과학저널 Journal of Environmental Quality를 통해 최근 발표된 연구 결과를 통해 지질과 토양 내의 프로세스로 인해 미국 오하이오 주 토양 내에 비소 기본수치가 매우 높은 것이 드러났다.
본 분석은 오하이오 주의 모든 구석구석에서 채집한 842개의 토양 샘플에 대해 수행되었으며, 모든 샘플에서 미국 환경보호국에서 제시한 기준치를 초과한 농도로 비소가 존재함이 확인되었다. 연구진은 본 연구 결과가 규제 수치가 일반적으로 유해하다고 여겨지는 기준보다 훨씬 낮게 책정된다는 것을 인지하고 있는 대중을 불안하게 하고자 하는 것이 아니라, 도처에 존재하는 자연적인 비소 수치가 규제 기준보다 높을 때 얼만큼의 수치부터 그에 대한 대응을 하여야 하는가를 결정해야 하는 정책 결정자들에게 하나의 해결해야 할 과제를 제시하는 것이라고 설명하였다.
연구진은 비소가 오하이오 주의 토양 내에 존재하는 경향이 지하 기반암에 존재하는 비소 함량과 밀접하게 연관되어 있음을 발견하였으며, 이 기반암은 약 2억 5천에서 3억년 전에 형성된 것이다. 기반암은 그것이 형성된 이후로 빙하와 토양의 프로세스에 의한 영향을 받았다.
미 에너지부 산하 퍼시픽노스웨스트연구소(Department of Energy`s Pacific Northwest National Laboratory, PNNL)의 Erik Venteris는 오하이오 주 전반에서 나타나는 비소의 분포는 자연적인 경향의 결과로 나타나는 것으로 보인다고 설명하였다.
PNNL, 오하이오 주립대학, 오하이오 주 지질조사부의 연구진이 본 연구를 수행하였으며, 본 연구는 넓은 면적에 대하여 현재까지의 비소 수치를 분석한 현재까지 가장 철저하게 수행된 연구이다.
오랫동안 과학자들은 오하이오 주를 포함한 기타 전세계 많은 지역 내의 비소 수치가 일관적으로 높게 나타나며, 이 심할 경우엔 용광로, 제초제 사용을 비롯한 인간 활동으로 인한 비소 수치 증가를 넘어섬을 인지하고 있었다.
비소는 독성을 가진 것으로 잘 알려져 있다. 고농도의 비소는 암, 신경과 근육의 손상, 피부병, 심지어는 사망을 초래할 수 있다. 토양 내에 존재하는 비소는 음용수, 식품, 매일 무의식적으로 들이마시는 먼지들을 통해 인간에게 영향을 미친다. 그러나 지구의 지각에 존재하는 다른 많은 물질들처럼 비소 또한 아주 낮은 수치에서는 적거나 측정 불가능한 정도의 영향만 미친다.
얼만큼의 비소가 유해한가를 결정하는 것과, 낮은 수치의 비소에 대해서 언제 대응을 할지를 결정하는 것은 매우 어려운 일이다.
연구진은 오하이오 주 전반에 걸쳐 비소 수치에 대한 종합적인 그림을 그리고자 하였으며, 이를 위해 인간 활동이 적은 지역의 샘플들을 연구하였다. 예를 들면 비소는 수십 년 동안 목재 방부재, 살충제, 제초제 등에 사용되어 왔으며, 따라서 과수원이나 울타리 등에 근접해 있는 토양은 연구에서 배제되었다.
연구진은 오하이오 주를 구성하고 있는 거의 45,000 제곱마일의 면적으로부터 토양과 하천 침적물의 샘플을 채집 및 분석하였다. 또한 미국 지질조사국이 국가 지화학 조사(National Geochemical Survey)의 일환으로 수집한 샘플과 우라늄 노출과 관련된 과거 연구에서 채집한 토양 샘플도 분석에 포함되었다. 본 분석은 오하이오 주 내의 348곳에서 채집된 두 유형의 토양 샘플에 대하여 수행되었으며(표층으로부터 6에서 12인치 아래의 토양과 12에서 24인치 깊이의 토양) 하천에서 얻은 144개의 침적물 샘플에 대하여 수행되었다.
전반적으로 샘플 내에 존재하는 비소의 농도는 질량단위로 2에서 45.6 ppm의 범위였으며, 평균 9.69 ppm으로 이는 미 환경보호국이 제시한 규제기준인 0.39 ppm과 비교하면 매우 높은 수치이다. 아주 적은 수의 샘플들만이 비소 농도가 3 ppm 이하였으며 10 ppm 이상의 농도를 가진 샘플들이 매우 일반적이었다. 또한 오하이오 주 중부에서는 20 ppm 이상의 수치가 일반적으로 나타났다.
연구진은 모든 토양 샘플들이 규제기준보다 높은 비소를 함유하고 있기 때문에 이러한 규제 수치를 재평가하고 데이터를 어떻게 해석해야 하는지에 대해서 생각해 보아야 한다고 설명하였다.
본 연구는 오하이오 주가 적도 인근에 위치하여 오랫동안 열대 해수 아래 존재하였던 2억 5천만에서 4억 2천 500만 년 전에 생성된 기반암이 오하이오 주 전반의 토양 내에 존재하는 높은 수치의 비소를 생성한 원인이 되었음을 발견하였다.
오하이오 주 중부, 서부, 북동부를 포함한 일부 지역에서는 일관적으로 비소가 높은 수치로 관찰되었으며, 북서부와 남서부에서는 상대적으로 낮은 수치가 관찰되었다.
연구진은 기반암이 시간에 따라 풍화되면서 토양을 형성하고, 기반암에서 빠져 나온 비소가 토양의 일부가 되었다고 설명하였다. 연구진은 오하이오 주 북서부에서와 같이 토양이 계속 젖어 있는 상태와 같은 조건들이 일부 지역에서 비소의 수치를 감소시킨다고 믿고 있다.
연구진은 많은 프로세스들을 통해 기반암이 부서져 비소가 빠져나올 수 있다고 설명하였다. 어느 한 지역에서 얼마나 많은 비소가 존재하는가는 원래 기반암 내에 비소가 얼마나 들어있었는가와 이 기반암이 시간이 지남에 따라 복잡한 부식과 화학풍화 프로세스에 의해 어떻게 변화되었는가에 따라 달라진다. 그 결과로 비소 수치는 한 지역 내에서도 매우 다르게, 그렇지만 예측 가능하게 존재할 수 있다.
연구진은 산업 활동과 비소 수치 간에는 어떠한 상관관계도 없음을 확인하였다. 연구가 수행된 지역 내에 위치한 산업지역의 토양 샘플 중 콜럼버스, 클리브렌드, 영스타운 등을 포함한 일부 지역에서는 높은 비소 수치가 관찰되었으나, 다른 사업지역인 신시내티, 데이톤, 톨레도 등의 지역에서는 낮은 수치가 관찰되었다.
표면으로부터 18에서 24인치 아래 토양 샘플에 존재하는 비소 수치는 표층토에서의 수치보다 평균 거의 50퍼센트 높은 수치를 보였으며 이것은 이렇게 높은 수치가 인간 활동이 아닌 지질학적인 조건에 의한 것이라는 사실을 더 뒷받침해 준다.
연구진은 본 연구 결과가 정책 결정자들이 위험을 판단하고 환경 복원 노력을 수행하는 데에 도움이 될 것으로 믿는다. 본 연구는 위험에 대한 평가를 적절하게 하는 데에 도움이 될 것이다.
The analysis of 842 soil samples from all corners of Ohio showed that every single sample had concentrations higher than the screening level of concern recommended by the U.S. Environmental Protection Agency. The findings should not alarm the public, say the authors, who note that regulatory levels typically are set far below those thought to be harmful. Rather, the findings pose a real challenge for regulators, who must determine what levels should trigger action when natural arsenic levels everywhere are above suggested screening standards.
The researchers found that the patterns of arsenic in Ohio soils are most closely related to the arsenic content of the underlying bedrock, which was formed approximately 250 to 300 million years ago. Glacial and soil processes have modified the landscape since.
"The distribution of arsenic throughout Ohio appears to be the result of natural patterns," said first author Erik Venteris of the Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, who was with the Division of Geological Survey of the Ohio Department of Natural Resources when the study was done.
Researchers from PNNL, Ohio State University, and the state of Ohio's Division of Geological Survey did the study, one of the most thorough analyses of arsenic levels to date over a broad area.
Arsenic and Old Ohio
Scientists have long known that arsenic levels in Ohio and many other parts of the world are consistently high, even beyond spikes of the element due to smelters, herbicide use, and other human activity.
Arsenic's reputation as a poison is warranted. High levels can cause cancer, neuromuscular damage, skin diseases, and death. People can be exposed to arsenic found in the soil through drinking water, through the foods they eat, and even through minute amounts of dirt they unknowingly ingest each day. But like many compounds, the element -- abundant in Earth's crust -- does little or no measurable harm at very low levels.
Deciding at just what level arsenic is harmful, and when regulators should take action to lower levels, is tremendously difficult.
The team set out to get a comprehensive picture of arsenic levels across the state, studying samples from areas with minimal human activity. For example, arsenic has been used for decades as a wood preservative and in pesticides and herbicides, so soil samples near fence posts and orchards were avoided.
The team analyzed samples from soil and stream sediments from across the nearly 45,000 square miles of land that make up Ohio. They included soil samples that the U.S. Geological Survey collected as part of the National Geochemical Survey and from a previous study related to uranium exploration. The analysis included two soil samples each from 348 sites throughout Ohio (one sample taken from 6-12 inches below the surface and another from 12-24 inches deep) and 144 sediment samples from streams.
Findings
Overall, arsenic in samples ranged from 2 to 45.6 parts per million by weight, with an average of 9.69 parts per million, compared to the U.S. EPA's screening standard of 0.39 parts per million. Very few samples had less arsenic than 3 parts per million; samples more than 10 parts per million were very common; and levels of more than 20 parts per million were common for central Ohio.
"When every soil sample has more arsenic than the recommended screening level, it may be time to re-evaluate those regulatory levels and to think about how best to interpret the data," said co-author Nicholas Basta, professor of Soil and Environmental Chemistry at Ohio State.
Yesterday's rocks, today's soil
The study found that bedrock created from about 250 to 425 million years ago, a time when Ohio was positioned near the equator and under warm tropical sea waters for much of the time, is the source of significant levels of arsenic in soils throughout the state.
Some parts of the state had consistently higher levels, including the central, western and northeastern Ohio; areas with lower levels included northwestern and southwestern Ohio.
The authors say that as rocks weathered over time to create the soils, the rocks released arsenic that became part of the soil. They believe that other conditions, such as consistently wet soils, reduced levels of arsenic in some areas of the state, such as northwest Ohio.
"Many processes can break down bedrock, spread the material, and potentially mobilize the arsenic so it leaches out," said Venteris. "How much arsenic is present in a given location depends on what was originally in the bedrock and how that rock has been altered over time through complex erosion and chemical weathering processes. The result is that arsenic levels vary significantly -- but predictably -- within a region."
Influence of industrial activity
The team found no correlation between industrial activity and arsenic levels. Soils from some industrial areas in regions with high baseline arsenic levels, such as Columbus, Cleveland and Youngstown, had higher levels, for instance, while soils near other industrial areas like Cincinnati, Dayton and Toledo in the southwestern or northwestern parts of the state had lower levels.
Levels from soil samples 18 to 24 inches below the surface were on average almost 50 percent higher than levels in the topsoil -- more evidence that high levels are due to geological conditions and not human activity, Venteris said.
Basta said the findings could help regulators weigh risks and remediation efforts involving arsenic. That's frequently a concern when builders create new homes or other structures.
"These findings should be helpful to help evaluate risks properly," said Basta, a faculty member at Ohio State's School of Environment and Natural Resources and an expert on rehabilitating urban soils. "Now we have a good scientific understanding of how the levels throughout Ohio came to be."
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