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1 한국환경분석학회지제 11 권 ( 제 2 호 ) 130~143, 2008 J. of the Korean Society for Environmental Analysis 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 이은영 심원진 오정은 부산대학교사회환경시스템공학부 Analysis of Pharmaceutical Compounds in Water using Solid Phase Extraction (SPE) and Liquid Chromatography/Mass Spectrometry (LC/MS) Eun-Young Lee, Won-Jin Sim, and Jeong-Eun Oh School of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University, Busan , Korea SPE (solid-phase extraction) and LC/MS (liquid chromatography/mass spectrometry) method has been developed for the analysis of thirty three pharmaceuticals in aqueous sample, such as sewage and river water. The effects of disk type and ph on the extraction of pharmaceuticals in water were examined. Hydrophilic DVB disk was more efficient than otadecyl (C18) disk and the extraction efficiency of pharmaceuticals at ph=2 (53-139%) was better than that at ph=5. Thirty three pharmaceutics in sewage influent, effluent and river sample were analyzed using the method developed in this study. Fourteen drugs (acetaminophen, acetylsalicylic acid, diclofenac-na, ibuprofen, ketoprofen, mefenamic acid, naproxen, carbamazepine, clofibric acid, gemfibrozil, caffeine, erythromycin-h 2 O, lincomycin, and amoxicillin) were detected and the levels of detection were 0.001~10.1 ppb (µg/l). Key words: pharmacueticals, sewage treatment plants (STPs), Liquid Chromatography/Mass Spectrometry (LC/MS), Solid Phase Extraction (SPE) 1. 서론의약품은인간과가축의질병예방및치료목적으로사용되며, 국내에서생산되는의약품은 2만 3천여종으로그생산금액은약 10조 6000억원에달한다고알려져있다 1). 보건복지부와건강보험심사평가원에서실시한 2007년 1사분기병 의원의처방건당약품목수의적정성평가에서국내의경우처방 1회당약품목수가평균 4.13개로미국 1.97개, 독일 1.98개, 호주 2.16개에비해두배정도많은의약품이처방되는것으로조사되었다. 또한국내외래환자의급성상기도감염에대한항생제처방률은약 60% 로미국 43%, 네덜란드 16%, 말레이시아 26% 에비해약 1.5~4배 정도높으며 2003년도국내연간항생제사용량은 22.97/1000명 / 일 DDD(daily defined dose) 로서 OECD 국가중 6번째로높은수준이다 2). 인체용의약품뿐만아니라동물용의약품의경우도육류생산량대비항생제단위사용량이일본의 2.6배, 프랑스의 3.4배, 미국의 3.6배, 호주의 14.5배에달하며허가된동물용의약품의수는 7천 540품목으로일본 3천 615품목, 미국 2천 179품목에비해각각 2.1배및 3.5배의품목이허가된것으로집계되었다 3). 이처럼무분별하게사용된의약품은인간이나가축에사용된후생물학적으로활성을가진상태로수계에배출되거나부적절한폐기, 의약계산업폐수, 병원폐수등을통해환경에유입되어인체및생태계에악영향을초래할수있다. To whom correspondence should be addressed. jeoh@pusan.ac.kr

2 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 131 인체및동물에사용된의약품은생체내에서효과적인작용을위하여물에쉽게녹지만생체투여농도의 80~90% 가분해가어려운물질로배설되어하 폐수처리장으로유입된다고알려져있다. 환경에노출된의약품은중요한생물군집종의사멸이나내분비계교란등을발생시켜종감소또는종간불균형을가져오며노약자와임산부등과같은민감집단에게건강상의피해를유발할수있다. 특히의약품중항생제의경우무분별한사용으로인하여내성균조성, 균교대현상, 유전자에대한영향, 혈액장애, 간장애, 위장관출혈, 청각장애등의부작용이발생한다고알려져있으며인체의항생제내성률이증가하여결국사람의질병치료를어렵게만들고심할경우목숨을잃기도한다고보고되고있다 4). 이런문제점으로인하여환경에잔류하는의약물질은새로운환경오염물질로인식되어유럽이나미국등에서는이에대한연구가활발히수행되고있으며제도적인관리도시행되고있다 5). 국외에서는 1990년대말의약물질의주배출원으로알려진생활하수에서의약물질분석법정립을시작으로하수처리장에서의약물질성분의제거율및효과적인처리공정의고찰과관련된연구가다수발표되었다. 미국의경우항생제와전문의약품, 일반의약품등유기오염물질 95종에대하여미국내하천의수계조사연구 6) 를시작으로동위원소법을이용한수중의약물질분석에대한연구 7) 와하수처리장에서의유입수와유출수에대한농도조사연구 8) 등다수의연구논문이발표되었다. 유럽에서도의약물질관련연구가활발히진행되고있는데특히독일의연방수문학연구소 (Federal Institute of Hydrology: BfG), 스위스의연방수질과학기술연구소 (Federal Institute of Aquatic Science and Technology: EAWAG), 핀란드, 오스트리아등대학의연구소등유럽연합 (European Union: EU) 주요국가의연구기관이참여하여 EU-POSEIDON라는명칭으로프로젝트를 2001년부터진행하였다. 이프로젝트에서는유럽의환경중의약물질의전반적인농도수준을조사하고다양한매체에서의의약물질의분석법개발하는등다양한연구를수행하였다 9). 홍콩과일본의경우도의약물질관련연구가진행되고있는데홍콩의경우 7종의항생제를대상으로유입유출수의농도수준을조사 10) 하였고일본의경우 24종의의약물질을하수처리장에서모래여과와오존처리에의한의약물질의제거율을확인하고수중의약물질의효과적인제거로오존처리를추 천 11) 하는등활발한연구가진행되고있다. 국내의경우 2006년도에국립환경과학원에서국내에서가장많이생산되고소비되는의약물질 17종을대상으로 4대강유역의하천수, 하수처리장및축산폐수처리장의유입수및방류수등총 40개지점에대해 2차례에걸쳐시료를채취해분석을실시하여 16종의의약물질이검출됨을보고하였다. 그러나아직국내에서의의약물질관련연구는시작단계에있으며분석법도제대로확립되어있지않은실정이다. 특히의약물질은수중에서 ppt~ppb 수준으로존재하는미량오염물질로서이의관리를위해선정확한분석법의확립이필수적이다. 수중의의약물질추출에는전통적인액 -액추출보다는극성및비극성물질에대한효율이높은고체상추출 (SPE) 이많이이용되며기기분석에는의약물질의경우분자량이크고비휘발성이며열적안정성이낮기때문에액체크로마토그래프 / 질량분석기 (LC/ MS) 와액체크로마토그래프 / 텐덤형질량분석기 (LC/MS- MS) 가주로이용되고있으며국내에서수행된의약물질연구대부분에서도 SPE와 LC/MS 또는 LC/MS- MS를사용하였다 12,13). 따라서본연구에서는국내에서인체및축 수산물에대한사용량이많고국내외수계에서많이검출되고있는 33종의의약물질을대상으로 SPE와 LC/MS 를사용하여수질시료에서의의약물질분석법을확립하고자하였다. 특히고체상추출법을이용하여 33종의물질을동시에추출하여용매의사용을줄이고시간과노동력을함께줄이는최적추출법을확립하고자하였으며이를위해수소이온농도 (ph) 및고체상추출기의디스크종류에따른의약물질추출효율을비교하였다. 또한정립된방법으로하천수및하수처리장유입 유출수를대상으로의약물질을분석하여분석방법의실제시료에의적용가능성을확인하고분석방법의신뢰도를검증하고자하였다. 2. 실험방법 2.1. 표준물질및시약본연구의분석대상의약물질의목록을 Table 1에나타냈으며물질의물리화학적특성을나타내는산해리상수 (pk a ) 와물 / 옥탄올분배계수 (K ow ) 의값도함께표시하였다. 대상의약물질은소염진통제와항경련제, 지질조절제그리고항생제를포함한총 33종으로대상물질의효능과작용기에따라일반의약품을그룹 A로,

3 132 이은영 심원진 오정은 Table 1. Physicochemical Properties of Target Compounds. Compound Abbreviation pk a log K ow Frag. Ions Group A Analgesic acetaminophen ACE , 110 acetylsalicylic acid ASA , 137 diclofenac-na DIC , 250 ibuprofen IBU , 161 ketoprofen KET , 209 mefenamic acid MEF , 196 naproxen NAP , 169 Anti-seizure carbamazepine CBZ , 194 Lipid regulator clofibric acid CFA gemfibrozil GEM , 121 Stimulant caffeine CFF , 138 Group B Sulfonamide sulfachloropyridazine SCP NA , 156 sulfadimethoxine SDT 2.0, , 156 sulfamerazine SMR 2.2, , 156 sulfamethazine SMT 2.65, , 124 sulfamethoxazole SMX NA , 156 sulfamonomethoxine sodium SMM NA , 156 sulfathiazole STZ 2.0, , 156 trimethoprim TMP , 275 Group C Macrolide erythromycin-h2o ERY , 558 roxythromycin ROX 8.8, , 158 tylosin TYL , 174 Tetracycline chlortetracycline-hcl CRT 3.30, 7.44, , 462 demeclocycline-hcl DMC NA , 448 doxycycline-hyclate DXC NA , 428 meclocycline-sulfosalicylate MEC NA oxytetracycline-hcl OXY 3.27, 7.32, , 444 tetracycline TET 3.30, 7.68, , 410 Group D Cephalosporin cefradine CFR NA , 175 Fluoroquinolone ciprofloxacin CIP , 231 Lincosamide lincomycin LIN NA NA 407, 126 Penicillins amoxicillin AMX 2.4, 7.4, , 160 Synthetic antibiotics carbadox CBD NA , 231 *NA: Not Available 1. ChemIDplus 2005 ( 2. SRC physical properties database, 2005 ( 3. T.A. Ternes, and A. Joss, 2006, Human pharmaceuticals, Hormones and Fragrances 4. T. Reemtsma, M. Jekel, 2006, Organic Pollutants in the Water Cycle 5. J. Sangster, 1994, LOGKOW Databank

4 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 133 술폰아미드 (Sulfonamide) 계항생제를그룹 B로, 마크로라이드 (Macrolide) 계및테트라사이클린 (Tetracycline) 계항생제를그룹 C로, 그밖의기타항생제를그룹 D로나누었다. 표준물질및내부표준물질은 Dr. Ehrenstorfer사 (Augsburg, Germany) 와 Sigma-Aldrich 사 (St.Louis, MO, US) 및 TRC사 (Toronto, Canada) 에서구입하여사용하였고, 내부표준물질로는디히드로카르바마제핀 (dihydrocarbamazepine) 과페노프로프 (fenoprop) 를사용하였다. Methanol과 Water, MTBE(Methyl Tertiary Butyl Ether) 등의용매는 J.T.Baker사 (Phillipsburg, NJ, USA) 의 HPLC 분석등급을사용하였고그밖의시약은모두특급을사용하였다 시료의전처리채취된시료는유리섬유여과지 (GF/F Filter, Whatman, Ø 47 mm) 로여과한후다시 0.45 µm 나일론멤브레인여과지 (Nylon Membrane Filter, Whatman, Ø 47 mm) 로여과한후중금속방해제거및 C18과결합되는것을막기위해에틸렌디아민사아세트산디소듐 (EDTA-2Na 2H 2 O) 1 g를시료에첨가하여사용하였다. 추출은고체상추출기 SPE DEX-4790 system (Horizon, Salem, NH, USA) 을사용하였으며고체상추출디스크는 Hydrophilic DVB 디스크 (Phillipsburg, NJ, USA) 와 Octadecyl(C18) 디스크 (Phillipsburg, NJ, USA) 를이용하였다. 디스크는 MTBE와 Methanol, Water를이용하여활성화시킨후사용하였으며시료 500 ml를디스크에흘려준후디스크의수분을제거하기위해 30분간건조한다음 10% Methanol/MTBE 와 Methanol을이용하여대상물질을용출시켰다. 용출액은 TurboVap II(Zymark, Hopkinton, MA, USA) 를이용하여 1 ml로농축한다음최종기기분석시료로사용하였다 ph에따른최적추출조건비교본연구의대상물질인 33종의약물질은생체내작용및구조에따라다양한그룹으로나뉘며물리화학적인성질도다양하다. 특히의약물질종류에따라 pk a 값에차이를보이는데술폰아미드계항생제와마크로라이드계항생제는주로 7 이상의값을, 일반의약품군의 pk a 는주로 4의값을가지며 ph에따라의약물질들의추출효율이달라진다. 따라서본연구에서는증류수에표준물질을주입한후 3.5 M 황산을첨가하여 ph를 2로조절한시료와 ph를 5로조절한시료의추출효율을비교하였다. 추출에사용한고체상흡착제는 Hydrophilic DVB 디스크를이용하였으며, 용출은 10% Methanol/MTBE와 Methanol을사용하였다 디스크에따른최적추출조건비교대상물질 33종의다양한의약물질분석을위한최적고체상추출디스크의선정을위해친수성과소수성의특성을함께가지는 Hydrophilic DVB 디스크와주로소수성의물질의분석에쓰이는 Octadecyl(C18) 디스크에서의의약물질추출효율을비교하였다. 디스크의활성과용출에쓰인용매는 Methanol과 Water, MTBE로관련실험방법은 2.2절에서술된내용과동일하다 분석기기및조건 Agilent Technologies사의 1200 series HPLC(Palo Alto, CA, USA) 와연결된 1100 series MSD(Palo Alto, CA, USA) 를이용하여대상물질을분석하였으며 ZORBAX Eclipse XDB-C18( mm, 5 µm, Palo Alto, CA, USA) 컬럼을사용하였다. 그룹 A는 0.1% 포름산 (formic acid) 을첨가한 Water와 Methanol 을이동상으로사용하였으며, 나머지항생제분석에는 1% 포름산을첨가한 Water와 1% 포름산를첨가한 Methanol을이동상으로사용하여기울기용리 (gradient elute) 하였다. 자세한기울기용리조건은그룹별로 Table 2에나타내었다. 검출에사용한잘량분석기의이온화방식은전자분무이온화 (Electro Spray Ionization: ESI) 방식이며각물질의선택이온 Table 1에나타내었다 QA/QC 확립된분석방법의신뢰도검증을위하여증류수에 0.1 µg/l과 1 µg/l로연구대상물질 33종의표준물질을주입한시료를대상으로 2.3절과 2.4절에서도출한최적분석방법의회수율을확인하였다. 또한시료의자체의물리화학적특성의영향으로분석시오차의원인이되는매트릭스효과 (matrix effect) 를확인하기위하여하천수및하수처리장으로유입되는원수에각각 0.2 µg/l과 2 µg/l로연구대상물질 33종의표준물질을주입한후위와동일한방법으로분석하여회수율을확인하였다. 회수율은 33종의표준물질을주입하지않고추출한하천수및하수시료의분석결과를표준물질을

5 134 이은영 심원진 오정은 Table 2. Operating Conditions of HPLC. Group A Mobile phase A: 0.1% Formic acid in Water Flow rate 0.4 ml/min B: Methanol Injection volume 20~40 µl Gradient Time(min) A(%) B(%) Group B Mobile phase A: 1% Formic acid in Water Flow rate 0.3 ml/min B: 1% Formic acid in Methanol Injection volume 20~40 µl Gradient Time(min) A(%) B(%) Group C Mobile phase A: 1% Formic acid in Water Flow rate 0.3 ml/min B: 1% Formic acid in Methanol Injection volume 20~40 µl Gradient Time(min) A(%) B(%) Group D Mobile phase A: 1% Formic acid in Water Flow rate 0.3 ml/min B: 1% Formic acid in Methanol Injection volume 20~40 µl Gradient Time(min) A(%) B(%) 주입한시료의분석결과와비교하여구하였다 실제시료의분석본연구에서확립된수질시료에서의의약물질분석 방법을실제시료에적용하여의약물질배출현황을파악하였다. 대상하수처리장은부산지역에있는두개의개별처리장 (A, B) 을가지고있는하수처리장으로유입수및유출수를각각의처리장에서채취하였으며

6 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 135 하수처리장인근하천에서도시료를채취하여분석하였다. A처리장은일평균 286천톤, B처리장은일평균 264천톤의하수를처리하며 A, B 처리장의주공정은활성슬러지법 (activated sludge process) 이다. A처리장은활성슬러지공정뒤염소소독과정을운영하고있으며 B처리장은 UV소독과정을두고있다. 3. 결과및고찰 3.1. ph에따른추출효율 ph 조절에따른대상의약물질추출효율을비교한결과를 Fig. 1에나타내었다. 의약물질은비극성의중심부와극성의작용기로이루어진물질로시료의 ph 변동에따라이온화정도에차이를보여양성자화나탈양성자화혹은염을생성하는등의변화가민감하게일 어난다. ph 변동에따른추출효율의변화를정확하게판단하기위해서는다양한 ph에대해실험이수행되어야하지만본연구에서는증류수에표준물질을의약물질종류에따라 20~500 µg/l로주입후 ph를각각 2와 5로조절하여비교하였다. ph를 2와 5로선정한이유는기존연구에서 ph가 4 이하 ( 주로 ph 2) 일때추출효율이높았으며 6,13,19) ph가 2일때생물학적분해가어려우며대상물질의산화를막아준다는이론 20), 그리고대상하수처리장및하천시료의 ph 범위가 5~6 으로측정되어이에근거하여추출 ph를선정하였다. 그룹 A는약리작용에따라다양한그룹으로나뉘며 pk a 값도 3.5~13.9로넓은범위에걸쳐나타난다. 보통의약물질은이온화시양이온으로변하는경우가많으나그룹 A의경우아세트아미노펜 (acetaminophen), 카페인 (caffeine), 카르바마제핀 (carbamazepine) 을제외 Fig. 1. Extraction efficiency of pharmaceuticals according to extraction ph.

7 136 이은영 심원진 오정은 한나머지의약물질은이온화시음이온이되는산성의약물질이대부분으로 ph를 2로조절할경우중성상태로존재하게된다. ph를 2로조절한경우그룹 A의의약물질추출효율은 61~139% 이며 ph를 5로조절한경우의추출효율은아세틸살리실산 (acetylsalicylic acid) 을제외하면 63~145% 로나타나 ph는그룹 A의의약물질추출에큰영향을미치지않는것으로보인다. 다만산성의약물질인아세틸살리실산의경우 ph가 2인경우의추출효율이 61% 이고 ph가 5일때 10% 로 ph 가 2일때추출효율이더뛰어남을확인할수있었다. 항생제계열의약물질의경우그룹별로동일한작용기를가지며작용기에따라생체내에서유사한항생작용을하게된다. 그룹 B의술폰아미드계의약물질은인간및동물에모두쓰이는물질로술폰기에아민기가치환된형태의작용기를가지고있어두개의 pk a 값 (pk a1 2~3, pk a2 5~11) 을가지며강산과염기조건에서각각양성자화와탈양성자화가일어나는양쪽성물질이다 17). 술폰아미드계의약물질의 ph 조절에따른추출효율은 ph가 2일때 59~108% 이며, ph가 5일때 38~87% 로 ph가 2일때의추출효율이더좋은것으로나타났다. 술파티아졸의경우 ph가 5일때의추출효율이 75% 로 ph가 2인경우 (59%) 보다더높았으나술파티아졸을제외한나머지술폰아미드계의약물질에서는 ph가 2일경우의추출효율이 ph가 5인경우에비해높고편차도작아술폰아미드계의약물질추출시 ph를 2로조절하는것이더적합한것으로사료된다. 마크로라이드계항생제와테트라사이클린계항생제가속한그룹 C에서도시료의 ph를 2로조절한경우에추출효율이더높은것으로나타났다 (Fig. 1). 시료를전처리하는과정에서산과염기에의해분해되는경향을보이는것으로알려진마크로라이드계항생제의경우 16) 강한산성조건인 ph가 2일때의추출효율은 53~84% 로약한산성조건인 ph가 5일때 (52~69%) 에비해높은효율을보이는것으로나타났다. 테트라사이클린계항생제역시 ph를 2로조절하였을때더높은추출효율을보이는것으로나타났다. 이외세포벽합성을저해하는베타락탐 (β-lactam) 항생제인세팔로스포린 (Cephalosporin) 과페니실린 (Penicillins) 계항생제, 핵산합성을억제하는플루오로퀴놀린 (Fluoroquinolone) 계항생제, 단백합성을억제하는린코아미드 (Lincosamide) 계항생제등이속한그룹 D 의경우에도모든물질이 ph 2에서 55~117% 로 ph 가 5인경우 (37~60%) 에비해높은추출효율을보였다. 특히세프라딘 (cefradine) 과아목시실린 (amoxicillin) 의경우 ph 2에서각각 116.5% 와 110.1% 의추출효율을나타내었으나 ph가 5인경우에는각각 59.5%, 52.4% 의비교적낮은추출효율을보여 ph를 2로조절하는것이더적합한것으로판단된다. 이와같이일부의약물질 ( 이부프로펜, 카르바마제핀, 카페인, 술파티아졸 ) 에서 ph가 2보다 5인경우에추출효율이높았으나다수의의약물질을동시에분석하기위해서는 ph 2로조절하여물질을추출하는것이더욱효과적이라는결론을얻었다. 기존에진행되었던여러연구에서도의약물질의동시분석을위한 ph 값은일반의약물질의경우 ph 2, 술폰아미드계는 ph 2~4, 마크로라이드계는 ph 2~3, 그밖의의약물질군은 ph 3으로본연구에서정한 ph 2와비슷한수준이었다 6,13,19). 이외타연구에서 ph값이 4~8 사이로나타낼때, 추출효율은크게변화가없으나전반적으로 ph 의증가는추출효율의감소로이어짐을보고하고있다 21) 디스크종류에따른추출효율수중에존재하는의약물질의추출에는액-액추출법 (liquid-liquid extraction, LLE) 과고체상추출법이많이사용된다. 액-액추출법은주로비극성이나약한극성을띠는물질의추출에주로사용되는데, 평형상태에서분석대상물질의분배계수에따라섞이지않는두용매사이의분배차이를이용한것으로, 추출에사용할용매의선택과분석대상물질의특성, 그리고 ph 조절등이중요한인자로작용한다. 반면에고체상추출법은시료가카트리지형태의흡착제를통과하면대상물질이흡착제에흡착되고이를특정용매로용리시키는방법으로액-액추출법을대체하는추출기법 16) 이다. 이는액-액추출법에비해간편하고시간및노동력, 용매의사용량을크게줄일수있으며, 흡착제의선택에따라다양한물질의추출이가능해최근수질에서유해물질추출에폭넓게쓰이고있다 17). 고체상추출법을이용한의약물질의분석카트리지로 Oasis HLB, MCX, MAX, 그리고 Octadecyl(C18) 등이사용되는데 Oasis HLB는친수성의 N-vinylprrolidone 과소수성의 divinylbenzene 물질이각각같은비율로존재하는역상의혼성중합체로일반의약품및항생제추출과정전반에사용된다 16). Oasis MCX는염기성물질의분석을위한양이온교환, Oasis MAX는산성분석물을위한음이온교환에효과적인역상의혼합체

8 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 137 로두흡착제는의약물질중일반의약품의분석에도쓰이나제한적이다 22). 이중 Oasis HLB가의약물질의다중추출에높은효율을보인다고보고한바있으며여러연구에서사용되고있다. 그리고 Octadecyl(C18) 은탄소입자가부착된실리카기반의물질로주로소수성의물질의분석에쓰이나가장범용적으로사용되고있다 16,17,23) 이에본연구에서는 Hydrophilic DVB 디스크와 Octadecyl(C18) 디스크를사용하여의약물질의추출효과를비교하고자하였으며본연구에서사용한 Hydrophilic DVB 디스크는의약물질의추출에높은효율을보이는 Oasis HLB와유사한성상을지닌다. 이를위해의약물질표준물질을 80~200/L로주입한증류수의 ph를 2로조절한후 10% Methanol/MTBE 와 Methanol을이용하여용출하였으며디스크에따른의약물질추출효율을비교한결과는 Fig. 2에나타내 었다. 그룹 A인일반의약품군의경우디스크종류에상관없이대부분의의약물질에서추출효율이 50~150% 로나타나비교적양호한결과를얻었다. 그러나아세트아미노펜과메페남산 (mefenamic acid) 의경우 C18 디스크에서각각 10.6% 와 176.1% 의추출효율을보여두물질은 C18 디스크의적용이적합하지않은것으로판단된다. 그룹 B의술폰아미드계와그룹 C의마크로라이드계와테트라사이클린계의주요항생제군에서도 Hydrophilic DVB 디스크의추출효율 (46.8~122.4%) 이 C18의추출효율 (0~64.9%) 에비해높았으며그룹 C의마크로라이드계와테트라사이클린계에대한 C18 디스크추출효율 (0~35.4%) 도크게낮아그룹 C의의약물질에서의 C18 디스크의적용역시적합하지않은것으로판단된다. 특히테트라사이클린의낮은효율은 Fig. 2. Extraction efficiency of pharmaceuticals with disk types.

9 138 이은영 심원진 오정은 테트라사이클린과실리카와강한결합을하는특성 17) 에따라실리카기반의 C18 디스크에서의추출효율이더욱떨어지는것으로보이며이들물질의추출에 C18 디스크사용은적절하지않은것으로사료된다. Group D에속한시프로프록사신역시 C18 디스크의추출효율이 1.2% 로특히낮아 Hydrophilic DVB 디스크의적용이필요한것으로판단된다. 본 33종의의약물질을대상으로두종류의디스크를대상으로추출효율을본결과대부분 Hydrophilic DVB 디스크에서의추출효율이높고대상물질모두에대해추출효율이비슷하고물질에따른편차가작은결과를나타내어본대상연구 33종의의약물질고체상추출에는 Hydrophilic DVB 디스크를선정하여추후실험을진행하였다 분석방법의회수율실험앞에서도출한결과를토대로 ph 2에서 Hydrophilic DVB 디스크를이용하여분석대상물질의회수율을측정하여신뢰도를평가하였다 (Table 3). 이를위해증류수에저농도 (0.1 µg/l) 및고농도 (1 µg/l) 의표준물질을주입하여각각 3회에걸쳐추출및측정한각물질의회수율 (Recovery) 은 50.0~104.3% 의범위를나타내었고표준편차 (Standard deviation, SD) 는 0.8~26.4% 의범위를나타내었다. 그리고실제시료가대상물질의추출에미치는영향을파악하기위하여하천수와하수처리장유입수를대상으로실험을진행하였다. 하천수의경우 33종의표준물질을 0.2 µg/l씩주입하여얻은회수율의범위는 83.6~115.3%(SD 0.7~16.0%) 이었으며하수처리장유입수에 2 µg/l씩표준물질을주입하여얻은회수율은 77.6~126.1%(SD 3.7~18.0%) 로양호한결과를얻었다. 따라서본연구에서도출한분석방법으로다양한수질시료에대한의약물질의분석을실시하였다 실제시료에의적용본연구에서확립된분석방법으로 2007년 10월부산광역시의한하수처리장과인근의하천에서 33종의약물질을분석하여 Table 4에결과를나타내었다. 하수처리장유입수의결과를살펴보면그룹 A( 일반의약품 ) 에서소염진통제로주로쓰여약국에서쉽게구입가능한아세트아미노펜 (10.1 µg/l, 6.26 µg/l) 및아세틸살리실산 (7.64 µg/l, 3.16 µg/l) 과커피, 초콜릿등의식음료및피로회복제의성분으로쉽게섭취가 능한카페인 (7.31 µg/l, 4.86 µg/l) 이다른물질에비해높은농도를나타내었으며이외의일반의약품의경우모두 1 µg/l 이하의농도수준을보였다. 일반의약품을제외한항생제에서는부작용이적어인체용으로주로사용되고있는아목시실린 (2.08 µg/l, 2.29 µg/l) 이가장높은농도수준을나타내었으며린코마이신 (lincomycin) 이 0.34 µg/l와 0.40 µg/l 수준으로검출되었다. 국내에서동물용항생제로주로쓰이는술폰아미드계및테트라사이클린계항생제는본연구에서검출되지않았는데이는생활하수가 100% 유입되는하수처리장의특성때문인것으로보인다. 본연구의대상물질항생제중가장높게검출된아목시실린의경우 2006년에발표된국내인체항생제의생산량을추정한논문 24) 에서산출한아목시실린생산량은 1만 5천여킬로그램으로항생제중생산량이가장큰물질로발표되었으며이에유입수에서아목시실린이항생제중가장높게나온것으로보인다. 국내에서수행된타연구에서도본연구와유사한결과를보고하였는데유입수에서아세트아미노펜이최고 12.1 µg/l로다른의약물질에비해높게검출됨을보고 26) 하였다. 국외의하수처리장유입수를모니터링한타연구결과를살펴보면, 가까운일본의경우감염성피부질환에크림제제로흔히쓰이며일반의약품으로분류되어있는크로타미톤 (crotamiton, 0.79 µg/l) 과감기약의성분으로주로사용되는이부프로펜 (0.79 µg/l) 이주로검출되었고항생제중술포피리딘 (sulfapyridine, 492 ng/l) 과나프록센 (naproxen, 316 ng/l) 이높은수준으로검출되었다. 11). 미국의 Louisiana 하수처리장에서는나프록센이 64 ng/l이검출되었고, Detroit 하수처리장에서는클로피브릭산 (Clofibric acid) 과나프록센이각각 103 ng/l와 63 ng/l으로나타났다 25). 이처럼외국에서높은수준으로검출되는의약물질이본조사결과와다른이유는각나라의사용의약품패턴이국내와다르고또한연구조사대상물질도본연구대상물질과서로달라직접적인비교가어렵기때문으로판단된다. 유출수의경우 33종중 11종이검출되었으며검출된의약물질의경우모두농도가 1 µg/l 이하였다. 유입수에서높은농도로검출된아세트아미노펜과아세틸살리실산, 카페인은유출수에서검출한계이하값으로검출되었으며제거율이 99% 이상으로나타나하수처리공정을통한제거효과가큰것으로나타났는데이는기존의연구와도잘일치한다 27). 특히아세트아미노펜

10 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 139 Table 3. Recovery and standard deviation (SD) for target compounds. Group A Group B Group C Group D spiking amounts Compound 0.1 µg/l 1 µg/l 0.2 µg/l 2 µg/l Analgesic acetaminophen 83.5(±9.7) 81.4(±3.3) 104.4(±13.1) 94.6(±7.6) acetylsalicylic acid 90.4(±2.3) 80.7(±6.8) 95.2(±0.7) 108.7(±9.4) diclofenac-na 92.0(±12.6) 82.2(±3.6) 92.6(±1.0) 79.4(±2.9) ibuprofen 62.6(±11.1) 59.2(±10.1) 100.3(±4.2) 89.5(±11.5) ketoprofen 95.0(±8.4) 98.5(±2.1) 75.4(±2.8) 71.3(±17.3) mefenamic acid 90.5(±7.8) 86.4(±9.0) 82.2(±2.4) 78.1(±14.0) naproxen 95.4(±2.8) 100.0(±4.7) 75.0(±15.5) 64.4(±8.0) Anti-seizure carbamazepine 104.3(±3.3) 77.1(±2.3) 109.5(±14.5) 90.5(±6.8) Lipid regulator clofibric acid 57.2(±10.0) 61.8(±11.0) 101.7(±2.8) 123.8(±4.2) gemfibrozil 91.1(±6.2) 95.4(±20.6) 89.7(±4.7) 77.7(±18.0) Stimulant caffeine 60.1(±2.4) 65.7(±0.9) 110.0(±16.0) 86.5(±3.7) Sulfonamide sulfachloropyridazine 78.9(±8.3) 83.7(±3.4) 98.3(±0.7) 101.5(±8.8) sulfadimethoxine 70.2(±13.1) 77.0(±2.0) 85.6(±0.7) 103.2(±9.1) sulfamerazine 78.8(±10.0) 85.8(±2.9) 108.5(±0.7) 105.2(±8.9) sulfamethazine 80.3(±9.4) 79.6(±0.9) 115.3(±2.6) 110.8(±9.0) sulfamethoxazole 82.2(±9.5) 85.4(±2.6) 98.4(±1.3) 97.2(±8.4) sulfamonomethoxine sodium 80.8(±13.7) 89.0(±3.0) 100.0(±1.8) 103.8(±9.6) sulfathiazole 60.4(±12.2) 89.9(±2.0) 103.7(±1.8) 97.1(±9.2) trimethoprim 78.8(±6.7) 72.8(±4.3) 117.8(±3.3) 117.3(±8.1) Macrolide erythromycin-h2o 69.8(±10.7) 50.0(±8.3) 84.4(±6.9) 112.9(±6.3) roxythromycin 65.7(±8.9) 53.3(±16.6) 105.0(±3.0) 95.5(±9.4) tylosin 72.4(±20.8) 50.6(±11.8) 114.9(±7.3) 126.1(±9.1) Tetracycline chlortetracycline-hcl 81.2(±15.1) 78.4(±3.2) 96.8(±8.9) 93.3(±4.1) demeclocycline-hcl 79.0(±16.9) 78.6(±9.4) 103.3(±3.8) 99.7(±8.7) doxycycline-hyclate 83.7(±3.8) 86.9(±4.5) 87.4(±4.6) 85.2(±4.2) meclocycline-sulfosalicylate 87.9(±7.5) 91.9(±2.2) 90.0(±2.9) 77.6(±4.6) oxytetracycline-hcl 70.7(±26.4) 70.2(±4.1) 106.9(±5.0) 105.2(±5.7) tetracycline 75.7(±17.4) 75.5(±3.5) 112.5(±6.2) 118.1(±4.4) Cephalosporin cefradine 93.9(±14.8) 101.0(±6.9) 100.4(±1.4) 96.3(±13.0) Fluoroquinolone ciprofloxacin 79.3(±9.0) 87.8(±15.6) 83.6(±1.4) 92.8(±11.2) Lincosamide lincomycin 60.7(±8.4) 50.5(±13.9) 102.8(±5.6) 113.2(±12.9) Penicillins amoxicillin 92.0(±7.2) 93.2(±0.8) 96.8(±1.5) 82.2(±9.5) Synthetic antibiotics carbadox 83.3(±16.6) 95.1(±6.0) 103.9(±3.9) 99.6(±14.1)

11 140 이은영 심원진 오정은 Table 4. Concentration of pharmaceuticals in sewage and river samples and their removal efficiency in STP. (Unit: µg/l) Compound STP 1 STP 2 Inf. Eff. Removal Inf. Eff. Removal River Group A Analgesic acetaminophen ND 100% ND 100% ND acetylsalicylic acid % ND 100% diclofenac-na % ibuprofen ND 100% ND 100% ND ketoprofen % ND ND NA ND mefenamic acid % naproxen % % Anti-seizure carbamazepine % % Lipid regulator clofibric acid ND % gemfibrozil ND ND NA ND Stimulant caffeine ND 100% ND 100% ND Group B Sulfonamide sulfachloropyridazine ND ND NA ND ND NA ND sulfadimethoxine ND ND NA ND ND NA ND sulfamerazine ND ND NA ND ND NA ND sulfamethazine ND ND NA ND ND NA ND sulfamethoxazole ND ND NA ND ND NA ND sulfamonomethoxine sodium ND ND NA ND ND NA ND sulfathiazole ND ND NA ND ND NA ND trimethoprim ND ND NA ND ND NA ND Group C Macrolide erythromycin-h2o ND ND NA ND roxythromycin ND ND NA ND ND NA ND tylosin ND ND NA ND ND NA ND Tetracycline chlortetracycline-hcl ND ND NA ND ND NA ND demeclocycline-hcl ND ND NA ND ND NA ND doxycycline-hyclate ND ND NA ND ND NA ND meclocycline-sulfosalicylate ND ND NA ND ND NA ND oxytetracycline-hcl ND ND NA ND ND NA ND tetracycline ND ND NA ND ND NA ND Group D Cephalosporin cefradine ND ND NA ND ND NA ND Fluoroquinolone ciprofloxacin ND ND NA ND ND NA ND Lincosamide lincomycin % % Penicillins amoxicillin % % ND Synthetic antibiotics carbadox ND ND NA ND ND NA ND * ND: Not Detected **NA: Not Available

12 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 141 의경우유입수에서최대로검출되었음에도불구하고유출수에서는검출되지않았는데이는아세트아미노펜이활성슬러지공정등생물학적처리공정에서쉽게제거된다는기존의연구결과 6,28) 와잘부합하는것이다. 다른물질의경우는제거율이비교적낮거나유출수에서의농도가오히려증가하기도하여제거효율이거의미미한것으로나타났으나이들물질의유입수와유출수에서농도수준은아목시실린을제외하면 0.3 µg/l로낮아우려할만한수준은아닌것으로판단된다. 하수처리장중유출수에서의일반의약품배출을연구한타연구결과와본연구결과를비교하여 Table 5에나타내었다. 독일, 캐나다, 영국에비해비해국내의농도수준은낮았지만유입수조사처럼국가별사용하는의약품의종류및농도가다르고특히독일의경우제약산업이발전한나라이므로직접적인비교는불가능할것으로보인다. 이외프랑스 33) 의연구에서는하수처리장유출수에서국내유출수에서는검출되지않았던감기약의아세트아미노펜 (11.3 µg/l) 과커피, 녹차, 홍차등기호품으로소비되는차의성분인카페인 (2.2 µg/l) 이검출되었다. 또한 2007년발표된국내연구논문에서대상의약물질중일반의약품중에서는카페인 (0.2 µg/l) 이유출수에서가장높은수치를나타낸사례또한보고된바있다 13). 하수처리장말단하천에서는총대상 33종의약물질중에서 7종의의약물질이검출되었다. 이중린코마이신이 0.17 µg/l, 카르바마제핀이 0.10 µg/l로다른물질보다높은농도로나타났는데이들의하수처리장에서의제거율 (29~64%) 이그리높지않기때문인것으로보인다. 2002년미국수계에서조사한연구결과에따르면연구대상의약물질 41종중아세트아미노펜 (10 µg/l) 과카페인 (6.0 µg/l) 이가장높은검출값을기록하였는데본연구에서는모두불검출되어다른분포경 향을나타내었다 6). 국내타연구에서는하천에서주로이오프로마이드 (iopromide) 와카페인이검출됨을보고하고있으나 0.1 µg/l의낮은수준이다 13). 이와같이총 33종의의약물질중 11종 ( 아세트아미노펜, 아세틸살리실산, 디클로페낙소듐 (diclofenac-na), 이부프로펜, 케토프로펜 (ketoprofen), 메페남산, 나프록센, 카르바마제핀, 클로피브릭산, 젬피브로질 (gemfibrozil), 카페인, 에리스로마이신수화물 (erythromycin- H 2 O), 린코마이신, 아목시실린 ) 이검출되었으며농도는 0.001~10 µg/l 수준으로검출되었다. 미국식품의약청 (FDA) 에서는성분별생산량 (threshold volume; 역치생산량 ) 이특정값이상일때관리기준 (action limit) 을 1 µg/l로기준을삼고있다. 성분별생산량은각국가현실을반영한값으로수정되어야하는데김명현등 (2006) 의논문 24) 에따르면국내의실정을감안한성분별연간생산량은 7,000 kg이다. 대상물질중성분별연간생산량이 7,000 kg을초과하는의약품은총 6종 ( 아세트아미노펜, 아세틸살리실산, 이부프로펜, 메페남산, 세프라딘, 아목시실린 ) 으로이중농도가 1 µg/l를초과하는물질은유입수에서아세트아미노펜, 아세틸살리실산과아목시실린이나유출수및하천에서의농도는 1 µg/l 미만으로검출되어관리기준을초과하지는않으나지속적인모니터링과위해성평가가이루어져야할것으로보인다. 위의연구들에서나타난바와같이수중에서검출되는의약물질은각국가마다사용되는의약품종류가매우다르고그사용량또한많은차이를보이기때문에다른분포경향을보이는것으로사료된다. 이는각나라의질병이나항생제등의약품에대한내성의차이와더불어의약품에대한접근용이성등의차이때문인것으로판단되며특히의약품사용량과하수처리공정을통한제거율, 수계중의약물질의오염수준은서 Table 5. Comparison pharmaceutics levels in effluent samples. (Unit: ng/l) Compound Canada 1) U.K. 2) Germany 3),4) This study Eff #1 Eff #2 diclofenac ketoprofen ND mefenamic acid naproxen carbamazepine erythromycin ND 106 -: Not Measured, ND: Not Detected 1) Metcalfe et al., 2003, 2) Ashton et al., 2004, 3) Heberer et al., 2002, 4) Edda et al., 2001

13 142 이은영 심원진 오정은 로관련이있으므로의약품의체계적인유통과정과적절한폐기및처리대책이요구되어져야할것으로보인다. 4. 결론 본연구에서는수중의약물질의분석방법을확립하였으며이를실제시료 ( 하수처리장유입수및유출수, 하천수 ) 에적용시켜보았다. Hydrophilic DVB 디스크와 Octadecyl(C18) 디스크의추출효율을비교한결과 Hydrophilic DVB 디스크의추출효율이 Octadecyl (C18) 디스크에비해추출효율이우수하였고편차가작아다성분의약물질의분석에는 Hydrophilic DVB 디스크가더적합한것으로나타났다. 그리고시료의 ph 를 2로조절한경우가 ph를 5로조절한경우보다의약물질의다성분분석에더적합하였다. 최적화된방법을실제시료에적용시켜본결과, 유입수에서아세트아미노펜 (10.1 µg/l, 6.26 µg/l), 아세틸살리실산 (7.64 µg/l, 3.16 µg/l), 카페인 (7.31 µg/l, 4.86 µg/l) 이다른물질에비해서높은농도수준을보였고 99% 이상의높은제거율을나타내었다. 이외의물질들의유입수에서의농도는모두 1 µg/l 이하수준이었으며그제거율은명확하지않거나미미한것으로나타났다. 하수처리장말단의하천에서는처리효율이높지않았던린코마이신 (0.17 µg/l) 과카르바마제핀 (0.10 µg/l) 의농도수준이다른물질에비해서비교적높게검출되었다. 의약물질과관련한국내연구는아직부족한실정으로, 본연구의의약물질 33종외의사용량및물질의위해가능성을바탕으로한물질의추가와이에따른분석법의확립, 하수처리장및하천에대한지속적인모니터링이요구되며하수처리의부산물로발생되는슬러지에서의약물질분석법의개발또한필요하다. 감사의글 이논문은 2007년도정부 ( 과학기술부 ) 의재원으로한국과학재단의지원을받아수행된연구임 (No. R ). 참고문헌 1. 식품의약품안전청, 2007, 2007 년식품의약품통계연보제 9 호, 김남순, 장선미, 정희진, 황정해, 김동숙, 김민자, 엄중식, 김은주, 심희선, 2005, 식품의약품안전청연구보고서, 식품의약품안전청, 2006, 동물용의약품의등록허가및사용실태, 16, C. Walsh, 2003, Antibiotics : actions, origins, resistance, , ASM Press. 5. J. Park, 2005, KEI RE-12, D. W. Kolpin, E. T. Furlong, M. T. Meyer, E. M. Thurman, S. D. Zaugg, L. B. Barber, and H. T. Buxton, Environ. Sci. Technol. 2002, 36, B. J. Vanderford, and S. A. Snyder, Environ. Sci. Technol., 2006, 40, K. G. Karthikeyan, and M. T. Meyer, Science of The Total Environment, 2006, 361, T. A. Ternes, 2005, EVK1-CT ( poseidon.bafg.de). 10. A. Gulkowska, H.W. Leung, M.K. So, S. Taniyasu, N. Yamashita, Leo W. Y. Yeung, Bruce J. Richardson, A. P. Lei, J. P. Giesy and Paul K. S. Lam, Water Research, 2008, 42, N. Nakada, H. Shinohara, A. Murata, K. Kiri, S. Managaki, N. Sato and H. Takada, Water Research, 2007, 41, K. J. Choi, S. G. Kim, C. Kim and S. H. Kim, Chemosphere, 2007, 66, S. D. Kim, J. Cho, I. S. Kim, B. J. Vanderford and S. A. Snyder, Water Research, 2007, 41, United State National library of Medicine, 2005, ChemIDplus ( 15. Syracuse Research Corporation, 2005, Environmental science database, SRC physical properties database. ( 16. T. A. Ternes, and A. Joss, 2006, Human pharmaceuticals, Hormones and Fragrances 65-68, , IWA. 17. T. Reemtsma, M. Jekel, 2006, Organic Pollutants in the Water Cycle, 6-10, , John Wiley & Sons Inc. 18. J. Sangster, 1994, LOGKOW Databank. Quebec, Sangster Research Laboratories, Montreal, Canada. 19. B. J. Vanderford, R. A Pearson, D. J. Rexing, and S. A. Snyder, Anal. Chem. 2003, 75, E. P. Popek, 2003, Sampling and analysis of environmental chemical pollutants , Academic Press. 21. Z.L. Zhang and J.L. Zhou, Journal of Chromatography A, 2007, 1154, B. Kasprzyk-Hordern, R. M. Dinsdale and A. J. Guwy, Journal of Chromatography A, 2007, 1161,

14 고상추출법과액체크로마토그래프질량분석장치를이용한수질시료에서의의약물질분석 M. Gros, M. Petrovic and D. Barceló, Talanta, 2006, 70, M. H. Kim, J. Park, Y. H. Kim K. Choi, Kor. J. Env. Hlth., 2006, 32, G. R. Boyd, H. Reemtsma, D. A. Grimm and S. Mitra, The Science of The Total Environment, 2003, 311, S. H. Koo, H. W. Cho, S. W. Myung, J. of the Korean Society for Environmental Analysis, 2007, 10, M. J. Gómez, M. J. Martínez Bueno, S. Lacorte, A. R. Fernández-Alba and A. Agüera, Chemosphere, 2007, 66, T. A. Ternes, Water Research, 1998, 32, C. Metcalfe, X. S. Miao, W. Hua, R. Letcher, and M. servos, 2004, Pharmaceuticals in the Canadian environment in Pharmaceuticals in Environment, 67-90, Springer. 30. D. Ashton, M. Hilton and K. V. Thomas, Science of The Total Environment, 2004, 333, T. Heberer, K. Reddersen and A. Mechlinski, Water Science & Technology, 2002, 46, M. Edda, J. W. Metzger, 2001, Drugs in Municipal Sewage Effluents: Screening and Biodegradation Study in Pharmaceuticals and Personal care production in the Environment edited by C. G. Daughton, T. L. Jones-Lepp, , An American Chemical Society Publication. 33. A. Togola and H. Budzinski, Journal of Chromatography A, 2008, 1177,