1. 서 론
경제성장을 목표로 진행되어 온 산업화는 많은 사회 변화를 가져왔으며, 생활수준이 높아짐과 동시에 급격 한 자동차의 증가, 산업시설의 많은 증가를 야기하였다. 이로 인한 PM10, PM2.5 그리고 VOCs 등의 유해공기오 염물질이 건강에 영향을 줄 정도로 우리나라의 공기질 은 시급히 해결해야 할 상태에 이르렀다(Seo et al., 2011;Won et al., 2012;Choe and Lee, 2015;Park and Hwang, 2017).
환경오염물질 중 미세먼지는 대기 중 부유하는 입자 상 물질에 해당하며, 입자 중 공기역학적 직경이 10 μm 이하의 입자인 PM10과 2.5 μm 이하인 PM2.5으로 구분 된다. PM2.5는 장거리 이동의 영향이 크며, 대부분 고 온의 연소화합물과 대기 중 화학반응에 의한 2차 생성 물로 인위적 배출의 비중이 크다(Woo et al., 2010). 이 러한 대기 중 PM2.5는 자동차, 산업장의 연소, 소각로 등의 인위적 배출원의 비율이 크며, 발생원에서 직접 배출되는 1차 입자(primary particle)와 대기 중에서 가 스상 물질의 광화학반응 등에 의해서 생성된 2차 입자 (secondary particle)로 구성된다(Yao et al., 2002). 대기 중 PM2.5 1차 입자(primary particle)와 미세먼지의 구 성성분으로는 SO42−, NO3−, NH4+ 등과 같은 수용성 이 온성분과 유기물질로 분포되어 있다(Baek et al., 2008).
대기 중 중금속(Heavy metal)은 일반적으로 비중이 약 5.0 이상인 금속으로 구리(copper 이하; Cu), 크롬 (chromium 이하; Cr), 니켈(nickel 이하; Ni), 카드뮴 (cadmium 이하; Cd), 납(lead 이하; Pb), 비소(arsenic 이하; As) 등이 있다. 이들 중금속 성분은 분진이나 미 세먼지 등에 결합되거나 2차, 3차 결합으로 대기 중에 체류하며 머무른다. 특히 산업도시들의 특성과 지역적 환경에 의한 중금속 분포는 매우 다양한 것으로 보고 되고 있다(Kang et al., 2018).
국제암연구소(IARC)에서는 발암물질로 분류되는 대 기오염물질에 대한 연구에서 공기 중 입자상물질을 특 히 암을 유발하는 주요 성분으로 인식하고 있음을 보 고하고 있으며(IARC, 2013), 이는 대기오염과 입자상 물질의 건강영향에 대한 여러 연구결과에서 제시되고 있다(Perez et al., 2012;Tao et al., 2014; Hernández et al., 2018).
일반대기 중에 존재하는 유해중금속 농도는 낮은 수 준으로 존재하더라도 오랜 기간 동안 노출되는 경우에 건강피해를 고려해야 한다. 특히, 유해중금속 중에서도 As, Cd의 경우는 유엔(UN) 산하 국제암연구소(IARC) 에서 피부암, 신장암 등을 일으키는 인체 발암물질 (Group 1)로 분류하고 있고(IARC, 2018), 세계보건기 구(WHO)는 대기 중의 중금속성분으로 As, Cd, Mn, Ni, Pb 등의 물질에 대해 권고기준을 마련하여 제시하 고 있다(WHO, 2000).
환경보건학적 측면에서의 건강영향을 평가하는 방법 중 하나가 위해성평가(Risk Assessment)로 소개되고 있다(Yang, 2007). 이는 사회적, 문화적 요구 및 불확 실성으로 얽혀있는 환경문제를 충족할 수 있는 과학적 이고 합리적인 방법론으로(U.S. EPA, 1992), 미국은 물론 선진국에서는 1980년대부터 위해성평가가 제도 화되었고, 이를 적용한 연구결과를 기준설정 등에 활용 하고 있다. 최근 국외뿐만 아니라 국내에서도 건강위해 성평가를 통한 공기질 관리가 활발하게 거론되고 있는 실정이다(ME, 2018).
본 연구에서는 우리나라의 대표적인 국가 산단지역 인 광양·여수 지역에 거주하는 주민들의 주택 실내· 실외의 PM10 중 중금속농도를 중심으로 건강위해성평 가를 적용하여 환경보건학적 정책의 수립에 활용 가능 한 기초자료로 제공하고자 한다.
2. 연구대상 및 방법
2.1 연구기간 및 대상
본 연구는 2017년 4월부터 2018년 6월까지 전남의 광양과 여수지역에 위치한 산단 배출 대기오염물질의 영향을 받을 수 있는 지역을 대상으로 선정하여 주택 의 실내 PM10 중 중금속 농도를 측정 및 분석하였다.
2.2 시료채취 및 분석
소용량 공기채취기(mini volume air sampler, Air Metrics, USA)를 이용하여 공기시료를 채취하였으며, 채취 시 흡인유량은 5 L/min으로 주택실내(거실)에서 지점별로 6시간 동안 측정하였다.
PM10 중 중금속을 분석하기 위한 시료 전처리는 hot plate를 이용하였으며, 회화용매는 고순도급 질산(nitric acid 이하; HNO3) 65%를 사용하였다. teflon vessel에 필터를 넣은 후 HNO3 7 ml와 불산(hydrofluoric acid 이하; HF) 2 ml를 넣어 전처리를 진행하였다. 180oC에 서 8시간 분해하였고, 분해가 끝난 뒤 teflon vessel에 증류수 15 ml를 넣고 산을 휘발시켰으며 이 과정을 3 번 반복하였다. 추후 3차 증류수로 최종 용량이 20 ml 가 되도록 하였다.
전처리 후 유도 결합 플라즈마 질량분석기(inductively coupled plasma/mass spectrometer 이하; ICP/ MS, Perkin-Elmer, USA)를 사용하여 중금속 농도를 분석하고 공시료 값에 대하여 보정하였으며, 검량선 작 성 시 표준용액은 0.2 ppb, 2 ppb, 20 ppb로 희석한 용 액을 사용하였다. ICP/MS의 분석조건은 Table 1에 나 타내었으며, 중금속 농도 계산식은 다음과 같다.
2.3 건강위해성평가
본 연구에서는 환경 중 중금속 농도를 파악한 후 노 출평가 자료를 토대로 하여 건강위해성평가를 수행하 였다. 위해성 평가는 유해성 확인, 용량-반응평가, 노출 평가 및 위해도 결정의 절차에 따라 수행하였으며, 단 일 평가치 분석(point estimate analysis)과 확률론적 위 해성 평가(probabilistic risk assessment)로 나누어 조사 하였다. 단일 평가치 분석은 각 노출변수에 대해 단일 값을 사용하여 대표적인 위해도를 분석하는 간단한 방 법이지만, 노출변수의 불확실성(uncertainty)과 가변성 (variability)을 반영할 수 없다. 다만, 가변성을 표현하 기 위해 CTE (central tendency exposure), RME (reasonable maximum exposure) 위해도를 계산한다(US EPA, 1992). 단일 평가치 분석에서 발생할 수 있는 불 확실성과 가변성을 반영하기 위하여 Monte-Carlo simulation을 이용한 확률론적 위해성 평가를 실시하였다. Monte-Carlo simulation은 입력변수들의 확률분포로부 터 임의의 값을 선택하고 이를 노출시나리오부터 추정 된 노출방식에 대입하여 노출량을 산정하는 과정이다. 본 연구에서는 확률분포의 평균(mean), 최대(max), 최 소(min) 및 50%, 75%, 90%, 95% 값을 산출하여 발암 성 물질의 위해도 분포수준을 파악하였다(Kim et al., 2006).
2.3.1 유해성 확인
유해성 확인은 사람이 어떤 환경오염물질 노출로 인 하여 인체에 유해한 영향이 유발되는 것을 정성적으로 확인하는 단계로서 대상물질에 대한 동물실험자료, 인 체를 대상으로 한 인위적 실험자료(cotrolled human experiments), 역학자료(epidemiological study), 독성자 료(toxicological study) 등을 통하여 그 물질의 유해성 을 확인하는 단계이다.
2.3.2 용량-반응 평가
용량-반응평가의 자료는 US EPA (United States Environmental Protection Agency)의 IRIS (integrated risk information system)의 자료를 이용하였다. 발암물 질인 As, Cd, Ni의 흡인노출로 인한 발암위해도를 양 적으로 판단할 수 있는 단위 위해도(unit risk 이하; UR)를 제시하였다(Table 2).
2.3.3 노출평가
노출평가 단계에서는 조사 대상별 일일 호흡률(inhalation rate), 노출시간(exposure time), 노출빈도(exposure frequence), 노출기간(exposure duration), 체중 (body weight), 평균수명(lifetime) 등을 조사하였다. 각 각의 노출인자들은 문헌조사 및 본 연구결과를 통하여 도출된 값을 비교 검토하여 채택하였으며, 노출시간, 노출빈도, 노출기간, 체중은 연구대상자의 설문조사를 통한 실측값을 이용하였다.
발암물질의 경우 발암이나 만성영향으로 인한 평생 노출로 가정하였으며, 기대수명을 사용하여 평균평생일 일용량(LADDs)을 다음의 식을 이용하여 계산하였다.
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LADDs : lifetime average daily doses (mg/kg-day)
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C : contaminant concentration in inhaled air (μg/m3)
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IR : inhalation rate (m3/day)
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ED : exposure duration (days)
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BW : body weight (kg)
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LT : lifetime (days)
발암물질의 노출평가를 위해 사용된 체중은 실측값 으로서 평균 남성 72.6 kg, 여성 56.8 kg을 사용하였으 며, 평균수명은 70년, 호흡률은 평균 남성 15.7 m3/day, 여성 12.8 m3/day (최대노출농도의 단일평가 결과는 남 성 17.7 m3/day, 여성 14.3 m3/day를 이용), 노출기간 및 노출빈도는 설문을 통하여 얻어진 주말 및 평일 하루 평균 집 실내에 머무는 시간과 주거기간을 조사하여 총 노출시간의 평균을 이용하였다(Table 3).
2.3.4 위해도결정
발암물질의 경우, US EPA의 IRIS 자료들을 이용하 여 용량-반응평가를 통해 산출된 발암잠재력(cancer potency factor)과 LADDs값을 곱하여 발암위해도(cancer risk)를 산출하였다. US EPA에서는 발암위해도의 최고허용기준치와 허용기준치를 각각 10−4, 10−6으로 제시하고 있다.
2.4 통계분석
본 연구의 자료 분석을 위한 통계 프로그램은 SPSS (ver.25.0)와 Oracle Crystal ball, fusion edition ver. 11.1.2.3을 사용하였다. 중금속(As, Cd)의 농도분포를 조사하기 위하여 정규분포 여부를 검정한 후 평균, 표 준편차, 최소값, 최대값 등의 기술통계분석을 실시하 였다. 건강 위해성 평가는 Crystal ball program을 이 용하여 노출시나리오에 따른 입력변수(assumption)을 100,000회 추출하여 종속변수(forecast)인 건강 위해성 확률분포를 나타내었다.
3. 연구결과 및 고찰
3.1 미세먼지 중의 중금속(As, Cd, Ni) 농도
PM10에 부착된 중금속(As, Cd, Ni)의 농도결과를 Table 4에 제시하였다. As농도의 경우 산술평균 0.24 μg/m3 (0.00-0.87 μg/m3), 기하평균 0.04 μg/m3으로 보여 졌으며, Cd의 농도의 경우 산술평균 0.07 μg/m3 (0.00- 0.36 μg/m3), 기하평균 0.03 μg/m3으로 WHO의 권고기 준인 0.005 μg/m3을 초과하는 것으로 나타났다. Ni의 경우 산술평균 0.89 μg/m3 (0.03-5.82 μg/m3), 기하평균 0.24 μg/m3으로 Kang et al. (2018)에서의 국내 주요 산 업단지 중 농도가 광양 평균 0.014 μg/m3, 여수 평균 0.018 μg/m3으로 본 연구에서보다 낮은 농도를 보였다.
NIER (2018)의 보고서를 살펴보면, 대기중금속 측 정망 연 평균 농도가 As (0.0016-0.0053 μg/m3), Cd (0.0002-0.0013 μg/m3), Ni (0.0015-0.0054 μg/m3)의 범 위로 나타났으며, 본 연구에서의 중금속농도가 대기중 금속 측정망 결과보다 높은 분포를 나타내었다.
3.2 중금속의 위해성평가
산단지역 주민의 주택실내에서 노출되는 중금속 중 As, Cd, Ni에 대한 발암위해도의 위해성평가를 실시하 였다. 위해도는 단일평가치인 CTE (central tendency exposure), RME (resonable maximum exposure) 결과와 변수들의 불확실성을 줄이기 위해 몬테카를로 분석 결 과의 평균, 최소, 최대, percentile값을 각각 제시하였다.
3.2.1 As 건강위해성평가
As에 의한 발암위해도를 성별에 따라 구분하여 단일 평가치인 CTE, RME, 몬테카를로 분석을 통한 위해성 평가 결과를 Table 5에 제시하였다. 남성과 여성의 단 일평가치 분석(point estimate analysis) 결과 CTE, RME는 남성에서 각각 1.27 × 10−4, 2.34 × 10−3이였고, 여성에서는 1.43 × 10−4, 1.96 × 10−3으로 US EPA에서 제시하는 허용기준치인 10−6와 최대허용기준치인 10−4 을 초과하고 있는 것으로 조사되었다. 남성과 여성의 경우 평균값이 각각 3.07 × 10−4, 3.35 × 10−4으로 EPA 에서 제시한 허용기준치와 최대허용기준치를 초과하였 다. 광양지역에서의 대기 중 중금속의 발암위해도를 나 타낸 Park et al. (2016)의 연구결과 As의 발암위해도 평균이 남성 4.49 × 10−5, 4.58 × 10−5으로 EPA의 허용 기준치를 초과한 것으로 나타났지만, 본 연구의 발암위 해도가 더 높은 결과를 보이고 있다(Table 5, Fig. 1-2).
민감도 분석결과 남성의 경우 유해물질농도 88.0%, ED 9.3%, ET 2.3%, IR 0.2%, BW -0.2%로 나타났고, 여성에서는 유해물질농도 92.1%, ED 5.3%, ET 1.6%, IR 0.3%, BW -0.7%의 결과를 보였다. 남성과 여성 모 두 유해물질농도와 ED, ET 순으로 민감도가 높은 것 으로 나타났다.
3.2.2 Cd 건강위해성평가
Cd에 의한 발암위해도를 성별에 따라 구분하여 단일 평가치인 CTE, RME, 몬테카를로 분석을 통한 위해성 평가 결과를 Table 6에 제시하고 있다. 남성과 여성의 단일평가치 분석결과는 CTE, RME는 남성에서 각각 1.92 × 10−5, 3.20 × 10−4이었고, 여성에서는 2.16 × 10−5, 2.68 × 10−4으로 US EPA에서 제시하는 허용기준치인 10−6와 최대허용기준치인 10−4을 초과하고 있는 것으로 조사되었다. 남성과 여성의 경우 평균값이 각각 3.83 × 10−5, 4.18 × 10−5으로 EPA에서 제시한 허용기준치와 최대허용기준치를 초과하였다. 울산에서 중금속의 발 암위해성를 조사한 연구에서 Cd의 발암위해도 평균은 6.10 × 10−6로 허용기준치를 초과하지 않았고(Choi et al., 2006), 본 연구에서는 EPA의 허용기준치를 초과하 는 것으로 나타나 타지역보다 실내에 머무는 시간이 많은 점을 고려하여 광양, 여수지역의 실내 Cd농도에 대한 관리가 필요할 것으로 판단된다(Table 6, Fig. 3-4).
민감도 분석결과 남성의 경우 유해물질농도 90.8%, ED 7.3%, ET 1.6%, IR 0.1%, BW -0.1%로 나타났고, 여성에서는 유해물질농도 93.9%, ED 4.2%, ET 1.2%, IR 0.2%, BW -0.5%의 결과를 보였다. 남성과 여성 모 두 유해물질농도가 민감도 분석 결과에 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다.
3.2.3 Ni 건강위해성평가
Ni에 의한 발암위해도를 성별에 따라 구분하여 단일 평가치인 CTE, RME, 몬테카를로 분석을 통한 위해성 평가 결과를 Table 7에 나타내었다. 남성과 여성의 단 일평가치 분석 결과는 CTE, RME는 남성에서 각각 1.45 × 10−5, 5.39 × 10−4이었고, 여성에서는 1.63 × 10−5, 4.51 × 10−4으로 US EPA에서 제시하는 허용기준치인 10−6와 최대허용기준치인 10−4을 초과하고 있는 것으로 조사되었다. 남성과 여성의 경우 평균값이 각각 6.36 × 10−5, 6.95 × 10−5으로 EPA에서 제시한 허용기준치와 최대허용기준치를 초과하였다. PM2.5에서 중금속의 발 암위해도를 분석한 연구 결과 Ni의 발암위해도 평균은 남성 4.10 × 10 −7, 여성 5.00 × 10 −7으로 다른 중금속에 비해 낮은 수준이었지만(Jeon et al., 2010), 본 연구에 서는 Ni 또한 발암위해도를 초과하는 것으로 나타났다. 실내에서의 중금속 농도에 대한 위해성평가 결과로 산 단지역에서의 실내공기의 중금속 농도에 대한 관리도 필요할 것으로 생각된다(Table 7, Fig. 5-6).
민감도 분석결과 남성의 경우 유해물질농도 93.8%, ED 4.8%, ET 1.1%, IR 0.1%, BW -0.1%로 나타났고, 여성에서는 유해물질농도 95.9%, ED 2.8%, ET 0.8%, IR 0.1%, BW -0.3%의 결과를 보였다. 남성과 여성 모 두 유해물질농도가 민감도 분석 결과에 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다.
4. 결 론
본 연구는 2017년 4월부터 2018년 6월까지 전라남 도 광양과 여수지역에서 산업단지 영향지역을 대상으 로 실내 PM10 중 중금속(As, Cd, Ni) 농도를 측정 및 분석하였고, 건강위해성평가를 실시하였다. 그 결과는 다음과 같다.
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As 농도의 경우 산술평균 0.24 μg/m3 (0.00-0.87 μg/m3), 기하평균 0.04 μg/m3으로 보여졌으며, Cd 의 농도의 경우 산술평균 0.07 μg/m3 (0.00-0.36 μg/m3), 기하평균 0.03 μg/m3으로 WHO의 권고기 준인 0.005 μg/m3을 초과하는 것으로 나타났다. Ni의 경우 산술평균 0.89 μg/m3 (0.03-5.82 μg/m3), 기하평균 0.24 μg/m3으로 대기중금속 측정망 연 평균 농도 As (0.0016-0.0053 μg/m3), Cd (0.0002- 0.0013 μg/m3), Ni (0.0015-0.0054 μg/m3)의 범위 보다 높은 것으로 나타났다.
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As의 CTE, RME 상태 및 몬테카를로 분석결과 실내노출의 발암위해도는 CTE, RME는 남성에서 각각 1.27 × 10−4, 2.34 × 10−3이었고, 여성에서는 1.43 × 10−4, 1.96 × 10−3으로 US EPA에서 제시하 는 허용기준치인 10−6와 최대허용기준치인 10−4을 초과하고 있는 것으로 조사되었고, 평균값도 각각 3.07 × 10−4, 3.35 × 10−4으로 EPA에서 제시한 허 용기준치와 최대허용기준치를 초과하였다.
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Cd의 CTE, RME 상태 및 몬테카를로 분석결과 실내노출의 발암위해도는 CTE, RME는 남성에서 각각 1.92 × 10−5, 3.20 × 10−4이었고, 여성에서는 2.16 × 10−5, 2.68 × 10−4으로 US EPA에서 제시하 는 허용기준치인 10−6와 최대허용기준치인 10−4을 초과하고 있는 것으로 조사되었고, 평균값도 각각 3.83 × 10−5, 4.18 × 10−5으로 EPA에서 제시한 허 용기준치와 최대허용기준치를 초과하였다.
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Ni의 CTE, RME 상태 및 몬테카를로 분석결과 실내노출의 발암위해도는 CTE, RME는 남성에서 각각 1.45 × 10−5, 5.39 × 10−4이었고, 여성에서는 1.63 × 10−5, 4.51 × 10−4으로 US EPA에서 제시하 는 허용기준치인 10−6와 최대허용기준치인 10−4을 초과하고 있는 것으로 조사되었으며, 평균값의 경 우도 각각 6.36 × 10−5, 6.95 × 10−5으로 EPA에서 제 시한 허용기준치와 최대허용기준치를 초과하였다.
본 연구결과 실내노출의 중금속 농도 중 As, Cd, Ni 에서 대기측정망 농도보다 높은 분포를 보였으며, 실내 환경에서의 중금속 농도를 줄이기 위한 대책 마련이 필요한 것으로 생각된다. 특히, 발암성이 존재하는 As, Cd, Ni 등의 경우 낮은 농도에서의 발암위험성이 존재 하므로 환기 및 실내공기질 관리와 집중적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.