Yoon. KJPH, 53(2):9-18, 2016 http://dx.doi.org/10.17262/kjph.2016.09.53.2.9 화학물질의건강위험성과냄새역치윤충식 1 1 보건환경연구소, 서울대학교보건대학원환경보건학과 Health Hazard and Odor Threshold of Chemicals Chungsik Yoon 1 1 Institute of Health and Environment, Department of Environmental Health, School of Public Health, Seoul National University Abstract Results: Among the 656 chemicals having Korean OELs, 123 chemicals had odor threshold values. There were no correlation (R 2 =0.0036) between 8-hour Time Weighted Average(TWA) and odor threshold values in 112 chemicals which had both 8-hour TWA and odor threshold values. This fact means that health hazard could not be judged by sense of smell in the workplace or other environment. The classification of the chemicals having odor threshold values into three categories, the ones which had higher odor threshold values than OELs, the ones had lower odor threshold values than OELs and the ones having similar values, could be used to manage chemicals at the workplace. Three chemicals like decaborane(0.05), formaldehyde(0.5), and hydrogen fluoride(0.5) had the same value of 8hr-TWA and odor threshold values. The correlations of odor threshold with vapor pressure (R 2 =0.0024), with LD 50 (R 2 =0.0043), and with LC 50 (R 2 =0.0025), were weak. Though it is very difficult to elucidate the relationship between odor threshold and chemical structure or its reactive group, this study showed several structural similarities and reactive groups for chemicals having very low odor threshold values. Conclusion: This study found that there were no correlation between odor thresholds and health hazards using index such as OELs(R 2 =0.06), LD 50 (R 2 =0.004) and LC 50 (R 2 =0.003). There was moderate correlation between OELs (R 2 =0.16) and LD 50 (R 2 =0.38), between OELs and LC 50 (R 2 =0.14). keywords: odor, threshold, chemicals, occupation, exposure limit, Lethal dose, Lethal concentration, TWA Introduction 최근국내에서는가습기살균제와하청업체의메탄올중독사고로인한화학물질관리에대한관심이매우높아지고있다. 실제로화학물질의사용은일부소비자사용도있지만대부분작업장에서이루어진다. 화학물질의위험성이란폭발, 화재같은안전성측면과장기적노출, 급성노출로인한보건적측면, 사업장의울타리를벗어나게되면지역사회노출로인한주변환경오염, 생태계파괴, 지역주민건강영향등을고려한환경적측면의위험성이다. 지역주민의건강영향도엄밀하게보면보건문제로간주될수도있다. 따라서화학물질의안전한관리란이러한안전적측면, 보건적측면, 환경적측면의위험성을파악하고감소시키는것이라고할수 있다. 이러한개념은실제로 GHS 시스템 (globally harmonized system of classification and labeling of chemicals) 에서분류하는건강유해성 (health hazards), 물리적위험성 (physical hazards), 환경지표유해성 (environment hazards) 과밀접히연관되어있다 [1]. 그러나화학물질을취급하는작업자입장이나화학물질을사용하는사업장주변의주민에게는이러한위험성과더불어냄새 ( 통상주민은악취라고부름 ) 를더문제삼기도한다. 왜냐하면화학물질의객관적성질은작업자나주민이전문적지식이없으면파악하기어렵지만냄새는쉽게파악되기때문이다. 또한작업자나주민이어떤화학물질에대한전문적지식이있다고해 * Corresponding author: Chungsik Yoon (csyoon@snu.ac.kr, 02-880-2734) 9 Institute of Health and Environment, Graduate School of Public Health, Seoul National University, 1 Gwanak-ro, Gwanak-gu, Seoul 151-742, Korea.
Health hazard and odor threshold 도실제노출되고있는수준에서의각특성을파악하기는어렵다. 후각신경을통해감지하는각개인의인지는화학물질이갖고있는객관적성질 ( 예, 증기압, 독성 ) 과다르다는것이알려져있지만통상이는몇가지화학물질의예를통해설명되어질뿐체계적으로분석된바가없다. 산업보건영역에서도작업자교육을할때냄새와노출기준은상관성이없다고이야기하지만실증적이고체계적인자료는없다. 따라서본논문의목적은국내산업안전보건법에서직업노출기준이설정되어있는화학물질을대상으로이물질들의냄새역치와노출기준또는다른독성정보 (LC 50, LD 50) 의상관성을파악하는것이다. Methods 작업자에대한노출기준설정물질목록은고용노동부홈페이지에서 (http://www.moel. go.kr) 다운로드받았다. 가장최근개정된 2013년 8월개정된 화학물질및물리적인자의노출기준 ( 고용노동부고시제2013-38호 ) 을기준으로하였다. 해당자료는국가법령정보센터에서 (http://www.law.go.kr) 에서도이용가능하다. 이물질들의물리화학적특성, 발암성및독성정보등은 CAS No. 를기준으로하여 2015년 1월기준으로산업안전보건법의경우안전보건공단의 (http://kosha.or.kr) 물질안전보건자료 (material safety data sheet, MSDS) 를기준으로하였으며자료가일부불충분한하거나없는경우는구글에서검색하였다 [1]. 냄새역치 (odor threshold, OT) 인경우 MSDS 에누락된경우가많았는데이는미국산업위생학회에서발간한냄새역치전문서적 (1997) 의자료를이용하였다 [2]. 이들자료를모아엑셀기반데이터베이스를구축하여자료분석을하였다. 냄새역치가있는화학물질에대해비교할물리적특성은증기압, 성상, 분자량및일부물질에대해서는포함된원소성분 ( 예, 황성분 ) 을이용해분석하였고, 건강지표로는 8시간노출기준인 TWA, 단시간노출기준인 STEL, LD 50(median lethal dose), LC 50 (median lethal concentration) 와의상관성을보았다. 물질의존재형태 ( 고체, 액체, 기체 ) 에따른특성을비교할때는자료의분포가정규분포하는지, 대수 정규분포하는지 Shapiro and Wilk Test 검정 을하여그결과를표시하였고평균 ( 표준편차 ), 기하평균 ( 기하표준편차 ) 를모두표시하였다. Results 산업안전보건법에노출기준이있는화학물질 의수는다른이름으로인한중복된수를제외 하면 656 개화학물질에달한다 ( 박지훈등, 2015). 작업환경노출기준은 8 시간시간가중평 균치 (8hr-time weighted average, TWA), 단시 간노출기준 (short term exposure limit, STEL), 천정값 (ceiling Value, C) 로구분되는데모든 물질이이들기준을갖고있는것이아니라각 각 596 종, 120 종, 34 종이갖고있다. 그림 1 은 이를표시한것으로 STEL 이있는 120 개물질 은모두 TWA 를갖고있으나 C 를갖고있는 물질은 1 개 ( 불화수소 ) 를제외하고는 TWA 가없 다 [3]. 656 개물질중에서냄새역치를갖고있는 물질은 123 개 (18.8%) 이다. 이중노출기준 (TWA 기준 ) 과냄새역치를모두갖고있는물 질은 112 개로노출기준설정물질 656 개대비 17% 이고냄새기준이있는물질 123 개대비 90% 이다. 이들의상관관계는그림 2 와같다 (R 2 =0.16). 냄새역치와 STEL 을모두갖고있는 57 개물질의상관성도높지않아서 (R 2 =0.12) 단순히냄새의유무만갖고건강영향을논의하 는것은타당하지않다고할수있다. 그림 2 에표시한화학물질명은 TWA 와냄새역 치가낮거나또는높은물질또는벤젠, 포름알 데히드, 산화에틸렌처럼발암성물질에대해서 나타낸것이다. 그림 2 에서대각선 (y=x) 상단의 물질은노출기준이냄새역치보다낮은물질로 이미냄새를지각하였다면노출기준을초과하였 다고판단할수있는물질이다. 예를들어천식 유발이나감작물질로잘알려져있는톨루엔 - 2,4- 디이소시아네이트, 톨루엔 -2,6- 디이소시아 네이트 (TDI) 는노출기준이 0.005 인데비해 냄새역치가모두 0.05 으로노출기준이 10 배정도낮은물질로이런물질은냄새가나면 이미노출기준을초과하고있다고판단할수있 다. 1,1- 디클로로에틸엔, 클로로에틸엔, 산화에 틸렌은각각냄새역치가 500, 250, 50 으로각각의 TWA 인 5, 1, 1 보다매우높은냄새역치를갖고있다. 대각선하단의물질은역으로노출기준에 10 The Korean Journal of Public Health
Yoon. KJPH, 53(2):9-18, 2016 비해냄새역치가낮은물질로노출기준이하에서도냄새를지각할수있는물질이다. 예를들어트리메틸아민, 요오드포름, 2-에톡시에틸아세테이트 ( 이명, 셀루솔브아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸아세테이트 ), 에탄에티올, 디메틸아민의냄새역치가각각 0.00021, 0.00039, 0.00056, 0.00076 으로 0.001이하로매우낮으나이들의 TWA는요오드포름은 0.6, 다른물질은모두 5 으로냄새역치에비해노출기준이요오드포름은 1,500배, 다른물질은 5,000 배이상높다. 대각선상에있거나대각선에가까운물질은노출기준이냄새역치와비슷한물질들이다. 정확히노출기준과냄새역치가동일한물질은 3 가지로, 데카보란, 포름알데히드, 불화수소로데카보란은냄새역치와노출기준이모두 0.05 이고포름알데히드와불화수소는모두 0.5 으로동일하다. 이들냄새역치와노출기준을모두갖고있는물질을성상별로구분하면고체가 11개물질, 기체가 20개물질, 액체가 81개로대부분액체물질로존재한다. 이들의물질의성상에따른비교를표 1에요약하였다. 표 1에서보듯이자료의분포는일부는대수정규분포를하였고 ( 예, 고체상의냄새역치, TWA, 증기압, 가스상의냄새역치, TWA), 일부는정규분포나대수정규분포를하지않았으나 ( 예, 가스상물질의증기압, 액상물질의냄새역치, TWA, 증기압 ) 이들도정규분포보다는대수정규분포에가까웠다. 표에서보듯이고체, 기체액체순으로냄새역치의기하평균이각각 0.043, 0.236, 2.84 으로증가하고냄새역치의중앙값도각각 0.053, 0.31, 4.68 으로증가한다. 반면에고체, 가스, 기체의증기압은각각 0.11 mmhg, 923.13 mmhg, 12.05 mmhg로가스상물질이가장높고, 다음액상, 기체순서이다. 고체상의냄새역치의기하평균이나중앙값이낮은이유는실제로많은고체중에서냄새를나게하는화학물질의수가제한되는데비해이들의냄새역치는대부분낮은값 (0.00039~3 ) 을갖고있는반면에가스나액체는화학물질의수가많으며냄새역치의범위가크기때문이다. 기체성분의휘발성의기하평균은 4390.13 mmhg로고체나액체에비해훨씬큼에도불구하고휘발성과냄새와상관성이있는지는이표만으로는정확히해석하기어렵다. 노출기준의기하평균은가스, 고체, 액체순으로높아지는데각각 1.09, 2.21, 10.99 으로액체가가장높게평가되는데이는액체중에서실제로냄새가있는화학물질이많고이들의노출기준이다양하고높은물질이존재하기때문이다. 액상으로되어있는물질의노출기준은 0.005~1,000으로가스상이나고체상에비해넓음을알수있다. 냄새역치와노출기준이있는 112개중물질중증기압자료가없는 1개물질 ( 디메틸벤젠 ) 을제외한 111개물질의증기압과냄새역치의관계는그림 3과같다. 그림에서보듯이냄새역치와증기압과의상관성계수는 0.0024로상관성이없었다. Figure 1. Number of chemicals having occupational exposure limits like TWA, STEL, C in Korea ( 윤충식, 2016). The Korean Journal of Public Health 11
Health hazard and odor threshold Figure 2. Relationship between occupational exposure limits(8hr-twa) and odor threshold. Chemicals above diagonal line have higher odor threshold than 8hr- TWA. Chemicals below diagonal line have lower odor threshold than 8hr-TWA. Table 1. Comparison of odor threshold, occupational exposure limit and vapor pressure of chemicals according to the physical status 12 The Korean Journal of Public Health
Yoon. KJPH, 53(2):9-18, 2016 Physical Status at room temperature Solid Liquid Gas No. of Chemicals 11 81 20 Odor Threshold, Vapor Pressure, mmhg TWA, GM (GSD) 0.043 (22.82) 2.84(19.65) 0.236(36.79) AM(SD) 0.58(0.98) 33.75(78.47) 16.45(56.11) Median 0.053 4.68 0.31 Range 0.00039~3 0.00056~500 0.0002~250 GM (GSD) 0.11 (33.11) 12.05 (17.60) 923.13(19.87) AM(SD) 3.56 (9.01) 88.17(161.26) 4390.13(6922.81) Median 0.19 15.68 1897.50 Range 0.0005~30 0.00002-902 0.0498~29300 GM (GSD) 2.205(6.21) 10.99(18.96) 1.09 (7.26) AM(SD) 7.81)14.45) 87.08(176.93) 5.63(11.92) Median 2.00 25.00 1.00 Range 0.1~50 0.005~1000 0.05~50 Molecular Weight, Mean(SD) 146.48(86.18) 105.79(48.75) 47.85(21.94) Figure 3. Relationship between vapor pressure and odor threshold. The Korean Journal of Public Health 13
Health hazard and odor threshold (a) (b) (c) (d) Figure 4. Relationships of chemicals LD50 and LC50 with odor thresh hold or occupational exposure limit. (a) : Odor threshold and LD50(101 chemicals), (b) : Occupational exposure limit and LD50(101 chemicals), (c) : Odor threshold and LC50(100 chemicals), (d) : Occupational exposure limit and LC50(100 chemicals). 그림 4는노출기준 TWA와냄새역치를갖고있는화학물질중에서 LD 50 또는 LC 50 자료가있는물질에대하여그상관성을나타낸것이다. 그림에서보듯이냄새역치와 LD 50 와의상관성은매우낮은반면 ( 상관성계수0.0043) LD 50 와노출기준과의상관성은 0.38로어느정도상관성이있는것으로나타났다. 냄새역치와 LC 50 의상관성도매우낮게나타난반면에노출기준과 LC 50 의상관성은 0.14로 LD 50 보다는낮지만어느정도경향성을보이고있다. 작업장의노출기준인 TWA는근로자의흡입노출에대한기준으로 LD 50 보다는 LC 50 와더연관성이있다고믿어지는데본자료에서는그렇지않고상관성도높지않았다. 따라서작업자가작업장에서 사용하는물질의냄새여부만을갖고작업장이좋은지안좋은지판단하는것은주의를하여야한다. 물론냄새가나는것보다나지않는사업장을구현하는것은바람직하나본결과에서보듯이냄새가나지않는다고해서안전한사업장이아님을주의하여야한다실제로 TWA는근로자가하루 8시간, 일주일 40시간작업할때건강상악영향이나타나지않는다고믿어지는농도로흡입노출에대한기준이기는하지만이기준을제정할때실제로동물실험결과인 LD 50 나 LC50 값을많이사용하지는못했다. 우리나라노출기준의모태가되는미국정부산업위생전문가협의회 (ACGIH) 가노출기준을제정 14 The Korean Journal of Public Health
Yoon. KJPH, 53(2):9-18, 2016 할때 (1968년기준) 참고한주요자료를보면산업장역학조사자료 38%, 자발적인체실험자료 11%, 동물실험흡입자료 22%, 동물실험경구실험자료 5%, 화학구조의유사성 24% 로조사되었다 [4]. 이자료는 1968년 ACGIH의직업노출기준인 TLV(threshold limit value) 의 414종의배경설정자료를조사한것인데전체노출기준 414종 (1968년당시기준 ) 의 27% 만이동물실험자료를이용했고이중경구독성자료가더많이이용되었다. 아마흡입독성보다는경구독성이쉽기때문에자료가더많이이용되었다고추정되나실제동물실험자료가많이이용되지못해상관성이둘다높지않은것으로파악된다. 최근에는동물실험자료가더많이이용되었을가능성이있지만이에대한최근의연구결과는없다. 본연구에서는냄새역치가있는 100여종에대한상관성을본것이지만우리나라노출기준이설정된물질전체 656개물질중 LD 50 와 LC 50 의상관성은각각 0.36, 0.47로, 노출기준과흡입독성치의상관성이더크게나타났다 [5]. 화학물질의냄새를내게하는성분이어떤원소또는반응기에대해구체적인설명은어렵다 [6]. 기존문헌에서구조와반응기에대한분석의시도가이루어졌지만대개같은계열의화학물질에대해이루어졌고, 같은계열의화합물에대해서어느정도의규칙성이있음을제시하였다 [7-8]. 그러나다양한화학물질에대해서는연구가잘이루어지지않았다. 본연구에서는냄새역치가 0.1 이하인물질 25개모두의구조식과화학식을그림 5에냄새역치와같이표시하였다. 그림에서보듯이단순한형태에서복잡한형태의화학물질이 0.1 의냄새역치를갖고있다. 그림의맨윗행에서보듯이단순한구조는황화수소, 이산화황, 오존, 메탄치올, 에탄치올과같은단순한구조이다. 이런결합구조가냄새발현에영향을주는지아니면특정성분이냄새에영향을주는지는불분명하다. 그러나첫행에서보듯이오존을제외하면황 (S), 또는황성분이들어간치올 (-SH) 기, 냄새를내는데일정역할을하는것같다. 두번째행에서는암모니와같은구조형태를띤것이요오드포름, 포스핀같은것이있고, 아민기를가진트리메틸아민이나디메틸아민기 가있다. 여기에서는인, 요드, 그리고질소성분을가진것들이영향을주는지그구조에의한것인지불분명하다. 그이후의구조식에서도보면다양한형태의화합물이저농도의냄새역치를갖게하는데염소가있는화학물 ( 아세틸렌디클로라이드 ), 아세트산기가있는화합물 (n-아밀아세테이트, sec-아밀아세테이트 ), NCO가있는화합물 ( 톨루엔 2-4, 디이소시아네이트, 톨루엔 2,6 디이소시아네이트 ), 벤젠기나페닐기가있는화합물등다양하다. 그러나이런구조식을갖고있는것이모두낮은냄새역치를갖고있는것은아니어서일률적으로설명하기는어렵다. 즉, 페닐기를갖거나벤젠기를갖고있는물질중어떤것들은냄새역치가높을수있기때문이다. 페놀화합물에서는페놀링의알킬대체물질 (alkyl substituent) 이메타위치에있을때냄새역치가매우낮아지며, 페놀의히드록실그룹 (OH) 이중요한냄새발현에중요역할을하다는보고를하기도하였다 [6]. 또한냄새물질이여러개공존할때는0이들이독립적으로작용하거나상가작용, 상승작용, 또는길항작용을할수있음이보고되었다 [9]. 냄새의지각은후각신경에서일어나는데이는물질의구조뿐만아니라생리학적구조가중요하고이들을연결하여분석하려는노력도이루어졌다 [10]. 냄새의지각은후각신경에서이루어지는데냄새성분의인지에는냄새의검출능력인냄새역치, 냄새강도, 냄새특성, 냄새에대한기호도를고려해야하는데다분히주관적요소를포함하고있다 [2]. 이를요약하면다음과같다. 냄새역치는보통일정집단 ( 테스트집단 ) 에서적어도일정한퍼센트 ( 예, 50%) 의사람이감지해낼수있는최소한의농도를말하며, 감지한사람들의감지농도평균값을취한다. 따라서냄새역치는정확히생리학적인상수값이아니며, 각개인간반응값의통계적인추정치이다. 냄새역치에는두가지종류가있다. 첫째는검출역치로테스트집단의일정퍼센트사람에게서후각신경에감각반응을일으키는최저한의농도로해당냄새가없는공시료와감지되는냄새의농도. 어떤성분의냄새가있는지없는지를판별하는기준이다. 둘째로는인식역치로기술될수있는데테스트집단의일정퍼센트사람이해당성분이갖고있는특징적인냄새를감지해내는최저농도이다. 이는검출역치와달 The Korean Journal of Public Health 15
Health hazard and odor threshold 리해당성분의특징적인냄새를감지해야한다. 보통검출역치의 3~5배수준이다. 냄새강도는느끼는냄새에대한인지되는강도를의미하며냄새성분의농도에비례한다. 이는다음식으로표현할수있는데 n 값과 K 값은물질마다다르다. S = KI n S: 냄새성분을느끼는인지강도 I: 자극의물리적강도 ( 냄새농도 ) n: 심리물리학적 (psychophysical) 함수의기울기 냄새특성은각물질마다갖고있는고유한냄새의특성으로 ASTM에서는냄새의특성을 생선냄새, 건초냄새, 신냄새, 산패한 ( 지방산이썩은냄새 ) 암모니아냄새 등 146개로기술하기도하였다. 냄새를지각할때또한감각수용성의차이로인해농도에따라냄새특성이달라지기도한다. 예를들어부틸초산 (CH 3- CO-O-(CH 2) 3-CH 3) 인경우저농도에서는달짝지근한냄새가나지만고농도에서는바나나혹은사과냄새가난다. 카보닐설파이드 (O=C=S) 는황으로인해저농도에서화약냄새가나지만고농도에서는썩은달걀냄새가난다. 냄새에대한기호도는개인에따라어떤냄새에따라유쾌또는불쾌하게느끼는것으로, 개인의경험, 냄새발생빈도, 냄새특성, 냄새강도, 지속기간에따라달라진다 [2]. 또한냄새의지각에는개인특성에의한변이가심하고, 반복적노출은후각신경을피로하게하여냄새를인지하지못하게한다 [2]. 이해의충돌본연구는이해의충돌이없음. 감사의글본연구는서울대학교보건연구재단 (CMB) 및 BK21 Plus 의지원을받아수행되었음. 16 The Korean Journal of Public Health
Yoon. KJPH, 53(2):9-18, 2016 Hydrogen sulfide, 0.05 Carbon disulfide, 0.02 Ozone,0.08 Methanethiol, 0.002 Ethanethiol, 0.00076 Iodoform, 0.00039 Phosphine, 0.03 Ammonia, 0.038 Trimethylamine, Dimethylamine, 0.00021 0.00076 Acetylene dichloride, 0.085 Acrylic acid, 0.068 Methyl acrylate, 0.014 Crotonaldehyde, 0.035 n-amyl acetate, 0.08 sec-amyl acetate, 0.08 2-Ethoxyethyl acetate, 0.00056 Pyridine, 0.0031 diisocyanate, 0.049 Toluene-2,4- Toluene-2,6- diisocyanate, 0.050 Phthalic Naphthalene, Biphenyl, Dicyclopentadiene Decaborane, anhydride, 0.053 0.003 0.00098, 0.003 0.05 Figure 5. Chemical structures and odor thresholds of chemicals having less than 0.1 odor threshold. The Korean Journal of Public Health 17
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