Objectives: We conducted ecological risk assessment for cadmium, a heavy metal and carcinogen, to identify safety standards by environmental media and to determine its impact on ecosystems by estimating and evaluating exposure levels. Methods: Species sensitivity distributions (SSDs) were generated ...
Objectives: We conducted ecological risk assessment for cadmium, a heavy metal and carcinogen, to identify safety standards by environmental media and to determine its impact on ecosystems by estimating and evaluating exposure levels. Methods: Species sensitivity distributions (SSDs) were generated using ECOTOX DB. A hazardous concentration of 5% (HC5) protective of most species (95%) in the environment was estimated. Using this estimate, predicted no effect concentrations (PNECs) were calculated for aquatic organisms. Based on the calculated PNECs for aquatic organisms, PNEC values for soil and sediment were calculated using the partition coefficient. Predicted exposure concentrations (PECs) were also calculated from environmental monitoring data with hazard quotients (HQs) calculated using PNECs for environmental media. Results: Chronic toxicity data were categorized into four groups and 11 species. In species sensitivity distribution (SSD) analysis, HC5 was $0.340{\mu}g/L$. Based on this value, the PNEC value for aquatic organisms was calculated as $0.113{\mu}g/L$. PNEC values for soil and sediments using a partition coefficient were calculated as 15.02 mg/kg and 90.61 mg/kg, respectively. In an analysis of environmental monitoring data, PEC values were calculated as $0.017{\mu}g/L$ for water, 1.01 mg/kg for soil, and 0.521 mg/kg for sediment. Conclusions: HQs were 0.150, 0.067 and 0.006 for water, soil and sediment, respectively. HQs of secondary toxicity were 0.365 for birds and 0.024 for mammals. In principle, it is judged that an HQ above 1 indicates a high level of risk concern while an HQ less than 1 indicates an extremely low level of risk concern. Therefore, with HQs of cadmium in the environment being <1, its risk levels can be considered low for each media.
Objectives: We conducted ecological risk assessment for cadmium, a heavy metal and carcinogen, to identify safety standards by environmental media and to determine its impact on ecosystems by estimating and evaluating exposure levels. Methods: Species sensitivity distributions (SSDs) were generated using ECOTOX DB. A hazardous concentration of 5% (HC5) protective of most species (95%) in the environment was estimated. Using this estimate, predicted no effect concentrations (PNECs) were calculated for aquatic organisms. Based on the calculated PNECs for aquatic organisms, PNEC values for soil and sediment were calculated using the partition coefficient. Predicted exposure concentrations (PECs) were also calculated from environmental monitoring data with hazard quotients (HQs) calculated using PNECs for environmental media. Results: Chronic toxicity data were categorized into four groups and 11 species. In species sensitivity distribution (SSD) analysis, HC5 was $0.340{\mu}g/L$. Based on this value, the PNEC value for aquatic organisms was calculated as $0.113{\mu}g/L$. PNEC values for soil and sediments using a partition coefficient were calculated as 15.02 mg/kg and 90.61 mg/kg, respectively. In an analysis of environmental monitoring data, PEC values were calculated as $0.017{\mu}g/L$ for water, 1.01 mg/kg for soil, and 0.521 mg/kg for sediment. Conclusions: HQs were 0.150, 0.067 and 0.006 for water, soil and sediment, respectively. HQs of secondary toxicity were 0.365 for birds and 0.024 for mammals. In principle, it is judged that an HQ above 1 indicates a high level of risk concern while an HQ less than 1 indicates an extremely low level of risk concern. Therefore, with HQs of cadmium in the environment being <1, its risk levels can be considered low for each media.
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문제 정의
본 연구는 중금속 물질로서 발암 및 독성물질인 카드뮴에 대해 환경 매체별(수질, 토양, 퇴적물) 안전수준을 규명하고, 노출수준의 예측 및 평가를 통해 카드뮴이 생태계에 미치는 영향이 어느 정도인지 살펴보기 위해 생태학적 위해성평가를 실시하고자 한다. 카드뮴은 주로 신장 독성을 일으키는 물질로서 일반적으로 니켈-카드뮴 배터리, 안료, PVC 안정제, 합금 등으로 제조·사용되어지고 있으며5), 원석의 채광 · 제련과정, 재활용, 폐기, 담배 연소 등을 통해 환경매체로 배출되어진다.
가설 설정
11) ECOTOX DB에서의 토양에 대한 생태독성 자료가 충분하지 않기 때문에 국립환경과학원 화학물질의 위해성에 관한 자료작성 해설서에 제시되어 있는 토양 입자와 공극수 간 화학평형을 가정한 분배계수를 이용하였다(식(1)).
제안 방법
. ECOTOX DB에서의 퇴적물에 대한 생태독성 자료가 충분하지 않기 때문에 국립환경과학원 화학물질의 위해성에 관한 자료작성 해설서에 제시되어 있는 평행분배방법을 사용하여 퇴적물의 PNEC 값을 추정하였다(식 (2)).
ECOTOX DB의 자료로부터 수집 정리한 생태독성자료를 가지고 네덜란드 국립공중보건환경연구소(RIVM)의 ETX 2.0 program을 사용하여 SSD 평가를 실시하였다. 각각의 환경내 95%이상의 종의 보호수준(HC5, hazardous concentration 5%)으로 추정하였으며, 평가결과의 정규성 확인 및 도출된 결과인 HC5를 이용하여 PNEC 값을 도출하였다.
0 program을 사용하여 SSD 평가를 실시하였다. 각각의 환경내 95%이상의 종의 보호수준(HC5, hazardous concentration 5%)으로 추정하였으며, 평가결과의 정규성 확인 및 도출된 결과인 HC5를 이용하여 PNEC 값을 도출하였다. 또한 SSD 평가결과인 HC5의 불확실성을 보정하기 위하여 평가계수(AF, Assessment factor)를 적용하였다.
첫째 담수와 해수로 구분되는 매체(Media type)는 오로지 담수종에 대한 자료로 수집하였다. 둘째 급성영향과 만성영향으로 나눈 후 만성영향 자료만 활용하였으며, 생태독성종말점(Endpoint)은 성장(Growth), 치사(Survial), 생식(Reproduction) 및 생리(Physiology) 등을 기반으로 수집하였다. 마지막으로 각 항목에서 독성값, 기간, 독성종말점, 독성영향 등 독성파라메터가 없는 자료 및 불확실한 자료는 모두 제외하였으며, 원문자료 확인 및 동일종 중 가장 민감한 값을 선택하였다.
본 연구는 카드뮴에 대해 수생태종의 만성독성 자료를 수집하여 분류한 후 SSD를 평가하여 매체별PNEC 값을 산출하였으며, 환경 모니터링 자료의 결과를 이용하여 PEC 값을 산출하였다. 또한 카드뮴에 대한 환경위해도는 환경모니터링 자료로부터 도출된 PEC 값에 환경매체별 도출된 PNEC 값을 나누어 유해지수를 산정하였다.
매체별 카드뮴에 대한 PEC 값과 PNEC 값을 산출한 후 생태계에 미치는 환경위해도를 도출하였다. 화학물질 배출량 정보를 이용한 초기 위해성평가 해설서에 따르면 환경위해도는 용량-반응 평가의 결과값과 노출평가에서 추정한 노출량(농도)을 비교하여 평가하는 것으로 추정된 노출량(농도)이 용량-반응평가 기준치보다 높은지 낮은지를 살펴보며, 이를 통해 인체건강과 환경에서의 위해성이 우려되는지를 결정하는 것이다라고 제시되어 있다.
이에 카드뮴에 대해 환경 매체별 안전수준을 규명하며, 카드뮴에 의해 생태계에 영향이 일어나지 않을 수준의 농도를 결정하고, 환경매체 중에 실제로 존재하는 농도와 비교하는 생태학적 위해성평가를 실시하였다. 먼저 카드뮴에 의한 만성독성 결과로부터 SSD를 도출하였다. SSD 평가는 유해화학물질에 대한 생태학적 위해성평가를 수행하는데 있어서 가장 유용한 방법으로 알려져 있으며, 생물군집 안에서 유해화학물질에 대한 다양한 범위의 민감도들을 포괄할 수 있고, 서로 다른 분류군을 대표할 수 있는 선택된 종을 이용하여 수행할 수 있는 생태독성영향 평가자료의 집합이다.
본 연구는 카드뮴에 대해 수생태종의 만성독성 자료를 수집하여 분류한 후 SSD를 평가하여 매체별PNEC 값을 산출하였으며, 환경 모니터링 자료의 결과를 이용하여 PEC 값을 산출하였다. 또한 카드뮴에 대한 환경위해도는 환경모니터링 자료로부터 도출된 PEC 값에 환경매체별 도출된 PNEC 값을 나누어 유해지수를 산정하였다.
본 연구에서는 지점별 연평균 값을 계산하고 지역별 상위 90분위수를 도출하여 환경노출농도를 제시하였다. 수질에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위하여 국립환경과학원 물환경정보시스템의 수질측정망 결과(2016)의 자료에서, 하천수,13) 호소수,14) 산단하천,15) 도시관류16) 등 총 850개 지점의 카드뮴 측정값으로부터 환경농도를 산출하였다.
본 연구에서는 카드뮴에 대한 독성데이터가 충분하지 않기 때문에 대표 생물종의 한 종의 독성 값을 선정하고 안전계수를 적용하여 수질기준 값을 도출하였으며, 토양 및 퇴적층에 대해서는 평행분배방법을 이용하여 도출하였다. 수질의 경우 하천수, 호소수, 산단하천, 도시관류 등 물환경정보시스템의 수질측정망 결과의 자료를 이용하였으며, 이는 국내의 경우 하천, 호소 등의 생활환경 기준과, 하천 호소 등 사람의 건강보호 기준으로 구분되어져 있기 때문이다.
생태독성 자료를 이용한 PNEC 값 도출은 수집된 국내외 생태독성자료 중에서 국내 서식종 생태독성자료와 국외 서식종의 생태독성자료를 구분하여 PNEC 값을 도출하고 도출된 값의 민감도 차이를 확인하고, 민감도 차이가 없는 경우 국내외 생태독성자료를 활용한 SSD를 통해 PNEC 값을 도출한다. 반대로 민감도 차이가 있는 경우 국내 서식종 자료만을 활용한 SSD를 통해 PNEC 값을 도출한다.
생태학적 위해성평가를 위한 노출평가는 전국규모의 환경모니터링 자료로 이용하여, 매질별 PEC 값을 산출하였다. “환경유해인자의 위해성평가를 위한 절차와 방법 등에 관한 지침”에 따르면 모니터링 결과의 대푯값을 산정하기 위해서는 시공간적 변이를 고려하며 조사지역 내 환경노출농도는 동일지점 내 상위 90분위수 간의 지역 평균값 또는 동일지점 내 연평균 값의 조사지역 내 90분위수로 사용한다고 제시하고 있다.
즉 자료가 충분히 있는 경우 1을, 대표성이 부족하거나 충실하지 않는 자료들인 경우 5를 적용하며 일반적으로 3을 적용한다11). 이에 본 연구에서는 카드뮴에 대한 독성자료는 최소요건을 충족하였으나 대표성을 가질 만한 자료가 충분하지 않으므로 일반적으로 적용되는 AF 값인 3으로 하여 적용하였다. 그 결과 수생태의 PNEC 값은 0.
이에 카드뮴에 대해 환경 매체별 안전수준을 규명하며, 카드뮴에 의해 생태계에 영향이 일어나지 않을 수준의 농도를 결정하고, 환경매체 중에 실제로 존재하는 농도와 비교하는 생태학적 위해성평가를 실시하였다. 먼저 카드뮴에 의한 만성독성 결과로부터 SSD를 도출하였다.
이와 같은 카드뮴이 생태계에 미치는 위해도를 평가하기 위해 만성독성 자료 수집 후 환경매체별 예측무영향농도(PNEC, Predicted no effective concentration) 및 예측환경농도(PEC, Predicted exposure concentration)값을 산출하여 환경위해도를 도출하였다.
카드뮴은 생물 영양단계가 올라갈수록 농도가 올라가는 생물축적성이 예상되어지는 물질이므로21) 이차독성에 대해 고려할 필요가 있다. 이차독성은 실측자료가 없기 때문에 문헌에서 발췌한 BCFfish 또는 BMF값을 대입하여 추정하는 식을 이용하여 값을 도출하였다.
카드뮴을 검색어로 하여 수집된 독성자료는 다음과 같은 순서에 의하여 분류하였다. 첫째 담수와 해수로 구분되는 매체(Media type)는 오로지 담수종에 대한 자료로 수집하였다. 둘째 급성영향과 만성영향으로 나눈 후 만성영향 자료만 활용하였으며, 생태독성종말점(Endpoint)은 성장(Growth), 치사(Survial), 생식(Reproduction) 및 생리(Physiology) 등을 기반으로 수집하였다.
토양 및 퇴적물은 생태독성자료 부족으로 인해 평행분배방법을 사용하여 PNEC 값을 도출하였다. 평행분배방법을 적용하기 위해서는 카드뮴의 유기탄소분배계수(Koc)가 필요하다.
수질의 경우 하천수, 호소수, 산단하천, 도시관류 등 물환경정보시스템의 수질측정망 결과의 자료를 이용하였으며, 이는 국내의 경우 하천, 호소 등의 생활환경 기준과, 하천 호소 등 사람의 건강보호 기준으로 구분되어져 있기 때문이다. 토양과 퇴적물도 위해성평가의 대상물질 선정기준, 절차 및 방법 등에 관한 지침에 따라 생태학적 위해성평가를 실시하였으며, 토양의 경우 토양측정망 및 토양오염실태조사결과, 퇴적물에서는 물환경정보시스템의 퇴적물측정망 자료를 활용하였다. 카드뮴은 생물 영양단계가 올라갈수록 농도가 올라가는 생물축적성이 예상되어지는 물질이므로21) 이차독성에 대해 고려할 필요가 있다.
대상 데이터
카드뮴과 관련된 만성독성자료 수집은 ECOTOXDB10)를 위주로 활용하여 수집하였다. 카드뮴을 검색어로 하여 수집된 독성자료는 다음과 같은 순서에 의하여 분류하였다.
토양 및 퇴적물에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위하여 국립환경과학원 “2015년 토양측정망 및 토양오염실태조사결과” 및 국립환경과학원 물환경정보시스템의 퇴적물측정망 자료(2015)17) 를 활용하였다.
토양에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위해 토양측정망 자료를 이용하였으며 총 1000개 지점별 연평균 값을 계산하고, 이 값들의 지역별 상위 90분위수를 사용하였다. 퇴적물에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위하여 퇴적물측정망 자료를 이용하였으며, 총 258개 지점별 연평균 값을 계산하고 이 값들의 지역별 상위 90분위수를 사용하였다.
토양에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위해 토양측정망 자료를 이용하였으며 총 1000개 지점별 연평균 값을 계산하고, 이 값들의 지역별 상위 90분위수를 사용하였다. 퇴적물에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위하여 퇴적물측정망 자료를 이용하였으며, 총 258개 지점별 연평균 값을 계산하고 이 값들의 지역별 상위 90분위수를 사용하였다. 그 결과 토양 및 퇴적물의 PEC 값은 각각 1.
데이터처리
SSD 평가에 의해 산출된 HC5에 대한 통계적 검증은 정규성 검증을 통해 실시하였다. Anderson Daring test와 Kolmogorov-Smirnov test 등의 결과, 자료수는 11, 유의수준 0.
이론/모형
각각의 환경내 95%이상의 종의 보호수준(HC5, hazardous concentration 5%)으로 추정하였으며, 평가결과의 정규성 확인 및 도출된 결과인 HC5를 이용하여 PNEC 값을 도출하였다. 또한 SSD 평가결과인 HC5의 불확실성을 보정하기 위하여 평가계수(AF, Assessment factor)를 적용하였다.
성능/효과
2 mg/kg, 포유류 경우 3 mg/kg의 NOECoral값이 확인되었다.18) 노출기간이 만성일 경우 TGD-Part II12)에 따라 평가계수 30을 적용하였으며, 식 (3)에 따라 조(鳥)류의 PNECoral값은 0.006mg/kg 포유류의 PNECoral값은 0.1 mg/kg으로 산출되었다.
그 결과 수생태의 PNEC 값은 0.113 µg/L으로 산출되었다.
퇴적물에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위하여 퇴적물측정망 자료를 이용하였으며, 총 258개 지점별 연평균 값을 계산하고 이 값들의 지역별 상위 90분위수를 사용하였다. 그 결과 토양 및 퇴적물의 PEC 값은 각각 1.01 mg/kg 및 0.521 mg/kg으로 산출되었다(Table 5).
도출한 PNECwater값과 Koc 값을 식에 적용하여 토양(식 (1)) 및 퇴적물(식 (2))에서의 PNEC 값을 산출하였다. 그 결과토양의 PNECsoil은 15.02 mg/kg, 퇴적물의 PNECsediment는 90.61 mg/kg로 나타났다. 카드뮴의 이차독성에 대해 살펴보았으며, 생태독성자료 중 조(鳥)류의 NOECoral값은 0.
02 미만인 경우 해당 물질의 생태위해도를 무시할 수 있다(negligible)19). 따라서 수질의 유해지수는 0.150로 위해가능성은 낮으나 주의할 필요성이 있으며, 퇴적물 및 토양의 유해지수는 각각 0.006 및 0.067로 위해도는 미미한 것으로 평가되었다. 이차독성의 유해지수는 조(鳥)류의 경우 0.
둘째 급성영향과 만성영향으로 나눈 후 만성영향 자료만 활용하였으며, 생태독성종말점(Endpoint)은 성장(Growth), 치사(Survial), 생식(Reproduction) 및 생리(Physiology) 등을 기반으로 수집하였다. 마지막으로 각 항목에서 독성값, 기간, 독성종말점, 독성영향 등 독성파라메터가 없는 자료 및 불확실한 자료는 모두 제외하였으며, 원문자료 확인 및 동일종 중 가장 민감한 값을 선택하였다.
분류되어진 자료를 바탕으로 수생태 만성독성에 대한 PNEC 값을 도출하기 위해 SSD를 평가하였으며(Fig. 1, Table 3), 그 결과 HC5 값은 0.340 µg/L로 산출되었다.
이에 따라 다음과 같은 결과를 도출하였다. 수질 만성 독성의 유해지수는 0.150으로 위해가능성은 낮으나 주의할 필요성이 있으며, 토양과 퇴적물의 유해지수는 각각 0.067 및 0.006으로 위해도가 낮은 것으로 나타났다. 이차독성의 유해지수는 조(鳥)류의 경우 0.
수질에서의 카드뮴에 대한 PEC 값을 산출하기 위하여 총 850개 지점에 대한 모니터링의 수질측정망 자료를 분석한 결과, 기하평균은 0.017 µg/L, 최소최대값은 0.017-0.018 µg/L으로 나타났으며, 수질의 PEC 값은 0.017 µg/L로 산출되었다(Table 5).
이에 ECOTOX DB의 자료로부터 수집된 만성독성 자료는 성장, 치사, 생식 및 군집 등을 기준으로 한 생태독성종말점으로부터 독성값 부재, 기간 및 원문 미확인 등의 불확실성 자료를 제외하였으며, 그 결과 총 4개 분류군, 11종으로 분류되었다(Table 2).
평행분배방법을 적용하기 위해서는 카드뮴의 유기탄소분배계수(Koc)가 필요하다. 이에 미국 환경보호청(USEPA)에서 제공하는 EPI SuiteTM V4.11 프로그램을 통해 카드뮴의 Koc 값을 구하였으며, 그 결과 카드뮴의 Koc 값은 0.8687로 산출되었다. 도출한 PNECwater값과 Koc 값을 식에 적용하여 토양(식 (1)) 및 퇴적물(식 (2))에서의 PNEC 값을 산출하였다.
006으로 위해도가 낮은 것으로 나타났다. 이차독성의 유해지수는 조(鳥)류의 경우 0.365, 포유류의 경우 0.024로 수질과 마찬가지로 위해가능성은 낮으나 주의할 필요성이 있는 것으로 나타났다
확률론적 방법은 충분한 독성자료로 인해 많은 가능성의 시나리오를 생성하며, 생성된 시나리오에 따라서 가중치 등을 토대로 노출 또는 PNEC 값 등을 산출한다. 즉 결정론적 위해성 평가 방법에서 활용하는 PEC 값과 PNEC값이 각각 노출농도 분포와 SSD와 같은 확률 분포로 전환되어 사용된다는 것을 의미한다.4)
61 mg/kg로 나타났다. 카드뮴의 이차독성에 대해 살펴보았으며, 생태독성자료 중 조(鳥)류의 NOECoral값은 0.2 mg/kg, 포유류 경우 3 mg/kg의 NOECoral값이 확인되었다.18) 노출기간이 만성일 경우 TGD-Part II12)에 따라 평가계수 30을 적용하였으며, 식 (3)에 따라 조(鳥)류의 PNECoral값은 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위해성평가의 역할은?
대부분의 환경문제가 궁극적으로는 인체영향으로 연결되는 까닭에 가용한 과학적 기초 자료를 근거로 하여 특정한 환경문제와 인체영향의 상관관계를 비교적 합리적으로 규명하고, 그 결과를 토대로 위해관리를 하기 위한 수단으로서 위해성 평가의 방법이 제안되고 있다.1) 즉, 위해성평가는 어떤 독성물질이나 위험상황에 노출되어 나타날 수 있는 개인 혹은 집단의 건강피해 확률을 추정하는 과학적인 과정이며, 사람이 환경적 위험에 노출되었을 경우, 발생 가능한 영향을 정성 또는 정량적으로 추정하는 과정으로 영향 또는 피해를 계량적으로 평가하고 이를 전달하는 것이다. 위해성평가는 화학물질이나 오염물질 또는 독성물질에 노출되었을 때 인체 또는 환경에 미칠 수 있는 위해의 정도를 평가하는 과정으로,2) 일반적으로 인간건강 위해성평가(Human health), 생태학적 위해성평가(Ecological), 산업장 위해성평가(Industrial), 환경 위해성평가(Environmental)로 구분할 수 있다.
위해성 평가란?
최근 환경문제에 대한 일반인의 관심이 높아지면서 위해성평가라는 분야가 중요하게 고려되고 있다. 위해성 평가는 과거 발생원 중심의 환경오염 관리에서 소위 수용체 중심의 환경오염 관리로의 개념적 변환이 이루어지게 되는데 있어서 매우 중요한 도구로 제시되고 있다. 대부분의 환경문제가 궁극적으로는 인체영향으로 연결되는 까닭에 가용한 과학적 기초 자료를 근거로 하여 특정한 환경문제와 인체영향의 상관관계를 비교적 합리적으로 규명하고, 그 결과를 토대로 위해관리를 하기 위한 수단으로서 위해성 평가의 방법이 제안되고 있다.
SSD에 따른 위해성 평가는 어떻게 결정론적 접근법과 확률론적 접근법을 활용하고 있는가?
11) SSD에 따른 위해성평가는 크게 결정론적 접근법과 확률론적 접근법을 근거로 하고 있으며, 생물종의 생태독성 자료를 활용할 수 있도록 하고 있다. 결정론적 방법은 독성자료가 부족한 독성물질에 대하여 수질환경기준 또는 사전 단계로 PNEC 값을 산출하는데 일반적으로 적용한다. 즉 독성 값이 부족하거나 환경 중 농도 값이 부족하여 단일 값을 사용하여 위해성을 결정하는 방법이다. 확률론적 방법은 충분한 독성자료로 인해 많은 가능성의 시나리오를 생성하며, 생성된 시나리오에 따라서 가중치 등을 토대로 노출 또는 PNEC 값 등을 산출한다. 즉 결정론적 위해성 평가 방법에서 활용하는 PEC 값과 PNEC값이 각각 노출농도 분포와 SSD와 같은 확률 분포로 전환되어 사용된다는 것을 의미한다.4)
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