대기오염과 환경독성(2)

1. 질소산화물

자연적으로 생성되는 NO는 주로 번개와 미생물의 유기물 분해를 통해 생성된다. 미생물이 유기물을 분해하면 먼저 N₂O가 형성되고, 그다음 산화되어 NO가 된다. 인위적인 발생 요인은 주로 고온 연소 시 공급되는 공기 중의 산소와 질소가 결합하여 발생한다. NO는 대기 중에서 쉽게 NO₂로 산화된다. NO와 산화된 NO₂ 가스를 총칭하여 NOₓ라고 한다. 연소 시 형성되는 전체 질소 산화물의 양, NO 양 및 NO₂ 양의 비율은 공급되는 연료와 공기의 비율, 연소 온도에 따라 달라진다. 일반적으로 자동차에서 배출되는 NOₓ는 산업체에서 배출되는 것보다 처리하기 어렵다. 이는 자동차 연소로 배출되는 NO가 주로 도시 도로에 체류하는 반면, 공장에서 배출되는 NO는 높은 굴뚝과 바람에 의해 분산되기 때문이다. 여기서 오염물질을 희석하는 방법 중 하나인 고도 이용 분산법(high-altitude dispersion)은 도시민의 NO 노출을 낮추는 데는 효과가 있지만, 오존과 미세먼지 형성을 줄이는 데는 큰 영향을 미치지 않는다.

(1) 광화학 연쇄 반응
대류권에서 오존과 스모그를 형성하는 광화학 연쇄 반응에는 NOₓ와 탄화수소가 반드시 필요하다. 이 과정에서 NO₂는 태양광선에 의해 먼저 NO와 자유 라디칼을 가진 산소로 분리된다. 이렇게 만들어진 NO₂는 다시 태양광선에 의해 분해되며, 이 과정은 수없이 반복된다. 여기서 NO₂와 NO 사이의 농도 균형을 ‘광화학적 정상 상태(photostationary state)’라고 하며, 대기 중 오존 농도는 이 정상 상태에 의해 결정된다. 오존 생성량을 추정하는 사례로 상기 반응식에 탄화수소류가 없다고 가정하고 북아메리카 위도에서 정오에 생성된 NO₂와 NO의 비율이 거의 동일하면, 생성된 오존량도 약 20ppb로서 국가 대기질 기준(NAAQS: National Ambient Air Quality Standards)인 120ppb(하루 1시간 평균 농도)보다 훨씬 낮다. 대기 중의 탄화수소는 하이드록실 라디칼(-OH)을 포함한 일련의 광화학 반응을 통해 과산화 라디칼로 전환되며, 이는 다시 NO를 NO₂로 산화시킨다. NO가 계속 고갈되면 NO₂/NO의 평형 상태가 붕괴되고, 결국 오존 생성 반응이 진행된다. 오염된 대기 중 고농도로 존재하는 물질 중 하나는 과산화아세틸 라디칼이며, 이는 NO를 NO₂로 산화시키고 이산화질소와 반응하여 자극성이 큰 과산화아세틸질소 화합물인 PAN(peroxyacetylnitrate)을 형성한다. 일반적으로 광화학 스모그라고 불리는 미스트의 주요 성분은 PAN, 오존, 알데히드, 케톤 등이다.

(2) 광화학 스모그
오존은 호흡기 독성 물질로서 수용성이 낮아 미세기관지나 폐포 깊숙이 침투할 수 있다. 작업장에서의 사고처럼 오존에 급성으로 노출되면 호흡기계가 손상되어 부종(조직이 붓는 현상)이 발생할 수 있다. 오존에 만성적으로 노출되면 폐기종에 걸릴 수 있다. 광화학적 스모그는 피부, 눈, 점막 등을 자극하기도 한다. 광화학 스모그의 정도는 기후학적 및 지리학적 조건에 따라 달라진다. 예를 들어 고기압이 지속되면 강한 태양광선과 오염물질을 지표면에 붙잡아 두는 안정적인 하강기류로 인해 스모그 형성이 심화된다. 또한, 산으로 둘러싸인 지형은 오염물질을 대기로 분산시키는 바람의 흐름이 약해 같은 결과를 초래한다. 대기온도 역전현상은 따뜻한 공기가 지표 가까이에 있는 찬 공기층 위에 머무르는 현상으로, 이 경우 대기오염물질이 역전층을 벗어나지 못하게 되어 광화학적 스모그가 지표면 근처에 정체된다. 오존과 PAN은 모두 식물에 해로운 작용을 한다. PAN은 주로 초본식물에 영향을 주며, 오존은 식물조직을 파괴하고 광합성을 억제할 뿐 아니라 가뭄과 병해에 대한 저항성을 떨어뜨린다. 식물에 영향을 주는 대기오염물질 중 NO와 SO₂는 상호 독성 작용을 증가시킨다. 질소산화물이 광화학적 산화와 스모그를 유발해 환경과 인간 건강에 영향을 준다는 인식이 확산됨에 따라, 질소산화물의 건강에 대한 직접적인 위해성에도 관심이 높아지고 있다. 질소산화물은 폐를 자극하여 기관지염, 결핵, 바이러스 감염에 대한 감수성을 높이는 것으로 알려져 있다. 또한 산성비의 성분 중 약 1/3이 질산이기 때문에, 질소산화물은 강우 형성에도 중요한 역할을 한다.

 

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2. 휘발성 유기화합물 (VOCs; Volatile Organic Compounds)

휘발성 유기화합물은 자연적인 요인과 인위적인 요인으로 배출된다. 자연적인 배출원으로는 식물, 미생물의 분해 작용, 산불, 천연가스 등이 있으며, 인위적인 배출원은 화석 연료의 불완전 연소, 액체 연료 및 용매의 저장 또는 정제 과정 중 휘발에 의한 것이다. 미국의 경우, 연간 자연 배출량은 약 3,000만 톤에서 6,000만 톤에 이르는 것으로 보고되고 있다. 자동차 및 산업체의 굴뚝 등에서 배출되는 VOCs의 종류는 사용되는 연료의 종류, 연소 형태(내연기관 또는 외연기관), 오염 방지 장치의 유무에 따라 다양하다. 일반적으로는 저분자 지방족, 올레핀, 방향족 화합물이 주성분을 이룬다. 이 중 올레핀류와 디엔류는 약 500℃에서 800℃의 온도에서 자유 라디칼로 전환된 후, 중합 반응을 거쳐 다환방향족탄화수소(PAHs)를 형성한다.

(1) PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons)
PAHs는 대기 중 가스상 혹은 입자상 물질에 포함된 약 26종의 화합물이 있으며, 이들 중 일부는 강한 발암성과 변이원성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. Benzo(a)pyrene은 가장 광범위하게 연구된 PAHs 중 하나로, 대기 중 PAHs의 총 농도를 추정하는 데 지표물질로 사용된다. 연료 종류 및 연소 방식에 따라 benzo(a)pyrene의 배출량은 차이를 보이며, 일반적으로 총 PAHs 농도는 benzo(a)pyrene보다 10배 이상 높은 것으로 나타난다. BTU당 benzo(a)pyrene이 가장 많이 배출되는 경우는 가정에서 목재를 연료로 사용할 때로, 1980년대를 기준으로 하면 전체 PAHs 발생량의 약 85.5%를 차지한다. 두 번째는 농작물 소각, 세 번째는 산불로 인한 배출이다. PAHs가 인체에 미치는 영향은 입자의 크기에 따라 달라지는데, 직경 1㎛ 이하의 PAHs는 폐에 흡착되어 세포 내 P-450 효소계에 의해 발암물질로 활성화되거나 흡수되어 체내를 순환한다. 직경 25㎛의 PAHs 입자는 폐포에 도달하지 못하고 비강 점액과 함께 입 밖으로 배출되거나 위장관을 통해 혈액에 흡수된다. 노출 경로는 큰 영향을 미치지 않으며, benzo(a)pyrene의 일일 허용치는 체중 70kg의 건강한 성인이 평생 노출될 경우 암 발생률이 10만 분의 1 증가하는 양인 48ng으로 정의된다. 사람이 일상적으로 benzo(a)pyrene에 노출되는 양은 공기 중 9.5~13.5ng, 물 1.1ng, 음식물 160~1600ng, 담배 연기 400ng 수준이며, 공기를 통한 흡입 노출은 상대적으로 낮은 수준이다.

(2) 먹이사슬과 작업장 노출
특정 직업군은 PAHs에 고농도로 노출된다. 예를 들어 코크스를 제조하거나 콜타르 피치를 취급하는 근로자는 일반인보다 3,000배 이상 높은 수준의 PAHs에 노출되어 있어 암 발생 위험이 매우 높다. 도시 지역에서 발생한 다양한 입자들이 PAHs의 운반 매개체로 작용하여 토양이나 수질로 이동하고, 이로 인해 먹이사슬에까지 영향을 미친다. 보스턴의 찰스 강(Charles River)에서 채취된 침전물의 PAHs 조성은 대기 중 PAHs 조성과 매우 유사한 것으로 나타나, 화석 연료의 연소가 수질 오염의 주요 원인임을 시사한다.

(3) 벤젠(Benzene)과 에틸렌(Ethylene)
최근 VOCs 중 주목받는 또 다른 물질은 벤젠과 에틸렌이다. 벤젠은 골수 독성을 유발하며, 골수성 백혈병 및 비림프성 골수암의 원인 물질로 알려져 있다. 에틸렌은 식물의 성장 조절, 개화, 잎이 지는 시기, 열매 숙성 등에 관여하는 식물 호르몬이지만, 외부에서 과도하게 공급될 경우 독성을 유발한다. 에틸렌의 주요 배출원은 자동차이며, 일반적인 연소 과정에서도 배출된다.

(4) 공기 중 입자상 물질
입자상 물질은 현탁상 고형물과 색상을 띤 작은 포말 등으로 구분되며, 이들이 유발하는 호흡기 독성과 전신 독성의 양상은 각각 다르다. 자연적 배출원으로는 산불, 화산, 해상 물보라 등이 있으며, 인위적 배출원으로는 연소 시 발생하는 재, 검댕, 다양한 금속, 산업체의 절삭 및 연삭 가공에서 발생하는 미세 입자, 그리고 황산, 아황산, 질산의 미세 액적 등이 있다. 이들 입자의 크기는 0.01㎛에서 100㎛까지 다양하다. 대기 중에서는 입자와 입자 간, 또는 입자와 가스상 물질 간의 상호작용으로 인해 입자의 크기와 화학 조성이 지속적으로 변화하게 된다. 직경 30㎛ 이상의 입자는 비교적 빠르게 지표면에 침강되지만, 직경 1~10㎛의 입자는 대기 중에 수 시간에서 수 일간 머물 수 있으며, 특히 직경 1㎛ 이하의 입자는 더 오랜 시간 공중에 부유한다. 직경 5㎛ 이하의 입자는 기관지를 통과해 폐에 도달하고 자극을 유발하므로, 호흡기 질환자에게는 증상 악화 요인이 될 수 있다. 황산염 미세입자는 빛을 산란시켜 연무 형성에 큰 영향을 주며, 습도가 높을 경우 이러한 현상은 더욱 심해져 일주일 이상 지속되기도 한다. 빛을 흡수하는 성질을 가진 검댕 입자 역시 연무 형성에 기여한다.

 

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3. 금속성 오염물질

금속성 오염물질 중 특히 주목할 만한 것은 납, 수은, 베릴륨이다. 1985년 기준 미국에서의 납 배출량은 약 21,000톤이며, 이 중 69%는 유연휘발유의 연소에 의해 발생하였다. 유연휘발유 사용이 줄어들면서 자동차 배출로 인한 대기 중 납 농도는 현저히 감소했지만, 도시 폐기물 소각으로 인한 납 오염의 비율은 점차 증가하는 추세이다. 납과 수은은 대부분 석탄 연소 시 발생하며, 배출원의 특성과 관계없이 궁극적으로 수질과 토양을 오염시키게 된다. 한 해 동안 대기 중으로 방출되는 베릴륨의 양은 약 1,134톤이다. 베릴륨은 폐부종을 유발하는 폐렴, 만성 기관지염 등과 관련이 있으며, 역학조사에서는 발암성도 보고되고 있다. 다만, 일반적인 도심 내 공기 중 베릴륨 농도가 건강 문제를 일으킬 수 있는지에 대해서는 명확하지 않다. 그러나 베릴륨을 생산하거나 가공, 취급하는 작업자의 경우에는 직업병으로 인한 위해성이 존재한다.

 

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4. 비금속성 오염물질

불소와 석면은 대표적인 비금속성 오염물질로 분류된다. 불소는 석탄 연소 과정에서 발생하는 가스 형태의 부산물로 대기로 방출된다. 불소는 매우 반응성이 큰 원소로서 다른 원자나 분자와 쉽게 결합하여 다양한 불소화합물을 생성한다. 이 화합물은 호흡기를 자극하며, 식물의 잎을 탈색시켜 낙엽을 유발하기도 한다. 석면은 산업 현장에서 건축자재 등으로 널리 사용되다가 폐기되는 과정이나, 석면이 함유된 건물의 철거 시 배출된다. 석면의 인체 독성은 대부분 해당 물질을 직접 다루는 근로자들에게서 나타나며, 따라서 직업병 관리 차원에서 매우 중요한 환경성 유해 요인으로 간주된다.