유해물질과 환경위해성평가

  유해물질과 환경위해성평가

유해물질이란?

 대기환경, 수질환경, 토양환경 및 식품 등을  오염

 질병을 발생시키거나 심한 경우 죽음을 일으키는 등 인간의 건강에 직접적으로 악영향을 미치는 모든 물질

 세계 약 1,200만 여종의 화학물질

 우리나라는 현재 35,000여종의 화학물질이 유통

 유해물질의 배출원

 자연적인 배출원

 광물질과 금속류

 방사선 라돈 

 곰팡이가 생산하는 아플라톡신(aflatoxin) 등

 건조 바질(basil)에 포함되어 있는 에스트라골(estragole)

 인위적인 배출원

 휘발유, 가정용 세척액, 농약, 살충제, 페인트, 용매 등

 상업적 목적으로 생산, 유통, 폐기되는 화학물질

유해물질 관리의 필요성

 유해물질은 난분해성, 높은 잔류성, 높은 독성 을 갖는 특성으로 인하여 미량의 오염으로도 인간의 건강과 생태계 기능에 심각한 결과를 초래

 장기간에 걸쳐 서서히 나타나며 회복이 거의 불가능한 치명적인 독성

 발암, 돌연변이 등으로 발전할 가능성이 크기 때문에 초기부터 지속적인 관리가 필요

 유해물질의 독성 발현 효과

 급성 독성 효과(Acute poisoning effects),  

 만성 독성 효과(Chronic poisoning effects),

 암(Cancer),

 돌연변이(Mutations),

 출산 결함(Reproductive error): teratogen(기형발생물질, 최기형물질)) 

 CMRs: 발암물질(Carcinogen), 변이원성물질(Mutagen), 생식독성물질(Reproduction toxicant)을 일컫는 용어

위해성 평가

 Risk assessment (위해성평가)

 인간이나 생태계가 환경위험에 노출되었을 때 나타날 수 있는 영향을 정량 또는 정성적으로 추정하는 방법

 Risk (위해성)

 유해물질의 특정 농도, 용량 또는 유해요인에 노출된 개인, 집단, 생태계에 있어 유해한 결과가 발생할 확률

 Hazard (유해성)

 어떤 인자가 갖고 있는 본질적이고 내재적인 위험성을 묘사하는 기술적인 용어

 위해성의 구분

 배경 위해성

 특수한 위해성 인자가 없는 상황에서의 위해성

 예) 한국인이 평균 암에 걸릴 확률

 증가적 위해성

 위해성 인자에  의한 위해

 예) 발암물질로 오염된 지역 주변에 살기 때문에 암에 걸릴 확률

 총 위해성

 배경 위해성 + 증가적 위해성

미국에서의 일반적인 위험의 예

건강위해성평가 

 “어떤 독성물질이나 위험상황에 노출되어 나타날 수 있는 개인 혹은 집단의 건강 피해확률을 추정하는 과학적인 과정”

 미국 학술원(NAS, 1983) 위해성 평가 4단계

 위험성 확인 (Hazard identification)

 용량-반응 평가 (Dose-response assessment)

 노출 평가 (Exposure assessment)

 위해도 결정 (Risk characterization)

위해성 평가의 목적

 대안적인 사업의 평가를 통한 위해성의 효과적인 관리

 정책적: 

 오염기준 또는 처리기준의 설정

 처리의 우선순위 선정 (오염의 종류, 오염지역별) 

 공학적: 처리공법 및 처리강도 결정

 경제적: 오염처리를 위하여 얼마나 투자할 것인가 ? 

 법률적 : 위해 여부 및 책임 규명, 보상액 선정  

 총 위해성의 최소화를 위한 효과적(경제성), 효율적(기술적) 대처

 환경관리 원칙: ‘최소투자(노력)로 최대 위해성 저감’ 

위험성 확인 (Hazard identification)

 유해물질이 갖는 고유의 악영향을 확인

 발생 가능한 질병과 건강상 장애의 종류를 파악

 급성독성, 돌연변이, 발암성

 급성독성 평가

 LD50 (Lethal Dose 50%: 치사량)

 급성독성평가

 독성의 크기를 상대적으로 표시하는 대표적인 독성지표

 실험동물에 투여하였을 때 50%가 치사하는 용량

 수치가 작을수록 독성이 크다 (But 항상 그런 것은 아니다)

 LC50 (Lethal Concentration 50%)

 동물을 이용한 독성 실험

 Ames mutagenicity assay

 단기 발암성 생물검증 (Short-term carcinogenesis bioassay)

 만성 발암성 생물검증 (Chronic carcinogenesis bioassay)

 2종 이상의 설치류

 50마리 이상의 암/수

 무투입 외 최소 2가지 투여량 

 인간에 대한 역학조사 

잠재적 발암물질에 대한 가중치에 따른 분류 (USEPA, 1986)

 임상조사, 역학조사, 동물조사 등의 자료에 기반

 A군: 인간에 대한 발암물질 (충분한 역학증거를 가진 물질) 

 B군: 상당한 가능성의 물질 (Probable). 

 B1 : 역학증거 제한적일 때 

 B2 : 인간에 대한 자료가 부적절하나 동물에 있어서 발암성 증거가 충분한 물질. 

 C군: 가능성이 어느 정도 있는 물질 (Possible). 

 인간자료 없음. 동물에 제한적인 발암성 증거 있는 물질. 

 D군: 분류가 되지 않은 군 (not classified). 인간과 동물에 자료가 부적절하거나 이용 가능한 자료가 없는 화학물질. 

 E군: 발암 증거가 없는 군. (적어도 두 가지 동물에 시험해서 발암성 증거가 없는 화학물질) 

용량-반응평가

 동물실험을 통하여 유해물질의 노출용량과 독성반응과의 상관관계를 파악

 비발암성: 역치(threshold)가 존재

 발암성: 역치가 없다. 

고선량에서의 외삽

 실험 동물에 실행된 고선량 결과를 인간의 저선량에 대한 반응으로 외삽하는데 문제점(모순)이 있음

 외삽을 위한 여러 수학적 모델 (증명할 수 없음): 모델 설정은 정책적 결정에 따를 수 밖에 없음

 모델

 미국EPA: 선형 다단계 모델(변형 다단계 모델)

               선량을 과대 평가 할 확률이 95%인 방식

비발암물질 (Non-Carcinogens)

 NOAEL(No-Observed-Adverse-Effect Level, 최대무영향수준)

 LOAEL(Lowest-Observed-Adverse-Effect Level, 최저영향감지수준)

 RfD(Reference dose): 기준노출량 or 기준 선량 

 

  

 수용가능한 일일 섭취량 (acceptable daily intake, ADI) 

 뚜렷한 위해도가 없을 듯한 인체 피폭 준위. 

 단위(CDI와 같음): 일생 동안 평균화된 mg/kg-day 

 불확실성 상수(Uncertainty factor, UF)

 집단간의 민감성(sensitivity) 차이

 동물실험 결과를 인간에 적용할 경우의 불확실성

 단기간의 실험결과를 장기간 노출에 적용

 노출경로간의 보정 등.

 변형상수(Modyfing factor, MF)

 추가적인 UF로서 전문가사이의 의견차이나 실험의 완전성 여부 등을 반영하기 위한 계수. 1과 10사이의 수를 적용하며 default value는 1로 함 

발암물질 (Carcinogens)

 만성일일섭취량(CDI, Chronic Daily Intake)

 CDI=총투여량(mg)/몸무게(kg)•수명(day)

 수명은 70년을 기준

 총투여량=(오염물농도)X(섭취율)X(노출기간)X(흡수율)

 유효인자(Potency factor) = 기울기인자(Slope factor)

 평생 암발생 추가위해도= CDI X PF

 음료수상응기준(DWEL, Drinking Water Equivalent Level)

 10-6의 위해도를 가져올 농도 

노출평가

 인체에 노출된 유해물질의 양을 추정하는 과정

 노출평가시 필요한 주요정보

 유해물질 생산 관리와 환경으로의 배출 관리에 관한 정보

 배출 양, 배출지역, 배출시점 에 관한 정보

 환경으로의 배출 후 이동, 지속성, 분해와 관련되는 요인들에 관한 정보

 인간의 유해물질 흡수도에 관한 정보

Key Steps in Exposure Assessment 

• Identify significant pathways

• Determine concentrations in environmental media that are contacted

• Assign exposure factors

• Calculate chemical intake

• Identification of Significant Exposure Pathways

• Concentrations in Environmental Media that are contacted

 Sampling and Analysis

 accurate quantification of dose

 expensive

 temporal limitations

 Mathematical Modeling

 greater uncertainty

 less expensive

 retrospective and predictive

 Behavior Analysis

3. Assign Exposure Factors

 Approaches based on either maximally exposed individual (MEI) or reasonably maximally exposed (RME) individual

 significant pathways

 how, when, where exposure occurs

 duration of exposure

 individual variations

 Standardized exposure factors available, e.g. Exposure Factors Handbook, EPA/600/8-89/043 and updates

Example Human Exposure Factors

4. Calculate Chemical Intake 

위해도 결정

 비발암성물질의 경우

 노출 안전역 (Margin of Exposure, MOE)

 위해성 지수 (Hazard Index, HI)

 

 RSC(Relative source contribution)

 상대적 기여율

 유기물-20%, 무기물-10%

 발암물질의 경우

 CDI X PF

복합 위해성 

 다수의 위험물질 존재할 경우

 발암물질의 경우

 총 발암위해도: 개별 물질별 발암율을 더하기

 비발암물질의 경우 

 총 위해도 지수: 개별 물질별 위해도 지수 더하기

 총 위해도 지수가 1 이하인 경우 수용가능 

 불확실성: 잠재적 synergy 효과 배제됨 

다양한 위해도의 표현

예제1

일반적으로 어떤 발암물질의 평생위해도는 일일평균노출량에 용량-반응평가 곡선에서 얻은 기울기인자를 곱하여 구한다. 

이 경우 음용수를 염소로 소독할 경우, 부산물로서 발암성을 갖는 chloroform(CHCl3)이 생성된다. (유효인자: 6.1*103(mg/kg/day)-1)

체중 70kg의 성인이 0.1mg/l 농도의 chloroform이 들어 있는 물을 하루에 2l씩 평생(70년 기준)동안 마실 경우를 가정하여 다음 사항을 계산하라.

1. 어떤 개인이 평생 동안 chloroform으로 인하여 직면할 수도 있는 발암위해성의 상한치를 도표들을 이용하여 계산하라.

CDI=1일평균섭취량/체중=0.1(mg/l) X 2(l/day)/70(kg)=0.00286

위해도=CDI X PF(SF) = 0.00286 ×6.1 ×10-3=17.4 ×10-6

2. 만약 그 도시의 500,000명이 이 물을 공급받고 있다면, 일년에 몇 명이 chloroform으로 인해 암에 걸릴 것이라 예상되는가?

500,000×17.4×10-6÷70 = 0.12 명/년

3. 수돗물에 포함된 chloroform에 의한 일년의 추가 암 발생과 다른 이유로 인한 예상 사망자를 비교하라(한국에서 암에 의한 사망율은 매년 100,000 명당 193명으로 가정한다.).

193×5 =965 명/년

따라서 클로로포름에 의한 0.12명은 무시할 수 있는 수준 

예제2

몸무게 60kg의 근로자가 아래와 같은 조건에서 특정 발암물질에 노출되었을 때 암 발생율을 추정하라. 

노출기간은 20년, 1년은 50주, 1주는 5일로 계산한다. 근로자는 근로 시간 중 2시간은 1.5m3/시간의 비율로 심하게 호흡을 하고 그 외 6시간은 정상적으로 1m3/시간의 비율로 호흡을 한다. 

발암물질의 잠재인자는 0.02(mg/kg/일)-1이고 흡수율은 80%로 추정되며 발암물질의 공기중 평균 농도는 0.05mg/m3으로 생각된다.

예제3

어떤 지하 탱크가 누수되어 지하수를 오염시켰고 부지 바로 밑의 농도가 0.3mg/l 이다 오염물질은 매일 10cm 의 속도로 1km 떨어진 우물로 이동하고 있다. 오염물질은 1차 반응으로 감소하며 반감기는 10년이다. 

 우물에서 예상되는 오염물의 농도는?

 우물까지 이동에 걸리는 시간=1000m×100/10=10000일

 일차반응이므로 

 오염물의 유효인자가 0.02(mg/kg-day)-1일 때 체중이 70kg 인 사람이 이 물을 10년간 매일 2리터씩 마실 경우 추가적인 암발생 위해도를 구하시오.

 따라서 음용수상응기준(DWEL) 보다 높은 위해도를 가지며 음용수로서 적합하지 않다.

 

위해성 평가의 불확실성

 위험성 인식단계

 대용화학물질 선정상의 오차 

 노출평가 단계

 모델과 방법, 노출평가결과 (I)의 불확실성

 용량-반응 평가단계

 동물실험의 결과를 사람에게 적용할 떄 두 가지의 안전인자 필요

 동물데이터를 인간에게 적용함에 있어서의 불확실성

 인간 집단 내에 존재하는 독성에 대한 민감도 변이

 저농도 장기노출에 대한 독성평가 (고농도 단기실험)

 고농도 평가결과를 외삽(extrapolation)하여 저농도 독성 추정

 단기간의 연구자료를 토대로 장기간의 위험성 예측: 독성 정도는 시간에 비례하는 것으로 가정

 위해성 결정단계

 복합 위해성

 대상수용체 특성에 따른 민감도 차이

 위해성 평가의 불확실성에 대한 대안

 최악의 시나리오에 대한 위해성 평가

 최대 독성

 최대 노출량

 복합위해에 대한 안전인자 등

 I, SF, RfD 등을 특정 값이 아닌 확률함수로 계산 (Monte Carlo Simulation 등)

 위해성에 대한 의사소통 현실 고려

위해성에 대한 의사소통

 수용 가능한 위해란 ? 

 미국 EPA기준

 발암성 (10-4 - 10-6)

 비발암성 (위해지수 1 이하)

 주관적이며 대중의 의식수준과 경제수준 사회문화적 수준 등에 의존 

 발암위해성의 출발점: 사망확률을 백만분의 1 증가시키는 정도

 위해성의 인식 

 과학적 인식과 대중적 인식의 차이 (주관적, 심리적 요인)

 위해성의 인식에 영향을 미치는 요소들: 자발적/강제적, 친근성/소원 성, 만성적/ 급성적, 자연적/인공적

 대중은 과학적 인식의 불확실성을 인정하지 않음 (주관적인 판단을 객관적인 확신으로)

 ‘위해성에 대하여 생각하는 것은 이것을 계산하는 것보다 생산적이다’

 위해성에 대한 의사전달

 위해성에 대한 합리적인 계량값을 추정하는 것은 가능하지만 이런 영향을 받고 있는 대중에게 이를 설명하는 것은 대단히 어려움. 

 위해성 관련 정책결정은 정치적, 사회적, 성격을 띠는 반면 위해성 추정은 기술적 내용이기 때문

 위해성의 의사전달 및 이에 근거한 정책결정이 왜곡되는 사회문화적 요인  

 집단 이기주의(주민)

 기회주의/한탕주의(전문가, 환경단체)

 관료주의/보신주의(관료)

 인기영합주의(정치인)

 이익지상주의(기업) 

 Solution ? 

 ‘To the best of the knowledge’ 과학적, 합리적 위해성 평가에 근거한 의사결정  

 공학자, 기술자로서 위해성 의사전달을 위한 고려사항: 대중의 심리와 관심을 이해, 정보욕구를 충족시키면서 표현의 목적 달성 

환경위해성 평가의 응용

 대기오염물질 배출기준 설정시

 하•폐수 오염물질 배출기준 설정시

 각종 환경기준 설정시

 유해물질에 대한 노출기준 설정시

 음용수의 오염허용농도 설정시

 유해물질에 대한 환경권고치 설정시

 유해물질 노출에 따른 인체 위해성 감소계획 수립시

오염원에서 인체영향까지 관리대책

국내의 위해성 평가 관련법

 유해화학물질 관리법

 2005. 12. 30 개정

 시행규칙 7조 4항: ④제1항의 규정에 따른 유해성심사의 구체적 방법, 시험자료의 요청절차 그 밖의 필요한 사항은 국립환경과학원장이 고시한다. 

 “화학물질의 유해성심사 등에 관한 규정” (국립환경과학원고시 제2005-19호

 http://newchem.nier.go.kr

 「제2차 유해화학물질관리 기본계획(2006-2010)」에서는 대기, 수질, 토양 등 기존의 매체중심의 환경관리에서 국민건강에 기반한 통합위해성 관리정책을 추진키로 하였음

화학물질 유해성 시험방법 

Dr. Bruce Ames, known for his work in the development of short-term mutagenicity tests, gave a seminar on the Davis Campus on March 1, 1986. I wrote the following article based on notes I took during the seminar. This article was edited by Dr. Ames and he added some information I had missed during his seminar

Based on this index, a glass of chlorinated tap water has an index (based on it's content of chloroform, a trihalomethane) of about 0.3. A glass of well water contaminated with trichloroethylene at about 3 ppm (the worst well in Silicon Valley), had an index of about 1 mainly due to the fact that TCE is substantially weaker than chloroform as a carcinogen. 

He stated "I'm just very skeptical of water being a serious contender for any kind of carcinogenic risk". 

Eating grains containing EDB had an index of about 0.4, about equivalent to a glass of chlorinated tap water. A few strips of bacon (nitrosamines) had an index of 9, and a peanut butter sandwich (aflatoxins at average 2 ppb) an index of 28. (FDA allows 10x this.) 

Dr. Ames also had good news for the beer drinkers of the world. Ethyl alcohol (in its various forms) is considered a human carcinogen of the liver, mouth and esophagus. It has recently been shown to cause cancer in rats which would give a daily bottle of beer on the scale an index of 2700 based on the rat data. 

WATER, Vol. 27, Number 2 (Summer 1986). 

Arthur L. Craigmill: Toxicology Specialist, U.C. Davis

Thus, according to the HERP index (Human Exposure Rodent Potency),

consuming one gram a day of dried basil (that's one twenty-eighth of an ounce) or 

eating one raw mushroom a day is 100 times more hazardous than 

drinking a quart of chlorinated water every day 

and 25 times more hazardous than drinking the most contaminated well water in the Silicon Valley in California. 

*HERP (Human Exposure Rodent Potency) index: 성인의 일생동안 1일 평균 노출량을 그 화학물질에 노출된 쥐의 1/2에 암이 발생하는 투여량의 %로 나타낸 값

New York Times

May 6, 1987

PERSONAL HEALTH  By JANE E. BRODY 

 Ames와 그의 지지자는 '가장 보편적으로 섭취되는 식품 중에는 화학공업에 의해서 발생되는 가장 위험한 잔류농약과 비교해서 100배 또는 1,000배나 더 많은 발암성을 갖는 대량의 자연물질을 포함하고 있다' 고 한다. 과일과 채소에는 곤충, 곰팡이, 기타의 포식동물을 방어하기 위한 자연물질이 만들어지고 있다. 이것은 과학자가 규제당국에 의한, 사람이 만든 발암물질을 확인하기 위한 동일한 가이드라인에 의해서, 자연식품의 조성분에 대한 시험을 시작하고 나서 밝혀진 사실이다. 중요한 발암물질인 에텔렌 디브로마이드(EDB)가 금지되기 전에 대부분의 미국인 어른이 전형적으로 섭취하는 식품 중에는 이 농약의 혼적량이 잔류했었다는 사실을 상상해 보자. Ames의 산정에 의하면 매일 한 잔의 포도주를 마시는 것이 잔류EDB를 섭취하는 것에 비해서 10,000배나 더 많은 암에 걸릴 위험성이 있으며 Rachel Carson이 증오했던 토양에 잔류하는 DDT에 비교해서 1.000배의 위험성이 있다고 한다. 바질(basil)의 한 잎, 티스푼 한 숟가락의 겨자 또는 한 개의 생 양송이에 포함된 자연의 발암성 물질은 EDB나 DDT 잔류량의 100배에서1,000배나 되는 강한 발암성을 가지고 있다고 한다. 

[건강] "와인 반잔만 마셔도 발암물질 노출"  2007-10-12 11:38 

하루에 수입 와인 반 잔만 마셔도 발암물질인 에틸 카바메이트 위험수치를 넘는다는 주장이 제기됐습니다.

한나라당 고경화 의원은, 식품의약품 안전청의 외부 용역 연구 자료를 분석한 결과, 국내에 수입된 와인 75종에서 1리터에 평균 109.4 마이크로그램의 에틸 카바메이트가 검출됐다고 밝혔습니다.

이와 관련해 연구팀은, 장기간 고온에 방치될 경우 에틸 카바메이트가 더 많이 생성된다고 밝혀 와인의 수입 유통 과정에서 발암 물질 함량에 영향을 줄 수 있음을 시사했습니다.

 Arsenic: Blackfoot syndrome