Characterization and source identification of PM2.5 organic carbon in Beijing and Seoul using organic molecular markers

Abstract

Particulate matter (PM2.5) samples collected in two cities in 2019 are analyzed herein for their mass concentrations of organic carbon (OC) and elemental carbon (EC), and for the specific organic compounds present. The characteristic of PM2.5 organic compounds in both cities was discussed with their seasonal patterns as well as the individual organic compounds concentrations. The sum of organic compounds concentration in both cities were higher in winter than those in summer. Compared to high-concentration events (HCEs), the seasonal patterns were different in Seoul. Among 12 groups with 118 target compounds detected, n -alkanes group was found to be major compound group in atmosphere of Beijing and Seoul. In addition, the concentrations of biomass burning molecular markers, such as PAHs and levoglucosan, are higher in winter than in summer. Principal Component Analysis (PCA) was performed with total PM2.5 samples (one -in- six day and HCEs) using organic compounds from Beijing and Seoul. The following four factors were identified by principal component analysis (PCA) in Beijing: biomass burning (15.7%), secondary organic aerosol (SOA) (13.9%), vehicle (8.9%), and coal combustion (8.9%). By contrast, the following three factors are statistically identified in Seoul: vehicle (13.5%), biomass burning (8.9%), and SOA (7.8%).

최근 동북아시아 대기 질 연구는 대기 중 초미세먼지(PM2.5)에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 대기 중 초미세먼지(직경 2.5 μm 이하인 입자상물질)는 다양한 화학적 구성성분(탄소성분, 이온성분, 미량원소 및 유기성분 등)으로 이루어진 입자상 오염물질이다. 초미세먼지는 입자가 작기 때문에 폐포 깊숙이 침투하여 폐질환, 심장질환 및 호흡기질환 등의 다양한 건강상의 문제를 일으킬 뿐만 아니라, 시정거리 감소 및 기후변화의 원인이 되기도 한다. WHO의 International Agency for Research on Cancer (IARC)는 미세먼지를 폐암을 유발하는 제1급 발암물질로 보고하였다(WHO 2013). 서울과 베이징은 높은 인구밀도와 교통량을 가진 도시로서, 두 도시 모두 산업시설과 같이 직접적으로 배출되는 1차 발생 오염원 및 대기 중 2차 반응을 통해 발생되는 이차 유기 에어로졸 오염원의 영향으로 대기 중 초미세먼지(PM2.5) 농도가 높게 나타나는 고농도 사례가 발생하고 있다. 양국은 대기환경 개선 및 국민건강보호와 건강증진을 위하여 실제적이고 효과적인 초미세먼지 관리정책이 필요한 시점이다. 각 도시 별 초미세먼지 오염원에 대한 연구는 많이 진행되어 있지만 두 도시의 초미세먼지 화학종 및 오염원을 비교한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 두 도시 초미세먼지 구성성분 중 유기성분 분을 통한 도시 별 특성파악 및 오염원을 추정하고자 하였다. 본 연구에서는 중국 내 측정지점과 서울의 측정지점에서 각각 three channel speciation sampler와 high volume air sampler를 사용하여 PM2.5를 채취하였으며, 2019년 1월부터 12월까지를 시료 채취기간으로 선정하였다. 해당기간 중 일 년을 대표하기 위하여 6일 간격으로 채취된 시료와 베이징은 중국 대기환경 기준(Class 2 Standard, 24시간 평균 농도 75 ㎍/㎥)을 초과한 고농도 사례(HCEs, High Concentration Events)의 시료를 선정하고, 서울은 50 ㎍/㎥(2018년 이전기준, 24시간 평균농도 50㎍/㎥)을 기준으로 해당 질량농도를 초과한 시료를 고농도 사례로 선정하여 PM2.5의 화학적 조성 중 유기탄소(Organic carbon, OC), 원소탄소(Elemental carbon, EC) 그리고 유기성분을 분석하였다. 해당기간의 PM2.5 평균농도는 베이징이 37.9 ㎍/㎥, 서울이 29.0 ㎍/㎥ 이었다. OC와 EC 농도는 겨울철에 상대적으로 높게 나타나는데, 이는 겨울철 난방 연소에 의한 것으로 사료된다. 두 도시 모두 분석된 유기성분 농도의 총합은 겨울에 가장 높았고, 여름에 가장 낮았다. 그러나 서울의 고농도 사례의 경우, 가을에 가장 높은 농도를 보였다. 비극성 성분인 n-alkanes 그룹은 사계절 모두 가장 높은 농도를 차지하고 있으며, 겨울철 다환방향족탄화수소류(PAHs), 당류(sugars) 및 글리세라이드(glycerids) 성분들은 여름철에 비해 유의하게 차이가 있다 (Mann-Whitney 순위 합 검정 수행 시 p<0.001). 유기성분 분석 결과를 이용한 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)을 통하여 각 도시 별 인자들을 도출하였다. 베이징은 생물연소 오염원(biomass burning, 15.7%), 이차 유기 에어로졸 오염원(SOA, 13.9%), 자동차 오염원(motor vehicle, 8.9%), 석탄 연소 오염원(coal combustion, 8.9%) 같은 4가지 인자로 분류되었으며, 서울의 경우, 자동차 오염원(motor vehicle, 13.5%), 생물연소 오염원(biomass burning, 8.9%), 이차 유기 에어로졸 오염원(SOA, 7.8%)이 분류되었다. 다음과 같은 분석결과를 통해 두 도시는 인위적 요인과 자연적 요인 모두 영향을 받는 것으로 확인되며, 특히 유기성분의 계절적 경향과 함께 판단할 때 1차 발생 연소 오염원은 난방기간 초미세먼지에 영향을 준다고 사료된다. 본 연구는 두 도시에서 같은 측정기기를 사용하여, 동일 기간 채취된 필터를 이용하여 PM2.5 화학성분의 특성 및 오염원을 비교하므로 양국 공동 시행 미세먼지 저감 정책의 기초자료로 활용될 수 있으며, 동북아시아 지역의 합리적인 대기오염 관리를 수행하는데 도움을 줄 수 있다. 그러나 추후 수용모델을 이용하여 두 도시의 세분화된 오염원 기여도 산정이 필요 할 것으로 보이며, 이를 통해 두 도시의 오염원 기여도에 기반을 둔 건강영향 연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.