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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.3 pp.259-264
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.3.259

Generation characteristics of airborne fungi and fungal volatile organic compounds in single person households

Rina Kim1, Sungchul Seo2, Joung-Dae Kim3, Daekeun Kim1*
1Department of Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology
2Department of Industrial Health, Catholic University of Pusan
3Department of Preventive Medicine, College of Medicine, Kangwong National University/Department of Health and Environment, Hallym Polytechnic University
Corresponding author : +82-2-970-6606kimd@seoultech.ac.kr
July 27, 2017 September 7, 2017 September 11, 2017

Abstract

The aim of this study was to examine indoor fungal concentration and fungal volatile organic compounds(VOCs) in single-person households. A total of 22 houses occupied by one person were investigated in this study. 19 VOCs detected in the field were estimated as fungi-derived VOCs through a review of the literature, and 11 VOCs were confirmed as fungal VOCs by laboratory experiments. Exposure to fungal VOCs in the indoor environment has been confirmed to be highly influenced by airborne fungal concentration and indoor humidity. 3-octanone was characterized by a clear generation profile in Aspergilus versiocolor, and n-decane in Pencillum chrysogenum. ntetradecane emitted by Stachybotrys chartarum exhibited a tendency to occur consistently. The observations made in this study demonstrated that single-person households can easily be exposed to fungi, and MVOCs can be used as an indicator of fungal exposure in indoor environments.


1인 가구 주거공간 실내공기 중 부유 곰팡이와 곰팡이 유래 휘발성 유기화합물의 발생 특성

김 리나1, 서 성철2, 김 정대3, 김 대근1*
1서울과학기술대학교 환경공학과
2부산가톨릭대학교 산업보건학과
3강원대학교 의과대학 예방의학교실/한림성심대학교 보건환경과

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1.서 론

    1인 가구는 최근 급속하게 증가하고 있으며 취약계 층의 주된 거주 형태로 파악되고 있다. 1인 가구는 한 거주지에 한 명이 살고 있는 거주 형태를 지칭한다. 통 계청 인구주택총조사 통계자료(Statistics Korea, 2010) 에 의하면 우리나라 1인 가구의 규모는 2000년의 222 만 가구에서 2010년에는 414만 가구로 증가하였고, 국 내 총 가구 중 1인 가구의 비중은 2000년 15.5%에서 2010년 23.9%로 증가하였다. 1인 가구는 경제적 기반 을 갖추지 못한 20~30대 청년층이 절반 이상을 차지하 고, 60세 이상 노년층 비율은 21.4%이나 인구 고령화 의 영향으로 지속적으로 증가하고 있다(Lee et al., 2015). 1인 가구의 임차가구 비율은 83.6%이고, 상당 수의 1인 가구가 고시원, 쪽방 등의 열악한 거주 환경 에 노출되고 있는 실정이다(Statistics Korea, 2010).

    1인 가구의 열악한 거주환경은 실내공기질 저하의 원인이 되며, 이로 인하여 천식, 아토피피부염, 알레르 기 비염 등 알레르기 질환에 쉽게 노출될 가능성이 있 다. 실내 알레르기 질환의 발병은 개인의 유전적 요인 이외에 실내 환경, 예를 들어 화학물질, 곰팡이, 진드기 사체 등과 같은 물질이 복합적으로 작용한다(Sohn et al., 2014). 실내 알레르기 질환 발병물질로 실내공기질 중 화학물질(포름알데히드)의 노출이 대표적인 원인물 질로 알려졌지만, 최근 국내외 많은 연구에서 곰팡이를 포함한 생물학적 유해인자가 복합적으로 작용하는 것 으로 보고되었다(Cho et al., 2013; EPA, 2006; Fiedler 2001; Matysik et al., 2008). 특히 실내에서 서식하는 곰팡이는 호흡 가능한 크기의 범위로 관찰되어 호흡계 질환을 유발할 수 있다(Basilico et al., 2007). 곰팡이는 주거환경 내 유기물질인 벽지와 종이의 셀룰로오스 또 는 직물류와 동물피부 등의 단백질을 영양분으로 하여 쉽게 서식이 가능하며, 대사과정에서 다양한 종의 휘발 성 유기화합물(MVOCs; Microbial Volatile Organic Compounds)을 생성하여 냄새를 유발할 수 있다(Park et al., 2014; Lee et al., 2017). 곰팡이는 실내공기 중 대표적인 생물학적 유해인자일 뿐 아니라 냄새물질을 방출하는 원인이기 때문에 열악한 거주환경에 노출된 1인 가구에 대한 곰팡이 관련 연구가 요구된다.

    본 연구는 국내 연구가 진행되고 있지 않는 1인 주 거공간의 실내 공기질을 평가하고자 실내공기질 항목 중 부유곰팡이를 대상으로 현장연구와 실험실연구를 병행하였다. 현장연구는 1인 주거공간의 부유곰팡이와 VOCs의 발생 특성을 조사하였다. 현장 결과를 반영한 실험실 규모에서는 곰팡이 MVOCs 발생 실험을 실시하 여 현장연구와 실험실 실험의 결과를 비교 평가하였다.

    2.실험방법

    2.1.현장조사

    주거 생활환경 요인은 부유곰팡이의 성장과 실내공 기질에 영향을 주는 것으로 알려져 있으며(Cho et al., 2013; Lee et al., 2013), 이를 연구에 반영하고자 환기 시스템(Heating ventilation air conditioning system, HVAC)의 설치여부를 기준으로 가구를 선정하였다. 총 22곳의 조사 가구 중에서 HVAC가 설치된 가구는 총 10곳, HVAC가 미설치된 가구는 총 12곳이었다. 조사 대상의 주거면적은 평균 20 m2이었으며, 5년 이상의 건축년수의 주택을 대상으로 하였다. 현장조사는 2013 년부터 2015년까지 총 3년에 걸쳐서, 평균기온 25°C 이상인 여름 동안 진행되었다. 조사 대상 가구는 각 3 회 이상 방문하여 현장 측정 및 시료채취를 실시하였 으며, 실외 상대습도가 70%이상인 방문일이 전체 중 50% 이상 분포될 수 있도록 현장 방문일을 선정하였다.

    2.2.현장측정분석

    실내공기 중 부유 곰팡이를 포집하기 위해, 실내공 기질 공정시험기준에 준하여 시료채취 및 분석을 실시 하였다. 시료채취는 총 부유 미생물 포집기(Buck Bio- CultureTM, B30120, A.P. BUCK,Inc., USA)를 사용하 여 실험장소 중앙지점의 1.2-1.5 m 높이에서 28.3 L/ min 유량 조건으로 포집하였다. 실내 공기는 5분 동안 포집하였으며, 3회 반복 실시하였다. 부유 곰팡이는 SDAC (Sabouraud Dextrose Agar-Chloram, Hanil komed Ltd, Korea)를 사용하여 실온조건(20~25°C)에서 3~5일 동안 배양하였다. 배양 후 형성된 집락(colony)을 계수 한 값에 포집된 공기량(m3)으로 나누는 방법으로 부유 곰팡이의 농도(CFU/m3)를 계산하였다.

    실내공기 중 휘발성유기화합물(Volatile organic compounds, VOCs)은 Tenax TA 흡착튜브(Tenax® TA, 20913-U, SUPELCO, USA)를 이용하여 시료를 채취 하였다. HVAC가 설치되지 않은 가구만을 대상으로 실 험을 진행하였다. 흡착튜브를 Air Pump (Libra PlusTM LP-1 Pump, Buck, USA)에 연결하여 0.1 L/min 유량 조건으로 210분 동안 총 21 L을 포집하였다. 회수된 시료는 열탈착-저온농축기(UNITY2, Markes international, UK)가 장착된 GC-MS(GC; 7820A, Agilent technologies, USA, MS; 5977E, Agilent technologies, USA)를 이용하여 분석하였다. 분석된 VOCs는 Reference standard library (NIST MT Search 2.0 National Institute of Standards and Technology)를 이용하여 물 질을 확인하였다. 확인된 VOCs 중에서 문헌조사를 통 하여 MVOCs를 선정하였다. MVOCs 중 4종의 대표물 질을 대상으로 정량분석을 실시하였으며, 선정된 MVOCs는 n-decane, 3-octanone, n-nonane, n-tetradecane이었다.

    조사 가구의 실내 온도 및 습도는 매회 방문시 온/습 도계(대광-TH05, 대광계기계측 Inc, Korea)를 사용하 여 측정되었으며, 실외 온도 및 습도는 기상청 홈페이 지를 통해 수집하였다.

    2.3.MVOCs 챔버실험

    실험은 주거환경에서 주로 발생한 실내 곰팡이를 선 정하여 소형챔버장치에서 수행하였다. 소형챔버장치는 길이 0.3 m, 폭 0.2 m, 높이 0.19 m (총 부피 0.011 m3) 로 제작되었다. 챔버는 곰팡이가 접종된 총 6개 고체배 지가 후 배양될 수 있고, 내부 공기를 채취할 수 있도 록 공기 유입구와 유출구를 장치하였다.

    선정된 곰팡이는 현장조사에서 확인된 3종 곰팡이 (Stachybotrys chartarum, Aspergillus versicolor, Penicillium chrysogenum)였고, 배지는 유리재질의 패트리 디쉬에 MEA (Malt extract agar)를 사용하였다. 소형챔 버는 총 4개를 준비하여, 각각 곰팡이 3종과 대조군을 실험하였다. 대조군은 곰팡이를 접종하지 않은 채 동일 한 조건하에 실험하였다. 쳄버내 곰팡이 배양조건은 습 도 90 ± 1%, 온도 27 ± 1°C였다.

    배양기간 동안 발생된 MVOCs 분석을 위하여 3일 또는 4일 간격으로 챔버 내부공기를 채취하였다. 챔버 내부에 공기(99.9999% 순도)를 연속 주입시켜 유출된 공기를 Tenax TA tube를 이용하여 채취하였다. 챔버 내부의 공기가 완전히 치환되어 채취될 수 있도록 층 류조건(레이놀즈수 2.0 이하)을 형성하고자 0.1 L/min 의 유량으로 110분간 총 11 L를 포집하였다. 채취된 시 료는 열탈착-저온농축기가 장착된 GC-MS를 이용하여 분석하였으며, 상세한 분석법은 2.2절에 언급하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.실내 부유 곰팡이

    Fig. 1은 조사 가구의 실내 온도와 습도의 분포를 보 여주고 있다. HVAC 미설치 가구에서 관찰된 실내온도 와 실내 상대습도의 평균과 표준편차는 각각 27.5 ± 1.6°C와 64.2 ± 11.9%, HVAC 설치 가구는 각각 27.2 ± 2.1°C와 59.7 ± 13.1%을 보였다. HVAC 설치 여 부에 따라 실내 온도의 차이는 뚜렷하지 않았지만, 빈 도 관점에서는 HVAC 미설치 가구에서 실내온도와 실 내습도의 분포가 다소 높은 것으로 확인되었다.

    Fig. 2는 부유 곰팡이 농도 분포를 나타낸 것이다. HVAC 설치 가구에서 측정된 부유 곰팡이의 산술평균 은 191.3 ± 196 CFU/m3이였으며, 기하평균은 88.9 ± 94 CFU/m3이었다. HVAC 미설치 가구에서의 산술평균과 기하평균은 각각 203 ± 233 CFU/m3과 130.8 ± 61 CFU/ m3으로 조사되었고, HVAC 설치 가구와 비교하여 다 소 높은 것으로 보이나 통계적으로 유의한 차이를 확 인할 수 없었다(p=0.46, t-test). 관찰된 결과는 실내 온 열환경 결과(Fig. 1)와 연관되었다고 볼 수 있는데, 1인 가구의 거주자가 일과시간 중 가구 내 실제 머무르는 시간이 비교적 짧은 거주 특성이 반영된 것으로 판단 된다.

    Ha et al. (2011)는 일반 가정에서 조사된 부유 곰팡 이의 기하평균을 339 CFU/m3(거실)과 354 CFU/m3(침 실)으로 보고하였다. Son et al. (2005)은 아파트 실내 를 대상으로 16-45 CFU/m3인 것으로 조사하였다. Moon et al. (2012)은 아파트와 주택을 대상으로 평균 299 CFU/m3을 보고하였다. 부유곰팡이 농도는 조사 대 상과 시기, 실내 환경요인의 다양성 등에 기인하여 다 양한 분포를 보이고 있다. Cho et al. (2013)은 실내면적 이 상대적으로 작고 외부 대기의 영향을 많이 받는 가 정에서 부유 곰팡이의 농도가 증가한다고 보고하였다.

    본 연구에서는 WHO(2002) 권고기준(500 CFU/m3) 보다 낮은 농도 수준을 보였으나, 실내면적이 작고 외 기환경의 영향을 많이 받을 수 있는 1인 가구의 거주 환경을 고려할 시 곰팡이를 포함한 생물·화학적 유해 인자의 노출에 대한 지속적인 관심이 필요할 것이다. Seo et al. (2015)의 연구에 따르면 취약계층 가구의 생 활환경이 일반가구에 비해 생물학적 오염이 높게 나타 날 수 있으며, 이러한 오염원은 취약계층에 있어서 환 경성 질환의 유발 및 악화의 요인으로 작용할 수 있다. 곰팡이는 취약한 거주환경에서 서식이 유리하고 후각 적으로 불쾌감이나 혐오감을 유발할 수 있는 냄새물질 인 휘발성 유기화합물을 발생시키기도 한다(Kim et al., 2005). 따라서 취약 거주환경에 대한 곰팡이 발생 과 곰팡이 MVOCs에 대한 체계적인 조사 연구가 필요 할 것이다.

    3.2.실내 VOCs

    실내 VOCs는 HVAC를 설치되지 않은 가구를 대상 으로 분석하였으며 최소 35종에서 최대 62종까지 검출 하였다. Table 1은 검출된 VOCs 중 문헌조사를 통해 곰팡이에서 유래된 것으로 추정되는 MVOCs를 보여 준다. 현장에서 검출된 VOCs 중 총 19개 물질이 곰팡 이로부터 유래된 것으로 추정하였으며, 3종 곰팡이를 대상으로 한 챔버실험을 통하여 총 11종이 곰팡이 MVOCs로 확인하였다. 챔버실험의 결과는 3.3절에 언 급하였다. 기존 문헌에서 다양한 곰팡이 MVOCs에 관 한 자료가 확인되는데, 주거환경 또는 곰팡이 종에 따 라 상이한 결과를 보여준다. Stachybotrys chartarum에 서는 6-methyl-5-hepten-2-one, styrene을 포함한 15 종 의 MVOCs가 검출되었다(EPA, 2006). Acetophenone 은 Aspergillus fumigatus로부터, styrene은 Penicillium expansumTrichoderma harzianum에서, decane와 ethylbenzene, heptane, nonane, toluene, undecane, xylene 은 Aspergillus versicolor으로부터 발생되었다(Fiedler et al, 2001). 또한 Aspergillus fumigatu에서 α-pinene의 발생이 확인되었다(Fischer et al,, 1999).

    실내 VOCs 검출결과와 부유 곰팡이 농도의 상관성 은 통계적 유의한 결과가 나타나지 않았으나, 곰팡이 MVOCs로 추정되는 VOCs와 부유 곰팡이 농도는 유 의미한 수준(p < 0.05, test)에서 양의 상관관계를 보였 다. 특히 정량분석을 실시한 n-nonane과 n-decane, ntetradecane은 부유곰팡이(p < 0.01) 및 실내 상대습도 (p < 0.01)와 양의 상관관계가 통계적으로 유의했다. 1,3-Octadiene과 3-Octanone은 실내 공기 중에서 검출 되지 않았다.

    3.3.MVOCs 챔버실험

    3종 곰팡이를 대상으로 한 MVOCs 추적실험의 결과 는 현장실험과의 비교를 위하여 Table 1에 제시하였다. 챔버실험 동안 총 13종(1,3-octadiene, 2-ethyl-1-hexanol, 3-octanone, acetophenone, n-dodecane, ethylbenzene, n-decane, n-nonane, n-tetradecane, n-undecane, styrene, toluene, xylene)의 MVOCs가 검출되었으며, 곰팡이 종에 따라 다소 상이한 발생빈도와 발생주기를 보였다. 현장조사에서 추정된 MVOCs 중 총 11종의 물질이 3종의 곰팡이에서 실제 배출되는 것으로 확인 하였다.

    Fig. 3은 MEA배지에서 배양된 3종 곰팡이로부터 발 생되는 4종 MVOCs(n-nonane, 3-octanone, n-decane, n-tetradecaen)의 검출농도를 배양시간별로 제시하였다. Aspergillus versicolor는 3-octanone와 n-tetradecane이 발생 빈도가 높았으며, 특히 3-octanone은 종형곡선을 보이며 발생하였다. Pencillum chrysogenum은 ndecane의 발생 경향이 뚜렷하였으며, Stachybotrys chartarum은 4종 VOCs의 발생농도는 낮았고 n-tetradecane의 발생 경향이 비교적 분명하였다. 곰팡이의 종 과 발생되는 MVOCs에 따라 상이한 결과를 보이고 있 지만, 곰팡이가 실내에 서식할 경우에 실내 환경이 MVOCs에 노출되는 결과를 초래할 수 있는 것으로 판 단된다. 또한 특정 MVOCs는 곰팡이의 생장주기에 따 라 명확한 발생경향을 보이고 있고, 이러한 MVOCs의 발생특성을 고려하여 곰팡이의 실내 환경내 서식여부 또는 실내 공기 중 노출여부를 확인할 수 있는 도구가 될 것으로 기대한다.

    4.결 론

    본 연구는 최근 급속도로 증가하는 1인 가구의 실내 공기 중 부유곰팡이 와 곰팡이 MVOCs의 발생 특성을 파악하고자 수행되었다. 특히, 실내 냄새 유발물질로 알려진 곰팡이 MVOCs는 현장조사와 실험실연구를 병행하여 비교 평가하였다.

    총 22곳의 1인 가구를 대상으로 한 부유곰팡이의 기 하평균 농도값은 HVAC 설치 가구에서 88.9 ± 94 CFU/m3, HVAC 미설치 가구에서 130.8 ± 61 CFU/m3 으로 조사되었다. 실내면적이 작은 1인 가구의 특성상 외부 대기의 영향을 많이 받는 것으로 확인되었고, 이 에 실내 곰팡이 생장에 유리한 환경을 제공하고 부유 곰팡이와 곰팡이 MVOCs 농도 증가의 원인이 되었다. 현장조사를 통해 총 19종의 MVOC가 추정되었으며, MVOCs의 발생정도는 부유곰팡이 농도와 실내 상대습 도와 양의 상관관계를 보였다.

    3종의 곰팡이를 대상으로 한 챔버실험을 통해 현장 조사에서 추정된 MVOCs의 곰팡이 유래 여부를 판단 할 수 있었다. 곰팡이 MVOCs는 특정 곰팡이의 생장 에 따라 고유한 발생빈도와 발생분포를 보였다. 3- octanone은 Aspergillus versicolor에서, n-decane은 Pencillum chrysogenum, n-tetradecane은 Stachybotrys chartarum에서 비교적 분명한 발생특성이 확인되었다.

    감사의 글

    본 연구는 서울녹색환경지원센터(SGEC) 연구개발 사업의 일환으로 수행되었으며, 지원에 감사드립니다.

    Figure

    JOIE-16-259_F1.gif

    Distribution characteristics of indoor temperature and humidity at different air conditions.

    JOIE-16-259_F2.gif

    Distribution characteristics of indoor airborne fungi at different air conditions. Each boxplot indicates an interquartile range with median, upper and lower whiskers.

    JOIE-16-259_F3.gif

    Volatile organic compounds from three different fungi(Aspergillus versicolor; Pencillium chrysogenum; Stachybotrys chartarum) in lab-scale chamber test.

    Table

    Indoor VOCs regarded as fungal MVOCs frequently reported in the literature

    aNot detected
    bS: Stachybotrys chartarum, A: Aspergillus versicolor, P: Penicillium chrysogenum

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