Source Apportionment and Toxicological Risk of Potentially Toxic Elements in River Osun Ecosystem Within Ilesha Gold Belt

기술 요약: 일레샤 골드 벨트 내 오순 강 생태계의 잠재적 독성 원소 기원 분리 및 독성학적 위험

문제 제기
본 연구는 나이지리아 오순 주 일레샤 골드 벨트 내 오순 강 생태계의 잠재적 독성 원소(PTEs)와 관련된 환경 및 공중 보건 위험을 다룬다. 금 채굴 활동, 특히 영세 채굴 작업은 산업 공정, 제련 및 부적절한 폐기물 처리를 통해 수질과 퇴적물로 방출되는 중금속 오염의 주요 원인으로 지목된다. 본 연구는 장기 노출, 특히 섭취를 통한 생태학적 위험과 잠재적인 인체 건강 위해도를 평가하기 위해 이러한 매질의 물리화학적 파라미터와 금속 농도를 특성화하는 데 중점을 둔다.

연구 방법
본 연구는 현장 샘플링, 실험실 분석 및 통계 모델링을 포함하는 다각적인 접근 방식을 채택하였다:

• 샘플링: 2024년 9월에 골드 벨트 내 네 곳의 서로 다른 지점(Ora 인근의 두 지점(ORS1 및 ORS2), Oke-Ibode의 한 지점(OKS), Osogbo의 한 지점(OSS))에서 수질 및 퇴적물 샘플을 수집하였다. 퇴적물은 Ekman grab을 사용하여 0–25 cm 깊이에서 채취하였다.
• 물리화설 분석: pH, 용존 산소, 총 용존 고형물, 전기 전도도 및 총 경도를 측정하기 위해 멀티 파라미터 프로브를 사용하여 현장 측정을 수행하였다.
• 시료 준비 및 분해: 수질 샘플은 농축된 질산(HNO₃)과 염산(HCl)을 사용하여 90°C에서 분해하였다. 퇴적물 샘플은 공기 건조 후 체(2mm)로 걸러냈으며, HCl, HNO₃ 및 인산(H₃PO₄) 혼합물을 사용하여 추출하였다.
• 기기 분석: 중금속 농도는 Agilent 720-ES 시스템이 장착된 유도 결합 플라즈마 발광 분광 광도계(ICP-OES)를 사용하여 정량화하였다.
• 통계 및 위험 평가:
  • 기원 분리(Source Apportionment): 주성분 분석(PCA)과 varimax 회전을 활용하여 패턴을 식별하고, 요소들을 유사한 지질학적 경향으로 그룹화하며, 자연적인 지질학적 과정과 인위적인 유입을 구분하였다.
  • 생태학적 위험: 오염 계수와 독성 반응 계수(Hakanson, 1980)를 기반으로 잠재적 생태 위험 지수(ERI)를 계산하였다.
  • 인체 건강 위험: 미국 환경보호청(USEPA, 2011) 모델을 사용하여 비발암성 위험 평가를 수행하였다. 여기에는 성인의 섭취를 통한 노출에 대한 만성 일일 섭취량(CDI) 및 위해 지수(HQ) 계산이 포함되었다.

주요 결과

• 금속 농도:
  • 수질: 지점 간 상당한 변동이 관찰되었다. ORW1은 다른 지점에 비해 칼륨(2.59 mg/L), 칼슘(3.59 mg/L), 바륨(4.59 mg/L) 및 바나듐(5.59 mg/L)의 농도가 눈에 띄게 높았다. 철(Fe)과 망간(Mn) 수치 또한 변동을 보였으며, ORW1이 가장 높은 Fe 농도(1.30 mg/L)를 나타냈다.
  • 퇴적물: ORS1 지점은 나트륨(4.92 mg/kg), 마그네슘(7.48 mg/kg), 알루미늄(1077.82 mg/kg)을 포함한 여러 원소에서 가장 높은 평균 농도를 보였다. ORS2는 은(8.88 mg/kg)과 카드뮴(0.38 mg/kg)의 농도가 높게 나타났다.
• 기원 분리 (PCA): 세 가지 주성분이 확인되었다.
  • 제1성분은 대부분의 분산을 설명하며, Na, Mg, K, Ba, V, Fe, Ni, Cu, Al, Se, Th, U와 같은 원소들을 그룹화하여 공통된 지질학적 또는 광물학적 기원을 시사하였다.
  • 제2성분은 전이 금속과 칼슘이 풍부한 화합물(Ca, Mn, Fe, Co, Pb, Cd)의 변동을 강조하였다.
  • 제3성분은 Cr, Ag, Cd, Th로 특징지어지며, 산업적 또는 환경적 요인과 연결될 수 있는 특정 미량 금속 분포를 나타냈다. 은(Ag)은 클러스터링된 원소들과 다르게 행동하는 이상치로 확인되었다.
• 생태학적 위험: 생태 위험 지수(ERI)는 특히 퇴적물 샘플에서 카드뮴(Cd)과 납(Pb)이 상당한 생태학적 위험을 초사함을 나타냈다.
• 인체 건강 위험:
  • 위해 지수(HQ) 분석 결과, 카드뮴(Cd), 납(Pb) 및 니켈(Ni)이 장기 섭취를 통해 상당한 위험을 초래하는 것으로 나타났다.
  • 퇴적물 섭취에 대한 특정 HQ 값은 코발트(Co: 1.789), 니켈(Ni: 1.897), 구리(Cu: 1.765), 아연(Zn: 1.876), 우라늄(U: 1.548)을 포함한 여러 원소에 대해 1을 초과하였으며, 이는 퇴적물에 노출된 성인에게 잠재적인 비발암성 건강 위험이 있음을 나타낸다.

의의 및 주장
본 연구는 일레시아 골드 벨트의 수질 및 퇴적물 내 중금속 농도가 다양한 오염 수준을 보이고 있음을 입증하며, 특정 지점(특히 ORS1 및 ORS2)은 상당하거나 극심한 오염 징후를 보이고 있다. 저자들은 관찰된 원소 변동이 채굴 작업과 자연적인 지질학적 과정의 결합에 의해 발생한다고 결론지었다.

본 연구의 주요 의의는 특정 독성학적 위험을 식별한 데 있다. 연구 결과는 채굴 활동이 발생하는 지역에서 공중 보건을 보호하기 위해 규제 조치가 필요함을 시사한다. 논문은 환경적 위해를 완화하고 수질을 보존하기 위해 중금속 농도에 대한 지속적인 모니터링을 명시적으로 요구한다. 또한, 지역의 금 채굴 활동과 관련된 오염 수준을 줄이기 위해 지속 가능한 채굴 방법과 적절한 폐기물 관리 전략을 채택할 것을 권고한다. 본 연구는 새로운 실험 프로토콜이나 이러한 규제 및 관리 권고 이상의 미래 적용 방안을 제안하지 않는다.