2.2.1 부유물질, 탁도, 잔류염소

수돗물 내 입자성 물질을 포집하기 위해 유리섬유여과지(GF/C, Whatman, UK)를 사용하였으며, 수질 오염 공정시험법에 따라 여과하였다. 여과된 필터는 105~110°C로 설정된 건조기에서 건조 후, 필터의 여과 전후 무게 차이를 측정하여 부유물질의 양을 계산하였다. 탁도는 물 속의 입자성 물질에 의해 산란 되는 빛의 양을 측정하며 2100 Q 탁도계(HACH, USA)를 사용하여 측정하였다. 잔류염소 농도는 수돗물의 급수관 내 잔류 소독제로서 농도를 평가하였으며, DPD 분광광도법(EPA Method, USA)을 기반으로 K300-RC 잔류염소 측정기(Apera Instrument, USA)를 이용해 분석하였다. 시료 10 mL를 샘플 셀에 넣고, 영점 조정 후 DPD 시약을 혼합하여 1분 이내에 측정값을 기록하였다.

2.2.2 원소 분석

필터에 포집된 이물질의 무기성 금속 성분을 분석하기 위해 유도결합 플라즈마 방출 분광법(ICP-OES)을 사용하였다. 실험은 Agilent 5110(SVDV) 기기로 수행하였으며, 철, 알루미늄, 규소, 망간 등 총 15가지 원소의 농도를 측정하였다. ICP-OES는 시료 내 원소가 방출하는 특정 파장의 빛을 감지하는 방식으로, 약 10,000 켈빈(K)의 고온 아르곤 플라즈마를 이용해 분석하였다.

2.2.3 주사전자현미경 분석 (FE-SEM)

전계방사형 주사전자현미경은 electron source에서 방출된 primary electron이 분석하고자 하는 시료에 조사되면, 시료로부터 다양한 신호(secondary electron, backscattered electron, characteristic x-ray, transmission electron, etc.)가 발생되는데, 이를 검출기로 인지하여 영상화시켜 주는 장비이다. 일반 광학현미경과 비교 시 해상도와 피사계 심도가 깊어 시료의 표면관찰은 물론 조성까지 관찰 가능하다. 여러 부속장비 중 energy dispersive spectroscopy (EDS)를 장착하여 정성, 정량분석과 후방 산란 전자를 이용한 이미지 관찰도 가능하다. 이를 통해 시료의 특성, 표면구조 및 결합을 관찰하는데 사용되는 분석기기이다. 본 연구에서 사용된 장비는 SIGMA 300 (ZESIS, Germany)이다.

2.2.4 Total Organic Carbon

시료 내 총 유기탄소(TOC) 농도를 측정하기 위해 분석장비로 TOC-L Series (Shimadzu, Japan)를 사용하였다. 각 시료는 여과하지 않은 것과 0.45 μm 공극의 필터로 여과한 시료를 각각 비교하여 총 TOC 및 용존성 유기탄소(DOC) 농도를 측정하였다. TOC와 DOC의 차이는 입자성 유기탄소(particulate organic matter, POC)로 간주하여 각 시료별 입자성 유기물의 기여도를 평가했다.

2.2.5 Fluorescence-excitation emission matrix (EEM)

본 연구에서는 관내 역세수의 유기물에 대한 정성적 분석을 위해 EEM 분석을 진행하였다. EEM 분석을 통해 파장범위에 따라 휴믹계와 단백질계 유기물을 확인할 수 있다. T1, T2 영역은 단백질 계로 시료 내 유기물의 양을 정성적으로 판단 가능하며, A, C 영역은 휴믹 계로 흙과 낙엽과 같은 자연 유기물의 양을 정석적으로 판단할 수 있다^{(Ryu et al., 2022)}. EEM 분석을 통해 단백질계 유기물의 존재 및 양을 확인해 관내 역세수에 존재하는 미생물의 존재 여부를 확인하였다. Arc lamp를 광원으로 하는 RF-5301 형광 분광계(Shimadzu, Japan)를 사용하였다.

2.2.6 Total Cell Count

총 세포수(Total Cell Count, TCC)는 유세포 분석기(BD Accuri C6 Plus, BD Biosciences, USA)를 사용하여 측정하였으며 비배양 세균을 포함한 전체 세균 개수를 나타낸다. TCC 분석에는 세포막을 통과할 수 있는 형광 염료인 SYBR Gold nucleic acid gel stain (Invitrogen, USA)을 사용하여 각 시료 1 ml를 35°C에서 10분 동안 세포 염색 후 측정하였다^{(Park et al., 2016)}. 유세포 분석기의 레이저 광원을 통과하여 지나가는 각각의 염색된 세포를 형광 필터와 디텍터를 통해 형광 신호를 감지하여 측정한다. 시료 부피당 총 세포수를 실시간으로 정량화하는 방법으로 일반세균과 비교하여 빠르게 약 15-20분 내에 배양이 불가능한 세균까지 정확하게 판독할 수 있는 장점이 있다^{(Berney et al., 2008)}.

2.2.7 Adenosine Triphosphate

ATP 분석은 Luciferase assay를 기반으로 한 발광 측정(luminescence)을 통해 농도를 계산하였다. ATP luminometer(GloMax 20/20, Promega, USA) 측정기를 통해 방출하는 빛의 발광량을 측정함으로써 Total ATP를 계산하였다. 표준 물질로서 γATP의 농도 별 검정곡선에 따라 ng-ATP/L로 환산해 나타냈다^{(Park et al., 2016)}. ATP 분석은 Luciferase assay를 기반으로 한 발광 측정(luminescence)을 통해 농도를 계산하였다 시료와 BacTiter-Glo 용액을 100 μL씩 1:1 비율로 혼합한 뒤, 살균 튜브(Hyundai Micro, Korea)에 주입하여 섭씨 35~36±0.5°C에서 1분간 배양하였다. 측정된 RLU 값은 γATP의 농도별 검정곡선에 기반하여 ng-ATP/L로 환산하였다^{(Park et al., 2016)}.

2.2.8 Heterotrophic Bacteria

먹는 물 관리 기준인 일반세균을 분석하였다. 일반세균 측정에는 건조필름법을 채택사용하였으며, R2A 배지를 이용하는 3M Petrifilm Aerobic Count Plates를 사용하였다. 실험 준비 단계에서는 준비된 샘플을 필름 중앙에 수직으로 접종한 뒤, 상부 필름을 덮고 누름판으로 압착하여 고르게 분포시켰다. 그 후, 35°C로 설정된 배양기에서 48시간 동안 배양을 진행하였으며, 배양 후 필름 상에서 형성된 붉은색 집락을 계수하였다. 계수된 집락 수는 CFU/mL 단위로 기록하였으며, 이를 통해 시료 내 배양 가능한 일반세균의 농도를 확인하였다.

3.1.1 탁도

먼저, 탁도 측정을 통해 필터를 통해 포집된 무기물 및 입자성 물질을 평가하였다. 본 연구에서 A학교 역세수의 탁도는 3.7 NTU로 가장 낮은 값을 보였으며, C학교는 70 NTU, B학교는 84.9 NTU로 상대적으로 높은 수준을 기록하였다(Fig. 3). 따라서 B학교 지역의 급수관이 다른 지역에 비하여 입자성 물질의 오염 가능성이 높음을 의미한다. 본 연구에서 설치한 필터가 각 학교의 급수관에서 많은 양의 이물질을 효과적으로 걸러내고 있음을 나타내며, 필터가 없이 공급될 때는 장기적으로 입자성 물질에 의한 위생적인 영향이 있을 것으로 예상된다. 따라서 소비자의 위생을 위해서 물리적 제거 방식(e.g.,예: 필터 등)의 도입을 고려할 필요가 있다.

Fig. 3. Turbidity and suspended solids from filters in Schools A, B, and C (n=2).

3.1.2 부유물질

각 학교 앞의 급수관 내 필터에 제거된 부유물질은 각각 A학교는 2.1±0.2 mg/L, B학교는 5.7±0.5 mg/L, C학교는 2.5±0.3 mg/L로 나타났다(Fig. 3). 일반적으로 탁도가 높을수록 수돗물 속에 부유하는 입자성 물질의 양도 많을 것이므로 유사한 경향을 보였다.

3.2.1 입도분석

급수관 내 설치한 필터에서 제거된 입자성 물질의 특성을 평가하기 위하여 입도분석, 원소분석 및 SEM-EDS 분석을 수행하였다. 먼저, 노후 급수관에서 63 μm 필터를 통해 제거된 입자성 물질의 크기를 분석하기 위해 입도분석을 진행하였다. 입도 분석 결과, A학교 필터에서는 상대적으로 큰 입자성 물질이 제거된 것으로 나타났다. 반면, C학교와 B학교에서는 작은 입자가 주로 검출되었다. A학교의 경우 필터의 공극보다 큰 입자성 물질을 많이 제거하였으며 입자의 개수도 가장 많았다. 각 학교 필터에서는 공극보다 작은 입자성 물질도 검출되었는데, 이는 필터의 연속 운전으로 인해 공극이 줄어드는 막힘 현상으로 작은 입자성 물질도 제거가 가능했을 것으로 보인다.

3.2.2 원소분석

필터에 의해 제거된 금속 물질의 원소 구성을 규명하기 위해 시료를 건조한 후 유도결합 플라즈마 방출 분광법(ICP-OES)을 활용하여 분석을 진행하였다(Table 2). 주요 금속 원소로는 철(Fe), 알루미늄(Al), 규소(Si) 등이 포함되어 있다. 세 학교 모두에서 공통적으로 철(Fe)이 가장 높은 비율(56~81%)로 검출되었음을 확인하였다(Fig. 4). 한편, 기존연구에서도 입자성 물질 발생 지역 수돗물에서 철 성분이 가장 높은 농도로 나타난 바 있다^{(Choi et al., 2014)}. 이를 통해 노후된 금속 관로의 부식이 주요 원인으로 작용하여 많은 양의 철 입자성 물질이 발생하는 것으로 판단된다. 알루미늄(Al)의 경우, 이는 수돗물 정수 과정에서 사용되는 알루미늄 계열 응집제의 부산물로 추정되며, 자연 환경에서 유입된 입자성 물질도 일부 포함된 것으로 보인다. 규소(Si)는 노후된 급수관에 생긴 미세한 균열 등으로 인해 흙이나 모래 입자가 배관에 일부 유입되었을 가능성이 있다. 결과적으로 원소분석 결과는 입자성 물질이 급수관 노후화로 인한 부식물질 또는 유입된 오염물질이라는 것을 알려준다.

Fig. 4. Element composition collected from filters in Schools A, B, and C

3.2.3 SEM-EDS

급수관 말단에 위치한 A학교의 수돗물 내에 존재하는 입자성 물질의 원소분석을 위해 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 입자성 물질의 SEM 현미경 이미지와 원소의 검출 결과를 통해 주요 성분과 그 비율을 확인하였다(Fig. 5). 분석 결과, 탄소(C)가 90.50%로 가장 높은 비율을 차지했으며, 이어서 산소(O) 9.29%, 염소(Cl) 1.31%, 칼슘(Ca) 0.66%, 황(S) 0.55%, 아연(Zn) 0.27%, 알루미늄(Al) 0.14%, 로듐(Rh) 0.13%, 철(Fe) 0.05%, 규소(Si) 0.02%, 망간(Mn) 0.01% 순으로 주요 성분이 확인되었다. 탄소의 높은 비율은 농도는 유기화합물이거나 SEM 분석을 위해 샘플에 탄소 코팅(coating)이 이루어지는데, 이 과정에서 측정된 물질의 표면에 도포된 탄소가 검출될 수 있다. 그리고 입자성 물질 주변에 폴리머(polymer)와 같은 탄소계 물질이 포함된 경우, 전자가 통과하며 이러한 배경 물질의 탄소가 함께 검출될 수 있다. 또한 본 연구 결과를 통해서 볼 때, 입자성 물질에 부착해 생존하는 부착미생물도 탄소와 산소 등 원소에 기여했을 것으로 예상된다.

Fig. 5. Element composition of a particle via SEM-EDS analysis

철과 아연은 금속관 재질에서 기원했을 가능성이 있다. 결론적으로, 급수관 말단 지역에서 발생하는 입자성 물질은 금속관의 부식에 의해서 발생하거나 다양한 산화물 및 화합물이 복합적으로 상수도관에서 발견되는 것으로 추정한다. 소비자에게 녹물 및 입자성 물질이 공급될 가능성을 줄이기 위해서는 물리적인 제거 방식(필터)이 필요할 것으로 보인다.

3.3.1 TOC 및 DOC 농도

급수관 필터 역세수에 포함된 유기 화합물 중 탄소의 총량을 확인하기 위해 TOC 분석을 실시하였다. A학교의 TOC가 1.35±0.01 mg/L로 가장 높았으며, B학교는 1.01±0.01 mg/L로 상대적으로 낮은 값을 나타냈다(Fig. 6). 용존성 유기탄소(DOC)를 측정하여 필터 역세수 내 용존성 유기물의 비율을 평가한 결과, A학교의 DOC는 0.98 mg/L로 측정되었으며, 이는 TOC의 약 28%는 입자성 유기물질이 포함되어 있는 것으로 보인다. 반면, B학교의 TOC와 DOC는 각각 1.01±0.01 mg/L와 0.87±0.02 mg/L로 나타났으며, 입자성 유기물이 14%로 비교적 낮아 입자성 물질 개수 비교 결과와 유사하게 확인되었다. 역세수에서의 유기물 농도는 예상보다 매우 낮아, 급수관에서 발견되는 입자성 물질은 대체로 무기물의 기여도가 높다고 할 수 있다.

Fig. 6. Total and dissolved organic carbon from filters in Schools A, B, and C.

3.3.2 EEM 분석

급수관 내 필터 역세수에서 자연유기물 또는 생물학적 기원 유기물 특성을 판단하기 위해서 EEM 분석을 실시하였다. T1, T2, A, 그리고 C 영역에 대한 A, B, C학교의 결과는 Fig. 7과 같다. A학교 필터 역세수는 모든 EEM 영역에서 매우 낮은 값을 기록하여 모두 형광강도가 100 AU 이하로 검출되었는데, 유의미한 수준의 유기물이 검출되지 않은 것으로 보인다. 한편, EEM은 용존 유기물의 특성을 측정하는 기법이며 유기물의 방향족 고리가 없을 때는 형광을 통해 검출할 수 없다. 따라서 A학교 필터 역세수는 단백질이나 휴믹 등 고분자 유기물의 구성 비율이 낮을 것으로 보인다. 학교 B와 C의 경우, 단백질 계(T1) 영역의 형광 강도가 휴믹 계(A, C) 영역보다 높게 나타났다. 일반적으로 지표수를 사용하는 정수장에서 생산한 수돗물은 EEM 데이터에서 휴믹 물질(A, C peaks)이 비교적 우세한 특징을 보인다^{(Park et al., 2016)}. 따라서 필터 역세수에서 검출된 유기물질은 휴믹계열의 자연유기물과는 연관성이 낮으므로 수돗물의 자연유기물에 기인한 것으로 볼 수 없으며, 미생물 활동 또는 생물막이 부착 성장하면서 발생한 유기물일 가능성이 높다. 이는 소독 과정을 거친 후에도 공급 과정에서 발생하는 입자성 물질이 미생물 증식에 중요한 보호막 역할을 할 수 있음을 의미한다. 따라서, 심미적 그리고 위생적으로 급수관 내 입자성 물질을 효과적으로 제거할 필요성이 확인되었다.

Fig. 7. Flourescent organic matter compositon from filters in Schools A, B, and C.

3.4.1 ATP와 TCC 결과

미생물 활성도와 세포 개수를 평가하기 위해 ATP와 TCC를 측정한 결과, 농도는 B, C, A 순으로 큰 값을 보였다(Fig. 8). 이는 앞선 EEM 분석에서 T1 및 T2 영역의 형광 강도가 B, C, A 순으로 높게 나타난 Fig. 7의 결과와 관련성이 있어 보인다. 학교 B와 C에서 발견된 입자성 물질에는 세균이 높은 농도로 미생물의 대사 활동과 성장이 이루어지고 있음을 반영한다. 추가적으로, 세포당 미생물 활성도(Specific Microbial Activity)를 측정하였다. 세포당 미생물 활성도는 B학교에서 가장 낮게 나타났으며(1.18×10-6 ng/cell), C학교(1.25×10-6 ng/cell)와 A학교(1.96×10-6 ng/cell)가 그 뒤를 이었다. 따라서 학교 B와 C는 세균의 개수는 높지만 활성도는 낮은 편으로 상수도관의 빈영양 환경에서 생존하기 위해서 적응하는 세균의 특징을 보인다^{(Park et al., 2016)}. A학교의 필터 역세수에서는 세균 개수가 절대적으로 낮기 때문에 비교적 세포당 활성도는 약간 높은 것으로 보인다.

Fig. 8. Adenosine triphosphate and total cell count from filters in Schools A, B, and C.

한편, 본 연구에서는 입자성 물질이 미생물의 부착 환경을 제공하고 보호막 역할을 하면서 입자성 물질의 농도와 미생물 농도가 비례할 것으로 예상했으나, 실제로는 비례하지 않는 것으로 보인다. 이 결과는 급수관 내 미생물의 성장 환경과 대사 활동 및 크기별 입자성 물질의 상호작용을 체계적으로 이해하기 위해 추가 연구가 필요함을 보여준다. 또한, 생물막을 구성하는 다양한 세균을 분자생물학적인 분석을 통해 실제 위생적인 영향을 자세히 검토할 수 있을 것으로 보인다^{(Mahapatra et al., 2015)}.

3.4.2 일반세균

역세수에 존재하는 배양 가능한 세균의 존재를 확인하기 위해 일반세균 측정 실험을 진행하였으며 일반세균은 거의 발견되지 않았다(Table 3). A학교에서는 일반세균이 두 차례 모두 검출되지 않았고, C학교에서는 1.5~5.5 CFU/mL로 낮은 값을 보였다. 반면, 통계적으로 유의미한 수준은 아니지만 B학교에서는 0.8~17 CFU/mL 범위로 비교적 높았다. 하지만 TCC 값과 비교하면 0.1% 미만에 가까운 범위이다. 따라서 입자성 물질에서 발견되는 세균은 대부분 배양이 어려운 비배양성 세균으로 추정된다.

따라서 입자성 물질에 부착 성장하는 세균으로 인해서 먹는 물 관리 기준인 일반세균 초과 가능성은 낮을 것으로 보인다. 따라서 부착 성장하는 미생물은 기존의 먹는 물 관리 기준에서 감지하기 어려운 비배양성 세균으로 추정한다. 또한 수도관의 종류, 관의 부식 정도, 접촉 시간에 따라 미생물의 종류와 농도가 다를 수 있음도 보고되었다^{(Kim et al., 2007)}.