Objectives: This study was conducted in order to improve the current understanding of rare earths(RE) and to provide supporting data for establishing occupational health policies by reviewing the toxicological data and issues caused by the use of RE compounds in various fields. Methods: To evaluate ...
Objectives: This study was conducted in order to improve the current understanding of rare earths(RE) and to provide supporting data for establishing occupational health policies by reviewing the toxicological data and issues caused by the use of RE compounds in various fields. Methods: To evaluate the potential toxicity of RE from the viewpoint of occupational health, we summarized extensive reviews of relevant articles in the toxicology(animals and cells), occupational health and safety, and epidemiologic literature. Results: Although occupational RE exposure occurs extensively from ore mining and refining to end users in various industrial applications, epidemiologic study has not been performed among workers up to now. Bioaccumulation and adverse effects of RE have also been mentioned in ore mining regions and nearby residences, but safety standards for each process are insufficient. Moreover, because new commercial recycling technology will soon be applied to various industries, regulation and policies are needed for preventing abuse of recycling. In the results of animal toxicity for a few REs(mostly cerium, lanthanum, and gadolinium), toxicities of liver, lung, blood, and the nervous system were identified due to oxidative stress, but study of long-term RE exposure is required. Understanding the dual effect for RE and discovery of biomarkers pose a scientific challenge in further mechanism studies. Conclusions: In the future, additional hazard evaluation based on animal experiments is required, alongside continuous research for developing analytical methods and discovering biomarkers. Finally, RE occupational health and safety management needs to be integrated into the sustainable use of these materials.
Objectives: This study was conducted in order to improve the current understanding of rare earths(RE) and to provide supporting data for establishing occupational health policies by reviewing the toxicological data and issues caused by the use of RE compounds in various fields. Methods: To evaluate the potential toxicity of RE from the viewpoint of occupational health, we summarized extensive reviews of relevant articles in the toxicology(animals and cells), occupational health and safety, and epidemiologic literature. Results: Although occupational RE exposure occurs extensively from ore mining and refining to end users in various industrial applications, epidemiologic study has not been performed among workers up to now. Bioaccumulation and adverse effects of RE have also been mentioned in ore mining regions and nearby residences, but safety standards for each process are insufficient. Moreover, because new commercial recycling technology will soon be applied to various industries, regulation and policies are needed for preventing abuse of recycling. In the results of animal toxicity for a few REs(mostly cerium, lanthanum, and gadolinium), toxicities of liver, lung, blood, and the nervous system were identified due to oxidative stress, but study of long-term RE exposure is required. Understanding the dual effect for RE and discovery of biomarkers pose a scientific challenge in further mechanism studies. Conclusions: In the future, additional hazard evaluation based on animal experiments is required, alongside continuous research for developing analytical methods and discovering biomarkers. Finally, RE occupational health and safety management needs to be integrated into the sustainable use of these materials.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 희토류 관련 산업에서 근로자의 건강보호를 위해 현재까지 보고된 희토류 사용에 따른 문제점 및 독성에 대한 자료를 정리ㆍ고찰하여 희토류에 대한 이해를 증진시키고, 궁극적으로 정책마련 또는 이를 뒷받침하는 자료를 제공하고자 하였다.
본 연구는 산업보건 측면에서 희토류의 잠재적인 영향을 평가하기 위해 희토류의 동물 및 세포독성, 인체독성, 환경독성, 산업위생, 역학조사 및 적용분야와 관련한 여러 논문 및 서적의 자료를 정리ㆍ고찰하였다. 필요한 자료검색을 위해 주로 인터넷을 이용하였고, 검색 사이트로 구글 학술검색(http://scholar.
본 연구의 목적을 달성하기 위해 현재까지 보고된 희토류 사용에 따른 문제점, 인체독성 등의 역학조사, 세포 및 동물을 이용한 독성시험 및 관련 기전연구, 관련 산업의 안전보건 이슈, 최근 동향 및 향후 보완점을 주로 다룰 필요가 있었다. 아울러 희토류를 이용한 상품이 대중적이진 않으나 일부 시장에 판매되거나 의학적, 농업적 적용 사례가 있는바 이에 대한 정당성을 확고히 하고, 남용을 예방하고자 희토류의 이로운 효과 또한 중점적으로 다뤘다. 따라서 검색된 자료 중 필요한 자료만을 다시 선별하였고, 선별된 자료를 분류하여 최종적으로 ‘희토류의 노출및 생체축적’, ‘희토류의 유해성평가’, ‘희토류의 이로운 효과’ 그리고 ‘산업보건 향상을 위한 추가적 노력’ 부문으로 정리하였으며 이를 토대로 관련 정책 제시 등 향후 희토류 산업의 나아갈 방향에 대해 고찰하였다.
제안 방법
검색은 “rare earths”, “toxicology”, “risk assessment”, “human exposure”, “bioaccumulation”, “environmental pollution”, “beneficial effects”, “worker”, “nanoparticle”, “applications”, “epidemiological study”, “occupational safety and health” 등과 유사한 핵심용어를 사용하여 수행하였다.
따라서 검색된 자료 중 필요한 자료만을 다시 선별하였고, 선별된 자료를 분류하여 최종적으로 ‘희토류의 노출및 생체축적’, ‘희토류의 유해성평가’, ‘희토류의 이로운 효과’ 그리고 ‘산업보건 향상을 위한 추가적 노력’ 부문으로 정리하였으며 이를 토대로 관련 정책 제시 등 향후 희토류 산업의 나아갈 방향에 대해 고찰하였다.
산화세륨 및 디젤 배출 입자 모두 폐포대식 세포 및 림프구에서 염증전구물질인 interleukin(IL)-12 및 interferon-gamma(IFN-γ)의 분비를 활성화하였다.
대상 데이터
검색은 “rare earths”, “toxicology”, “risk assessment”, “human exposure”, “bioaccumulation”, “environmental pollution”, “beneficial effects”, “worker”, “nanoparticle”, “applications”, “epidemiological study”, “occupational safety and health” 등과 유사한 핵심용어를 사용하여 수행하였다. 또한, 물질안전보건자료(Material Safety Data Sheet, MSDS)에 대해서는 KOSHANET(http://www.kosha.or.kr/bridge?menuId=69)을 이용하였고, 화학물질 명칭 및 CAS(Chemical Abstract Service) 등록번호를 이용하여 검색하였다.
본 연구는 산업보건 측면에서 희토류의 잠재적인 영향을 평가하기 위해 희토류의 동물 및 세포독성, 인체독성, 환경독성, 산업위생, 역학조사 및 적용분야와 관련한 여러 논문 및 서적의 자료를 정리ㆍ고찰하였다. 필요한 자료검색을 위해 주로 인터넷을 이용하였고, 검색 사이트로 구글 학술검색(http://scholar.google.com), 사이언스다이렉트(www.sciencedirect.com), 스코푸스(www.scopus.com), NDSL 논문(http://www.ndsl.kr/index.do), 펍메드(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed), 전남대학교도서관(http://lib.jnu.ac.kr/)을 활용하였다. 검색은 “rare earths”, “toxicology”, “risk assessment”, “human exposure”, “bioaccumulation”, “environmental pollution”, “beneficial effects”, “worker”, “nanoparticle”, “applications”, “epidemiological study”, “occupational safety and health” 등과 유사한 핵심용어를 사용하여 수행하였다.
성능/효과
, 2014a). 나노입자의 생체축적은 모든 조직에서 유의하였고, 용량, 시간, 장기 의존적이었다. 더욱이 산화세륨 나노입자는 마이크로입자에 비해 높은 조직내 분포와 뇨 및 변을 통한 높은 배출율을 보인 반면 마이크로입자는 변에서 높은 배출율을 보였다.
산화세륨 및 디젤 배출 입자 모두 폐포대식 세포 및 림프구에서 염증전구물질인 interleukin(IL)-12 및 interferon-gamma(IFN-γ)의 분비를 활성화하였다. 노출 후 4주째에 산화세륨을 투여한 군의 조직병리학적 결과에서는 폐의 인지질증 및 섬유화가 관찰되었고, 혼합 투여군에서는 산화세륨의 영향과는 별개로 디젤 배출 입자에 의한 폐 육아종이 관찰되었다. 산화 세륨에 의한 지속적인 폐염증 및 이와 관련한 광범위한 세포 신호전달 작용으로 폐 섬유화를 야기할 수 있다.
나노입자의 생체축적은 모든 조직에서 유의하였고, 용량, 시간, 장기 의존적이었다. 더욱이 산화세륨 나노입자는 마이크로입자에 비해 높은 조직내 분포와 뇨 및 변을 통한 높은 배출율을 보인 반면 마이크로입자는 변에서 높은 배출율을 보였다. 산화세륨 나노입자 단독 노출로 인해 간에서 조직병리학적 변화가 관찰되었고, 이는 생체축적에 기인한 유전독성에 의한 변화로 여겨 지고 있으나 이후의 장기노출에 의한 독성평가가 필요하다.
더욱이 염화란탄은 페에서 Nrf2, heme oxygenase 1(HO-1) 및 glutamate-cysteine ligase catalytic subunit(GCLC) 농도를 유의하게 증가시켰다. 본 결과를 미루어 짐작할 때 Nrf2 발현유도는 마우스 폐에서 산화적 손상에 대한 세포내 적응반응으로 Nrf2가 폐손상을 조절할 수 있을 것으로 여겨지고 있다. 5주령의 수컷 ICR 마우스에 염화란탄, 염화세륨 또는 염화네오디뮴을 10, 20 또는 40 mg/kg/day로 6주간 경구 투여한 후 간조직으로부터 세포핵 및 미토콘드리아를 분리하여 희토류 함량 및 이에 상응하는 산화적 손상을 조사한 결과, 희토류는 간세포로 유입된 후 핵에 주로 축적됨으로써 간세포 핵 및 미토콘드리아에 산화적 손상을 유발한다고 보고하였다(Huang et al.
, 2014). 시간 경과에 따른 폐부하 및 염증을 관찰하였을 때, 초기 염증 반응은 침적된 입자량에 따라 호중구에 의한 것이 주를 이뤘고, 후기에는(4주 후) 단핵구, 특히 대식세포에 의한 염증반응이 주를 이뤘다. 이후의 육아종성 반응으로의 진행은 폐 내 침적된 입자량 및 기간에 따라 달랐다.
, 2011a). 이상의 결과로 비록 기전에 대한 설명은 아직 까지 명확하지 않으나 란탄이 인체에 신경독성을 유발할 수 있음을 알 수 있다. 염화란탄의 마우스 폐에 대한 산화적 손상 기전연구를 위해 nuclear factor erythroid 2 related factor 2(Nrf2) 신호전달체계 및 기능을 조사한 결과 용량이 증가할수록 란탄은 폐에서 현저하게 축적되었고, 이후 활성산소종의 생산을 증가시켰고, 이는 세포 지질, 단백질 및 DNA의 과산화를 유발하여 결국 심각한 폐손상을 유발하였다(Hong et al.
, 2012). 이상의 연구결과를 통해 산화세륨은 인체에 충분한 잠재적 위험성을 가지는 것으로 사료되고 있으며 이에 디젤 연료 첨가제로 사용되는 산화세륨의 사용은 인체건강에 대한 우려를 낳고 있다. 입자크기에 따른 독성을 비교하기 위해 상업적 재료를 포함한 네 가지 다른 나노세리아를 남 조류(Anabaena CPB4337) 및 녹조류(Pseudokirchneriella subcapitata)를 이용하여 산화세륨 마이크로입자와 비교한 결과, 독성이 관찰된 나노입자에 대해서는 세포 탐식이 관찰되지 않아 나노입자와 세포사이의 직접적 접촉에 의한 독성이 고려되었고, 세포손상은 대부분 세포벽 및 세포막 장애에 기인한 것으로 여겨졌다 (Rodea-Palomares et al.
흥미롭게도 나노세리아에 대해서는 독성작용과 상반된 항산화작용 및 암세포에 대한 활성산소종 유발인자 등의 이로운 효과가 보고된 바 있다. 폐선암 세포(A549)에 나노세리아의 독성을 확인하기 위한 분자수준의 기전연구를 수행한 결과, 활성산소종 매개 DNA 손상 및 세포주기정지를 통한 폐선암세포(A549)의 세포자멸을 유도하였다. 그러나 나노 세리아는 사용에 앞서 적절히 평가받아야 할 잠재적인 독성(폐독성) 또한 가지고 있으므로(Mittal & Pandey, 2014), 희토류의 상반된 작용(Dual effect)에 대해서는 용량에 따라 촉진에서 억제로 변하는‘hormesis’ 효과의 이해와 함께 향후의 추가적 생체내 기전연구(입자크기 및 기하학적 구조, 가용상태, 리간드의 작용)를 통해 접근해야할 문제로 여겨진다.
후속연구
그러나 나노 세리아는 사용에 앞서 적절히 평가받아야 할 잠재적인 독성(폐독성) 또한 가지고 있으므로(Mittal & Pandey, 2014), 희토류의 상반된 작용(Dual effect)에 대해서는 용량에 따라 촉진에서 억제로 변하는‘hormesis’ 효과의 이해와 함께 향후의 추가적 생체내 기전연구(입자크기 및 기하학적 구조, 가용상태, 리간드의 작용)를 통해 접근해야할 문제로 여겨진다.
TENORM 폐기물은 허용수치를 상회하는 농도의 방사성핵종을 포함하고 있다. 따라서 오염원 전파규제는 광석가공 및 폐기물 처리 방법, 채굴되는 지역의 지질학적, 수문학적, 수리지질학적 특성을 고려하여 결정해야 할 것이다.
이상의 내용을 종합하여 볼 때, 희토류는 최근 다양한 산업 및 나노기술에 적용되어 왔으나 동물 및 인체에 잠재적 독성이 보고되고 있고, 이에 따른 희토류 건강영향 평가 및 각 작업별 안전기준에 대한 정보는 미비한 실정이다. 따라서 향후에는 근로자 건강보호를 위한 정책 마련을 위해 동물실험을 기반으로 한 추가적인 유해성 평가가 필요하며 그 결과는 작업장 환경에 알맞게 적용되어야 한다. 아울러 희토류 분석법 개발 및 바이오마커의 발견을 위한 지속적인 연구가 필요하며 궁극적으로 희토류 관련 모든 정보를 집대성하여 희토류에 대한 지속 가능한 산업 안전보건 관리체계를 구축하는 것이 필요하다.
역학조사를 할 때에는 혼란변수를 극복하기 위한 적절한 설계가 중요하며 이를 위해선 첫째로 취급시설의 공기 중 희토류 농도에 따른 노출군을 구분해야 하며, 방사성 검사를 동반한 비침습적 혈액 및 뇨검사를 통한 생체축적에 의해 다시 구분되어야 한다. 마지막으로 희토류 노출 및 생체축적에 의해 균일한 그룹이 구분되어지면 이들에 대해 코호트 또는 사례조사 연구가 수행되어야 한다. Pagano et al.
본 연구의 목적을 달성하기 위해 현재까지 보고된 희토류 사용에 따른 문제점, 인체독성 등의 역학조사, 세포 및 동물을 이용한 독성시험 및 관련 기전연구, 관련 산업의 안전보건 이슈, 최근 동향 및 향후 보완점을 주로 다룰 필요가 있었다. 아울러 희토류를 이용한 상품이 대중적이진 않으나 일부 시장에 판매되거나 의학적, 농업적 적용 사례가 있는바 이에 대한 정당성을 확고히 하고, 남용을 예방하고자 희토류의 이로운 효과 또한 중점적으로 다뤘다.
5 mg/m3(평균 이동농도)로, 보통 정도의 섬유화의 위험성이 있는 분진으로서 불화이테르븀에 대해서는 최고허용농도를 6 mg/m3로 권장하였다. 아울러 안전기준 마련을 위해서는 희토류 화합물의 유해성ㆍ위험성 평가가 필요하며 설령 생분해되는 것으로 분류되는 소수의 희토류 합금일지라도 더 많은 조사, 특히 생체 내 행동평가가 필요하다. 세포, 동물 및 근로자에 희토류 및 그 화합물의 노출에 대한 최근 독성결과를 고려할 때, 산업보건 관점에서 희토류 화합물에 대한 이해를 증진시키기 위해서는 관련 독성시험의 검토가 중요하며 이는 희토류 산업에 대한 지속적이고, 안전하며 건강한 작업 환경을 조성하는데 도움이 될 것이다(Rim et al.
또한, 시설로부터 흘러나온 폐수는 연안의 해양 침전물 및 생물군에 희토류 축적 및 특정 생태계의 장애를 야기할 수 있어 폐수 및 폐기물에 대한 특별한 관리가 필요하다. 아울러 향후에는 상업적 재활용 기술이 자석, 전지, 전등, 발광 및 촉매제 분야까지 다양하게 적용될 것이므로 재활용의 남용을 막기 위한 관련 규제 또는 정책 마련 등 이에 대한 충분한 대비가 필요하다.
따라서 향후에는 근로자 건강보호를 위한 정책 마련을 위해 동물실험을 기반으로 한 추가적인 유해성 평가가 필요하며 그 결과는 작업장 환경에 알맞게 적용되어야 한다. 아울러 희토류 분석법 개발 및 바이오마커의 발견을 위한 지속적인 연구가 필요하며 궁극적으로 희토류 관련 모든 정보를 집대성하여 희토류에 대한 지속 가능한 산업 안전보건 관리체계를 구축하는 것이 필요하다.
현재까지 다양한 투여경로 및 생애주기(성체 및 태아)에 대한 연구 결과, 희토류는 폐, 간, 혈액 및 신경계에 독성을 나타내는 것으로 확인되었고, 주요 독성기전은 항산화 활성 변화에 의한 산화 촉진작용 및 산화적 손상과 관련이 있었다. 하지만 독성시험의 한계점은 첫째로 주로 세륨, 란탄, 가돌리늄에 국한되어 다른 희토류에 대한 정보가 상대적으로 부족하며, 둘째로 다른 척추/무척추 동물에 대한 시험이 상대적으로 부족하다는 점이다. 가장 큰 문제점은 만성적으로 노출되는 근로자의 건강평가를 위한 장기간의 독성시험이 세륨을 제외하고는 아직 수행되지 않았다는 점이다.
희토류는 인체건강 또는 환경편익을 위해 이들의 물리화학적 성질을 이용한 약물 또는 탈모예방을 위한 샴푸 등 여러 가지 상업적 제품으로 이미 시장에 판매되고 있으며 추후에는 희토류의 항산화 작용 등이로운 효과를 이용하여 치료제로 개발될 가능성이 있다. 하지만 보다 올바른 사용을 위해서는 희토류의 생체에 대한 정확한 기전연구 및 효과검증에 대한 추가적인 연구가 필수적일 것이다.
, 2015). 희토류에 상반적 작용에 대해서는 용량적인 부분도 있겠으나 입자크기 및 기하학적 구조, 가용상태, 리간드의 작용 등 다양한 요소들이 관련되어 있으며, 이들에 대한 이해는 추후 환경 및 인체건강에 미치는 희토류의 생물학적 작용을 예견 또는 평가하는데 큰도움이 될 것이다.
희토류의 유해성에 대한 지속 가능한 측정을 위해 바이오마커의 사용이 증가하고 있으나, 란탄족의 작용기전을 설명하기 위한 분자 수준의 연구는 근본적 으로 란탄에 제한되어 있어 모든 란탄족에 대한 공통적인 작용기전을 확인하기 위한 추가적 연구가 필요하다. 흥미롭게도 나노세리아에 대해서는 독성작용과 상반된 항산화작용 및 암세포에 대한 활성산소종 유발인자 등의 이로운 효과가 보고된 바 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
희토류 원소란 무엇인가?
희토류 원소(Rare earth elements)는 란탄부터 루테튬까지의 란타넘족 15개 및 스칸듐과 이트륨을 포함한 17개의 화학원소의 통칭으로 물리화학적으로 유사한 성질을 가진다(Hirano & Suzuki, 1996). 이중에서도 원자량, 물리화학적 성질에 따라 경(輕)희토류(란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴), 중(中)희토류 (프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄), 중(重)희토류 (테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬), 비(非)란탄계(스칸듐, 이트륨)로 나뉜다.
희토류 원소를 구분하면 어떤 종류가 있는가?
희토류 원소(Rare earth elements)는 란탄부터 루테튬까지의 란타넘족 15개 및 스칸듐과 이트륨을 포함한 17개의 화학원소의 통칭으로 물리화학적으로 유사한 성질을 가진다(Hirano & Suzuki, 1996). 이중에서도 원자량, 물리화학적 성질에 따라 경(輕)희토류(란탄, 세륨, 프라세오디뮴, 네오디뮴), 중(中)희토류 (프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄), 중(重)희토류 (테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬), 비(非)란탄계(스칸듐, 이트륨)로 나뉜다. 프로메튬을 제외하면 희토류는 지각에 할로겐화물, 탄산염, 산화물, 인산염 및 규산염의 형태로 상대적으로 풍부하게 존재하나 단일 금속으로 집중되어 있지는 않다.
희토류 및 관련 화합물의 고유한 성질을 이용하여 어떤 산업분야에서 활용되고 있는가?
지난 10년간 신소재의 개발에 호응하여 희토류 및 관련 화합물들은 그 사용량이 증가하고 있으며 화학적ㆍ전기적ㆍ자성적ㆍ발광적ㆍ방사성 차폐 등의 독특한 자체의 고유한 성질을 이용하여 현재 자성재, 촉매재, 배터리, 연마재, 합금재, 형광재 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있다. 또한, 희토류는 에너지 생산ㆍ저감ㆍ효율적 측면으로 스마트폰 등 모바일기기의 부품소재, 컴퓨터 하드 디스크 드라이브, 하이 브리드 및 전기 자동차, 디스플레이용 형광소재, 이 차전지, 풍력터빈 등에도 활용되어 첨단산업의 비타민으로 불리우고 있다.
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