 등 고상시료에 흡착된 잔류의약물질 13종에 대해 온라인 SPE LC-MS/MS를 이용하여 70~127%의 회수율을 제시하는 등 전처리 조건을 평 가하고 최적화된 추출방법을 제시하였다. 또한 저농 도에서 상대표준편차가 6.8%를 나타내어 중농도 (3.7%)와 고농도(3.5%)에 비하여 다소 낮은 정밀도를 보였으나, 확립한 전처리법을 활용할 경우 재현성있 게 분석이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

    3.3 하수처리시설 잔류의약물질 분석

    2개 하수처리시설에서 유입수, 생물반응조 활성슬 러지, 잉여슬러지, 방류수를 채취하여 확립한 전처리 법을 활용해 분석하였다. 액상시료(유입수, 방류수)와 고상시료(유입수에 포함된 부유물질, 활성슬러지, 잉 여슬러지)로 분류하여 농도 분포를 조사하였으며 (Table 6), 이를 국내・외 하수처리시설에서 보고된 잔 류의약물질 검출농도와 비교하였다.

    3.3.1 액상시료 검출농도

    A 하수처리시설의 액상시료인 유입수와 방류수에서는 27종의 대상물질 중 각각 24종과 19종이 검출되었으며, 유입수와 방류수 농도의 범위는 각각 LOQ-27,322 ng/L와 LOQ-2,139 ng/L로 나타났다. 유입수 농도는 caffeine이 27,322 ng/L로 가장 높게 검출되었고, acetaminophen (20,649 ng/L), acetylsalicylic acid(10,743 ng/L), naproxen (2,476 ng/L), cimetidine(2,178 ng/L)순으로 나타났다. 반면에 oxolinic acid, propranolol, sulfamethazine은 정량한계 미만으 로 나타났고, gemfibrozil, sildenafil, erythromycin 은 20 ng/L 이하의 낮은 농도로 검출되었다. 방류수 농도는 cimetidine이 2,139 ng/L로 가장 높게 검출되었고 ibuprofen(645 ng/L), ofloxacin(158 ng/L), diclofenac(147 ng/L)순으로 나타났으며, testosterone이 10 ng/L로 가장 낮 게 나타났다. Ketoprofen, erythromycin, oxolinic acid 등 8종 의 물질은 정량한계 미만으로 확인되었다.

    B 하수처리시설에서 유입수와 방류수는 27종의 대상 물질 중 각각 21종과 23종이 검출되었으며, 유입수와 방류수 농도의 범위는 각각 LOQ-33,152 ng/L와 LOQ-4,523 ng/L로 나타났다. 유입수 농도는 acetaminophen (33,152 ng/L), iopromide(21,665 ng/L), caffeine(17,571 ng/L), acetylsalicylic acid(9,107 ng/L), cimetidine(3,629 ng/L)순으로 높게 나타났고 방류수 농도는 ibuprofen (4,523 ng/L), iopromide(4,358 ng/L), cimetidine(3,935 ng/L) 순으로 높게 검출되었으며, acetylsalicylic acid, oxolinic acid, sulfamethazine 등은 정량한계 미만으로 나타났다.

    3.3.2 고상시료 검출농도

    A 하수처리시설의 유입수 중 부유물질은 16종이 검 출되었으며, 농도는 acetylsalicylic acid(1,364 ng/g), acetaminophen(436 ng/g), atenolol(415 ng/g), caffeine (409 ng/g)순으로 높게 나타났다. Carbamazepine, gemfibrozil, iopromide, trimethoprim 등 11종의 물질들은 정량한계 미만으로 나타났으며, sulfamethoxazole(6 ng/g), ketoprofen (8 ng/g), sildenafil(14 ng/g)은 다른 물질들에 비하여 부 유물질에서 낮은 농도로 검출되었다. A 하수처리시설 의 생물반응조에서 활성슬러지와 잉여슬러지는 각각 17종과 20종이 검출되었고, ibuprofen, ofloxacin, acetylsalicylic acid 등 일부 물질들은 두 종류의 슬러지 에서 모두 높은 농도로 나타났다. 반면에 carbamazepine, naproxen, sulfamethoxazole, testosterone 등 일부 물질들 의 농도는 두 종류의 슬러지에서 모두 15 ng/g 이하로 검출되어 다른 물질들에 비하여 낮은 수준으로 나타 났다.

    B 하수처리시설의 유입수 중 부유물질은 15종이 검 출되었으며, 농도는 acetylsalicylic acid(649 ng/g), ibuprofen(411 ng/g), iopromide(285 ng/g), acetaminophen (164 ng/g)순으로 높게 나타났다. A 하수처리시설에서 정량한계 미만으로 나타났던 carbamazepine, gemfibrozil, iopromide를 포함하여 propranolol, sulfamethazine 등 12 종의 물질들은 정량한계 미만으로 확인되었다. B 하 수처리시설의 생물반응조에서 활성슬러지와 잉여슬 러지는 각각 17종과 21종이 검출되었다. 활성슬러지 에서는 acetylsalicylic acid, cefradine, ibuprofen이 1,000 ng/g 이상의 농도를 보였으며, 잉여슬러지에서는 ibuprofen, acetylsalicylic acid, clarithromycin순으로 농 도가 높게 나타났다. 반면에 ketoprofen, naproxen, sulfamethoxazole의 농도는 활성슬러지에서 21 ng/g, 44 ng/g, 30 ng/g으로 나타났고, 잉여슬러지에서 7 ng/g, 9 ng/g, 14 ng/g으로 나타나는 등 다른 물질들에 비해 낮 은 수준으로 검출되었다.

    3.3.3 국내・외 하수처리시설 잔류의약물질 검출 현황 및 고찰

    국내・외 하수처리시설 잔류의약물질 유입수 및 방 류수 분석결과를 비교해 보면 캐나다에서 5개소 하수 처리시설의 유입수 농도는 acetaminophen이 92,000 ng/L, ibuprofen이 8,600 ng/L, naproxen이 6,280 ng/L로 검출되었으며 (Guerra et al., 2014), 이는 본 연구에서의 농도보다 3-5배 높은 수준으로 나타났다. 싱가포르의 하수처리시설 유입수 중 erythromycin, clarithromycin, sulfamethoxazole은 273 ng/L, 1,497 ng/L, 1,172 ng/L로 검출되어 본 연구 결과보다 높은 농도로 분포하고 있 음을 알 수 있었다 (Tran et al., 2016). 또한 Kim et al. (2012)이 국내 하수처리시설 6개소에서 잔류의약물질 의 유입수 농도를 조사하여 acetaminophen, caffeine, ibuprofen, naproxen의 농도를 74,552 ng/L, 25,060 ng/L, 9,494 ng/L, 5,938 ng/L로 보고한 바 있으며, 이는 본 연구에서의 결과보다 다소 높은 경향을 보였으나 동 일한 물질들이 하수처리시설에서 고농도로 분포하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 하수처리시설 방류수 의 농도는 acetaminophen(23 ng/L), caffeine(62 ng/L), naproxen(120 ng/L), atenolol(362 ng/L), clarithromycin (352 ng/L)로 보고되어 본 연구의 결과와 유사하게 나 타났으나, ibuprofen(15 ng/L)의 경우 본 연구에서 100 배 이상 높은 결과를 보였다. Park et al. (2017)은 국내 하수처리시설 4개소에서 57종의 잔류의약물질에 대한 유입수 농도를 조사하여 acetaminophen(39,425 ng/L), caffeine(9,510 ng/L), naproxen(2,311 ng/L)순으로 농도 가 높게 검출되었다고 보고하였고, clarithromycin(586 ng/L), roxithromycin(256 ng/L), ketoprofen(206 ng/L)의 농도는 본 연구의 검출농도와 큰 차이를 보이지 않았 다. 하수처리시설 방류수의 경우 diclofenac은 172 ng/L, carbamazepine은 144 ng/L, trimethoprim은 75ng/L, propranolol은 29 ng/L로 나타나 본 연구의 방류수 검 출농도와 유사한 수준으로 확인되었다.

    국내・외 하수처리시설에서 부유물질을 대상으로 잔 류의약물질을 분석한 결과는 많이 없어 검출농도에 대해 비교하기가 어려우나, Wang et al. (2018)은 유입 수 중 부유물질에 대한 농도를 보고한 바 있다. Ofloxacin과 caffeine은 각각 2,530 ng/g, 137 ng/g로 나타 나 본 연구에서의 농도보다 높았으나, acetaminophen은 16 ng/g으로 본 연구보다 낮게 검출되었다. Ashfaq et al. (2017)은 하수처리시설 고상시료를 대상으로 잔류 의약물질을 분석하였고 ofloxacin(활성슬러지: 4,870 ng/g, 부유물질: 4,680 ng/g), ciprofloxacin(313 ng/g, 391 ng/g), diclofenac(19 ng/g, 30 ng/g), ketoprofen(46 ng/g, 59 ng/g), sulfamethoxazole(3 ng/g, 2 ng/g)의 농도를 보 고하였다. Radjenovic et al. (2009)의 연구에서 acetaminophen(1차침전지슬러지: 150 ng/g, 활성슬러지: 90 ng/g), ketoprofen(200 ng/g, 50 ng/g), ibuprofen(530 ng/g, 60 ng/g), diclofenac(210 ng/g, 150 ng/g) 등 하수 처리시설에서 20종의 잔류의약물질에 대한 고상시료 를 분석하였고, 슬러지 특성에 따라 다른 농도가 검출 되었다고 보고한 바 있다. 고상시료에 흡착된 양은 옥 탄올/물 분배계수(log Kow), 해리상수 등 대상물질의 물리・화학적 특성과 관련이 있는데 특히 log Kow 는 대상물질의 친수성 및 소수성을 파악할 수 있어 잔류 의약물질이 고상시료에 얼마나 흡착되어 있는지를 평 가하기 위한 지표로써 사용되고 있다. 최근에는 기존 에 보고된 log Kow 값을 이용하는 것뿐만 아니라 액상 및 고상시료를 정량적으로 분석하여 실험적으로 토양 /물 분배계수를 도출해 흡착성을 평가하고 있다. 향후 고상시료에 흡착된 양에 대해서 대상물질의 물리∙화 학적 특성과 실험적으로 도출한 값을 비교∙평가하여 보다 자세히 파악하는 것이 필요하다.

    본 연구에서는 물질별로 고상시료의 종류에 따라 흡착되어있는 양이 각각 다르다는 것을 확인하였고 일부 물질은 유입수 중 부유물질에서 높게 검출됨에 따라 하수처리시설에서 잔류의약물질의 거동 및 제거 효율을 평가할 때 단순히 액상시료만을 대상으로 분 석할 경우 오차가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있었 다. 본 연구에서 확립한 전처리법을 활용하여 하수처 리시설의 액상 및 고상시료를 각각 분석하고 데이터 가 축적되면 이에 대해 정확한 평가가 가능할 것으로 사료된다. 게다가 활성슬러지 및 잉여슬러지 농도를 정량적으로 검출할 수 있게 됨으로써 잔류의약물질이 하수처리시설 생물반응조에서 어떤 거동을 보이는지 추가적인 연구를 통해 확인 가능할 것으로 판단된다. 이와 더불어 하수처리시설 내 총인처리, 소독, 고도산 화처리 등 다양한 처리공정에서의 잔류의약물질에 대 해서도 분석이 가능하므로 각 단위공정에서의 제거효 율을 평가하여 잔류의약물질을 효율적으로 제거시킬 수 있는 처리공정을 개발하고 체계적인 관리방안을 마련하는데 활용이 될 것으로 기대된다.

    4. 결 론

    본 연구에서 온라인 SPE LC-MS/MS를 이용하여 하 수처리시설 고상시료 중 잔류의약물질 27종을 동시분 석하기 위해 QuEChERS 방법을 응용하여 전처리법을 평가하였고 정도관리를 제시하였다. 또한 이를 적용 하여 하수처리시설 시료에 대한 분석을 수행하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) QuEChERS 방법을 응용하여 고상시료의 회수율 을 평가한 결과 전처리 시 흡수제는 Na2SO4를 사용하 고 Na acetate를 첨가하지 않음으로써 pH를 산성으로 유지시키며, Na2EDTA를 추출 과정 중에 첨가하는 것 이 고상시료에 흡착된 잔류의약물질을 가장 효과적으 로 추출할 수 있다는 것을 확인하였다.

    • 2) 검정곡선 직선성 평가 결과 모든 물질의 R2가 0.99 이상으로 높은 값을 나타내었고 액상시료와 고상 시료의 회수율은 각각 91~117.2%, 61.3~137.2%였으며, 평균 10% 미만의 상대표준편차를 나타내 조사 대상 으로 선정한 27종의 잔류의약물질을 동시분석 시 정 확하고 재현성있게 분석할 수 있다고 판단된다.

    • 3) 확립한 전처리법을 이용하여 2개 하수처리시설 의 액상 및 고상시료를 분류하여 분석한 결과 A 하수 처리시설에서 유입수와 방류수는 24종과 19종이 검출 되었으며, 각각 LOQ-27,322 ng/L와 LOQ-2,139 ng/L로 나타났다. B 하수처리시설에서 유입수와 방류수는 21 종과 23종이 검출되었으며, 각각 LOQ-33,152 ng/L와 LOQ-4,523 ng/L를 나타내는 등 액상시료에 다양한 농 도 범위로 분포하는 것을 확인할 수 있었다.

    • 4) 유입수 중 부유물질은 acetylsalicylic acid에서 가 장 높게 검출되었고 A 하수처리시설에서 최대 1,364 ng/g, B 하수처리시설에서 649 ng/g으로 나타났다. 17 종 이상의 물질이 2개 하수처리시설의 활성슬러지 및 잉여슬러지에서 검출되었고 acetylsalicylic acid, ibuprofen, ofloxacin 등 일부 물질들은 다른 물질들에 비해 고농도로 분포하고 있음을 확인 할 수 있었다.

    • 5) 본 연구에서 확립한 전처리법과 온라인 SPE LC-MS/MS를 이용하여 액상시료뿐만 아니라 부유물 질 및 슬러지에 흡착된 잔류의약물질을 정량적으로 검출 할 수 있었으며, 이는 하수처리시설 내 잔류의약 물질의 농도 분포를 보다 정확하게 파악하고 공정별 거동 및 제거 특성을 평가하는 등 다양한 연구를 수 행하는데 있어서 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

    사 사

    본 연구는 국립환경과학원의 지원으로 수행되었습 니다(NIER-2018-01-01-058).

    Figure

    JKSWW-32-559_F1.gif

    Schematic diagram of the PPCP analysis in (a) liquid samples, (a) suspended solids, and (b) solid samples.

    JKSWW-32-559_F2.gif

    Recoveries of PPCPs under each experimental condition.

    Table

    Chemical properties of target compounds

    Experimental conditions for evaluating the recovery

    Operating parameters of online SPE LC-MS/MS

    Linearity and detection limits for target compounds

    Method validation data for PPCPs in liquid and solid phases

    Concentration of PPCPs in liquid and solid phases

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