유해물질의 환경위해성 평가
1980년대 후반 이후 선진 각국에서는 환경으로 유입되는 수많은 유해물질에 대한 과학적이면서 객관적인 위해성평가를 수행함으로써 유해물질로부터 인간과 생태계를 보호하기 위한 제도적 장치를 마련하고 있다. 환경위해성평가는 인간에 대한 건강위해성평가(HRA, human health risk assessment)와 생태계에 대한 생태위해성평가(ERA, ecological risk assessment)로 나누어진다.
HRA는 유해물질에 노출에 따른 인간의 건강에 미치는 위해 특성 분석과 위해 정도를 결정하기 위한 일련의 과정으로서 보통 4 단계로 – 위험성확인(hazard identification)단계, 용량-반응평가(dose-response assessment)단계, 노출평가(exposure assessment)단계, 위해도결정(risk characterization)단계로 나누어진다.
ERA는 유해물질(여기서 유해물질은 인간의 필요에 의하여 만든 혹은 활동 결과 발생되는 인위적인 화학물질이 대부분임)에 의해 생태계에 미치는 위해특성과 위해정도의 분석을 목적으로 수행하며 보통 3단계로 – 유해물질에 의한 문제의 공식화 단계 (problem formulation), 분석단계(analysis), 위해도결정(risk characterization)단계로 나누어진다.
1. HRA
인간은 주로 공기, 물, 토양, 식품 등의 간접적인 경로를 통하여 유해물질에 노출되고 있다. 물론 사고로 인하여 유출되는 유해물질에 직접 접촉되는 경로도 있지만 대부분은 환경매체를 통한 간접 노출이다. 따라서 환경매체에 존재하는 유해물질이 인간에게 유입되어 체외로 배설되기까지의 일련의 과정을 몇 단계로 표시하면 그림 6.5와 같다.
- 제 1단계
유해물질이 체내로 유입되는 단계로서 여기에는 음식물 혹은 식수를 통하여 입으로 들어오는 경로와(경구경로: 수질오염물질의 주 노출경로)와 폐를 통하여 들어오는 경로(호흡기 경로 : 대기오염물질의 주 노출경로) 그리고 피부접촉을 통하는 경로(피부경로)를 대표적으로 들 수 있다. - 제 2단계
체내로 흡수된 대부분의 유해물질들이 혈액을 따라 간으로 이동한 다음간에 존재하는 다양한 효소들에 의하여 체외로 배설이 되기 쉬운 형태로 변하는 생화학적 변환단계로서 생전환과정이라 부른다. 유해물질이 생전환과정을 거치게 되면 수용성과 이온성이 증가하는 방향으로 물리화학적 특성이 변하게 되어 쉽게 체외로 배설될 수 있게 된다. 일반적으로 유해물질의 경우 원래의 형태가 독성을 지닌 물질이 많지만 생전환과정에서 불가피하게 독성을 지닌 대사산물이 형성되는 경우가 대부분이다. 따라서 유해물질에 의한 독성 발현은 생체내로 유입된 유해물질을 제거하는 과정 중에 발생하는 불가피한 결과로 해석할 수 있다. - 제 3단계
생전환과정을 거친 유해물질이 혈액과 림프 혹은 분비액등을 통하여 체외로 나가는 과정에서 체내에 산재한 다양한 조직과 장기에 걸쳐 분포 혹은 저장되는단계이다. 이때 유해물질의 특성에 따라 특정 장기에 주로 분포 혹은 저장되는 경향을보이기도 한다. 이러한 장기의 경우, 우리는 넓은 의미로 어떤 유해물질에 대한 표적장기라 부른다. 표적장기의 예로서는 납의 경우 주로 뼈에 축적되는 경향이 있기 때문에뼈는 납에 대한 표적장기가 된다. 제 2단계와 3단계는 대부분 거의 동시에 일어나는 과정인 만큼 여기에서의 순서는 엄밀한 의미가 아닌 편의상의 분류라 볼 수 있다. - 제 4단계
생전환과정을 거친 유해물질이 체외로 배설되는 단계로서 주요한 배설경로로는 소변을 통한 배설 경로와 담즙을 통한 배설 경로를 들 수 있다. 특히 일산화탄소와 같은 가스상의 대사물질은 폐를 통하여 배설되기도 하며 그 외에도 땀이나 모유등을 통하여 배설되는 물질도 있다. 보다 상세한 내용은 향후 환경독성학 혹은 환경위해성평가 과목을 통하여 심도 있게 공부하게 될 것이다.
인간에게 위해성을 초래하는 유해물질의 농도를 결정하는데 있어서 다음과 같은 두가지 농도가 일반적으로 통용되고 있다. 첫번째는 여러 환경매체내에 존재하는 유해물질의 양으로서 흔히 환경농도라 한다. 두번째는 유해물질과의 접촉 빈도와 기간 그리고노출된 집단의 크기 등을 고려하여 생체에 유입되는 유해물질의 양으로 생체농도라 한다. 관례상 환경농도와 생체농도는 다같이 노출농도로 통용되고 있으나 엄격한 의미에서 HRA에서는 생체농도가 더 중요한 의미를 지닌다. HRA에서는 환경매체내 유해물질의 농도와 인간이 생활하면서 마시는 물이나 흡입하는 공기의 양을 통하여 노출농도를쉽게 계산할 수 있다.
예를 들어 음용수내 유해물질의 경우를 살펴보면 다음과 같다. 인간이 매일 마시는물의 양은 활동 조건에 따라서 다소 차이는 있지만 대개 성인은 2L, 어린이 IL 정도이다. 만일 어떤 유해물질이 물에 10 mg/L로 오염되어 있다면 성인은 하루에 약 20mg의용량에 노출된다고 볼 수 있다. 참고로 모든 생물은 각각 체중이 다르므로 각 종별로크기 차이를 감안하여 노출농도를 표시할 필요가 있다. 이 경우 성인 남자의 평균체중을 70kg으로 가정하면 최종 노출농도는 0.29 mg/kg/일(유해물질의 농도/일+ 체중)로 표시할 수 있다. 이 경우 만약 노출되는 환경농도가 같다면 크기가 작은 생물체일수록 노출되는 농도가 커진다는 사실을 알 수가 있다. 즉 체중이 작은 생물체일수록 같은 노출농도에서도 독성의 발현 가능성이 커진다는 의미가 된다.
여기서 대기나, 토양과 같은 환경매체의 경우는 물의 경우보다 노출농도 결정이 다소복잡하지만 보통 개인에게 유입되는 유해물질의 총량은 모든 노출경로를 통하여 들어온 유해물질 농도의 합으로 생각할 수 있다.
노출 농도의 결정 방법
그러나, 이런 방법이 모든 경우에 적용되는 것은 아니다. 왜냐하면 노출경로에 따라서 유해성이 달라지는 물질의 경우에는 모든 노출량의 합보다는 유해성이 발현되는 주된 노출경로를 통하여 들어오는 양의 비율이 중요하다. 예를 들어 크롬의 경우, 호흡기경로를 통하여 흡입될 경우에는 폐암이 발생하지만 경구경로로 노출되면 암이 발생하지 않는다. 이 경우 유해물질의 총량보다는 호흡기를 통하여 얼마나 많은 양이 들어오는 지를 측정하는 것이 위해성평가의 신뢰도를 높일 수 있기 때문이다.
따라서 노출농도를 결정하는데 있어서 가장 중요한 사항 두가지를 요약하면 다음과 같다.
첫째는 노출경로도 중요하지만 체내에 실제적으로 흡수되는 정도 즉 흡수용량을 결정하는 일이다. 만일 유해물질이 음식 및 음료를 통하여 체내에 유입된다면 위장관으로 들어가게 되지만 공기중에 존재한다면(가스상, 에어로졸, 입자상, 먼지, 연기 등) 상기도를 통하여 폐로 들어가게 된다. 또한 액체 및 고체상의 유해물질은 피부를 통하거나 신체의 기타 다른 부위와의 접촉을 통하여 체내로 유입되기도 한다. 실제로 유해물질이고농도로 존재할 경우 피부접촉만으로도 자극을 일으키기도 하지만 대부분의 유해물질들의 경우는 피부, 위장관 등으로 유입된 후 혈액이나 임파관을 통하여 인체의 표적장기에 도달하여 독성을 나타내게 된다. 각종 신체기관에 도달한 물질들은 체내 분포과정과 배설을 통하여 체외로 제거되지만 지용성이 강한 물질들은(예를 들면 DDT 등) 체내에 산재한 지방조직에 장시간 머무르게 된다.
환경매체내 존재하는 유해물질에 대한 노출용량을 계산하는 이상적인 방법은 노출되는 생체가 유해물질을 생체내에서 얼마만큼 흡수하는 가를 정확히 아는 것이다. 그러나 인간의 경우에는 이러한 자료가 부족한 관계로 유해물질의 물리화학적 특성에 따른 일반적인 원칙에 준하여 흡수용량을 결정하거나 계산하게 된다. 표 6.5는 EPA에서 선정한 다양한 환경매체를 통한 흡수용량 결정시의 전제조건들이다.
둘째는 하나의 노출경로를 통하여 나타나는 유해성을 기초로 하여 다른 경로로 노출될 경우 예상되는 유해성을 구하는 기법인 외삽(extrapolation)-일정 조건하에서 얻은 독성자료를 활용하여 조건이 달라질 경우 발생하는 독성을 예측하는 기술로서 예를 들면 시험동물의 자료를 인간 혹은 다른 생물종으로 변환하는 방법 기법에 대한 문제점 역시 고려할 사항이다. 일반적으로 동물과 인간의 노출 경로가 동일한 경우에는 동물실험결과를 직접적으로 인간에게 적용할 수 있으나 그렇지 않을 경우에는 동물실험의 결과를 인간에게 적용시킬 때 여러 가지 외삽기법을 통한 보정이 필요하다.
표 6.5 EPA가 제시한 최대노출에 대한 합리적 가정고려인자몸무게음용수호흡률(공기흡입량)식사량노출시간 노출빈도성인 -70kg 성인 – 2L/하루 성인 – 20m²/하루어류 – 54g/하루 목욕시 – 12분/하루 통상적으로 년간 350일 노출기간 성인기준 30년가정어린이 (1~6세)- 16kg 어린이-IL/하루어린이 – 5m²/하루 육류-0.112 kg/식사수영시 – 2.6시간/하루
위험성 확인(hazard identification)
위험성확인은 HRA의 첫 단계로서 어떤 유해물질이 갖는 고유의 악영향을 확인하는단계이다. 여기에서는 유해물질에 의하여 발생 가능한 질병과 건강상 장애의 종류를파악하는 것은 물론 노출 환경에 대한 정보와 자료를 수집하는 과정이 필요하다. 즉두 종류의 정보-건강 장애·질병과 관련된 자료와 노출조건-수집을 통하여 유해성과 위해성 여부를 보다 확실히 할 수 있기 때문이다. 왜냐하면 인체에 해로운 작용이이미 알려진 유해물질일 경우라도 만약 전혀 노출되지 않는다면 위해성평가를 진행할 필요가 없기 때문이다. 그러나 현실적으로는 유해물질들의 경우 인간에게 치명적이라 할 수 있는 기형아 출산, 정신적 결함, 암, 돌연변이부터 일부 장기나 생리 기능을 일시적 혹은 국소적으로 저하시키는 덜 치명적인 독성인 장기독성, 피부자극,효소 억제까지 다양한 독성작용을 관찰 할 수 있다.
일반적으로 유해물질의 독성에 관한 자료는 동물실험이나 인간 집단에 대한 역학조사. 임상연구 및 인간에 대한 사례연구 등과 같은 생체내 실험을 통하여 주로 이루어지고 있다. 이외에도 생체외적인 실험법으로써 유해물질의 구조와 유해성과의 상관관계 연구를 통해서도 얻을 수 있다. HRA에서는 주로 인간을 대상으로 하기 때문에 주로 임상 연구나 사례 연구를 통하여 유해성을 확인하고 있으나 결정적인 자료로 활용되기에는 미흡하다. 따라서 이를 보완하기 위하여 동물을 이용한 실험과 인간에 대한 역학조사를 병행하고 있다.
(1) 동물을 이용한 독성 실험
실험동물을 대상으로 할 경우 유해성을 확인하는 방법은 다양하지만 일반적으로 독성발현시간을 기준으로 설명하고 있다. 즉 단 한번의 유해물질을 실험동물에 투여하여 나타나는 독성을 관찰하는 것은 급성독성시험으로 이때는 주로 반치사용량(LD50,median lethal dose)이 독성지표로 활용된다. 여기서 LD은 “유해물질을 투여한 전실험동물 중 50%가 치사하는 농도 혹은 용량”을 말한다. LD이 갖는 독성학적 의미는 같은 농도의 유해물질에 노출될지라도 동물간 반응성이 다르다는 점이다. 즉 같은 농도의 유해물질에 노출되었을 경우, 치사하는 동물이 있는가 하면, 초기에는 장기 혹은 조직의 손상을 보이지만 시간이 지나면 다시 회복되는 동물이 있으며, 일부동물은 전혀 독성을 나타내지 않을 수도 있다는 것을 의미한다.
급성독성시험 자료는 유해물질간의 독성을 비교할 수 있을 뿐만 아니라 독성을 나타내는 표적장기를파악하는데 필수적이다. 다음에는 치사량 이하의 용량을 장기간에 걸쳐 투여함으로써 실험동물에 나타나는 독성을 관찰하는 만성독성실험으로써 이는 일생에 걸쳐 노출되는 유해물질에 대한 치명적 독성들에 대한 정보를 얻는데 활용된다. 여기서 실험동물을 이용하여 독성 자료를 얻을 경우 신뢰성을 높이기 위하여 다음과 같은 사례를 보자.
① 실험동물종의 선택 : 동물 실험의 경우 주로 포유류가 많이 활용되고 있다. 이는인간을 포함한 포유류의 경우, 종간 차이를 떠나서 해부학적, 생리학적, 생화학적으로 유사하기 때문에 독성반응 역시 비슷하다고 볼 수 있다. 물론 이러한 가정은 논리적이지만 예외도 있다. 예를 들면 기니아픽의 경우, 다른 실험동물 보다다이옥신에 훨씬 민감하게 반응한다. 이는 기니아픽이 다이옥신을 대사 및 분배하는 능력이 다른 동물종에 비하여 현저하게 떨어지기 때문이다. 따라서 동물실험에서 유용성이 높은 자료를 얻기 위해서 실험동물의 종, 계통, 성별 등에 대한적절한 계획이 필요하다.
적절한 독성지표의 선정 : 어떤 유해물질의 독성실험 결과를 보면 다양한 장기에걸쳐 서로 다른 반응이 나타나게 된다. 어떤 독성작용은 아주 고용량에서 나타나는가 하면 어떤 독성 작용은 아주 저용량에서 나타나는 수가 있다. 이러한 경우위해성평가에서 효과적으로 활용할 수 있는 지표로서는 저용량에서 나타나는 독성작용을 선정한다.
독성자료의 적절한 해석: 동물실험을 통하여 얻은 독성자료를 위해성평가에 효율적으로 활용하기 위하여 유해물질의 용량증가에 따른 독성크기를 구분하여 해석할 필요성이 있다. 즉 독성이 전혀 나타나지 않는 최대 용량인 최대무영향수준(NOAEL, no observed adverse effect level)과 독성이 나타나기 시작하는 최소 용량인 최저무영향수준(LOAEL, lowest observed adverse effect level)을 결정할 필요가있다. 아울러 독성의 가역성 여부, 발현시간의 즉각성과 지연성 여부도 함께 분석해야 한다.
(2) 인간에 대한 역학조사
유해물질의 인간에 대한 독성정보를 얻을 수 있는 자료는 대개 다음과 같이 네가지로 분류한다.
- ① 유해물질에 노출된 경험이 있는 사람에서 관찰되는 증상을 종합한 보고서이다.
- ② 의료인으로부터 보고된 임상사례집이다.
- ③ 환경조건과 연관하여 발생되는 각종 질병 등을 연구한 보고서이다.
- ④ 역학조사 보고서이다.
이들 중 역학조사는 기존에 밝혀지지 않았던 문제점이 나타날 경우 일반적인 가설을세울 수 있다는 점에서 위해성평가에서 중요하게 다루고 있다. 역학조사는 다시 사레-대조연구(case-control study)와 코호트연구(cohort study)로 나눌 수 있다. 첫번째의사례-대조 연구는 특별한 질병을 갖는 개체의 집단을 파악한 후 과거에 어떤 유해물질에 노출되었던 집단과의 공통점을 찾아내는 방법이다. 두번째의 코호트연구는 특정 유해물질에 공통적으로 노출된 개인의 건강상태를 정상적인 사람과 비교함으로써 어떤 특별한 증상이나 사망의 원인이 유해물질에 의한 것인지를 조사하는 방법이다. 역학조사는 동물실험에 비해서 실제적으로 어떤 유해물질에 노출된 인간의 악영향을 조사하는 것으로써 적절히 설계된 조사 연구라는 점에서 상당히 신뢰성이 높은 정보라는 장점과 결과를 해석함에 있어서 많은 불확실한 요인들로 인하여 지나치게 주관적이 될 수 있는 단점을 동시에 안고 있다. 따라서, 역학조사의 단점을 보완하기 위하여 동물실험을 병행하는 것은 물론 독성자료의 해석을 보다 정확하게 할 필요성이 있다.
특히 인간을 대상으로 한 독성자료를 해석할 경우 고려할 사항의 대표적인 예로서는 노출되는 유해물질간 상호작용을 들 수가 있다. 왜냐하면 인간의 경우 현실적으로 한 가지의 유해물질에만 노출되는 것은 아니다. 대부분의 인간 활동 자체 흡연과 음주 그리고 오염된 지역에 주거가 여러 종류의 유해물질에 동시에 노출되기 때문이다. 따라서 위해성을 평가할 경우에는 다양한 유해물질들간의 상호작용에 대한 충분한 연구를 기초로 수행할 필요성이 있다.
향후 환경독성학 과목을 통하여 배우게 되겠지만 참고로 유해물질의 상호작용과 관련된 부분을 간단히 두 가지 경우로 분류할 수 있다.
첫번째는 두 종류 이상의 유해물질에 동시에 노출될 경우, 개별적으로 노출될 때 예상되는 독성의 합보다 더 크게 나타나는 경우로써 이를 유해물질간 협동작용이라 한다. 협동작용을 응용한 실제적인 예로서는 2가지 농약을 함께 사용함으로써 살충능력을 증가시키는 경우를 들 수가 있다.
두 번째는 두 종류 이상의 유해물질에 동시에 노출될 경우, 개별적으로 노출될 때 예상되는 독성의 합보다 더 작게 나타나는 경우로서 이를 유해물질간 길항작용이라 한다. 길항작용을 응용한 실제적인 예로서는 일산화탄소에 중독되었을 때, 일산화탄소와 산소 모두가 혈액내 헤모글로빈에 결합하는 원리를 응용하여 산소를 체내에 주입함으로써 일산화탄소의 독성을 감소시키는 경우이다.