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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.4 pp.308-314
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.4.308

Assessment of particulate matter and heavy metals concentration in the indoor and outdoor air of the houses of respiratory tract disease patients

Jihee Choi1, Yujin Oh1, Kyungsook Woo1, Heejin Park1, Moo-Kyun Park2, Bu-Soon Son1*
1Department of Environmental Health Science, Soonchunhyang University
2Department of Otorhinolaryngology, Seoul National University College of Medicine
Corresponding author : +82-41-530-1270sonbss@sch.ac.kr
20170929 20171023 20171023

Abstract

The purpose of this study was to evaluate the concentration of airborne particulate matter and heavy metals in the houses of the respiratory tract disease patients and a control group of residents in the city of Gwangyang. The particulate matter was measured using a mini-volume air sampler and then weighed three times using a micro balance to calculate the weighted average value. The heavy metals in the particulate matter were extracted using a hot plate and analyzed using an inductively coupled plasma/mass spectrometer. The average concentration of particulate matter in the outdoor air (34.478 μm/m3) was higher than that in the indoor air (16.794 μm/m3), showing a statistically significant difference (p<0.001). The average concentration of copper, manganese and chromium in the indoor and outdoor air were higher in the houses of those in the study group than those of the control group. In addition, there was a generally high correlation between particulate matter in the outdoor air and heavy metals in the indoor and outdoor air concentration (p<0.05).


호흡기 질환 환자 가정에서의 실내·외 미세먼지 및 중금속 농도 평가

최 지희1, 오 유진1, 우 경숙1, 박 희진1, 박 무균2, 손 부순1*
1순천향대학교 환경보건학과
2서울대학교 이비인후과

초록


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

    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.

    중량농도 ( μg/m 3 ) = f i l t e r 에 포집된 분진 중량 ( 측정 후 무게 - 측정 전 무게 ) ( μg ) 평균유량 ( L / min ) × 측정시간 ( min ) × 1 m 3 1000 L
    (1)

    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.

    농도 ( μg/m 3 ) = 검량선을 통해 산출된 값 ( μg/L ) × 시료량 ( L ) 평균유량 ( L / min ) × 측정시간 ( min ) × 1 m 3 1000 L
    (2)

    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.

    감사의 글

    본 연구는 한국환경산업기술원(과제번호 800- 20170031)과 순천향대학교의 지원에 의하여 수행 되었 습니다.

    Figure

    JOIE-16-308_F1.gif

    Location of study area in the map.

    Table

    ICP/MS analysis condition

    Concentration of particulate matter (PM10) in the air of the houses (Unit : μg/m3)

    aStandard deviation,
    bStudent’s t-test

    Concentration of heavy metals in the air of the houses (Unit : μg/m3)

    aStandard deviation,
    bMann-Whitney U test

    Correlation analysis of particulate matter (PM10) and heavy metals in the air of the houses

    Spearman’s rho,
    *p<0.05,
    **p<0.01

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