국내 수종별 BVOCs 방출량(II): 도시 숲 주요 수종

국내 주요 조경 및 조림 수종, 지피식물 중에서 식재 본수, 수목 형태(상록, 낙엽) 및 크기(교목, 관목)와 도시 숲 내 중요성, 보편성, 수급용이성 등을 고려하여 도시숲 주요 32 수종을 선정하였으며 3년생 이하 묘목을 연구 대상으로 하였다(Table 1). 묘목은 침엽수/활엽수용 상토를 넣고 화분(25 cm × 25 cm × 25 cm)에 식재하였다. BVOCs 측정 2일 전 묘목에 동일한 양의 관수를 한 후 표준환경조건(온도: 30°C, 광도: 1,000 μmol/m²/sec)으로 유지되는 챔버에 넣고 순화시켰으며 선행연구(1차년도)와 동일하게 진행시켰다(Chang et al., 2021).

묘목에서 방출되는 BVOCs 시료를 채취하기 위해서 챔버 내부가 표준환경조건이 유지되고, 화분을 포함하여 묘목 전체를 챔버 안에 넣을 수 있도록 1 m × 2 m, 400 L Tedlar bag를 제작하여 고순도 Air를 사용하는 순환형 챔버(dynamic flow through chamber) 시스템을 구축하였다(Figure 1).

Figure 1. Chamber system for BVOCs sampling.

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챔버의 배경농도는 고순도 Air를 300 L 채운 후, 밀폐하여 표준환경조건에서 30분간 노출시킨 후 챔버 내부의 공기를 채취하여 분석하였다. 배경농도를 측정 후 챔버 내부의 고순도 air를 모두 제거하고 해당 묘목과 온 · 습도계를 설치하고 표준환경조건에서 고순도 Air 유량을 약 3~4 L/min로 주입하여 배출구에서 약 2~2.5 L/min 유량이 유지된 후 60분 동안 유지시켰다.

본 연구에서 분석대상 BVOCs 물질은 isoprene (ISO)과 terpene류로 구분하였고 terpene 물질은 기존 연구논문을 참고하여(Ortega and Helmig 2008; Yaman et al., 2015; Chen et al., 2020) monoterpenes (MT) 13종류, oxygenated monoterpenes (OMT) 13종류, sesquiterpenes (ST) 5종류, oxygenated sesquiterpenes (OST) 6종류로 구분하여 총 38개 BVOCs 성분을 분석하였다(Table 2).

Isoprene과 terpene의 검정곡선을 위한 표준흡착관 제작과 정량분석 방법은 실내공기질공정시험기준의 실내 및 건축자재에서 방출되는 휘발성유기화합물 측정 방법-고체흡착관과 기체크로마토그래프-MS/FID법(ES 02602.1d)을 이용하였다. 휘발성분 포집에 사용된 Tenax TA 흡착관(Supelco, USA)은 사용 전 흡착관 컨디셔너(APK1200, KNR, Korea)를 이용하여 300°C에서 4시간 컨디셔닝 실시 후 사용하였다.

Isoprene 표준물질(59240-1ML-F, Sigma-Aldrich), terpene 표준물질(CAN-Terp-Mix 1&2, SPEX Certiprep, USA)을 사용한 흡착관 제조는 표준물질 흡착장치(CT1100, CHEMTEKINS, Korea)를 이용하여 200°C에서 고순도 He gas를 100 mL/min 유속으로 조절하여 액체 표준물질이 기화될 수 있는 조건에서 농도별로 제조하였다. Isoprene 표준물질, terpene 표준물질과 챔버에서 기체시료를 포집한 흡착관은 열탈착(ATD)-GC/MS (Tubomatrix 350 - Clarus 680/Clarus SQ8T, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 Table 3과 4의 분석조건과 selected ion monitoring (SIM) mode로 분석하였다. 분석에 사용된 SIM mode의 ionization mode와 retention time 정보는 표준물질 목록과 함께 Table 2에 나타냈다.

수종별 isoprene과 terpene 시료 채취는 동일수종 3개체를 개별 챔버를 사용하여 동시에 표준환경조건에서 노출시킨 후 각각의 챔버에서 Tenax TA 흡착관과 시료채취펌프(MP-Σ30, SIBATA, Japan)를 사용하여 100 mL/min의 유속으로 10분 동안 1 L 포집하였다. 모든 수종의 BVOCs 시료는 2021년 6월~7월, 오전 11:00~14:00에 포집하였다.

수종별 표준환경조건에서의 BVOCs 방출량(ER: emission rate)은 Ortega and Helmig(2008)가 보고한 식을 사용하여 실측한 수종별 BVOCs 농도와 챔버 배경농도, 챔버에서 배출되는 공기유량과 잎 건중량을 고려하여 다음의 식으로 건중량당 BVOCs 방출량을 계산하였다. 잎은 65°C에서 항량이 될 때까지 건조시킨 후 건중량을 측정하였다(Table 1).

ER_BVOCs: BVOCs 방출량 ng/(g_dw·hr)

Q: 챔버 배출 유속 (m³/hr)

C_{sample chamber}: 챔버 내부의 수종별 BVOCs 농도 (ng/m³)

C_{empty chamber}: 챔버 배경 농도

g_dw: BVOCs 시료 채취 후 수종별 잎의 건중량 (g)

Isoprene은 주로 활엽수종에서 방출되며 활엽수는 BVOCs를 저장하지 않고 바로 광합성 작용을 통해 BVOCs를 방출하는 특성이 있으며(Kim et al., 2015), 온도와 PAR 변화에 따라 영향을 받는 것으로 보고되고 있다(Harrison et al., 2001; Xiaoshan et al., 2000).

공시수종을 표준환경조건에서 건중량 당 isoprene, monoterpenes, oxygenated monoterpenes, sesquiterpenes, oxygenated sesquiterpenes 방출량 측정결과를 Table 5에 나타냈다. 수종별 방출량은 신갈나무(Quercus mongolica) 113,563 ± 4,799 ng/(g_dw·hr)에서 가장 높게 나타났다. 버드나무(Salix koreensis) 91,430 ± 2,338 ng/(g_dw·hr), 아까시나무(Robinia pseudoacacia) 64,875 ± 6,800 ng/(g_dw·hr), 왕버들(Salix chaenomeloides) 36,459 ± 9,788 ng/(g_dw·hr) 순으로 나타났으며 그 외 수종들은 200 ng/(g_dw·hr) 미만으로 나타났다. 또한 isoprene 방출량이 높은 신갈나무, 버드나무, 아까시나무, 왕버들의 teperene 성분의 방출량은 50 ng/(g_dw·hr) 미만으로 매우 낮게 나타났다. 따라서 이들 수종들은 측정한 32 수종 중에서 주요 isoprene 방출 수종으로 분류되었다.

이번 연구에서는 신갈나무가 가장 높은 isoprene 방출량을 나타냈으며 본 연구진의 선행연구에서는 졸참나무(Quercus serrata)의 isoprene 방출량이 높은 것으로 보고되었다(Chang et al., 2021). 따라서 1차, 2차년도 연구결과 참나무 수종에서는 졸참나무와 신갈나무가 isoprene 주요 방출수종으로 분류되었다(Table 6). 월악산과 금성산에서 측정한 연구에서는 국내 대표적인 참나무 수종인 신갈나무, 졸참나무(Q. serrata), 갈참나무(Quercus aliena),상수리나무(Quercus acutissima), 굴참나무(Quercus variabilis)의 봄, 여름, 가을 계절별 isoprene 방출량을 측정한 결과 졸참나무가 가장 높은 방출량을 나타냈으며, 갈참나무, 신갈나무 순으로 나타났다(Lim et al., 2011). 이와 같이

동일 속일지라도 종에 따라서 방출량에 차이가 나타났다. 기존 연구에서는 이러한 결과는 토양이나 기후 등 수목의 서식환경에 따라 방출량에서 차이를 보이는 것으로 추정하였지만 본 연구에서는 동일한 서식환경과 수령을 고려한다면 종에 따른 방출특성으로 판단되었다.

버드나무의 isoprene 방출량은 91,430 ± 2,338 ng/(g_dw·hr)으로 나타났지만 monoterpene 방출량은 7.7 ± 6.7 ng/(g_dw·hr)로 낮은 방출량을 나타냈다. 이와 같은 결과는 휴대용 광합성 측정기 챔버에 버드나무 잎을 넣고 BVOCs를 측정한 결과 버드나무에서는 높은 isoprene이 배출되고 개체별 편차도 크게 나타났지만 monoterpene 배출량은 매우 낮은 것으로 보고된 연구와 동일한 경향을 나타냈다(Karlsson and Rinnan, 2020).

또한 버드나무류(Salix spp., Sailx nigra, Sailx phylicifolia, Salix discolor, Salix humulis, Salix petiolaris, Salix subsericea)에서 isoprene 방출량 측정을 위해서 잎의 온도 30°C, PAR 1,000 μmol/m²/sec에서 cuvette을 이용한 측정, 가지와 잎을 포함하여 챔버에 넣어서 측정한 연구에서도 isoprene 방출량은 다른 수종과 비교해서 상대적으로 높은 방출량을 나타냈다(Geron and Harley, 2001).

본 연구에서 아까시나무의 isoprene 방출량은 전체 수종에서 3번째 높은 수종으로 나타났다. 이와 같은 결과는 30°C, 1,000 μmol/m²/sec 조건에서 cuvette system과 GC를 이용한 isoprene 방출량 분석 연구에서 아까시나무는 양버즘나무(Platanus occidentalis), 사시나무(Populus spp.)와 함께 주요 isoprene 방출량 수종으로 보고한 결과와 유사한 경향을 나타냈다(Geron and Harley, 2001).

이와 같이 isoprene의 방출량이 높은 신갈나무, 버드나무, 아까시나무, 왕버들에서는 monoterpenes, oxygenated monoterpenes, sesquiterpenes, oxygenated sesquiterpenes의 방출량의 총합인 total terpene의 방출량이 15.0~48.0 ng/(g_dw·hr)로 상대적으로 낮게 나타났다. Isoprene 방출량이 높은 수종은 terpene 방출량이 낮았는데 이와 같은 경향은 1차년도 결과에서도 동일하게 나타났다.

선행연구(1차년도) 30수종과 후속연구(2차년도) 32수종의 isoprene 방출량 1,000~100,000 ng/(g_dw·hr) 구간을 5단계 범위로 구분하여 Table 6에 나타냈다. 전체 62수종 중에서 8수종을 주요 isoprene 방출 수종으로 구분할 수 있었다.

Monoterpene은 주로 침엽수에서 방출되는 것으로 알려져 있으며 침엽수는 활엽수와는 달리 광합성을 하면 바로 BVOCs가 방출되지 않고 잎에 저장되어 있다가 방출되는 특성이 있다(Laffineur et al., 2011). Monoterpenes 방출량을 분석한 결과(Table 5), 스트로브잣나무(Pinus strobus)에서 7,520 ± 1,987 ng/(g_dw·hr)으로 가장 높게 나타났다. 스트로브잣나무의 monoterpene 주요 물질로는 α-pinene, myrcene, camphene이 검출되었다(Figure 2). 이와 같은 결과는 스트로브잣나무를 수고별 2단계로 구분하여 잎을 채취한 후 추출방법으로 BVOC 방출량을 단위 질량당 분석한 연구에서 α−pinene, β−pinene, camphene이 주요 물질로 방출되고 monoterpene이 sesquiterpene 보다 높은 방출량을 나타낸 것으로 보고한 연구와 유사한 경향을 보였다(Toma and Bertman, 2012).

Figure 2. Terpene emission rate from Pinus strobus.

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참죽나무의 monoterpene 방출량은 155.2 ± 52.8 ng/(g_dw·hr)으로 2차년도 전체 수종 중에서는 두 번째 높은 방출량을 나타냈지만, 절대적인 방출량은 낮았다. 참죽나무의 잎을 건조 조건별로 VOC를 측정한 연구에서는 진공건조에서 caryophyllene이 가장 많은 비율을 차지하고 있었다(Chen et al., 2010). 본 연구에서는 BVOC 중 limonene의 비율이 가장 높았는데, 이와 같은 차이는 건조 후 잎과 생리활성 중에 방출되는 측정환경에서 나타나는 차이인 것으로 판단된다.

Monoterpenes, oxygenated monoterpenes, sesquiterpenes, oxygenated sesquiterpenes 방출량을 모두 합하여 총 terpene과 isoprene 방출량 관계를 Figure 3에 나타냈다.

Figure 3. Total terpene versus isoprene emission rate of 1^st and 2^nd year results. (total terpene: monoterpene + oxygenated monoterpene + sesquiterpene + oxygenated sesquiterpene emission rate)

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수종별 BVOCs 방출 특성을 비교하면 terpene과 isoprene을 일정 수준 이상 동시에 방출하는 수종은 없었다. Terpene 방출량이 높으면 isoprene 방출량이 낮았고, isoprene 방출량이 높으면 terpene 방출량이 낮았으며 terpene과 isoprene 방출량이 모두 낮은 수종이 가장 많은 것으로 분석되었다. 따라서 terpene 방출 수종, isoprene 방출 수종, BVOCs 저방출 수종으로 구분할 수 있었다. Isoprene 주요 방출 수종은 1차 30개 수종 중에서는 왕대, 졸참나무, 굴거리나무, 회양목, 2차 32개 수종 중에서는 신갈나무, 버드나무, 아까시나무, 왕버들로 나타났다. Terpene 주요 방출 수종은 총 방출량을 기준으로 총 5단계로 100 ng/(g_dw·hr) 이하 39수종, 100 초과 500 ng/(g_dw·hr) 이하 14수종, 500 초과 1,000 ng/(g_dw·hr) 이하 잣나무, 소나무, 전나무 3수종, 1,000 초과 5,000 ng/(g_dw·hr) 이하 고로쇠, 일본잎갈나무, 백목련, 메타세퀘이아 4수종, 5,000 ng/(g_dw·hr) 초과 리기다소나무, 스트로브잣나무 2수종으로 구분 할 수 있었다(Table 7).

Table 8에는 1차년도와 2차년도 terpene 방출량 분석결과 각각 가장 높은 방출량을 나타낸 리기다 소나무와 스트로브 잣나무의 terpene 개별물질의 방출량을 나타냈다. Monoterpene류에서는 공통적으로 α-pinene, myrcene, limonene 순으로 방출량이 높았지만 β-pinene의 경우에는 리기다 소나무에서만 높은 방출량을 나타냈다. Oxygenated monoterpene류에서는 수종별 차이가 나타났다. 리기다 소나무에서는 pulegone, terpineol, linalool, camphor 순으로 방출량이 높았으며 스트로브 잣나무에서는 eucalyptol, pulegone, sabinene hydrate가 주요 물질로 나타났다. Sesquiterpene류에서는 공통적으로 caryophyllene의 방출량이 가장 높았으며, Oxygenated Sesquiterpene류에서는 스트로브 잣나무의 caryophyllene oxide 방출량이 높게 나타났다.