1. 서 론
흡연은 흡연자 뿐 아니라 비흡연자에게도 연기 또는 냄새에 의해 불쾌감을 주거나 건강에 위해가 된다. 흡 연으로 인해 발생된 담배연기에는 흡연자가 직접 흡입 하고 배출하는 주기류 담배연기(mainstream smoke)와 연소가 되면서 발생되는 부기류 담배연기(sidestream smoke)로 나누어진다(Brownson et al., 1997). 담배는 수많은 화합물로 구성되어 있지만 명확하게 분류된 화 합물은 3800종 이상이며, 담배연기는 200여개의 독소와 20여종의 발암물질을 포함한다고 보고되고 있다(Beak and Park, 2005;Kim et al., 2001;Sohn et al., 2010).
국제암연구소(International Agency for Research on Cancer, IARC)에서는 담배연기에 존재하는 비소나 납 등을 발암성 물질로 지정하여 건강에 위해가 매우 크 다고 여겨지고 있다(IARC, 2004). 미국의 질병통제예 방센터(Centers for Disease Control and Prevention, CDC)에 따르면 흡연으로 인하여 연간 480,000명 이상 이 사망하게 되고, 이는 자동차사고나 약물에 의해 사 망하는 수보다 높다고 하였다. 또한 흡연에 의해서 심 혈관질환 및 뇌졸중, 폐암 발병 위험률이 증가한다고 보고하였다(CDC, 2017).
통계청(Korean Statistical Information Service, KOSIS) 에 의하면 우리나라의 19세 이상 성인 남녀의 평균 흡 연율은 21.6%이며, 하루평균 흡연량은 13.7개비로 조 사되었다. 이 중 남성의 흡연율은 39.3%, 여성의 흡연 율은 5.3%정도였으며, 하루평균 흡연량은 남성은 14.4 개비, 여성은 8.3개비로 나타났다. 19세 미만 청소년의 흡연율은 약 6.3%로 성인 여성의 흡연율을 크게 웃돌 았으며, 처음 흡연을 경험한 나이가 12.7세로 매우 낮 기 때문에 신체 발달이 완전하지 않은 청소년기부터 흡연에 대한 건강영향이 큰 위협이 되고 있다(KOSIS, 2016).
우리나라는 국민건강증진법에 의하여 25개 시설을 금연시설로 지정하여 관리하고 있다. 그러나 Ji et al. (2015)에서 언급한 것과 같이 소규모 시설이나 주점, 클럽 등에서는 금연정책이 적용되지 않기 때문에 간접 흡연 등으로 인해 비흡연자를 보호하기는 힘들다. 또한, 도심화가 심화되면서 공동주택 비율이 높아지고 이웃 간의 이해관계가 실내공기질까지 확대되면서 층간소음 뿐만 아니라 실내흡연이 타 세대에까지 전파되어 피해 가 발생되어 민원이 빈번하게 발생하고 있다.
흡연에 대한 연구는 국내외적으로 매우 활발하게 진 행되고 있으나, 흡연으로 인한 니코틴을 대상으로 조사 한 시설이나 가정집, 사무실 등 실태조사와 그로 인한 인체의 노출평가에 관한 연구가 대부분이다. 담배 개비 수에 따른 오염물질의 발생 농도 변화를 흡연강도로 정의하였을 때, 니코틴 뿐 아니라 미세먼지와 그에 포 함된 중금속 등의 발생 농도에 대한 연구는 미흡한 실 정이다. 따라서 본 연구는 흡연강도에 따른 니코틴과 초미세먼지(PM2.5), NIOSH (National Institute of Occupational Safety & Health)에서 발암물질로 지정된 중금속 4종(As, Cd, Pb, Cr)의 농도 특성을 알아보고자 하였다.
2. 연구방법
출입문과 창문이 닫힌 3 (W) × 4 (D) × 2 (H) m3 정 도 크기의 방에서 흡연인형(SMOKYⅡ)을 이용하여 니코틴, 초미세먼지, 초미세먼지에 포함된 중금속 4종 (As, Cd, Pb, Cr)을 조사하였다(Fig. 1). 흡연인형은 인 체의 호흡기와 유사한 형태를 띄고 있으며, 수동 펌프 를 이용하여 2.5초당 1번의 들숨과 날숨을 반복하였다. 담배 1개비를 총 태우는데 걸린 시간은 약 3분 30초정 도였으며, 담배가 다 태워지고 난 후에 담배를 교체하 는 시간은 1분 정도 소요되었다.
니코틴은 NIOSH 2551의 방법을 기초로 MP-Σ30 (Sibata, Japan) 펌프를 이용하여 1.0 L/min의 유속으로 80/40 mg XAD-4 솔벤트 튜브(SKC, USA)에 180분간 공기를 포집하였다. 포집한 XAD-4 튜브는 밀봉한 뒤 분석 전까지 4°C 이하로 냉장 보관하였다. 분석 전 XAD-4 120 mg을 2 mL 갈색바이알에 옮겨 담아 전처 리 용액 1 mL를 주입한 후, 고무재질의 테플론 마개로 밀봉하고 30분간 초음파 추출하였다. 이때 사용된 전 처리 용액은 0.01% 트리에틸아민이 포함된 에틸아세 테이트에 내부표준물질인 2 ppm 퀴놀린을 첨가한 용 액이다. 초음파 추출된 시료는 마이크로 실린지를 사용 하여 상등액만을 분취하였다. GC/MS (GC/MS-QP2010 plus, Shimadzu, Japan)를 사용하여 니코틴 분석을 실 시하였으며, DB-5MS (30 m × 0.25 mm × 0.25 μm) 컬 럼을 60°C (1 min) → 20°C/min → 200°C (3 min)의 조건으로 승온하였다. 니코틴 표준물질의 농도는 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10 μg/mL로 정량하였으며, 니코틴에 대 한 방법검출한계(MDL)는 0.27 μg/m3였다.
초미세먼지는 중량법과 광산란법, 두가지 방법으로 동시에 측정하였다. 중량법은 입경분리장치가 장착된 소용량 공기채취기(PAS-201, Airmetrics, USA)를 이용 하여 5 L/min의 유속으로 PTFE재질의 필터(Pall Co., ZeflourTM supported, 2.0 μm, 47 mm)에 12시간동안 포 집하였다. 필터는 항온·항습이 유지되는 데시케이터에 서 24시간 항량시킨 후 0.001 mg까지 측정이 가능한 저울(Sartorius M2P, Goettingen, Germany)로 포집 전 후의 무게를 칭량하고, 시료채취 유량으로 나누어 농도 를 산출하였다. 광산란법은 SidePak AM510 Aerosol Monitor (TSI, USA)를 이용하였으며, 1.7 L/min의 유 속으로 30초 간격으로 데이터를 저장하였다. SidePak AM510 Aerosol Monitor의 측정범위는 1~20,000 μg/ m3이었고, 측정 한계값은 1 μg/m3이었다. 광산란법은 담배를 태웠을 때부터 12시간 후까지의 농도 변화 패 턴을 알아보기 위하여 측정하였다.
초미세먼지 내의 중금속 성분(As, Cd, Pb, Cr)을 알 아보기 위해 초미세먼지의 중량법에서 사용된 필터를 사용하였다. 필터는 분석 전 직경 3.5 cm의 테플론 재 질의 vessel에 넣고, 5% 질산 15 mL를 첨가하여 마개 를 닫아 Microwave oven (MARS Xpress, CEM, USA) 에 넣어 전처리 과정을 수행하였다. Microwave oven 을 1200W의 출력으로 200°C까지 20분간 온도를 상 승시켜 필터에 포집된 시료를 질산용액에 용출한 후, ICP-MS (Nexon 300D, Perkin Elmer, USA)로 분석하 였다. 비소를 제외한 크롬, 납, 카드뮴은 플라즈마를 통 과하기 전 암모니아 가스를 챔버에 주입하여 DRC-e 기능을 사용해 분석대상물질과 유사한 질량을 가지는 물질들의 간섭효과를 최소화하였다. 비소의 방법검출 한계는 0.01 ng/m3이었고, 카드뮴은 0.02 ng/m3, 납는 0.04 ng/m3, 크롬은 3.00 ng/m3이었다. 오염물질간의 상 관성 분석을 위하여 통계프로그램 SPSS 버전 20.0를 사용하였다. 상관계수는 Pearson계수를 이용하였고, 유 의성 검정은 0.05 미만일 경우 통계적으로 유의하다고 판단하였다.
3. 결 과
본 연구에서는 24 m3의 방에서 담배를 2, 4, 6, 10개 비씩 태워 흡연강도에 따른 오염물질을 측정하였으며, Fig. 2와 같은 결과가 나타났다. 흡연강도에 따라 초미 세먼지와 니코틴, 중금속 4종(As, Cd, Pb, Cr)은 담배 개비 수에 따라 농도가 비례적으로 증가하고 있는 것 을 확인할 수 있었다. 초미세먼지는 2개비일 때 64.9 μg/m3, 4개비일 때 986.7 μg/m3, 6개비일 때 1343.4 μg/m3, 10개비일 때 2235.1 μg/m3로 조사되었다. 주택 내 방에서 담배를 2개비만 피워도 다중이용시설 실내 공기질 유지기준치인 50 μg/m3을 초과하는 것으로 나 타났으며, 10개비를 피울 경우, 약 45배를 초과하는 수 준으로 조사되었다. 니코틴의 농도는 2개비를 태웠을 때 13.7 μg/m3, 4개비일 때는 106.8 μg/m3, 6개비는 171.2 μg/m3, 10개비는 194.5 μg/m3의 농도로 측정되었 으며, 포화곡선의 형태를 띄고 있었다. 발암 가능성이 높은 비소를 포함하여 카드뮴, 크롬, 납의 농도는 2개 비를 태웠을 때 3.6 ng/m3 (비소), 2.9 ng/m3 (카드뮴), 18.0 ng/m3 (크롬), 42.0 ng/m3 (납), 4개비는 3.7 ng/m3 (비소), 28.6 ng/m3 (카드뮴), 95.0 ng/m3 (크롬), 51.9 ng/m3 (납), 6개비는 3.5 ng/m3 (비소), 41.2 ng/m3 (카드 뮴), 112.5 ng/m3 (크롬), 47.4 ng/m3 (납), 10개비는 8.0 ng/m3 (비소), 51.2 ng/m3 (카드뮴), 167.8 ng/m3 (크롬), 185.2 ng/m3 (납)로 조사되었다. 비소와 납의 경우, 6개 비까지는 큰 농도변화가 관찰되지 않았으나, 10개비에 는 2~3배의 농도가 증가하는 것으로 나타났다.
Table 1은 흡연강도에 따른 초미세먼지와 니코틴, 중 금속 4종에 대하여 상관계수를 나타낸 것이다. 초미세 먼지와 상관계수가 높은 물질은 니코틴과 크롬, 카드뮴 이었으며, 통계적으로도 유의한 수준을 나타내고 있었 다(p<0.05). 반면, 비소와 납은 상관계수가 높음에도 불구하고 통계적으로 유의하지 않았다. 이는 니코틴과 중금속 4종 개별물질과의 관계에서도 동일하게 나타났 다. 비소는 납과 상관관계가 높고 통계적으로도 유의하 였지만, 흡연의 지표물질인 니코틴과는 다른 양상을 보 였다. 흡연강도에 따라 니코틴과 초미세먼지, 크롬과 카드뮴은 흡연에 대한 비례적인 관계로 볼 수 있지만, 비소와 납은 상관계수와 통계적으로 볼 때 흡연 뿐 아 니라 다른 영향을 받고 있다고 판단된다.
Fig. 3은 담배를 2, 4, 6, 10개비를 방에서 태운 직후 부터 12시간동안의 초미세먼지의 변화 양상을 살펴보 았다. 2개비를 태우는데는 총 3분 30초가 걸렸으며, 4 개비의 경우는 총 8분, 6개비는 12분 30초, 10개비는 20분 30초가 걸렸지만, 최고 농도까지 도달한 시간은 2개비가 약 20분, 4개비가 40분, 6개비와 10개비는 50 분으로 담배를 태운 직후가 아닌, 일정 시간이 지난 후 초미세먼지의 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 환기가 되지 않는 방에서 흡연으로 인한 초미세먼지는 서서히 농도가 감소하는 것으로 났으며, 2개비를 태웠 을 때 거의 초기농도까지 떨어졌으나 그 외에는 초기 농도까지 회복되지 않고 공기 중에 머물러있는 것으로 보여진다.
흡연으로 인해 발생된 초미세먼지가 시간이 지남으 로 바닥으로 자연 침강하거나 벽지 등에 침착된 농도 를 알아보기 위하여 감소율(%)을 식 1과 같은 방법으 로 계산하였다(Table 2).
2개비의 담배를 태웠을 때 2시간 후의 초미세먼지 농도는 약 50%정도로 낮아졌으며, 4, 6, 10개비는 약 6시간이 지나야 50% 이상이 감소되는 것으로 나타났 다. 12시간이 지난 후에는 2개비를 태웠을 때는 90% 정도가 감소되는 것으로 확인되었고, 그 외에는 7~80% 밖에 감소되지 않았다. 창문이나 출입문 등이 모든 닫힌 방에서 초미세먼지는 바닥이나 벽지 등으로 응집 및 중력침강, 침착되어 자연적으로 제거되나, 농 도가 높을수록 포화되면서 공기 중에 계속 머물러 있 는 것으로 확인되었다. 대류나 브라운 확산 등의 일반 적인 입자의 확산은 고려하지 않았으며, 실내 환기율에 따라 흡연으로 인한 초미세먼지의 감소율이 달라질 수 는 있으나, 본 연구에서는 일반적인 상황이 아닌 닫힌 공간이라는 한정적인 상황이기에 일반 환경과는 차이 가 있을 수 있다고 판단된다.
4. 고 찰
국내외적으로 다중이용시설에서 흡연에 의한 초미세 먼지나 니코틴의 농도에 대한 연구, 흡연강도에 따른 인체 영향 등을 알아보는 연구는 많은 편이나 본 연구 와 같이 주택 내 흡연강도와 성분분석에 의한 연구는 미비한 편이다. 또한, 다중이용시설들은 환기설비가 장 착되어 있어 실내에서 흡연으로 인한 확산효과가 크고, 시설체적이 주택보다 크기 때문에 흡연으로 인한 영향 이 희석될 가능성도 높다고 판단된다. 본 연구에서 조 사한 주택과 다중이용시설이라는 상황이 다르지만, 흡 연으로 인한 니코틴이나 초미세먼지의 발생이 인체에 미치는 영향은 동일하다는 가정 하에 다중이용시설에 서 측정한 농도와 비교하고자 하였다.
흡연에 지표물질인 니코틴은 담배에만 존재하는 독 특한 물질로써, 강력한 마약성 물질로 분리된다(Baek and Park, 2005). Kim et al. (2012)와 Ji et al. (2017)에 서 측정한 시설들의 경우, 비흡연시설의 니코틴 농도는 0.05 μg/m3 정도인데 비하여 흡연가능시설인 당구장이 나 노래방, 스크린골프연습장 등은 2~5 μg/m3까지 높 은 농도를 보이고 있었다. Bolte et al. (2008)의 연구에 의하면, 흡연이 가능한 레스토랑이나 주점, 클럽 등에 서 흡연강도에 따라 니코틴의 농도는 큰 차이를 보이 고 있었다. 니코틴의 농도가 가장 높게 측정된 클럽의 니코틴 평균농도는 226.6 μg/m3이었으며, 가장 낮게 측 정된 레스토랑의 평균농도는 9.1 μg/m3으로 나타났다. 클럽은 170~2,200 m2의 면적에서 평균 180~1,200명의 이용객 중 50~60%의 사람들이 흡연을 한다고 하였으 며, 레스토랑은 40~525 m2의 면적에서 평균 7~350명 의 이용객 중 11~50%의 사람들이 흡연을 한다고 하였 다. 즉, 면적당 인구밀도가 높은 시설에서 흡연비율이 높을수록 비흡연자도 니코틴에 노출되는 양이 많아지 고, 그로인해 건강에 큰 영향을 줄 수 있다.
초미세먼지는 EPA (2017)의 연구에 따르면 눈이나 코, 피부 등에 노출되어 기침이나 폐질환, 심장 마비 등을 초래하며, 건강한 사람이라 할지라도 높은 농도의 초미세먼지에 노출되게 되면 일시적으로 호흡곤란 등의 증상을 느낄 수 있다고 하였다. Polichetti et al. (2009) 의 보고에 의하면, 초미세먼지의 농도가 10 μg/m3씩 높 아질 때마다 사망률은 8~18%씩 증가한다고 하였다. 국립환경과학원(2009)의 연구에 의하면, 아파트 100세 대에 대해서 흡연여부에 따른 초미세먼지의 농도를 조 사하였는데, 흡연을 했을 때가 그렇지 않을 경우보다 평균농도가 19.7 μg/m3만큼 높고, 이는 통계적으로도 유의한 결과를 보였다. 세대 내 흡연자 유무에 따라서 는 흡연자가 있는 세대에서는 비흡연 세대에 비하여 초미세먼지의 농도는 높은 것으로 조사되어 실내 흡연 여부에 따라 초미세먼지의 농도에 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 본 연구에 비추어 볼 때, 방 안에서 환기 없이 흡연을 하는 경우, 흡연하는 당사자에게도 단시간 이라도 매우 악영향을 미칠 수 있기 때문에 주의가 필 요하다고 보여진다. 흡연실을 대상으로 연구한 Kim et al. (2015)의 보고에서 흡연을 시작하고 약 10분정도 후에 입자의 발생 패턴은 일정하게 농도 수준을 보이 며, 이때 발생되는 입자의 대부분은 100 nm의 입자로 조사되었다. Kim et al. (2015)에서도 언급하였듯이 광 산란법으로 측정할 경우, 100 nm 정도의 입자들은 측 정할 수 없기 때문에 농도가 과소평가될 수 있다고 보 고하였다. 흡연에 대한 연구를 할 때에는 입자 크기를 고려하여 좀 더 정밀한 측정기기를 병행 측정할 필요 가 있을 것으로 보인다.
Baek and Park (2005)에 의하면 담배연기 중 금속류 는 담배식물의 재배과정에서 사용되는 농약이나 흙, 비 료 등에서 기원하여 보통 담뱃재에 대부분이 검출되지 만, 담배를 태우는 동안 담배연기로도 존재한다고 하였 다. EPA (2005)에서 발표한 인체 발암성에 대한 Group 을 볼 때, 비소는 Group A로 분류되었으며, 이는 암과 의 인과관계를 증명할 수 있는 인체 데이터가 있는 것 을 말한다. 카드뮴, 크롬, 납은 Group B로 분류되며 인 체 데이터는 없지만, 동물 검정실험을 통해 인과관계가 있기에 발암 가능성이 있다고 유추할 수 있다. 국립환 경과학원(2012)에 따르면 2011~2012년까지 다중이용 시설에서 측정한 초미세먼지 내 비소, 카드뮴, 크롬, 납 의 평균농도는 1.9, 1.1, 7.2, 35.9 ng/m3으로 조사되었 다. 이 중 실내 흡연이 이루어지는 인터넷 컴퓨터게임 제공업소에서의 농도는 2.5 (비소), 2.4 (카드뮴), 8.3 (크 롬), 21.3 (납) ng/m3으로 조사되어 금연시설에 비해 납 을 제외하고는 높은 수치를 보이는 경향으로 나타났 다. 납의 경우, 국립환경과학원(2012)의 다중이용시설 중 지하역사와 전시관에서 농도가 높은 것으로 조사 되었고, 본 연구결과에서도 나타났듯이 흡연강도와의 상관관계가 낮고, 통계적으로도 유의하지 않은 것으로 볼 때 흡연과 직접적인 영향관계가 없는 것으로 보인 다. 흡연과 중금속 중 납에 대한 보다 명확한 확인을 위해서는 추후에 추가적인 연구가 더 필요하다고 판 단된다.
5. 결 론
흡연은 흡연자 뿐 아니라 주변의 비흡연자, 특히 노 약자나 어린이, 임산부에게는 악영향을 끼친다. 특히, 흡연은 담배를 태우면서 발생하는 냄새에 대한 불쾌감, 연기의 흡입으로 인한 폐손상이나 암을 유발하여 건강 에 위해가 된다. 본 연구는 주택 내 방에서 흡연으로 인해 발생되는 초미세먼지, 니코틴, 중금속 4종(As, Cd, Cr, Pb)의 농도변화를 알아보았다.
담배를 2개비, 4개비, 6개비, 10개비로 흡연하였을 때, 흡연으로 발생되는 오염물질의 농도는 증가하는 경 향을 보이고 있었다. 흡연강도에 따라 초미세먼지와 니 코틴, 중금속 중 크롬과 카드뮴은 양의 상관관계를 보 이며 증가하는 경향성이 나타났으며, 통계적으로도 유 의한 수준이었다. 그러나 비소와 납은 다른 물질들과는 다른 양상을 보였으며, 6개비 이하보다 10개비일 때 농도가 2~3배 정도 증가된 것으로 나타났다. 흡연직후 부터 12시간 동안의 초미세먼지의 변화양상을 살펴보 면, 환기가 되지 않는 밀폐된 방에서 2개비의 담배를 태웠을 때는 최고농도에서 1/10로 줄어들었지만, 10개 비의 담배를 태웠을 때는 약 70%만이 자연 침강으로 인해 감소되었고, 그 외의 초미세먼지 공기 중에 계속 머물러 있는 것으로 조사되었다. 초미세먼지의 농도가 높은 만큼 벽지나 바닥 등 감소되는 속도도 느려지는 것으로 확인되었다.
실내 흡연을 하는 흡연자의 대부분은 베란다, 화장 실, 방 등에서 담배를 태우는데, 이로 인해서 제대로 환기가 되지 않으면 흡연자나 같은 공간을 이용하는 비흡연자의 건강에 위해한 영향을 주게 된다. 흡연을 하고 시간이 지나 자연 감소가 된다하여도 바람이 분 다거나 사람의 활동으로 인하여 재비산되거나 벽지나 의류 등에 침착된 오염물질이 계속적으로 방출될 수 있기 때문에 실내 흡연은 금하고 외부에 별도로 설치 된 흡연실 등을 이용하는 것을 권장하는 바이다.
