[논문]실험동물을 이용 산소 및 유해가스 농도에 따른 치사율 연구

김현영

doi:10.7842/kigas.2013.17.4.18

실험동물을 이용 산소 및 유해가스 농도에 따른 치사율 연구
A Study on the Mortality in Oxygen and Toxic Gas Concentration According using Experimental Animals 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.4, 2013년, pp.18 - 25

초록
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맨홀 또는 환기가 부족한 공간에서 작업 중 유해 가스나 산소결핍에 의한 질식 또는 급성중독에 의한 건강장해나 사망사고가 빈번히 발생되고 있다. 따라서 유해가스에 의한 급성중독이나 산소결핍에 의한 유해농도 규명과 재해발생시 원인규명 자료로 활용하고자 산소결핍과 유해가스 노출에 따른 사망농도 시험하고자 하였다. 특히 산소결핍 상황에서 유해가스의 영향에 대해서도 시험하였으며, 국내외에서 발생된 관련 각종 사고 사례 조사를 통하여 동종재해를 예방하고자 하였다. 자료를 조사한 결과 산소결핍 또는 유해가스 노출에 의한 사망 재해는 하절기(6-8월)에 전체의 50%가 발생하고, 업종은 건설업 40%, 장소는 맨홀 50%, 원인은 산소결핍이 가장 많았으며(40%), 기타 가스($H_2S$, CO, $N_2$, Ar 등) 및 환경적 요인(내부 온도, 바닥 물 익사)도 크게 작용하였다. 동물실험 결과 산소결핍에 의한 치사 산소농도는 5%수준이었으며 Dose-Response의 통계처리결과 과반수치사농도 $LC_{50}$(rat, 4hr)는 5.5%로 산출되었다. 또한 산소결핍(6%수준) 상황에서 다른 유해물질이 혼합 될 경우 미치는 치사농도 시험 결과 $H_2S$ 20 ppm에서 40%치사, CO는 600 ppm에서 20%치사, 톨루엔은 1,000 ppm에서도 사망 예가 증가하지 않았다. 즉, $H_2S$, CO 등은 치사농도에 민감하게 반응하는 유해물질로의 상승작용을 했다.

Abstract ▼ AI-Helper

It may occur health hazards or death by suffocation or acute poisoning in case of oxygen deficiency in ambient or exposure to harmful gas. As a part of accident prevention, we studied the change of activity and lethal dose by changing the concentration of several hazardous gas with inhalation exposure chamber and laboratory animals. We investigated the lethality and motility change during either the 4 hrs whole body exposure to oxygen, nitrogen, toluene, $H_2S$, CO and 48 recovery. As results, it is estimated that 5% oxygen concentration as lethal concentration and 5.5% as $LC_{50}$ (rat, 4 hrs) with statistics for dose-response. The results of lethality in oxygen deficient condition (approximately 6%), the lethalities were 40%, 20% with 20 ppm $H_2S$, 600 ppm CO respectively, and was not increased the lethality with 8% CO. Thus, it was confirmed that the $H_2S$, CO had influence to lethal dose, while toluene had low fluence.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이의 사고 예방 일환으로 국내외에서 발생된 관련 각종 사고 사례 및 관련 제도를 조사하여 급성중독 또는 산소결핍에 의한 사고의 원인을 조사하고, 흡입 챔버와 실험동물을 이용 산소농도와 각종 유해가스의 농도에 따른 치사농도를 연구하여 사람에 미치는 위험성을 예측하여 동종 사고를 예방하고 급성중독이나 관련 사망사고 발생시 원인규명 자료로 활용하고자 하였다.

제안 방법

SD rat 수컷 10마리를 한 군으로 산소농도 변화에 따른 시간별 운동성과 치사율 변화를 시험하였다. 시험결과 흡입챔버 내 산소농도는 시험개시 10분 이내(8-10분)에 시험 목표 농도에 도달하였다.
공기 중 산소 6.01±0.23% 환경에서 톨루엔 복합노출시 치사농도의 영향 변화를 확인하기 위해 rat 수컷 10마리를 한 군으로 3군을 조성한 뒤 톨루엔은 작업환경 노출기준(50 ppm)하여 극한의 작업 상황을 고려 2배(100 ppm), 10배(500 ppm), 20배(1,000)로 정하였다.
공기 중 산소 6.02±0.02% 환경에서 CO 노출에 따른 치사영향을 관찰하기 위해 rat 수컷 10마리를 한 군으로 4군의 시험 군을 구성한 뒤 CO 표준가스를 이용 300, 600, 1,200, 2,400 ppm을 노출시켜 치사율을 시험하였다.
공기 중 산소 6.24±0.25% 환경에서 습도의 변화에 따른 치사율 변화를 관찰하기 위해 rat 수컷 10마리를 한 군으로 3군을 조성한 뒤 산소결핍 환경에서 상대습도 20, 60, 90 % 변화에 따른 치사율 변화를 시험하였다.
공기 중 산소6.01±0.02% 환경에서 H2S노출에 따른 치사농도 영향을 관찰하기 위해 rat 수컷 10마리를 한 군으로 3군의 시험 군을 조성한 뒤 H2S 표준가스를 이용 20, 350, 500 ppm을 노출시켜 치사율을 시험하였다.
02% 환경에서 H₂S노출에 따른 치사농도 영향을 관찰하기 위해 rat 수컷 10마리를 한 군으로 3군의 시험 군을 조성한 뒤 H₂S 표준가스를 이용 20, 350, 500 ppm을 노출시켜 치사율을 시험하였다. 노출농도 설정은 예비실험 및 문헌조사[8, 9, 10, 14]를 통해 치사하지 않을 최고 농도(20 ppm수준), 고농도는 100%치사할 최저 농도(500 ppm이하)로 하여 시험하였으며, 시험 결과 사망동물 수는 Table 4와 같았다. 시험물질 노출기간 중 사망동물은 20 ppm군의 경우 10마리 중 노출개시 2시간 후 부터 4시간까지 4마리 사망(40%), 350 ppm의 경우 노출시작 2시간 50분부터 4시간 노출 종료까지 3마리 사망(30%), 500 ppm의 경우 노출시작 1시간 40분부터 3시간 40분까지 10마리 중 10마리 모두 사망(100%)하였으며, 생존동물에 대해서는 48시간 회복기간을 가졌으나 추가적 사망동물은 없었다.
02% 환경에서 CO 노출에 따른 치사영향을 관찰하기 위해 rat 수컷 10마리를 한 군으로 4군의 시험 군을 구성한 뒤 CO 표준가스를 이용 300, 600, 1,200, 2,400 ppm을 노출시켜 치사율을 시험하였다. 노출농도 설정은 예비실험 및 문헌조사[8, 9, 10, 14]를 통해 치사하지 않을 최고 농도(300 ppm수준), 고농도는 100%치사할 최저 농도(2,400 ppm이하)로 하여 시험하였으며, 시험한 결과 사망동물 수는 Table 5와 같았다. 시험물질 노출기간 중 사망동물은 300 ppm군의 경우 10마리 중 노출개시 2시간 50분에 1마리 사망(10%), 600 ppm군의 경우 노출시작 후 3시간 16분경 1마리, 3시간 30분경 1마리, 총 2마리 사망(20%)하였고, 1,200 ppm군의 경우 노출시작 58분경 1마리 사망을 시작으로 1시간45분 까지 총 10마리 전량 사망(100%)하였으며, 2,400 ppm 경우 50분 이내 10마리 전량 사망(100%)하였으며, 생존동물에 대해 48시간 회복기간을 가졌으나 추가적 사망동물은 없었다.
시험결과 흡입챔버 내 산소농도는 시험개시 10분 이내(8-10분)에 시험 목표 농도에 도달하였다. 노출농도 설정은 예비실험 및 문헌조사[8, 9, 10, 14]를 통해 치사하지 않을 최고 산소농도(7-10%), 고농도는 100%치사할 최저 산소농도(4%이하)로 하여 시험하였다. 시험 결과 산소 노출농도와 노출시간별로 실험동물의 운동성 변화는 Fig.
, Japan) 4대를 이용 실험동물 10마리를 한 군으로 4군을 조성하였으며, 시험농도는 문헌조사문헌조사[8, 9, 10, 14]와 예비시험을 통해 산소, 질소, 유해가스를 일정비율로 조절하여 사망하지 않을 최고이 농도를 저 농도군으로, 고농도군은 100%치사하지 않을 최저농도를 고농도군으로 하고 중간 농도는 가능한 치사율이 다를 수 있는 농도를 예측하여 시험농도를 설정하였다. 산소농도 측정은 Photo 2와 같이 자동시료 포집 및 산소농도 측정 장치를 이용하였으며, 시험물질 노출 전, 후 실험동물의 생사 유무 확인과 활동성 변화를 관찰하기 위해 적외선 감시 장치를 이용 시간별로 실험동물의 운동성과 활동량을 측정하여 적산 기록하였으며, 노출종료 후 생존 동물에 대해서는 48시간의 관찰기간을 가지며 특이적 임상증상 및 사망 유․무를 확인하였다. 각 시험군 별 노출농도 측정결과는 평균과 표준편차로 표시하고, 가스농도와 치사율의 양-반응(Dose-Response)관계는 Sigma-Stap 프로그램을 이용하였다.
실험동물 수는 시험물질별 각 40마리로 하여 Photo 1과 같은 흡입챔버(SIBATA Co., Japan) 4대를 이용 실험동물 10마리를 한 군으로 4군을 조성하였으며, 시험농도는 문헌조사문헌조사[8, 9, 10, 14]와 예비시험을 통해 산소, 질소, 유해가스를 일정비율로 조절하여 사망하지 않을 최고이 농도를 저 농도군으로, 고농도군은 100%치사하지 않을 최저농도를 고농도군으로 하고 중간 농도는 가능한 치사율이 다를 수 있는 농도를 예측하여 시험농도를 설정하였다. 산소농도 측정은 Photo 2와 같이 자동시료 포집 및 산소농도 측정 장치를 이용하였으며, 시험물질 노출 전, 후 실험동물의 생사 유무 확인과 활동성 변화를 관찰하기 위해 적외선 감시 장치를 이용 시간별로 실험동물의 운동성과 활동량을 측정하여 적산 기록하였으며, 노출종료 후 생존 동물에 대해서는 48시간의 관찰기간을 가지며 특이적 임상증상 및 사망 유․무를 확인하였다.
또한 1979년 미국 국립산업안전보건연구원(National Institute for Occupational Safety and Health)에서는 권장 기준을 위한 척도로 “밀폐공간에서의 작업(Criteria for a Recommended Standard: Working in Confined Spaces)”를 만들었다. 여기에는 밀폐공간을 3가지(Class A-Immediately Dangerous to Life/Health (IDLH); Class B-dangerous, but not IDLH; Class C-potentially hazardous)로 나누었고 각각의 수준에서 고려해야 할 요인에 대한 체크리스트를 제공하고 밀폐공간에 있는 대기의 측정방법, 안전한 작업을 위한 절차, 보호구와 보호의에 대한 정보를 제공한다[7].

대상 데이터

국내외에서 발생된 관련사고 사례 및 법규와 제도를 조사하였으며, 실험동물을 이용한 산소 및 각 유해가스의 농도별 치사율 시험은 9주령의 SD rat 수컷을 이용하였다. 이를 위해 온, 습도 조절장치를 통해 정화된 청정공기와 질소가스(N₂, 99.
국내외에서 발생된 관련사고 사례 및 법규와 제도를 조사하였으며, 실험동물을 이용한 산소 및 각 유해가스의 농도별 치사율 시험은 9주령의 SD rat 수컷을 이용하였다. 이를 위해 온, 습도 조절장치를 통해 정화된 청정공기와 질소가스(N₂, 99.98%), 가스발생장치(SIBATA Co., Japan)를 이용 톨루엔 증기발생장치, 그리고 각 시험 농도별 표준 봄베가스의 황화수소(H₂S)와 일산화탄소(CO)를 사용하였으며, 습도 조절은 초음파가습기(오성사, H-557)를 이용하였다.

데이터처리

산소농도 측정은 Photo 2와 같이 자동시료 포집 및 산소농도 측정 장치를 이용하였으며, 시험물질 노출 전, 후 실험동물의 생사 유무 확인과 활동성 변화를 관찰하기 위해 적외선 감시 장치를 이용 시간별로 실험동물의 운동성과 활동량을 측정하여 적산 기록하였으며, 노출종료 후 생존 동물에 대해서는 48시간의 관찰기간을 가지며 특이적 임상증상 및 사망 유․무를 확인하였다. 각 시험군 별 노출농도 측정결과는 평균과 표준편차로 표시하고, 가스농도와 치사율의 양-반응(Dose-Response)관계는 Sigma-Stap 프로그램을 이용하였다.

이론/모형

시험물질의 노출시간 및 임상관찰 등 실험방법은 OECD의 시험규정[3]인 OECD guideline for Testing of chemicals : 403 Acute Inhalation Toxicity(2011)에 따라 시험물질 노출시간은 4시간(단, 4시간 노출 전 전량 사망경우 사망시간까지), 그리고 생존동물에 대해서는 청정사육 환경에서 48시간 임상관찰기간을 가지며 사망 동물의 유무와 임상관찰 하였다.

성능/효과

SD rat를 이용 4시간 노출에 의한 산소의 치사농도는 산소 6%에서 치사율이 20%, 5%에는 90%, 4%에서는 100%의 치사율을 보였으며, 양-반응(Dose-Response)에 의한 산소의 반수치사농도 LC50(rat, 4hr)는 5.5 %로 산출되었다.
농도별로 각각 노출 시험한 결과 Table 2와 같이 톨루엔 100 ppm 노출군(102.1±4.1 ppm)의 경우 노출 3-4시간에 2마리 사망하였고(20%치사), 500 ppm군(481.8±41.0 ppm)의 경우 노출시간 3-4시간에 1마리, 노출 종료 후 회복 1시간 후 1마리 사망(20%치사), 1,000 ppm군(993.4±33.5 ppm)의 경우 3-4시간에 2마리 사망(20%치사)하였으며, 생존동물은 48시간 회복기간 중 특이적 증상이나 추가적 사망동물은 없었다.
2%에도 생존가능하다는 연구결과로 볼 때 산소의 치사농도는 대부분 4-8%수준으로 나타나 동물의 종간 차이성이 크지 않는 결과로 해석되었다. 단, 산소결핍 조건에서 온도나 다른 유해가스 등의 복합적인 상황에서의 치사농도는 다르게 나타날 수 있는 것으로 확인되었다.
따라서 본 시험결과 산소결핍(6%) 상황에서 H₂S 20, 350, 500 ppm의 노출은 산소결핍 단일 상황보다 치사율을 상승시키는 효과를 나타내었다.
따라서 산소부족(6%) 상황에서 상대습도 변화에 따른 치사율의 상승효과는 없는 것으로 나타났다.
또한 산소부족(6%) 상황에서 톨루엔, H₂S, CO, 습도 등 환경조건 변화에 따른 치사율시험결과 H₂S와 CO는 낮은 농도에서도 생체의 민감도가 높았으며, H₂S의 경우 350 ppm에서 30%치사, CO는 1,200 ppm에서 100%치사되는 등 산소 6% 상황에서 치사율에 상승작용의 결과를 보였다. 그러나 톨루엔의 경우 1,000ppm까지는 치사율에 있어 상승작용을 나타내지 않았으며 습도의 경우도 20% 또는 90%에서도 치사율에 상승효과를 나타내지 않았다.
상대습도 20% 군(25.40±7.50%)의 경우 노출 2-3시간에 1마리, 3-4에 1마리 사망하였고(20%치사), 60%군(59.22±10.14%)의 경우 노출시간 2-3시간에 2마리 사망(20%치사), 90%군(86.41±10.69%)의 경우 2-3시간에 1마리, 3-4시간에 1마리 사망(20%치사), 노출 종료 후 생존동물은 48시간 회복기간 중 특이적 증상이나 추가적 사망동물은 없었다.
노출농도 설정은 예비실험 및 문헌조사[8, 9, 10, 14]를 통해 치사하지 않을 최고 산소농도(7-10%), 고농도는 100%치사할 최저 산소농도(4%이하)로 하여 시험하였다. 시험 결과 산소 노출농도와 노출시간별로 실험동물의 운동성 변화는 Fig. 1과 같았으며, 산소결핍시험 개시 초기에는 실험동물의 호흡곤란으로 운동성이 크게 증가하였으나 20-30분 후부터는 운동성이 현격히 저하되었고, 사망동물의 경우 일부는 고환의 부종현상도 관찰되었다. 시험농도별 실험동물의 치사율은 Table 1, 산소농도와 치사율의 양-반응(Dose-Response)은 Fig.
SD rat 수컷 10마리를 한 군으로 산소농도 변화에 따른 시간별 운동성과 치사율 변화를 시험하였다. 시험결과 흡입챔버 내 산소농도는 시험개시 10분 이내(8-10분)에 시험 목표 농도에 도달하였다. 노출농도 설정은 예비실험 및 문헌조사[8, 9, 10, 14]를 통해 치사하지 않을 최고 산소농도(7-10%), 고농도는 100%치사할 최저 산소농도(4%이하)로 하여 시험하였다.
노출농도 설정은 예비실험 및 문헌조사[8, 9, 10, 14]를 통해 치사하지 않을 최고 농도(20 ppm수준), 고농도는 100%치사할 최저 농도(500 ppm이하)로 하여 시험하였으며, 시험 결과 사망동물 수는 Table 4와 같았다. 시험물질 노출기간 중 사망동물은 20 ppm군의 경우 10마리 중 노출개시 2시간 후 부터 4시간까지 4마리 사망(40%), 350 ppm의 경우 노출시작 2시간 50분부터 4시간 노출 종료까지 3마리 사망(30%), 500 ppm의 경우 노출시작 1시간 40분부터 3시간 40분까지 10마리 중 10마리 모두 사망(100%)하였으며, 생존동물에 대해서는 48시간 회복기간을 가졌으나 추가적 사망동물은 없었다.
노출농도 설정은 예비실험 및 문헌조사[8, 9, 10, 14]를 통해 치사하지 않을 최고 농도(300 ppm수준), 고농도는 100%치사할 최저 농도(2,400 ppm이하)로 하여 시험하였으며, 시험한 결과 사망동물 수는 Table 5와 같았다. 시험물질 노출기간 중 사망동물은 300 ppm군의 경우 10마리 중 노출개시 2시간 50분에 1마리 사망(10%), 600 ppm군의 경우 노출시작 후 3시간 16분경 1마리, 3시간 30분경 1마리, 총 2마리 사망(20%)하였고, 1,200 ppm군의 경우 노출시작 58분경 1마리 사망을 시작으로 1시간45분 까지 총 10마리 전량 사망(100%)하였으며, 2,400 ppm 경우 50분 이내 10마리 전량 사망(100%)하였으며, 생존동물에 대해 48시간 회복기간을 가졌으나 추가적 사망동물은 없었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	질식 또는 급성중독의 원인은 무엇인가?	호흡하는 대기 중에 산소가 부족하거나 유해가스에 노출할 경우 산소결핍에 의한 질식 또는 급성중독에 의한 건강장해 등의 사망사고가 많이 발생되고 있으며 특히 하절기의 경우 습하고 환기가 부족한 경우 미생물의 번식이 쉬워 메탄가스, 황화수소, 일산화탄소 등의 유해가스의 농도가 올라가고 상대적으로 산소농도가 낮아져 산소결핍이나 유해가스에 의해 급성중독이 일어날 가능성이 높아지게 된다. 산업안전보건법에서 산소결핍이라 함은 공기 중의 산소농도가 18% 미만으로, 적정한 공기는 산소 18%이상, 23.
	저산소증의 결과는?	저산소증에서는 주로 뇌손상과 호흡기계 이상으로 사망하며, 뇌에서 뇌혈관확장과 부종, 뇌세포손상과 인지능력 저하, 호흡기계에는 말초 화학 수용체들의 자극을 통해 폐혈관수축과 교감신경자극과 같은 즉시형의 순환반응을 자극하고, 교감신경 활성화로 폐혈관 수축과 폐순환내로 혈액이동을 증가시킨다. 그 결과 폐 모세혈관압력이 올라가서 간질세포내로 체액의 누출이 증가하여 폐 부종이 야기되며, 심할 경우 뇌와 폐 기능 손상에 의해 사망에 이른다. 저산소증은 급성 음낭증 유발 및 고환의 부종 현상이 발생하며, 또한 혈액 pH의 저하, 호흡수와 호흡심도, 심박수 평가, 스트레스 관련 호르몬 평가, 뇌와 폐 및 고환의 조직학적 변화 등이 나타난다[4].
	산소결핍의 조건은?	호흡하는 대기 중에 산소가 부족하거나 유해가스에 노출할 경우 산소결핍에 의한 질식 또는 급성중독에 의한 건강장해 등의 사망사고가 많이 발생되고 있으며 특히 하절기의 경우 습하고 환기가 부족한 경우 미생물의 번식이 쉬워 메탄가스, 황화수소, 일산화탄소 등의 유해가스의 농도가 올라가고 상대적으로 산소농도가 낮아져 산소결핍이나 유해가스에 의해 급성중독이 일어날 가능성이 높아지게 된다. 산업안전보건법에서 산소결핍이라 함은 공기 중의 산소농도가 18% 미만으로, 적정한 공기는 산소 18%이상, 23.5%미만이지만[1], 최근 동종 재해를 보면 맨홀, 오․폐수 처리장 등 환기가 부족하거나 밀폐 공간 작업장에서 산소결핍 또는 유해가스에 의한 급성중독으로 매년 20여건이 발생하며, 특히 맨홀, 오․폐수처리장, 저장탱크, 선박내부 작업 등에서 많이 발생하며 재해의 50 %이상이 하절기(6월-9월)에 집중적으로 발생하였다[2].

참고문헌 (14)

Ministry of Employment and Labor. Occupational Safety and Health statute book, (2012)
Korea Occupational Safety and Health Agency, Institute for Occupational Safety and Health, Industrial Accident Analysis Report, (2011)
OECD. Guideline for Testing of chemicals : 403 Acute Inhalation Toxicity, (2011)
Rassler B, Marx G, Reissig C, Rohling MA, Tannapfel A, Wenger RH, Zimmer HG.. Time course of hypoxia-induced lung injury in rats. Respir Physiol Neurobiol. Oct 15;159(1), 45-54, (2007).

상세보기
Morita Masahiko, Toshifumi WstanabeJacopo. Forensic Science International 96, 45-59, (1999)
NIOSH. A Guide To Safety in Confined Space. National Institute for Occupational Safety and Health(NIOSH), (1997)
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Toshifumi Watanabe, Masahiko Morita.(1998). Asphyxia due to oxygen deficiency by gaseous substances. Forensic Science International. 96, 47-59, (1998)

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N. Ikeda, D. Mei, H. Takahashi and T. Suzuki. The course of respiration and circulation in death due to oxygen deficiency. Res. Pract. Forensic Med., 32, 135-139, (1989)
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상세보기
WG Kim. Respiratory Physiology. Publishing Principles of Life, 125-127, (2006)
Hill L, Flack M., The effect of excess of carbon dioxide and of want of oxygen upon the respiration and the circulation. J Physiol. 30;37(2), 77-111, (1998)
3. Edward C.S. and Dorothy T., A study of low oxygen effects during rebreathing. Am. J. Physiol. (55), 223-257, (1921)
H Goto, M Ikeda et al., List all used industrial poisoning, 102-104., 543-544, (1994)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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