한·중·몽 초미세먼지 화학성분 달라…농도는 몽골이 2~3배

KBSI-경북대, 질량분석기와 인공신경망 활용
초미세먼지 내 유기화합물 분자 단위 해석, 서울·베이징 석유연소 산화물↑
울란바토르 석탄 연소로 방향족 산화물과 황산화물 많아

[대전=뉴시스] 발생지역과 관련된 초미세먼지 구성 유기성분 데이터의 구조분석 결과와 발생원 예측 결과.(사진=KSI 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 초미세먼지의 성분을 분자단위로 측정할 수 있는 분석기술을 개발해 한국과 중국, 몽골 내 초미세먼지의 화학적 특성을 분석했다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 바이오화학분석팀 김영환 박사팀이 경북대학교 화학과 김성환 교수팀과 공동으로 초고분해능 질량분석기를 활용해 다양한 초미세먼지의 특성을 분석할 수 있는 '질량분석 데이터 기반 인공신경망 모델링' 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

또 이를 통해 동절기 동북아시아 3개국인 한국, 중국, 몽골에서 수집된 초미세먼지 시료의 성분을 분석하고 발생지역과 관련된 화학적 특성을 밝히는 데 성공했다.

초미세먼지는 다환 방향족 탄화수소 유기화합물이나 벤젠, 톨루엔 등 휘발성 유기화합물과 같은 다양한 화학적 구성물로 이뤄져 있어 어떤 성분을 얼마나 포함하고 있는 지를 파악하는 것이 중요하다.

이번 연구에서 개발된 분석기술은 초미세먼지 발생지역 간 대기환경 오염의 차이와 관련된 환경 오염물질을 분자수준으로 분석해 발생지역을 포함한 다양한 초미세먼지 생성변수와 관련된 데이터를 효과적으로 분석·이해할 수 있다.

연구팀은 초미세먼지 시료는 3개국의 수도인 서울, 베이징, 울란바토르에서 동절기인 2020년 12월부터 한 달간 매일 포집기해 확보하고 이 입자를 추출 및 농축과정을 거쳐 총 692개의 샘플(견본)으로 만들었다.

또 경북대에 설치된 초고분해능 질량분석기(7T FT-ICR MS)로 모든 시료들에 대한 분석을 진행했다. 분석 데이터는 각 시료가 발생한 지역정보와 함께 인공신경망 분류 학습 모델에 적용시켰다.

이어 KBSI에 설치된 2차원 가스크로마토그래피/고분해능 질량분석기로는 초미세먼지 내 대표적 환경 오염물질인 다환 방향족 탄화수소 화합물을 분석했다.

연구팀은 "인공신경망 분류 학습 모델로 각 지역별 분석 데이터와 초미세먼지의 농도가 함께 학습되도록 했고 이를 통해 시료들에 포함된 다양한 유기성분을 분자 수준으로 분석했다"며 "이로 발생지역 간 초미세먼지의 화학적 구성이 어떤 차이와 특징을 보이는 지를 알 수 있었다"고 설명했다.

분석 결과, 울란바토르의 대기 중 초미세먼지 농도는 서울과 베이징에 비해 2~3배 이상 높았지만 유해한 환경 오염물질인 다환 방향족 탄화수소의 농도는 울란바토르가 서울과 베이징에 비해 초미세먼지 농도 차이인 2~3배 보다 훨씬 높게 나타났다.

이를 통해 울란바토르의 초미세먼지는 석탄 연소로 인한 방향족 산화물과 황산화물이 다수 포함돼 있고 서울과 베이징의 초미세먼지에는 석유 연소로 생성되는 산화물이 주요 성분임을 확인했다.

또한 베이징의 초미세먼지에는 디젤 엔진의 연소로 생성되는 방향족 질소 산화물이 추가 관찰됐다.

이번에 KBSI 연구팀은 각 나라별로 포집된 초미세먼지 시료의 전처리와 주요 성분으로 알려진 방향족 화합물에 대한 정성·정량 분석을 수행했고 경북대 연구팀은 초고분해능 질량분석기와 인공신경망을 활용해 초미세먼지의 발생지역과 관련된 구성 성분들을 분자 수준으로 분석했다.

연구 결과는 환경분야 국제 학술지(Science of the Total Environment)에 지난달 25일 실렸다. 논문명 Comparative analysis of organic chemical compositions in airborne particulate matter from Ulaanbaatar, Beijing, and Seoul using UPLC-FT-ICR-MS and artificial neural network, IF=9.8,/ 경북대 손승우(공동제1저자)/KBSI 박문희(공동제1저자)/KBSI 김영환(공동교신저자)/경북대 김성환(공동교신저자)

KBSI 김영환 박사는 "초고분해능 질량분석기를 이용해 초미세먼지 내 유기화합물을 분자 수준으로 분석하고 이 데이터를 인공신경망 모델링 기법을 통해 초미세먼지 발생지역과 관련된 화학적 특성을 규명할 수 있는 분석법을 개발했다"며 "이 분석법은 초미세먼지의 생성경로 분석, 배출원 추적 및 저감기술 개발에 중요한 역할을 할 것"이라고 말했다.

☞공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com