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문제 정의
- 전라북도 자체 조사의 경우, 전주, 익산, 정읍, 남원, 김제, 부안에 있는 18개소의 수경시설을 대상으로 2010년 7-8월 중에 4회에 걸쳐 반복 조사한 경우였다.14) 본 연구는, 이들 3개 조사자료에서 보고한 대장균수 자료를, 국내 수경시설 용수의 대장균수 현황 자료로 간주하고, 그로 인해 발생하는 위해도를 평가하였다.
- 본 연구는 두 경로에 의해 접촉하는 물의 부피를, 각 경로를 통한 노출에 대하여 보고하는 문헌들에 기록된 노출량(부피)의 분포를 조사하여, 에어로졸의 영향이 과연 얼마나 유효한 지를 우선 비교평가 하였다. 분수의 유체역학적 수리모델을 만들어 에어로졸의 형성과 분포를 시뮬레이션 한 결과에 따르면, 물방울의 입경과 유입풍속에 따라 분수의 190 m 반경까지 확산 가능하였다.
- 둘째로, 동일한 대장균 균주가 감염대상의 연령에 따라 정도가 상이한 발병률을 나타내는데(서론 참조), 어린이들이 주로 수경시설에서 물놀이를 하는 대상이라는 점에서, 감염대상의 연령별로 용량-반응 관계가 다르다는 점이다. 본 연구는 문헌에서 알려진 Escherichia coli의 용량-반응 모델을 탐색하고, 각 모델을 결정하는데 사용된 균주와 감염 대상을 면밀히 검토하여, 국내 수경시설 수질오염 및 이용자의 특성과의 차이점을 분석하고, 수경시설에 대비하여, 위해도의 범위를 해석하였다.
- 본 연구는 미생물학적 위해성 평가 방법으로 어린이가 물놀이용 수경시설을 이용하는 데 따르는 소화기 대장균 감염 위해성이 어떻게 분포하는 지 살펴보고, 현행 환경부 관리 지침이 이용하는 어린이들의 대장균 감염 위해도를 효과적으로 저감하고 있는지 분석하였다. 국내 물놀이용 수경시설들의 용수 중 대장균의 수를 문헌을 통해 수집하고, 알려진 모델들을 사용하여 노출량과 위해도를 산정하였다.
- 대장균에 대한 노출량을 산정할 때, 네덜란드의 15세 이하 어린이들이 수영장에서 물놀이를 할 때 음용하는 물의 부피의 분포를 적용하였기 때문에, 한국 어린이들과 네덜란드 어린이들의 신체 및 행동양식의 차이가 있을 수 있다는 점과 수경시설이 아니라 수영장의 경우에 측정이 이루어졌다는 점에서, 노출량이 실제보다 높게 측정되었을 가능성이 있다. 본 연구에서는, 산정된 노출량을 한국 어린이들에게서 나타날 수 있는 최대 노출량이라 산정하고 결과를 해석하였다. 따라서, 본 연구에서 산정된 위해도는 대장균 감염 위해도를 상당히 민감하게 측정하는 노출량 모델에 의한 위해도 값이라 볼 수 있다.
제안 방법
- 본 연구는 미생물학적 위해성 평가 방법으로 어린이가 물놀이용 수경시설을 이용하는 데 따르는 소화기 대장균 감염 위해성이 어떻게 분포하는 지 살펴보고, 현행 환경부 관리 지침이 이용하는 어린이들의 대장균 감염 위해도를 효과적으로 저감하고 있는지 분석하였다. 국내 물놀이용 수경시설들의 용수 중 대장균의 수를 문헌을 통해 수집하고, 알려진 모델들을 사용하여 노출량과 위해도를 산정하였다.
- 노출량은 Exponential 분포의 대장균 농도(h)와 Gamma 분포의 음용한 부피(v)에 의해 결정되는 데, 두 변수 중 어느 것에 더 큰 영향을 받는 지 알기 위해 1,000개의 h, v, E 값을 생성하여 h와 v에 따른 E의 변화를 관찰하였다(Fig. 3). 음용량 보다는 대장균 농도가 노출량을 결정하는 데 훨씬 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
- . 대장균수의 단변수 분포와 모델 fitting 및 Monte Carlo simulation에는 stat, fitdistplus, mc2d package를 사용하였다.23) 통계적 유의수준은 별도의 응급이 없는 한 5% type I error로 적용하였다.
- 수영을 할 때와 분수 등의 수경시설에서 물놀이를 할 때, 물의 음용 과정에 관련된 차이점은, 물이 몸 전체에 또는 일부분에만 접촉하는 가, 물을 마시는 경우가 의도적인가 또는 다른 동작을 하는 중 부수적으로 음용하게 되는 가의 차이이다. 따라서, 수영을 할 때의 물 음용량을 수경시설을 이용할 때 음용하게 되는 양을 수경시설 이용시 음용하는 양의 최대량으로 평가하고, 음용량 모델을 적용하였다. Schets et al.
- 본 연구는 대장균이 검출된 위의 두 조사 자료 중 대장균수 항목을 pooling하고, 전체 대장균수의 단변수 분포를 추정하여, 물놀이용 수경시설의 용수 내 대장균의 분포를 기술하는 모델을 결정하였다. 전체 40개소 중 25개소에서 대장균이 검출되었고, 시료별 대장균 수는 불검출의 경우가 15개소로 가장 많은 도수를 보였으며, 대장균수의 증가에 따라 도수가 빠르게 감소하는 경향을 보였으나, 매우 높은 산 포도로 불연속 구간이 많고 넓은 도수분포를 보였다.
- 17)의 결과에 따르면, 15세 이하의 어린이들이 1회 수영 중 마시는 양이 어른 보다 더 많았다. 본 연구는 어린이에 대한 위해도 평가를 목적으로 하므로, 15세 이하 이용자가 수영장에서 음용하는 물의 부피를 fitting 한 모델, 즉, 평균 51 ml, 95% 신뢰구간 0.62-200 ml를 갖는 Gamma(0.81,63)의 확률분포를, 수경시설에서 물놀이를 하면서 어린이들이 음용하게 되는 물의 부피로 선정하였다. 이 양을 에어로졸로 마시는 양과 비교하면, 에어로졸의 양은 평균 음용량의 0.
- 위해도가 대장균 농도(h)와 음용한 부피(v) 중 어느 것에 더 큰 영향을 받는 지 알기 위해, 각 모델에 대해 1,000개의 위해도 값을 생성하여 h와 v에 따른 위해도의 변화를 관찰하였다(Fig. 4). 음용량 보다 대장균 농도가 위해도를 결정하는 데 훨씬 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 그러나 어떤 종류의 대장균이 병원체인가에 대한 불확실성은 여전히 가지고 있다. 이 단점을 보완하기 위해, EHEC가 아닌 대장균을 대상으로 만들어진 용량-반응 모델들을 추가로 고려하였다. EHEC가 아닌 대장균의 종류로, 뚜렷한 병원성이 없는 균주들, 그리고, enteropathogenic E.
- 이렇게 노출경로를 음용으로 단순화한 노출량 평가는, 실제 노출량을 다소 과소평가할 가능성이 있지만, 음용량 자체의 불확실성과 변이도에 비하며 미미한 수준의 오차이다. 최종적으로 본 연구에 사용된 노출평가 방법은 노출량을 대장균의 농도와 15세 이하 어린이가 1회 수영할 때 마시는 물의 부피를 곱하여 산정 하는 것이었다.
대상 데이터
- 의 수질조사에서 대장균이 검출되었다. 전자의 자료는 서울시 18개 구에 소재한 어린이공원 22개소의 바닥분수와 폭포 등 물놀이용 수경시설을 대상으로 수질을 조사하였는데, 17개소에서 100 ml 당 ~1,600 CFU개의 대장균이 검출되었다. 후자의 조사는, 조사 대상 중 8개소에서 100 ml 당 20 CFU 이하의 대장균을 검출하였고, 1개소에서 300 CFU를 초과하는 대장균이 검출하였다.
- 그 중 2건은 대장균 수를 100 ml 의 용수당 200 CFU 이하로 관리하도록 규정한 환경부의 수질관리 지침이 2010년 8월 시행되기 이전에 조사되었고, 나머지 한 건은 지침 시행 이후에 조사되었다. 한국생활안전연합이 2011년 7월 20-21일 동안 서울시 18개 구에 소재한 어린이공원 22개소의 바닥분수와 폭포 등 물놀이용 수경시설의 용수 시료를 채취하고, 서울시 보건환경연구원이 수질항목들을 분석한 조사는 후자의 경우이다.10) 환경부의‘수경시설 수질관리방안 연구 보고서’1)와 전라북도 보건환경연구원이 자체적으로 수행한 ‘물놀이 분수 시설 수질실태 조사’14)의 보고는 환경부 지침 이전에 수행되었다.
데이터처리
- 대장균수의 단변수 분포와 모델 fitting 및 Monte Carlo simulation에는 stat, fitdistplus, mc2d package를 사용하였다.23) 통계적 유의수준은 별도의 응급이 없는 한 5% type I error로 적용하였다.
- 본 연구에서 사용된 모든 통계적 분석은 통계적 프로그램밍 환경인 R을 사용하여 진행되었다22). 대장균수의 단변수 분포와 모델 fitting 및 Monte Carlo simulation에는 stat, fitdistplus, mc2d package를 사용하였다.
이론/모형
- coli (ETEC) 등, EHEC에 비하여 상대적으로 저병원성인 대장균 종류들이 있다. Haas et al.20)은 총 109명의 건강한 성인을 대상으로 EPEC, EIEC, ETEC 를 각각 복용한 4개의 연구결과를 pooling하여 얻은 beta-Poisson 모델을 제시하였는데, 본 연구는 이를 다양한 병원성 대장균의 성인에 대한 용량-반응을 표현하는 모델로 참조하였다(Fig. 1). Powell et al.
- 1). Powell et al.21)은 EPEC와 Shigella dysenteriae를 성인에게 실험적으로 감염시킨 결과에 기초하여 beta-Poisson 모델을 제시하였는데(Fig. 1), 본 연구에서 EHEC 이외에 비교적 높은 병원성을 보이는 대장균 균주에 성인이 노출된 후 보이는 반응의 예로 참조하였다. 사용된 총 6개의 용량-반응 모델의 변수들은 Table 1에 기술하였다.
- 수경시설에서 물놀이를 하는 이용자가 대장균에 노출되는 양(E)은 용수 속 대장균의 농도(h)와 음용한 부피(v)을 곱하여 얻을 수 있다. 노출량은 h와 v 값을 Monte Carlo simulation에 의해 결정하고 곱하여 산정하였다. 즉, E = hv로 산정하였다.
- 본 연구에서 사용된 beta-Poisson 모델의 수식은 Haas et al.20)에 따라, 대장균 감염증상이 나타날 확률을 pi, 대장균에 대한 노출량을 E라할 때, pi= 1 − (1 + E/β)−α의 관계로 감염확률을 구하였다.
성능/효과
- 각급 지방자치단체들과 민간 기업에 의해 설치·운영되는 수경시설의 수가 1,396곳에 이르는 것으로 보고된 바 있으며, 물놀이용의 유형인 바닥분수와 계류시설은 각각 32%, 12%를 차지한다.1) 수경시설을 물놀이, 피서 등의 용도로 이용하는 시민들은 안전 관리자의 배치 유무와 용수의 음용 적합성을 우려하는 안전성 요소로 꼽았으며, 특히, 20~50대에 속하고 자녀를 둔 시민들은 전반적인 수질의 양호도에 대하여 우려하며, 자녀의 오염수에 대한 노출을 가장 우려하는 인식을 보이고 있다.2)
- 음용량 보다 대장균 농도가 위해도를 결정하는 데 훨씬 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 200 ml 이상의 용수를 음용할 때 위해도의 큰 증가는 없었으며, 용수 중 대장균 농도에 따라 급격한 변화를 보였다.
- 85의 높은 위해도를 나타낼 수도 있는 것으로 산정되었다. EPEC 등다른 대장균 균주들의 위해도는 성인에 대해서만 산정이 가능했는데, 계산된 노출량에 따라 최대 0.95의 높은 위해도를 나타낼 수 있었다. 위해도는 이용자가 음용하는 용수의 부피 보다는 용수 중 대장균의 농도에 더 민감하게 변화하였다.
- Poisson, Cauchy, Gamma, Logistic, Exponential 분포에 fitting 하였을 때, 한 Exponential 분포가 Loglikelihood −33.2의 값으로 가장 좋은 fit을 보였다.
- Haas의 모델 또한, 일반적인 다양한 병원성 대장균이 어린이에게 보일 수 있는 최소 위해도를 기술한다고 볼 수 있다. 결론적으로, 수경시설에 물놀이하는 어린이들이 대장균 오염이 심한 용수에서 물놀이 할 경우 소화기질환을 겪을 위해도가 있다고 볼 수 있다. 위해도의 정도는 어떤 정도의 병원성을 가진 대장균 균주가 용수에 오염되었는지에 의해 결정될 것이다.
- 8 CFU의 중앙값을 보이며 높은 산포도를 보였다. 고병원성인 EHEC가 어린이에게 노출된 경우를 위해도의 최대값으로 설정하면, 이 노출량은 0.85의 높은 위해도를 나타낼 수도 있는 것으로 산정되었다. EPEC 등다른 대장균 균주들의 위해도는 성인에 대해서만 산정이 가능했는데, 계산된 노출량에 따라 최대 0.
- 국내 물놀이용 수경시설의 용수에 포함된 대장균의 수는 최고 100 ml당 1,600 CFU까지 관찰되었으며, 로그를 취하면 Exponential 분포를 보였다. 수영장에서 수영활동 중 어린이들이 마시는 물의 양을 Gamma 분포로 적용하여 계산된 어린이의 대장균 노출량은 ~1.
- 5 정도의 위해도를 보이는 등, 전반적으로 매우 높은 위해도를 보였다. 국내에서 아직 물놀이에 의한 EHEC의 집단감염의 사례가 없으므로, E 값들을 이들 불균질분포 모델들에 적용할 경우, 위해도를 지나치게 높게 평가한다고 사료되었다. 또한, 용수는 음식에 비하여 구성물 균질도가 높으므로, Tenunis et al.
- 노출량과 위해도 모두에서, 용수 음용량 보다 용수 중 대장균 수가 주요 결정인자 인 것으로 나타났다(Fig. 3, 4). 따라서, 어린이들이 용수를 음용하는 행위를 하지 않도록 지도하는 활동보다 용수의 수질관리가 더 주요한 위해도 저감법이 될 것이다.
- 노출량은 ~1.9×1010 CFU의 범위를 보이며, 8.6 × 104 CFU의 평균값과 0.8 CFU의 중앙값을 중심으로, 오른쪽으로 치우치는 약간의 왜도가 있었고, 첨도가 정규분포보다 높았다.
- 첫째는 용량-반응 모델은 감염대상에 대한 병원성이 일정한 각각의 병원체 균주에 대해 만들어지지만, 수질검사 항목 중 대장균 수는 다양한 대장균 균주들을 모두 포함한다는 점이다. 둘째로, 동일한 대장균 균주가 감염대상의 연령에 따라 정도가 상이한 발병률을 나타내는데(서론 참조), 어린이들이 주로 수경시설에서 물놀이를 하는 대상이라는 점에서, 감염대상의 연령별로 용량-반응 관계가 다르다는 점이다. 본 연구는 문헌에서 알려진 Escherichia coli의 용량-반응 모델을 탐색하고, 각 모델을 결정하는데 사용된 균주와 감염 대상을 면밀히 검토하여, 국내 수경시설 수질오염 및 이용자의 특성과의 차이점을 분석하고, 수경시설에 대비하여, 위해도의 범위를 해석하였다.
- 062에 불과하였다. 따라서, 수경시설 용수의 대장균이 EHEC를 포함하지 않는 한, 성인 정도의 감염저항성을 가진 어린이에게 대장균 감염 위해도는 거의 없는 것으로 평가되었다. 그러나 어린이들은 성인에 비하여 저항성이 낮으므로, 이 두 모델에 근거하여 수경시설 대장균의 감염 위해도가 없다고 결론 지을 수 없었다.
- 국내에서 아직 물놀이에 의한 EHEC의 집단감염의 사례가 없으므로, E 값들을 이들 불균질분포 모델들에 적용할 경우, 위해도를 지나치게 높게 평가한다고 사료되었다. 또한, 용수는 음식에 비하여 구성물 균질도가 높으므로, Tenunis et al.18)의 균질모델이 수경시설 용수의 위해도 평가에 더 적합한 것으로 평가되었다. 어린이와 성인에 대하여 별도로 산정된 균질 모델들은 1 CFU 이상에서부터 위해도가 나타나며, 노출량 증가에 따른 위해도의 증가가 비교적 소량이었다(Fig.
- 본 연구의 결과, 수경시설에서 어린이가 물놀이를 할 경우 노출되는 대장균이 어떤 종류인지에 따라 발병 가능성이 있었다. 대장균에 대한 노출량을 산정할 때, 네덜란드의 15세 이하 어린이들이 수영장에서 물놀이를 할 때 음용하는 물의 부피의 분포를 적용하였기 때문에, 한국 어린이들과 네덜란드 어린이들의 신체 및 행동양식의 차이가 있을 수 있다는 점과 수경시설이 아니라 수영장의 경우에 측정이 이루어졌다는 점에서, 노출량이 실제보다 높게 측정되었을 가능성이 있다.
- 본 연구는 두 경로에 의해 접촉하는 물의 부피를, 각 경로를 통한 노출에 대하여 보고하는 문헌들에 기록된 노출량(부피)의 분포를 조사하여, 에어로졸의 영향이 과연 얼마나 유효한 지를 우선 비교평가 하였다. 분수의 유체역학적 수리모델을 만들어 에어로졸의 형성과 분포를 시뮬레이션 한 결과에 따르면, 물방울의 입경과 유입풍속에 따라 분수의 190 m 반경까지 확산 가능하였다.15) 에어로졸을 가장 많이 흡입하는 상황은 분수와 직접 접촉하거나 근접한 상태에서 입으로 호흡을 하는 경우인데, 이는 샤워를 하는 상황과 유사하다.
- 수경시설의 수질을 현행 수질관리 지침에 따라 100 ml당 <200 CFU 이하로 관리할 경우, 노출량은 1,172 CFU 이하로 낮아지며, 노출되는 대장균이 EHEC인 경우, 어린이에 가해지는 위해도는 <0.43를 보였다.
- 수영장에서 수영활동 중 어린이들이 마시는 물의 양을 Gamma 분포로 적용하여 계산된 어린이의 대장균 노출량은 ~1.9 × 1010 CFU의 범위에서 0.8 CFU의 중앙값을 보이며 높은 산포도를 보였다.
- 05). 수질관리 지침에 따라 수경시설 용수의 대장균 수를 200 CFU per 100 ml 이하로 유지할 경우 발생하는 노출량을 simulation하였을 때, ~1,172 CFU의 범위를 보이고, 0.6 CFU의 평균값과 0.7 CFU의 중앙값을 보였다.
- 18)의 균질모델이 수경시설 용수의 위해도 평가에 더 적합한 것으로 평가되었다. 어린이와 성인에 대하여 별도로 산정된 균질 모델들은 1 CFU 이상에서부터 위해도가 나타나며, 노출량 증가에 따른 위해도의 증가가 비교적 소량이었다(Fig. 1). Tenunis et al.
- 95의 높은 위해도를 나타낼 수 있었다. 위해도는 이용자가 음용하는 용수의 부피 보다는 용수 중 대장균의 농도에 더 민감하게 변화하였다. 따라서, 수질관리가 이용객 행동지도 보다 더 효과적인 위해도 저감법으로 제시되었다.
- 4). 음용량 보다 대장균 농도가 위해도를 결정하는 데 훨씬 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 200 ml 이상의 용수를 음용할 때 위해도의 큰 증가는 없었으며, 용수 중 대장균 농도에 따라 급격한 변화를 보였다.
- 3). 음용량 보다는 대장균 농도가 노출량을 결정하는 데 훨씬 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 이는 log transformation이 필요함에서 볼 수 있듯이, 대장균 농도의 산포도가 기하급수적으로 결정되기 때문으로 사료된다.
- 본 연구는 대장균이 검출된 위의 두 조사 자료 중 대장균수 항목을 pooling하고, 전체 대장균수의 단변수 분포를 추정하여, 물놀이용 수경시설의 용수 내 대장균의 분포를 기술하는 모델을 결정하였다. 전체 40개소 중 25개소에서 대장균이 검출되었고, 시료별 대장균 수는 불검출의 경우가 15개소로 가장 많은 도수를 보였으며, 대장균수의 증가에 따라 도수가 빠르게 감소하는 경향을 보였으나, 매우 높은 산 포도로 불연속 구간이 많고 넓은 도수분포를 보였다. Log transformation을 실시하였을 때, 연속적인 도수분포가 관찰되었다(Fig.
- 통상적인 수질 조사에서 검출되는 대장균의 농도로 노출량을 산정하고, 대장균의용량-반응 모델을 활용하여 수경시설의 미생물학적 위해도를 산정하는 과정은 두 가지 불확실성(uncertainty)을 해결하여야 한다. 첫째는 용량-반응 모델은 감염대상에 대한 병원성이 일정한 각각의 병원체 균주에 대해 만들어지지만, 수질검사 항목 중 대장균 수는 다양한 대장균 균주들을 모두 포함한다는 점이다. 둘째로, 동일한 대장균 균주가 감염대상의 연령에 따라 정도가 상이한 발병률을 나타내는데(서론 참조), 어린이들이 주로 수경시설에서 물놀이를 하는 대상이라는 점에서, 감염대상의 연령별로 용량-반응 관계가 다르다는 점이다.
- 43를 보였다. 한편, 성인이 EPEC 등 병원성이 상대적으로 낮은 대장균에 노출될 경우에 평가되는 위해도는 0.03 이하로, 현행 지침에 따른 수질관리에 의해 감염 위해도가 거의 제거되는 것으로 나타났다. 그러나, 어린이가 이들 EPEC 등의 대장균에 대해 노출될 경우는 성인에 비해 높은 위해도를 보일 것이므로, 현행 지침에 따라 관리가 되어도 어린이에 대한 대장균 감염의 위해성이 존재한다고 보아야 할 것이다.
- 전자의 자료는 서울시 18개 구에 소재한 어린이공원 22개소의 바닥분수와 폭포 등 물놀이용 수경시설을 대상으로 수질을 조사하였는데, 17개소에서 100 ml 당 ~1,600 CFU개의 대장균이 검출되었다. 후자의 조사는, 조사 대상 중 8개소에서 100 ml 당 20 CFU 이하의 대장균을 검출하였고, 1개소에서 300 CFU를 초과하는 대장균이 검출하였다.
후속연구
- 하지만, Powell 모델에 따르면, 성인의 경우 현행 기준이 위해도를 통제할 수 있는 것으로 나타나므로, 어린이의 경우 다소 더 엄격한 기준에 의해 위해도가 통제될 수 있을 것으로 사료된다. 이를 위한 정확한 기준 설정을 위해서는, EHEC가 아닌 대장균의 어린이에 대한 용량-반응 관계에 대한 연구가 더 필요하다.
- 최근 보고된 어린이들의 물놀이 시설 행동 양식 분석 결과를 참조하면, 현행 수질관리 지침이 실질적으로 어린이들에게도 유효한지 검토해 보아야 할 필요성이 제기된다. Nett et al.
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