1. 서 론
최근 수년 동안 우리나라의 경우 2019년도 정부발표 에 의하면 자동차 보유대수가 약 2,280만대를 넘어서 고 있고(Cha and Hwang, 2019), 에너지 공급 정책에 서의 화력발전소 비중이 커지면서, 미세먼지(Particlulate Matter, 이하 PM)에 대한 관심이 극대화되고 있는 실정이다. 미세먼지는 입자의 직경에 따라 분류되며, 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5), 극미세먼지(PM1.0) 등으로 크게 구분된다. 2013년 세계보건기구(World Health Organization, WHO)에서는 입자상 물질 중 미 세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5)를 인체발암물질(Carcinogenic to human)인 1급 발암물질로 규정하였고 (WHO, 2013), 최근 국내는 물론이고 동남아시아를 중 심으로 미세먼지에 대한 관심이 고조되고 있다(Moon et al., 2018). 기존의 미세먼지는 주로 토양, 꽃가루, 황 사, 파도의 분산 등과 같은 자연적 발생원과 산업시설, 자동차 배출가스, 가정의 난방 등과 관련된 인위적 발 생원으로부터 주로 발생되며, 근래에는 대기온도의 상 승, 강우량 변화, 폭우 등 기후 변화에 따라 생활환경 에도 영향에 관련이 있는 것으로 보고되고 있다(Park et al., 2018).
미세먼지는 하나의 물질이 아닌 이온성분 및 유기성 분, 중금속 등 화학적인 물질로 구성되어 있으며, 이 중 중금속은 비중 4 g/cm3 이상인 비소(As), 카드뮴 (Cd), 수은(Hg), 망간(Mn)과 같은 금속원소를 말하며, 자연적으로 존재하거나 또는 산업화로 인한 농도가 증 가되고 있다(Heo et al., 2012). 중금속 원소는 극미량 이라도 인체에 건강영향에 영향을 주는 것으로 알려져 있으며, 위장과 신장, 혈액학적 및 신경계 독성 등 치 명적이며, 식물의 기공이나 토양에 흡착되어 식물 성장 에도 장애를 주는 것으로 알려져 있다(Jeon et al., 2010). Kang et al. (2018)의 연구결과에서, 토양이나 도시지역뿐만 아니라 산업단지의 영향과 관련이 있다 고 보고하였고, 중국 톈진의 초미세먼지와 중금속 특성 을 연구한 Chen et al. (2014)의 결과에서도 연료 및 석 탄, 자동산 산업 등 인위적인 발생원에서 배출되는 Cr, Cd, As, Ni, Cu 등 9개의 중금속은 U.S EPA (United States Environmental Protection Agency)에 규정한 허 용수준보다 낮은 농도이지만, 성인이나 어린이에게 건 강 문제를 발생한다고 보고되고 있어 유해대기오염물 질에 대한 관리의 필요성을 강조하고 있다.
우리나라도 대기질을 관리하기 위해 대기환경기준을 설정하고, 대기오염 수준을 모니터링하며, 그 중 PM10 과 PM2.5의 대기환경기준치가 설정되어 관리되고 있다. 미세먼지는 입경이 작아질수록 부피에 비해 표면적이 넓어져 오염물질에 흡착이 증가하고, 체내 깊숙한 곳까 지 침투 할 수 있다(Lee et al., 2018). 따라서 미세먼지 농도가 증가하면 호흡기계 및 심혈관계 관련 질환 발 생 위험을 높인다고 알려져 있다(Jang, 2014). 이탈리 아의 한 연구에 의하면 미세먼지의 노출은 또한 천식 및 알레르기와 연관성을 나타낸다고 한다(Baldacci, et al., 2015.). 중국에서의 연구 경우도 일반화부가모델을 (Generalized Additive Model, GAM)을 이용하여 온도 보정을 하면 미세먼지의 농도가 10 μg/m3이 증가할 때 전체 호흡기계 질환이 0.23% 증가하는 것으로 보고되 고 있다(Qin Xu et al., 2016). 우리나라에서도 이탈리 아, 중국 등의 연구와 같이 아토피 등 미세먼지와 건강 영향에 관련성들이 사례로 보고되고 있다(Jang, 2014).
사람들이 생활하는 환경은 실외보다 주택과 같은 실 내이고, 미세먼지 노출은 대부분 실내 환경에서 발생되 어진다(Yang et al., 2011). 실내에서 발생하는 미세먼 지는 주방 및 거실, 인접공간까지 확산되어 여러 재실 자들에게 악영향을 미친다고 알려져 있으며(Kim et al., 2018), 질병과 외부의 자극에 대한 저항이 약한 초 등학생이 주로 생활하는 학교에서 발생하는 미세먼지 의 영향에 대한 연구(Park et al., 2018)도 실시되었다.
이와 같이, 미세먼지(PM10)는 산업단지, 배출량, 중금 속 농도 분포, 건강영향에 미치는 영향에 관한 연구와 다중이용시설의 실내공기질 분석 등 다양하게 연구가 진행되었지만, 사람들이 거주하는 주택을 중심으로 실 내, 실외 초미세먼지(PM1.0, ultrafine particulate matter) 농도와 중금속 농도를 연계한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 우리나라 일부지역인 여수와 아산의 일부 주택 을 대상으로 미세먼지 중 PM1.0에 대한 중량농도와 중 금속의 분포를 파악하여 향후 이에 대한 관리방안 대 책의 기초자료로 활용하고자 한다.
2. 연구대상 및 방법
2.1 연구기간 및 대상
본 연구에서는 대상 지역을 전남 여수 지역에 협조 가능한 대상자를 섭외하여 주택 실내, 실외 20세대를 측정하였으며, 충남 아산지역의 S대학교를 대상으로 단과대학 1곳을 선정하여, 2018년 3월부터 9월까지 실 내, 실외의 PM10을 측정하였고, 서울대학교 기초과학 교육연구 공동기기원에서 중금속을 분석하였다. 두 지 역의 특성상 인근 주거지역과 인접하고, 교통량이 많은 것을 고려하여 선정하였다.
2.2 시료채취 방법
여수지역은 소용량 공기채취기(Mini volume air sampler, Air Metrics, USA)와 Pallflex membrane filter (47 mm, Pall corp., USA)를 사용하여, 실내, 실외 PM10 (중금속)을 채취하였으며, 채취 시 흡인유량은 5 L/min으로 실내·외 지점별로 6시간동안 측정하였다 (Lee et al., 2013).
아산지역은 11 Impactor Stage로 구성된 MOUDI (Micro-orifice Uniform Deposit Impactor)를 이용하였 고, 각 단의 분리입경(Cut-Size, areodynamic diameter) 은 18≤, 18-10, 10-5.6, 5.6-3.2, 3.2-1.8, 1.8-1.0, 1.0- 0.56, 0.56-0.32, 0.32-0.18, 0.18-0.1, 0.1-0.056 μm이고, 입구(Inlet)의 분리입경은 18 μm이며, 흡인 유량은 분 당 30 L/min의 유량으로 7일 동안(168시간) 실내와 실 외를 연속하여 대기 중 PM1.0 (중금속)을 측정하였다. Filter는 Stage 1-Stage 9까지 Pallflex membrane filter (47 mm, Pall corp., USA)를 사용하였으며, Stage 9- Stage 11의 필터는 PTFE Filter (Polytetrafluoroethylene Membrane Filters, 46.2 mm, What man社)를 사용 하였다.
Filter는 항온, 항습 상태인 데시게이터 내에서 48시 간 이상 보관하여 사용하였으며, 1 μg까지 측정 가능한 Micro Balance (Satorius, CP2P-F)를 이용하여 무게를 측정한 후 시료를 포집하였다.
2.3. 분석 방법
PM10과 PM1.0을 포집한 시료는 채취 전과 동일한 방 법으로 항온 40 ± 2°C, 항습이 약 40% 상태인 데시케 이터 내에서 48시간 이상 보관한 후 1 μg까지 측정 가 능한 Micro Balance (CPA2P-F, Sartorius, 독일)를 이 용하여 필터 무게를 측정한 후 중량농도를 산출하였다.
중금속의 추출은 hor plate를 이용하였으며, 추출용 매는 고순도급 질산(nitric acid 이하; HNO3) 65%를 사 용하였다. Teflon vessel에 필터를 넣은 후 HNO3 7ml 와 불산(Hydrofluoric acid 이하; HF) 2 ml를 넣어 전처 리를 진행하였다. 180°C에서 8시간 분해하였고, 분해 가 끝난 뒤 teflon vessel에 증류수 15 ml를 넣고 산을 휘발시켰으며, 이 과정을 3번 반복하였다. 추후 3차 증 류수로 최종 용량이 20 ml가 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 값 에 대해 보정하였으며, 검량선 작성 시 표준용액은 0.2 ppb, 2 ppb, 20 ppb로 희석한 용액을 사용하였다. ICP/ MS의 분석조건은 Table 1에 나타내었다.
2.4 통계분석
측정 결과의 분석을 위해 SPSS Ver. 25.0를 사용하 였다. 주택에서의 실내와 실외 PM10 농도와 중금속농 도는 비모수적 방법인 Mann-Whitnety를 사용하고 순 위합 검정을 이용하여 두 독립 표본의 크기를 비교하 였으며, 실내와 실외의 단계별 PM농도는 Spearman를 사용하여 입자 크기별 상관분석을 실시하였다.
3. 연구결과 및 고찰
3.1 여수지역의 PM10 농도
여수 일부 지역에 거주하는 주민의 주택을 대상으로 실내와 실외 PM10 농도를 분석한 결과(Table 2), 실내 의 PM10 농도는 18.25 ± 16.61 μg/m3로 나타났고, 실외 의 PM10 농도는 14.53 ± 11.83 μg/m3로 제시되었으며, 우리나라의 PM10 대기환경 기준치는 연간 평균치와 24시간 평균치로 구분되어 있으며, 각각 50 μg/m3, 100 μg/m3 이하이며, 실내공기질 기준치는 150 μg/m3 이하로, 여수의 실내, 실외 PM10 농도는 기준치를 초과 하지 않는 것으로 나타났다. 실내/실외 농도비(Indoor/ Outdoor Ratio; 이하 I/O)의 경우 1.26으로 1을 초과하여 실내의 발생원이 존재할 가능성이 있는 것으로 나타났 다(Table 2). 이는 대상자들이 거주하는 주택 실내에서 거주하는 시간이 많고, 환기를 실시하지 않고 조리할 경 우 PM10이 실외보다 2배 이상 높은 농도를 보인다는 결 과를 보아(Kim et al., 2017), 본 연구 결과와 비슷한 패 턴으로 추정되어 이에 대한 영향으로 생각되어진다.
다른 연구결과와 비교해볼 때, Kang et al. (2014)의 연구에서는 시화산업단지 인근지역에 위치한 학교 실 내·외 PM10을 분석한 결과, 공단 내에 위치한 학교의 실내, 실외 농도는 각각 30.8 μg/m3, 33.0 μg/m3이며, 공단 외에 위치한 학교의 실내, 실외 농도는 각각 23.1 μg/m3, 36.6 μg/m3로 보고되어, 본 연구와 다른 결 과들을 보였다. 서울의 어린이집 실내와 복도의 PM10 농도를 분석한 결과에는 어린이집의 실내 평균농도는 95.7 μg/m3, 복도는 68.3 μg/m3로 분포되어(Sohn et al., 2014), 본 연구 결과와 같이 실내에 PM10 농도가 높은 결과를 나타냈다. 이와 같은 결과는 실내 농도 증가의 가능성이 보이지만, 그 외에 자동차 배기가스, 연료 연 소, 산업 환경의 대기오염물질 유입 또는 건축재료, 가 구, 흡연, 전기장치 등의 다른 요인들도 파악이 필요한 것으로 보인다(Park et al., 2017).
3.2 여수지역의 PM10 중 중금속 농도
주택의 실내와 실외 PM10 중 중금속 농도를 분석한 결과(Table 3), 중금속 함량은 실내의 경우 망간(Mn) 2.81 μg/m3, 크롬(Cr) 1.30 μg/m3, 니켈(Ni) 1.11 μg/m3 비소(As) 0.43 μg/m3, 카드뮴(Cd) 0.12 μg/m3으로 나타 났다. 실내의 중금속 비율 중 망간(Mn)이 가장 높게 차지하고 있었다. 실외의 중금속 함량은 크롬(Cr) 3.44 μg/m3, 망간(Mn) 2.60 μg/m3, 니켈(Ni) 1.73 μg/m3, 비소(As) 0.42 μg/m3, 카드뮴(Cd) 0.13 μg/m3으로 측정 되었다. 실외 중금속 비율은 크롬(Cr)이 가장 높게 분 포하였다. I/O 값은 비소(As)와 망간(Mn)에서 1.02와 1.08로 1을 초과하는 것으로 나타났으며, 크롬(Cr), 니 켈(Ni), 카드뮴(Cd)의 경우 I/O 값이 1 이하의 값으로 실외 농도가 실내에 비하여 높은 것으로 조사되었다. 이는 산업단지의 주요한 산업 활동에 따라 다르며, 사 업장에서 배출되는 다량의 입자상물질에 의한 영향을 받았다고 생각되지만(Kim et al., 2010), Song et al. (2015)의 연구에서는 대구광역시 산단지역과 주거지역 의 중금속 성분을 파악한 결과 Mn 39.7 μg/m3, Ni 4.8 μg/m3, As 3.1 μg/m3, Cd 1.4 μg/m3로 농도가 검출 되었는데 산단지역이 비산단지역보다 1.6-2.7배 높다고 보고되어, 실외뿐만 아니라 실내에서 발생되어지는 중 금속의 발생원 규명이 중요한 것으로 생각된다. Fig. 1
3.3 아산지역의 PM1.0 농도
아산 S대학교의 실내와 실외 PM1.0 농도를 분석한 결과를 단계별로(Stage1-11) 나누어 Table 4에 나타 내었다. 단계별 총 실내와 실외 평균은 1.70 μg/m3와 1.76 μg/m3으로 측정되었으며, I/O값은 1을 초과하지 않았다. 그러나 Stage 6 (1.8-1.0 μm)과 Stage 7 (1.0- 0.56 μm) 실내농도는 3.71 μg/m3와 3.27 μg/m3로 다른 단계별(Stage1-5, 9-11) 실내농도보다 높은 농도를 보 였다. 실외 농도에서도 Stage 6 (1.8-1.0 μm)에서 3.04 μg/m3로 이외의 단계별 실외농도보다 높은 분포를 보 이고 있어, 실내와 실외에서 입경의 사이즈가 1.8-1.0 μm인 미세입자가 포집이 되는 것을 확인하였다.
Choi (2012)의 선행 연구결과에서도 입경별 사이즈 가 1.0-0.056 μm인 단계의 실내 및 실외 농도는 각각 1.106 μg/m3, 1.182 μg/m3이며, 0.056 μm 이하의 실내 및 실외 농도는 각각 0.861 μg/m3, 0625 μg/m3로 실내 의 농도가 높은 것으로 보고되어, 본 연구와 결과와 다 른 차이를 보였다. 이는 연구가 이루어진 실내 측정 장 소는 밀폐된 공간이며 사무용품 기기의 사용에 의해 극미세입자의 발생이 증가했을 것으로 추정된다. Seo et al. (2011)도 프린트 및 복사기 등의 사무용품을 일 정기간 사용하는 경우 미세입자가 유사한 수준으로 배 출 된다고 보고하였다. 실외의 측정 장소는 나가는 출 입구와도 인접되어 있으며, 출입구 주변의 흡연장에서 발생하는 담배연기로 인하여 영향을 받았다고 생각된 다. Ji et al. (2015)의 연구에서도 실내흡연에 따른 미 세먼지 누적과 입자의 크기가 작아질수록 침강속도가 느리며, 흡연자의 수와 흡연이 이루어지는 이격 거리에 따라 미세먼지 농도에 크게 영향을 준다고 보고되고 있어 구체적인 영향요인 파악을 위한 연구가 정책적으 로 진행될 필요가 것으로 판단된다.
3.4 아산지역의 PM1.0 중 중금속 농도
아산의 S대학교의 실내와 실외 PM1.0 중 중금속 분 석 결과, 검출되지 않은 값은 제외하고 제시하였다 (Table 5). 실내의 중금속 함량은 망간(Mn) 9.50 μg/m3, 카드뮴(Cd) 4.69 μg/m3, 크롬(Cr) 4.21 μg/m3, 니켈(Ni) 2.78 μg/m3, 비소(As) 1.53 μg/m3으로 나타났으며, 중금 속 비율은 망간(Mn)이 가장 높게 나타났다. 실외의 경 우 망간(Mn) 5.73 μg/m3, 니켈(Ni) 3.45 μg/m3, 카드뮴 (Cd) 1.37 μg/m3, 크롬(Cr) 1.15 μg/m3, 비소(As) 0.51 μg/ m3로 나타났으며, 실내와 마찬가지로 실외의 중금속 비율은 망간(Mn)이 가장 높게 분포되었다(Fig. 2). 중 금속 농도의 I/O 값은 비소(As)와 카드뮴(Cd), 크롬 (Cr), 망간(Mn)에서 I/O 값이 1을 초과하는 것으로 나 타났으며, 니켈(Ni)의 경우 I/O 값이 1 이하의 값으로 실외 농도가 실내에 비하여 높은 것으로 조사되었다. 충남지역의 극미세입자 중 중금속 농도를 0.10-0.056 μm와 ≤0.056 μm으로 구분하여 분석한 연구에서는 (Cho et al., 2010), 크롬(Cr)은 0.74 ng/m3, 0.41 ng/m3, 망간(Mn) 0.17 ng/m3, 0.04 ng/m3, 니켈(Ni) 0.35 ng/m3, 0.49 ng/m3로 본 연구결과와 비교하였을 때 비슷한 중 금속의 성분분포를 보였다. Park et al. (2005)연구에서 는 서울 북부지역에 있는 학교의 미세먼지 중 중금속 함량을 분석한 결과, 크롬(Cr)과 망간(Mn)은 다른 중 금속 아연(Zn), 비소(As) 등의 물질보다 높은 분포를 나타내었다.
3.5 아산지역 실내, 실외 PM입자 크기의 상관성
아산지역의 PM농도를 MOUDI (측정기기)단계별로 상관성 분석을 실시한 결과, 실내의 Stage 5 (3.2-1.8 μm)와 Stage 8 (0.56-0.32 μm)에서 r2 = 0.830으로 가장 높은 상관성을 나타났으며, Stage 1 (18 μm 이상)은 Stage 2 (18-10 μm), Stage 5 (3.2-1.8 μm), Stage 8 (0.56- 0.32 μm)과 관련성을 보여, 18 μm 이상과 18-10 μm 입 경 사이즈의 농도가 증가될수록 3.2-1.8 μm, 0.56-0.32 μm 입경의 사이즈가 증가되는 경향을 보이는 것으로 평가된다(Table 6).
실외의 PM농도 분포는 Stage 5 (3.2-1.8 μm)와 Stage 6 (1.8-1.0 μm)에서 r2 = 0.806으로 가장 높은 상관성을 보이지만, 실내와 다르게 Stage 3 (10-5.6 μm)은 Stage 5 (3.2-1.8 μm)와 Stage 6 (1.8-1.0 μm)에서 r2 = 0.680, 0.789을 보이며, Stage 4 (5.6-3.2 μm)는 Stage 7 (1.0- 0.56 μm)에서도 r2 = 0.723로 나타냈다(Table 7).
이들 결과는 PM 3.2-1.8 μm이 많아질 때 PM 1.8- 1.0 μm의 중량도 동시에 많아지는 경향을 보이고 있다. 본 연구결과, PM10에 대한 관리방안을 마련할 시 실내 와 실외 PM10의 발생양상 차이를 고려하여 진행되어 야 할 필요성이 있는 것으로 생각된다.
4. 결 론
본 연구는 2018년도 3월부터 9월까지 국내 일부지 역의 실내공기 중 미세먼지와 초미세먼지 농도(PM10, PM1.0) 및 중금속 분포를 측정한 결과 다음과 같은 결 론을 얻었다.
여수지역의 PM10 농도는 실내 18.25 μg/m3, 실외 14.53 μg/m3으로 대기환경 및 실내공기질 기준치를 초 과하지 않았다. 아산지역의 실내·외 PM1.0 농도는 실내 1.70 μg/m3, 실외 1.76 μg/m3 로 나타냈다. 여수지역의 PM10 중 중금속 농도는 실내에서 Mn 2.81 μg/m3, Cr 1.30 μg/m3, Ni 1.11 μg/m3의 비율이 가장 높았으며, 실 외에선 Cr 3.44 μg/m3, Mn, 2.60 μg/m3, Ni 1.71 μg/m3 로 비슷한 농도로 제시되었다.
MOUDI를 이용하여 아산의 미세먼지 상관계수를 적 용한 실내의 경우, Stage 6 (1.8-1.0 μm)에서 중량농도 가 3.71 μg/m3로 높은 농도를 보였으며, 실외는 Stage 6 (1.8-1.0 μm)에서 농도가 3.04 μg/m3으로 높은 경향 을 보였다.
그리고, PM 3.2-1.8 μm 그룹이 많아질 때 PM 1.8- 1.0 μm의 중량도 동시에 많아지는 경향을 보이고 있어 미세먼지의 관리방안을 고려할 때는 먼지의 크기별은 물론이고 실외와 실내에서의 미세먼지 거동을 구분하 여 진행할 필요가 있다고 생각된다.
이와 같은 연구결과는 국내 일부지역인 여수와 아산 의 미세먼지의 중금속 농도 수준이 환경기준을 넘지는 않지만, 공기 중에는 지속적으로 미세먼지의 노출이 존재함으로, 환경보건학 측면에서 재실자의 건강 위해 를 방지하기 위한 중·장기적인 대책이 필요한 것으로 판단되며, 이를 위한 기초자료로 활용이 클 것으로 생 각된다.
