수질 오염물질: 실험실 내 유형, 발생원 및 영향

유기물

수중 유기 분자의 기원

수돗물에 존재하는 용해성 유기 분자는 주로 생물학적 기원이다. 예를 들어, 부식산, 탄닌 및 리그난은 식물 분해의 부산물이다. 인위적 유기 오염물질도 미량 수준으로 수돗물에 존재할 수 있다. 예를 들어, 농약, PFAS, 의약품 및 개인 위생 제품의 미량이 음용수에서 점점 더 많이 확인되고 있다. 또 다른 예로는 수돗물로 물을 운반하고 공급하는 데 사용되는 PVC 파이프에서 가소제가 방출되는 것이다.

실험실에서의 유기 이온 영향

물은 용액 및 시약 준비, 표준액 희석, 다양한 시료 전처리 방법, 블랭크 용액 등으로 사용될 수 있습니다. 용해된 유기물은 HPLC, UHPLC 또는 LC-MS와 같은 기법에 영향을 미쳐 베이스라인 불안정성, 감도 및 분해능 저하, 유령 피크를 유발하고 결국 컬럼 수명을 단축시킬 수 있습니다. 세포 배양 또는 분자 생물학 실험도 특정 유기 분자의 영향을 받을 수 있으며, 이는 하이브리드화 과정에 간섭하거나 내분비 교란 물질로 작용할 수 있습니다.

물에서 유기물 제거

역삼투압(RO), 활성탄, 자외선(UV) 조사에 의한 광산화 등 여러 정제 기술을 통해 물에서 유기 분자를 제거할 수 있습니다.

수중 유기 불순물은 총 산화성 탄소(TOC, 총 유기 탄소) 측정을 통해 모니터링됩니다. 미량 유기물 분석을 위해서는 TOC가 매우 낮은(5 ppb 이하) 물이 권장됩니다.

수돗물에 흔히 존재하는 무기 이온은 양이온(나트륨, 칼슘, 마그네슘, 철 등)과 음이온(중탄산염, 염화물, 황산염 등)이다. 

물 속 이온의 기원

수돗물에 포함된 미네랄의 상당수는 자연에서 유래하며, 물이 접촉한 토양과 암석에서 비롯됩니다. 수원에 따라 수돗물의 미네랄 염 조성은 달라집니다. 예를 들어 일부 지역에서는 물이 경수로 간주되는데, 이는 주로 칼슘과 마그네슘을 중심으로 높은 수준의 용해 미네랄을 함유함을 의미합니다. 경수는 배관과 가전제품에 스케일(물때)이 쌓이게 하고 유리 제품에 얼룩을 남길 수 있습니다.

실험실에서의 무기 이온 영향

미량 수준이라도 이온의 존재는 부정확한 결과를 초래하거나 실험 감도에 영향을 미쳐 원소 및 무기물 분석에 영향을 줄 수 있습니다. 이온 크로마토그래피, 원자 흡수 분광법(AAS), ICP-MS와 같은 기술은 이온 오염이 없는 물을 요구합니다. 또한 이온은 촉매나 효소 보조인자(예: PCR에서의 마그네슘) 역할을 하여 생화학적 또는 유기 반응에 영향을 미칠 수 있습니다.

물에서 이온 제거

역삼투압(RO), 이온 교환 수지, 전기 이온 탈수(EDI) 등 여러 정제 기술로 물에서 이온을 제거할 수 있습니다.

물의 이온성 불순물은 전기 전도도 또는 저항률을 측정하여 모니터링합니다. 18.2 MΩ·cm의 저항률은 물에 이온이 거의 없음을 나타냅니다.

세균과 그 부산물

세균은 자연수, 특히 지표수에 존재합니다. 수인성 질병을 일으키는 병원체는 일반적으로 염소 처리, 오존 처리 또는 자외선 소독을 통해 공공 상수원에서 제거되지만, 수돗물에는 여전히 살아있는 미생물이 포함되어 있습니다. 

실험실에서의 박테리아 및 그 부산물의 영향

박테리아는 직접적으로 또는 내독소, 뉴클레아제, 프로테아제, 알칼리성 포스파타제 등의 부산물을 통해 실험실 실험에서 다양한 문제를 일으킬 수 있습니다. 이들은 주로 세포 배양, 분자 생물학 또는 면역 검출 실험을 방해하는 것으로 알려져 있지만, 거의 모든 실험실 장비는 박테리아 증식에 영향을 받습니다.

물에서의 제거

정제수 내 세균 수준을 제어하기 위해 여러 기술을 사용할 수 있습니다. 첫째, 0.22 마이크로미터 스크린 필터 또는 초여과기를 통한 여과는 세균을 효과적으로 포집합니다. 또한 자외선 조사로 세균을 불활성화할 수 있습니다. 세균 부산물(내독소, 뉴클레아제, 프로테아제 또는 알칼리성 포스파타제)은 세균보다 훨씬 작은 크기이므로 초여과를 통해서만 제거할 수 있습니다.

미립자 및 콜로이드

물 속 입자의 기원

자연수에는 일반적으로 식물 잔해와 같은 연질 입자, 모래나 먼지와 같은 경질 입자, 그리고 콜로이드(실리카, 콜로이드성 철 또는 알루미늄 산화물, 점토)가 포함되어 있습니다. 또한 물이 산소에 노출될 때 침전되는 광물(예: 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘)에서 비롯될 수도 있습니다.

실험실에서의 입자 및 콜로이드 영향

부유 입자와 콜로이드는 탁도를 유발하여 광선을 이용한 모든 방법(예: 분광광도계)에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 필터를 막거나 기기 라인, 컬럼 또는 용기에 침전되어 빈번한 청소나 유지보수가 필요하게 할 수 있습니다. 

입자 및 콜로이드는 기기 작동에 방해가 될 수 있습니다. 예를 들어, 입자는 HPLC 펌프와 주입기를 손상시키고 시스템 배압을 증가시킬 수 있습니다. 또한 미세 입자, 나노 입자, 미세 플라스틱 등의 측정 및 분석을 방해할 수 있습니다.

물에서의 제거

대부분의 응용 분야에서는 정제수에서 입자를 제거하기 위해 0.22 µm 여과가 충분합니다. 특정 상황(ICP-MS 분석 수행 시 또는 미세 입자/나노 입자 분석 시)에서는 추가 여과가 필요할 수 있습니다. 이러한 경우 특정 필터(0.1 µm 또는 초여과 필터) 사용이 권장될 수 있습니다.

용해된 기체

자연수에 용해된 대부분의 기체는 주변 공기에서 흡수된다. 온도와 대기압 변화는 기체 용해에 영향을 미칠 수 있다. 해수면 수위는 더 높은 압력을 받기 때문에 고지대 수보다 더 많은 기체를 함유한다.

수돗물에는 질소, 산소, 이산화탄소 등의 용존 가스가 포함되어 있습니다. 예를 들어 산소는 대기에서 흡수되거나 수생 식물에 의해 생성될 수 있습니다. 이산화탄소는 수생 생물이나 유기물의 미생물 발효에 의해 생성될 수 있습니다. 아르곤, 질소, 메탄 또는 황화수소와 같은 다른 가스들도 존재할 수 있지만, 일반적으로 극미량 수준입니다. 일부 가스는 인간 활동(농업 또는 산업)에 의해 생성될 수도 있습니다. 

실험실 내 용존 가스의 영향

물 속 산소 농도는 특정 생화학적 반응에 영향을 미칠 수 있습니다. 용존 가스는 기포를 형성하여 입자 계수나 분광광도계 측정과 같은 과정에 해를 끼칠 수 있습니다. 또한 작은 튜브를 막을 수도 있습니다. 

물에서의 제거

벤치탑 정제수 시스템에는 탈기 장치가 거의 포함되지 않으며, 탈기가 필요한 경우 일반적으로 물 사용 직전에 별도로 수행됩니다. 

탈기 장치가 없더라도, 저항률이 18.2 MΩ·cm인 새로 정제된 초순수에는 매우 낮은 수준의 CO₂만 포함됩니다. 이는 CO₂가 물 속의 탄산, 탄산염 및 중탄산염과 평형을 이루기 때문이며(그림 1), 이 물질들은 탈이온 기술로 효율적으로 제거됩니다. 그러나 초순수는 방치할 경우 공기 중의 CO_2를 빠르게 흡수합니다.