1.서 론
산업혁명 이후 환경오염은 빠르게 증가되었으며, 특 히 대기오염은 즉각적인 질병 유발 및 악화를 일으키 고 오염된 대기에서는 태아 및 어린이를 비롯하여 성 인에게 심각한 호흡기 질환을 발생시키고 있다(Park et al., 2016; Oh et al., 2017). 건강위해성에 관한 연구에 서 대기오염은 사망, 호흡기계 및 심혈관계 질환으로 인한 병원 입원, 응급실 방문, 저체중아 출산, 폐기능 등에 악영향을 미치는 것으로 보고되고 있으며(Bae et al., 2008), 대기오염물질 중 입자상 물질(particulate matter 이하; PM10)은 천식 악화, 만성 폐쇄성 폐질환 등 호흡기계 관련 질환의 발생위험을 높이는 것으로 보고되었다(Bae, 2014).
이러한 입자상물질은 토양의 비산먼지, 황사 등과 같은 자연적 발생원과 산업시설, 자동차 배출가스, 가 정의 난방 등과 관련된 인위적 발생원으로부터 주로 발생되며(Cho, 2010), 입자의 크기, 표면적 및 화학적 조성 등이 건강영향을 결정하는 것으로 알려져 있다 (Shin, 2007).
대기 중 중금속은 입자상물질에 흡착되어 부유하는 물질로, 유해 중금속의 경우 위장과 신장, 혈액학적 및 신경계 독성 등의 치명적인 영향을 주는 것 뿐 아니라 식물의 기공이나 토양에 흡착되어 식물 성장에도 많은 장애를 주는 것으로 알려져 있다(Jeon et al., 2010).
그 중 구리(copper 이하; Cu)는 사람에게 있어서 필 수금속의 대표적인 것으로 환경 중에 상당히 많은 양 이 존재하고 있으며, 주요 발생원으로는 주로 승용차의 차체 및 각종 부속품과 관련이 있는 것으로 나타났다 (Jo and Park, 1999). 또한 주로 간에 축적되면서 신경 계 및 심혈관계 독성이 극대화되어 인체에 심한 악영 향을 주기도 하는데, 윌슨병(Wilson’s disease)이 대표 적인 질병으로 알려져 있다.
망간(manganese 이하; Mn)은 인체 필수원소 중 하 나이기는 하지만 과다 노출될 경우 신경계의 손상을 초래하고 폐의 염증 등을 유발하며(Kwon, 2015), 저농 도의 대기 중 망간 노출은 파킨슨병(Parkinson’s disease) 을 초래하는 것으로 보고되었다(Alves et al., 2009). 인체에 유해하지만 현재 발암물질로 분류되지 않아, 망간 자체에 대한 연구는 미비한 실정이다 (Kwon and Kim, 2016).
크롬(chromium 이하; Cr)은 생체 필수 중금속으로서 산업적으로는 주로 도금, 피혁 제조, 색소, 방부제, 약 품 제조업 및 기타 공업에서 사용되며 분진 및 흄으로 인체에 흡수되고(Solis-Heredia et al., 1999), 건축용 시 멘트 및 먼지 등을 통해 실내 환경의 공기 중에서 주로 검출된다. 또한 알레르기, 아토피성 피부염 등 새집증 후군의 주요 원인 물질로 알려져 있다(Isikl et al., 2003). 특히, 6가 크롬은 크롬에 고온이 가해져 생성되 며, 크롬화합물 중 생체에 가장 유해한 것으로 아토피 뿐만 아니라 폐암 및 위암을 유발하는 맹독성 발암물 질로 보고되고 있다(Lee, 2010).
따라서, 본 연구에서는 환경오염 지역인 광양 일부 곳곳에 거주하는 주민들 중 호흡기 질환을 앓고 있는 환자군과 그에 따른 일반인 대조군 가정을 대상으로 실내·외 대기 중 PM10과 중금속 농도를 조사함으로써 호흡기 질환 환자 가정의 대기 중 오염물질 농도를 파 악하기 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
2.연구대상 및 방법
2.1.연구대상
본 연구는 2017년 4월 24일부터 27일까지 산업단지 가 집중되어 있는 광양시 일부 지역(광영동, 중마동, 봉강면)(Fig. 1) 거주 주민 중 설문조사를 통해 후두염, 비염, 인두염 항목에서 의사의 진단을 받았거나, 2주 이내에 수술 또는 약물치료를 받은 대상자를 호흡기 질환 환자군, 그 이외의 경우를 대조군으로 선정하여 환자·대조군 가정을 대상으로 실내·외 PM10 농도와 미세입자 중 주요 중금속 농도를 파악하기 위하여 수 행되었다.
2.2.시료채취 및 분석
2.2.1.미세먼지
소용량 공기채취기(mini volume air sampler, Air Metrics, USA)를 이용하여 측정하였으며, 채취 시 흡인 유량은 5 L/min으로 실내·외 지점별로 가정의 재실자 가 있을 때를 기준으로 6시간 동안 측정하여 PM10의 중량농도를 산출하였다. 시료채취에 사용된 필터(ϕ 47 mm, Pallflex membrane filter, USA)는 시료채취 전·후 항온 및 항습장치에 48시간 이상 보관하였으며, 10−6g의 micro balance(CP2P-F, Sartorius, Germany)로 3회 반복하여 중량을 칭량한 후 평균값을 계산하였다. 중량농도 계산식은 식 (1)과 같다.
2.2.2.미세입자 중 중금속
중금속의 추출은 hot plate를 이용하였으며, 추출용 매는 고순도급 질산(nitric acid 이하; HNO3) 65%를 사 용하였다. teflon vessel에 필터를 넣은 후 HNO3 7 mL 와 불산(hydrofluoric acid 이하; HF) 2 mL를 넣어 전 처리를 진행하였다. 180°C에서 8시간 분해하였고, 분 해가 끝난 뒤 teflon vessel에 증류수 15 mL를 넣고 산 을 휘발시켰으며 이 과정을 3번 반복하였다. 추후 3차 증류수로 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 대하여 보정하였으며, 검량선 작성 시 표준용액은 0.2 ppb, 2 ppb, 20 ppb로 희석한 용액을 사용하였다. 이용된 ICP/MS의 분석조건은 Table 1에 나타내었으며, 중금속 농도 계산식은 식 (2)와 같다.
2.3.통계분석
통계분석은 SPSS (version 22.0, SPSS Inc.)를 사용 하였으며, 광양시 일부 지역 호흡기 질환 환자·대조군 및 가정에서의 실내·외 PM10 농도의 평균차이 검정은 정규분포 특성을 고려하여 student’s t-test를 이용하여 나타내었다. 미세입자 중 주요 중금속 농도는 산술평균 과 기하평균으로 나타내었으며, 환자·대조군 및 실내· 외 사이의 평균차이 검정은 Mann-Whitney U test를 실시하였다. 실내·외 PM10 및 중금속(Cu, Mn, Cr) 사 이의 상관관계는 Spearman의 서열상관분석을 이용하 여 나타내었다.
3.연구결과 및 고찰
3.1.공기 중 미세먼지 농도
전체 대상자 가정에서의 실내·외 PM10 평균농도는 각각 16.794 ± 7.538 μg/m3, 34.478 ± 16.226 μg/m3로 실외가 실내보다 높게 나타났으며, 통계적으로 유의한 차이(p<0.001)를 보였다. 그러나 호흡기 질환 환자군과 대조군 가정 사이의 PM10 평균농도는 실내(17.071 ± 7.036 μg/m3, 16.241 ± 9.034 μg/m3), 실외(34.270 ± 14.629 μg/m3, 34.894 ± 20.338 μg/m3) 모두 비슷한 수준으로 조사되었으며, 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않 았다(Table 2).
우리나라와 세계보건기구(world health organization 이하; WHO)의 PM10 대기환경 기준치는 24시간 평균 100 μg/m3, 50 μg/m3 이하, 우리나라 일반 다중이용시 설 실내공기질 기준치는 150 μg/m3 이하로, 실내·외 및 환자·대조군에 따른 평균농도 모두 기준치보다 낮 은 수준으로 나타났다. 다른 연구결과와 비교하여 보았 을 때, 서울 주택 실내·외에서의 PM10 농도 측정결과 에서는 실외가 평균 53.07 ± 19.50 μg/m3로 실내의 평 균 46.27 ± 31.14 μg/m3에 비해 높은 농도를 나타내었 다(Park and Seo, 2005). 시화산단 및 인근지역에 위치 한 학교 실내·외 공기의 PM10을 분석한 결과에서는 공단 내에 위치한 학교의 실내·외 농도가 각각 30.8 μg/m3, 33.0 μg/m3, 공단 외에 위치한 학교의 실 내·외 농도가 각각 23.1 μg/m3, 36.6 μg/m3로(Kang et al., 2014) 본 연구결과와 같이 실내보다 실외에서 공기 중 PM10 농도가 높게 조사되었으며, 이는 차량, 공장 및 산업단지, 제철소, 주택난방, 소각처리시설, 건설현 장 등과 같은 미세먼지의 주요 배출원으로부터 발생된 것으로 판단된다(Ki et al., 2015).
3.2.미세입자 중 중금속 농도
전체 대상자 가정에서의 미세입자 중 주요 중금속 함량은 실내에서 Cu >Mn > Cr, 실외에서 Mn > Cu > Cr 등의 순으로 조사되었다. 실내·외에 따른 평균농도 는 Cu, Mn, Cr 모두 실내(63.193 ± 59.869 ng/m3, 60.752 ± 48.456 ng/m3, 49.695 ± 53.087 ng/m3)보다 실외(156.719 ± 149.309 ng/m3, 171.608 ± 132.000 ng/m3, 129.829 ± 109.754 ng/m3)에서 더 높게 나타났으며, 특히 Mn (p<0.01), Cr (p<0.05)의 실내·외 평균농도는 통계적으로 유의한 차이를 나타내었다. 호흡기 질환 환자군과 대조 군 가정에 따른 실내·외 평균농도는 Cu의 경우 환자군 80.402 ± 63.001 ng/m3, 205.910 ± 159.769 ng/m3, 대조군 28.775 ± 35.705 ng/m3, 58.337 ± 45.451 ng/m3, Mn의 경 우 환자군 73.485 ± 44.546 ng/m3, 209.626 ± 134.024 ng/ m3, 대조군 35.287 ± 48.912 ng/m3, 95.572 ± 95.100 ng/ m3, Cr의 경우 환자군 66.531 ± 56.554 ng/m3, 156.931 ± 112.038 ng/m3, 대조군 14.019 ± 21.916 ng/m3, 66.173 ± 88.399 ng/m3로 세 중금속 모두 환자군이 대조군에 비 해 높은 값으로 조사되었으며, 특히 Cu (p<0.01) 및 Mn (p<0.05)은 실외에서, Cr (p<0.05)은 실내에서 환 자군과 대조군 사이의 통계적으로 유의한 차이를 보였 다(Table 3).
국립환경과학원의 대기환경연보(2016)를 살펴보면, 대기중금속 측정망 현황에서 연평균 농도가 Cu는 0.0016 - 0.0877 μg/m3, Mn은 0.0087 - 0.1764 μg/m3, Cr은 0.0004 - 0.0403 μg/m3의 범위로 나타났으며 (NIER, 2016), 또한 주거지역과 인접한 항만시설이 많 은 부산지역의 미세먼지 중 중금속 연구에서도 봄철의 평균농도가 Cu는 0.0019 ± 0.0014 μg/m3, Mn은 0.0101 ± 0.0054 μg/m3, Cr은 0.0059 ± 0.0000 μg/m3로(Lee et al., 2011), 본 연구결과의 실외 중금속 농도가 더 높은 수준을 보였다. 교실 미세먼지에 함유된 중금속을 측정 한 연구에서는 Cu가 0.0503 μg/m3, Mn이 0.0214 μg/ m3, Cr이 0.0798 μg/m3로(Lee, 2008), 본 연구결과의 실내 중금속 중 Cr을 제외한 Cu 및 Mn 농도가 더 높 은 수준으로 나타났으며, 실내·외 및 환자·대조군에 따른 Mn의 일부 평균농도는 WHO의 대기환경 권고기 준치(0.15 μg/m3)를 초과하였다. 이는 본 연구대상 지 역인 광양에 산업단지 및 제철소가 위치하고 있어 다 른 지역에 비해 대기 중 중금속의 영향을 더 많이 받은 것으로 생각된다(Jo et al., 2009). 공단지역인 안산의 대기 중 중금속 분포 특성에 대한 결과에서는 Cu > Mn > Cr 등의 순으로 본 연구결과와 비슷하게 나타났 으며, 그 원인으로 철강, 철합금, 도금공장 등 중소규모 공장들이 집중되어 있기 때문으로 판단된다(Kim et al., 2014).
3.3.미세먼지와 중금속 농도와의 상관성
실내·외 PM10 농도와 미세입자 중 중금속 농도와의 상관성 분석을 실시한 결과, 실외 PM10 농도와 실내 Mn 농도, 실외 Cu 농도와 실내 Cu, Mn, Cr 농도, 실 외 Mn 농도와 실내 Cu, Mn 및 실외 Cu 농도, 실외 Cr 농도와 실내 Mn, Cu 농도, 실내 Mn 농도와 실내 Cu, Cr 농도 사이에 양의 상관관계(p<0.05)를 나타내 었다(Table 4).
서울지역 대기 중 PM10의 중금속 함량 비교에 대한 연구에서는 Cr과 Cu, Cr과 Mn, Cu와 Mn 사이의 유의 하게 높은 양의 상관성(p<0.01)을 나타내고 있으며, 이 는 차량의 석탄, 가솔린, 디젤이 주요 오염원으로 작용 한 것으로 보이는 연구결과(Choi, 2007)를 고려할 때 본 연구와 비슷한 결과를 나타내었다. 본 연구결과를 통해 실외의 PM10 및 중금속 농도가 증가할수록 동시 에 실내의 중금속 농도도 증가한다는 것을 보여주고 있으나 표본수가 극히 적어 객관적인 결과로 보기에는 어려운 것으로 판단된다.
현재, 대기환경 기준의 중금속 항목은 우리나라가 납(lead 이하; Pb), WHO가 카드뮴(cadmium 이하; Cd), Mn으로 설정되어 있어 다른 중금속에 대한 정확 한 기준치가 없으며, 우리나라의 PM10 대기환경 기준 치는 24시간 평균 100 μg/m3 이하로 WHO 및 유럽연 합(european union 이하; EU)의 24시간 평균 기준치 (50 μg/m3 이하)보다 약 2배 높은 실정이다. 최근 우리 나라와 세계 주요국가와의 미세먼지 농도를 비교해 보 았을 때, 높은 인구밀도와 도시화 및 산업화로 인해 서 울의 대기오염도가 상대적으로 높아지고 있으므로 대 기환경 기준의 강력한 강화가 요구될 것으로 생각된다. 또한 호흡기 질환 환자에 대한 대기오염물질 노출 관 련 연구가 부족한 실정이므로 표본수를 좀 더 확대하 여 추후 본 연구를 보완한 지속적인 연구가 필요할 것 으로 판단된다.
4.결 론
본 연구는 광양 일부 지역 거주 주민 중 호흡기 질 환 환자군 및 대조군 가정을 대상으로 실내·외 PM10 농도와 미세입자 중 주요 중금속 농도를 분석하였다. 본 연구결과 광양 지역의 집중된 산업단지의 영향으로 PM10 농도가 실내보다 실외에서 높게 나타났으나, 환 자·대조군 사이에서는 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.
미세입자 중 주요 중금속 함량은 실내에서 Cu >Mn > Cr, 실외에서 Mn > Cu > Cr 등의 순으로 검출되었으 며, 세 중금속(Cu, Mn, Cr) 모두 실내보다 실외에서 높 은 농도를 나타내었으며, 특히 Mn과 Cr의 경우 통계 적으로 유의한 차이를 나타내었다(p<0.05). 환자·대조 군에 따른 중금속 결과는 Cu, Mn, Cr의 실내·외 평균 농도 모두 대조군에 비해 환자군에서 높게 관찰되었으 며, Cu 및 Mn은 실외에서, Cr은 실내에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). 이는 호흡기 질환 환자 군 가정에서의 농도가 실내·외 중금속 농도의 영향을 받았을 것으로 판단되나, 산업단지 지역의 대기 중 PM10 및 그 이외의 중금속 등의 오염물질이 거주자에 게 영향을 줄 기동성이 존재하는 것으로 생각되며 이 에 대한 관리가 필요한 것으로 사료된다.
실내·외 PM10 및 중금속과의 상관관계를 분석한 결 과, 실외 PM10 및 실내·외 중금속 간의 대체적으로 높 은 양의 상관성(p<0.05)을 보였다. 그러나 호흡기 질환 과 대기오염 사이의 연관성에 대한 연구는 많으나, 호 흡기 질환 환자의 직접적인 대기오염물질 노출에 관한 연구는 매우 부족한 실정이므로 PM10 및 중금속 이외 의 여러 가지 대기오염물질을 주기적으로 추가 조사하 여 본 연구를 보완한 연구가 지속적으로 필요할 것으 로 판단된다.
