[대기오염] Lecture 15. 위해성 평가
이번 강의에서는 학부생이나 대학원 신입생 수준에 맞춰서 위해성 평가 개념을 설명합니다. 연구 논문을 쓸 때 실제로 활용하는 위해성 평가 기법보다 훨씬 간단한 수식과 예제로 설명합니다. 연구용 위해성 평가 관련해서는 1~2시간 분량의 별도 강의 자료를 사용하고 있습니다.
주요 대기오염물질에 대해서는 환경기준이 설정되어 있어서 오염 수준을 평가하고 대응할 수 있습니다. 환경기준 미만이라면 일단 크게 우려할 정도는 아니라고 판단할 수 있고, 환경기준을 많이 초과하는 경우에는 주요 배출원을 확인해서 배출량을 줄일 수 있습니다. 그런데 유해물질의 환경기준이 설정되지 않는 경우도 많습니다. 예를 들어, 대표적인 유해대기오염물질인 벤조피렌(benzo(a)pyrene)의 대기환경기준은 우리나라에 없습니다. BaP의 굴뚝 배출허용기준은 있지만, 실제로 사람들이 숨쉬는 환경대기(공기) 중 기준은 없습니다. 이런 경우에 효과적으로 오염 수준 혹은 심각성을 평가할 수 있는 기법이 위해성 평가(risk assessment)입니다.
우선, 위해성(risk)과 유해성(hazard)을 구분해야 합니다. 영어로는 완전히 다른 단어인데, 우리말로는 비슷한 발음이기 때문에 혼동하기 쉽습니다.
위해성은 화학물질에 노출됨으로써 인간 건강에 유해한 영향이 발생할 가능성을 의미합니다. 위해성은 화학물질의 유해성(독성)과 노출(exposure)로 결정됩니다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 위해성은 확률로서 무단위 수치입니다. 노출량(mg/kg/day)은 하루에 호흡을 통해 체내로 들어오는 화학물질량(mg)을 몸무게(kg)로 나눈 값입니다. 유해성(독성)은 화학물질별로 정해져 있는 상수로서 단위는 (mg/kg/day)-1입니다.
아래는 독성학의 아버지가 하신 말씀입니다.
쉽게 풀어서 얘기하면, 아무리 독성이 낮은 물질이라도 몸에 많이 들어오면 독이 되고, 독성이 높은 물질도 극미량만 몸에 들어오면 독이 되지 않는다는 것입니다. 제가 강의나 언론 인터뷰 등을 통해 강조하는 말과 일맥상통합니다. "발암물질이 검출되었다는 것 자체가 중요한 것이 아니라, 얼마나 노출되느냐가 중요하다." 일반인이나 언론에서는 발암물질이 환경시료나 식품에서 검출되었다고 하면 난리가 나는데, 많은 독성물질이 북극/남극에서도 검출되고, 북금곰과 펭귄 체내에서도 검출됩니다. 그러므로 오염물질의 검출 자체에 놀랄 필요가 없습니다.
이제 확률을 생각해 보겠습니다.
아래 그림과 같이 두통/기침 확률은 상당히 높습니다. 누구나 흔하게 아주 많이 겪는 증상입니다. 그러나 심각한 질병에 걸릴 확률은 감기보다 훨씬 낮습니다. 오른쪽 아래의 수치가 중요합니다. 1/1,000,000 백만분의 일의 확률을 의미합니다. 발암물질의 위해성 평가에서 이 수치(위해도)는 인구 100만명 중에서 1명 이상으로 특정한 화학물질에 의해 암이 유발될 가능성을 의미합니다.
물론, 평생 암에 걸릴 확률은 생각보다 높습니다. 보건복지부 발표(암환자 5년 상대생존율 72.1%, 10년새 6.6%p↑ < 보도자료 < 알림 : 힘이 되는 평생 친구, 보건복지부)에 의하면, 우리나라 국민이 기대수명(83.6세)까지 생존할 경우 암에 걸릴 확률은 38.1%이며, 남자(기대수명 80.6세)는 5명 중 2명(39.1%), 여자(기대수명 86.6세)는 3명 중 1명(36.0%)에서 암이 발생할 것으로 추정되었습니다. 그러나 이 결과는 모든 노출경로(식품 음용수 섭취, 호흡, 피부 접촉 포함)로 다양한 화학물질과 정신적 스트레스 등 매우 다양한 발암인자 영향을 복합적으로 받은 결과입니다. 일단, 이 블로그 글에서는 한 개의 화학물질의 호흡 노출 위주로 설명하겠습니다.
보통 환경 전공자는 US EPA에서 제시하는 위해성 평가 기법을 사용합니다.
Conducting a Human Health Risk Assessment | US EPA
Conducting a Human Health Risk Assessment | US EPA
This page provides the step-by-step instructions to how the EPA conducts a human health risk assessment with additional links to models, tools, databases and related products.
www.epa.gov
위해성 평가는 4단계로 구성되어 있는데, 1단계(독성물질 여부 판단)와 2단계(얼마나 노출되면 어떤 영향을 받는지 실험 등을 통해 개별 화학물질 독성값 산정)는 이미 정해져 있고(환경독성학자/보건학자 담당), 실제로 일반 환경과학/공학 연구자는 3단계와 4단계를 하게 됩니다. 3단계에서는 대기 농도(직접 측정하거나 기존 자료 활용)와 호흡률(성별과 연령에 따른 통계 자료 사용) 등이 필요하고, 4단계에서는 위해도를 계산해서 수치가 어느 정도인지에 따라 암에 걸릴 확률이 높아서 심각한 수준인지 등을 판단합니다.
Step 1 - Hazard Identification
Examines whether a stressor has the potential to cause harm to humans and/or ecological systems, and if so, under what circumstances.
Step 2 - Dose-Response Assessment
Examines the numerical relationship between exposure and effects.
Step 3 - Exposure Assessment
Examines what is known about the frequency, timing, and levels of contact with a stressor.
Step 4 - Risk Characterization
Examines how well the data support conclusions about the nature and extent of the risk from exposure to environmental stressors.
일반 환경연구자들이 먼저 이해해야 하는 것은 2단계의 용량-반응 관계입니다.
아래 그림에서 X축은 화학물질의 체내 축적량(용량)이고, Y축은 위해도(반응)로서 암이나 비발암성 질환의 발병 확률입니다. 발암물질(carcinogen) 곡선은 그래프의 원점에서 시작합니다. 즉, 조금이라도 노출되면 발암 가능성이 증가한다는 개념입니다. 반면, 비발암물질(noncarcinogen)은 원점이 아니라 중간부터 곡선이 시작합니다. 즉, 역치(threshold)가 존재합니다. 역치보다 많은 양으로 노출되어야 질병 가능성이 생깁니다.
이 개념은 대기환경기준을 고려할 때 상당히 중요합니다. 비발암성 물질 농도가 대기환경기준을 초과하지 않는다면 용량-반응의 역치를 넘지 않는 수준일 것으로 예상되므로 비록 오염물질이 공기 중에서 검출되었더라도 안심할 수 있습니다. 그런데 발암물질의 경우에는 대기환경기준보다 훨씬 낮은 농도로 검출되더라도, 역치가 없으므로 장기간 노출되면서 발암 가능성이 높아집니다. 따라서 발암물질의 노출량이 적고 위해도가 US EPA 기준보다 훨씬 낮더라도 문제가 없다고 확언할 수 없습니다. 그러므로 발암물질이 검출되었다고 해서 너무 놀랄 필요는 없지만, 최대한 적게 노출되려는 노력을 해야 합니다.
발암물질의 용량-반응 그래프를 다시 설명하겠습니다. 아래 그림과 같이 노출량(하루에 몸무게 당 오염물질에 노출되는 양)이 증가하면 발암 가능성(위해도)은 증가합니다. Y축의 위해도 1.0은 모든 사람이 평생 암에 걸릴 확률이 100%라는 것을 의미합니다. 그러나 개별 화학물질의 위해도 관리 기준은 10-6 수준으로서 아주 낮은 확률입니다. 즉, 특정 오염물질에 노출이 되더라도 인구 100만명 중에서 한 명 정도만 암에 걸릴 확률로 관리를 하자는 것입니다.
용량-반응 곡선은 보통 S 자 커브를 많이 그리게 되는데, 위해도가 아주 작은 영역에서는 아래 그림과 같이 직선 형태입니다. 장기간 특정 오염물질에 1 mg/kg/day 용량으로 노출되었을 때(하루에 몸무게 1 kg당 1 mg 오염물질에 노출)의 위해도 기울기를 발암 잠재력(potency factor)이라고 합니다. 또한, 영어로 Cancer Slope Factor (CSF)라고도 합니다. 발암 위해도(cancer risk)는 발암 잠재력에 만성 일일 노출량(CDI)을 곱한 값입니다. CDI는 평생일일평균노출량(Lifetime Average daily dose: LADD)이라고도 합니다.
CDI는 다음 식으로 간단히 계산할 수 있습니다. 사실, 실제 연구에서는 다양한 노출 조건을 더 고려합니다. 여기서는 교과서에 나온 간단한 예시만 설명합니다. 아래 식에서는 평균 수명을 70년이라고 가정했습니다.
직업 노출 예시입니다. 먼저 노출량(CDI)을 구하고 발암잠재력을 곱해서 위해도를 계산했더니 10-6보다 높은 값이 나왔습니다. 사실 노출을 더 현실적으로 계산하기 위해서는 하루 작업시간(예: 8시간) 중에서 해당 물질에 노출되는 특정 시간대 등을 고려해야 합니다. 또한, 이 예제에서도 그렇고 대부분의 연구에서도 농도가 일정하다고 가정하고 현재 측정한 대기 농도 결과로 위해성 평가를 하는데, 대기 농도는 시간에 따라 변하기 때문에 현실적인 위해성 평가를 위해서는 시간가중평균으로 전체 기간의 위해도를 산정하거나 연도별 누적 위해도를 산정할 필요가 있습니다.
US EPA의 위해도 평가 기준은 아래와 같습니다. 위의 수치는 허용 가능한 수준이지만 이 정도 수치가 나오면 관심을 갖고 상황에 따라 노출을 줄일 필요가 있습니다.
| < 1 × 10⁻⁶ | 무시 가능 (Negligible) 규제 기준 설정에 고려하는 수치 |
| 1 × 10⁻⁶ ~ 1 × 10⁻⁴ | 허용 가능 (Acceptable) 환경 보건 차원에서 허용되는 수준이며, 상황에 따라 관리 |
| > 1 × 10⁻⁴ | 관리 필요 (Risk Management Needed) |
이제부터 비발암 위해성 평가를 설명합니다.
발암 위해성 평가보다 훨씬 쉬운 개념입니다. 노출량이 역치를 넘느냐 안 넘느냐가 핵심입니다. 역치는 동물실험 등으로 산정할 수 있는데, 실험을 하다 보면 너무 낮은 반응값을 검출하지 못하는 경우도 있기 때문에 역치의 참값은 무영향관찰용량 (No Observed Adverse Effect Level: NOAEL)과 최소영향관찰용량(Lowest Observed Adverse Effect Level: LOAEL) 사이에 위치합니다. 그리고 이러한 실험은 사람을 대상으로 하지 않기 때문에 불확도가 클 수 있습니다. 이러한 동물 실험과 여러 가정에 대한 불확도를 고려하여 NOAEL을 불확도 계수 10~1000을 나눈 값을 독성참고치(Reference Dose: RfD)로 사용합니다.
비발암 물질의 위해도는 위해 지수(Hazard Quotient: HQ)로 나타냅니다. 일일평균노출량(ADD)을 RfD로 나누어서 1보다 크면 위해도가 있다고 판단합니다. 역치에 기반한 모델이므로 평생 노출을 가정한 LADD가 아닌 ADD를 계산하는데 노출 기간은 고려 대상이 아닙니다.
음용수 섭취에 의한 비발암 위해도 계산 예제입니다. 문제에는 10년 동안 노출되었다고 하지만 실제 계산에서는 이 수치는 사용되지 않습니다.
지금까지 위해성 평가의 기본 개념에 대해서 알아봤습니다. 학부생 강의는 이 정도면 충분합니다.
이제 아래 내용은 대학원생을 대상으로 합니다.
US EPA에서는 흡입 위해성 평가를 위한 새로운 방법을 제시했습니다.
이 보고서의 핵심은 다음과 같습니다.
흡입 위해성 평가 시, 체중(BW)과 호흡율(IR)을 이용한 흡입섭취량(mg/kg-day) 대신, 대기 농도(mg/m³)를 노출 지표로 사용하는 것을 권장합니다. 이는 US EPA의 최신 흡입 독성값 산정 및 흡입 용량 산정 방법론에 부합하도록 위해성 평가 방식을 업데이트한 것입니다.
발암 물질의 노출 농도(EC)는 다음과 같이 계산합니다. AT는 평균 수명으로 US EPA에서는 70년을 사용합니다. 국내에서는 한국인 성인 기대수명(80년 이상)을 사용하는 경우도 많습니다.
비발암 물질의 노출 농도(EC)는 급성 노출과 만성 노출로 구분합니다. 급성 노출의 경우에는 노출 농도와 대기 농도(실제 농도)가 같다고 간주합니다. 만성 노출의 경우에는 발암물질의 노출 농도와 동일한 수식을 사용하는데, AT에 기대수명이 아닌 노출 기간(ED)을 입력합니다. 따라서 분자의 ED와 분모 AT가 소거되므로, 위해도 계산에 장기 노출 시간은 사용되지 않습니다.
발암 위해도는 노출 농도(EC)와 호흡 단위 위해도(IUR)를 곱하여 산정합니다. IUR은 IRIS (Integrated Risk Information System | US EPA)에서 제공합니다.
비발암 위해도는 노출 농도(EC)를 참고농도(RfC)로 나누어 1을 초과하면 위해도가 있다고 판단합니다. RfC는 RfD와 마찬가지로 IRIS에서 제공합니다.
그런데 위에서 제시한 새로운 위해도 산정법은 연령별 노출량을 고려하지 못하는 문제가 있습니다. 예를 들어, 어린이는 몸무게가 작고 호흡율이 높기 때문에 상대적으로 오염물질에 더 많이 노출되어 건강영향이 나타납니다. 그래서 아래와 같이 연령보정계수(Age-Dependent Adjustment Factors: ADAFs)를 사용할 수 있습니다.
참고로 노출계수는 국립환경과학원 보고서나 국내외 문헌값을 사용하면 됩니다. 환경부 디지털도서관
개별 화학물질의 독성수치(IUR, RfD, RfC)는 IRIS 사이트에서 검색할 수 있습니다. 아래는 BaP 사례입니다.
Benzo[a]pyrene (BaP) CASRN 50-32-8 | IRIS | US EPA, ORD
캘리포니아에서는 IUR뿐만 아니라 ISF도 제시합니다. 그러나 IUR가 이전의 US EPA 값이기 때문에 위해성 평가를 할 때는 기본적으로 US EPA의 최신 자료를 사용하는 것이 좋습니다.
한편, 일부 연구에서 BaP의 위해성 평가를 할 때 WHO의 IUR를 사용하는 경우가 있습니다. 그러나 아래 문구와 같이, WHO의 BaP 단위 위해도는 코크오븐 작업자 대상 자료(PAH 혼합 노출)를 기반으로 하므로, 환경대기 중 BaP 단일 물질의 위해성 평가에 사용하기에 부적절합니다.
최종 요약입니다.
단일 수치(평균 농도, 평균 노출시간 등)를 입력자료로 사용하는 것을 결정론적 위해성 평가라고 하고, 수치 범위(평균, 표준편차, 자료 분포: 정규, 로그노말 등)를 고려하는 것을 확률론적 위해성 평가라고 합니다. 위에서 언급한 예제는 결정론적 위해성 평가이고, 확률론적 위해성 평가를 위해서는 몬테카를로 시뮬레이션을 사용합니다. 구체적인 방법은 예전 강의 동영상 참고하세요.
[EACL 교육자료] 몬테카를로 시뮬레이션 - YouTube
마지막으로 누적 위해성 평가(cumulative risk assessment)에 대해서 설명합니다.
위해도 산정은 일반적으로 단일 물질을 대상으로 하지만, 실제 환경에서는 여러 물질에 동시에 노출됩니다. 예를 들어, BaP뿐만 아니라 16종 PAHs에, 2,3,7,8-TCDD뿐만 아니라 17종 PCDD/Fs에 동시에 노출됩니다. 동일한 독성기전을 공유하는 물질들은 TEF를 통해 농도를 TEQ로 환산할 수 있고, 이에 따라 위해도를 통합해 평가할 수 있습니다. 그러나 작용기전이 상이한 물질들(VOCs나 중금속 등)의 경우에도 위해도를 단순히 합산하는 경우가 많은데, 이는 전반적인 오염현황과 위해도를 평가하기 위한 실무적 필요에 의한 것으로 큰 불확실성이 존재합니다(물질별 독성기전이 다를뿐만 아니라 여러 물질이 혼합되면서(칵테일 효과) 독성 증감 여부가 달라질 수 있음). 따라서 논문에 누적 위해도를 산정할 수 있지만, 해석할 때는 이러한 한계를 명확히 고려해야 합니다.
구체적인 내용은 다음 사이트를 참고하세요. Framework for Cumulative Risk Assessment | US EPA
한편, 복합 위해도(aggregate risk) 또는 통합 위해도(integrated risk) 개념도 있습니다. 하나의 화학물질이 여러 경로를 통해 노출되는 것을 통합하는 의미입니다. 동일한 화학물질에 대해서 호흡 노출뿐만 아니라, 음식물 섭취, 피부 접촉, 토양 섭취 등 모든 노출 경로를 고려하는 개념입니다. 다매체 노출, 복합 노출, 통합 위해성 평가 등과도 같은 개념입니다.
예를 들어, 환경성 질환으로 시달리는 사람들이 있는데 주변 공장의 직접적인 배출 가스 영향 보다는 오염된 지하수를 마셔서 이런 건강 영향이 나타났다. 대기 노출보다 참치 등의 생선을 먹어서 체내 수은 농도가 증가할 수 있다. 미세먼지에 의한 위해도보다 흡연으로 인한 위해도가 높다는 등의 설명이 이러한 복합 노출 영향을 언급하는 것입니다.
위와 같은 누적 위해도와 복합 위해도 특성 때문에 특정 노출 경로에 의한 건강영향을 평가하기가 상당히 어렵습니다. 제가 환경부 과제를 수행하면서 항상 경험하는 근본적인 한계입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 많은 환경독성/보건학자들이 관련 연구를 수행하고 있습니다. 꼭 이 문제를 해결하면 좋겠습니다.