[논문]기상변수들의 확률밀도함수(PDF)에 따른 CalTOX모델을 이용한 BTEX 인체노출량 및 인체위해성 평가 연구

김옥; 송영호; 최진하; 박상현; 박창용; 이민우; 이진헌

doi:10.5668/jehs.2019.45.5.497

기상변수들의 확률밀도함수(PDF)에 따른 CalTOX모델을 이용한 BTEX 인체노출량 및 인체위해성 평가 연구
Human Exposure to BTEX and Its Risk Assessment Using the CalTOX Model According to the Probability Density Function in Meteorological Input Data 원문보기

韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences, v.45 no.5, 2019년, pp.497 - 510

김옥 (공주대학교 환경교육과) , 송영호 (충청남도 환경보전과) , 최진하 (충남보건환경연구원) , 박상현 (충남연구원) , 박창용 (공주대학교 환경교육과) , 이민우 (공주대학교 환경교육과) , 이진헌 (공주대학교 환경교육과)

Abstract ▼ AI-Helper

Objectives: The aim of this study was to secure the reliability of using the CalTOX model when evaluating LADD (or ADD) and Risk (or HQ) among local residents for the emission of BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene) and by closely examining the difference in the confidence interval of the assessment outcomes according to the difference in the probability density function of input variables. Methods: The assessment was made by dividing it according to the method ($I^{\dagger}$) of inputting the probability density function in meteorological variables of the model with log-normal distribution and the method of inputting ($II^{\ddagger}$) after grasping the optimal probability density function using @Risk. A T-test was carried out in order to analyze the difference in confidence interval of the two assessment results. Results: It was evaluated to be 1.46E-03 mg/kg-d in LADD of Benzene, 1.96E-04 mg/kg-d in ADD of Toluene, 8.15E-05 mg/kg-d in ADD of Ethylbenzene, and 2.30E-04 mg/kg-d in ADD of Xylene. As for the predicted confidence interval in LADD and ADD, there was a significant difference between the $I^{\dagger}$ and $II^{\ddagger}$ methods in $LADD_{Inhalation}$ for Benzene, and in $ADD_{Inhalation}$ and ADD for Toluene and Xylene. It appeared to be 3.58E-05 for risk in Benzene, 3.78E-03 for HQ in Toluene, 1.48E-03 for HQ in Ethylbenzene, and 3.77E-03 for HQ in Xylene. As a result of the HQ in Toluene and Xylene, the difference in confidence interval between the $I^{\dagger}$ and $II^{\ddagger}$ methods was shown to be significant. Conclusions: The human risk assessment for BTEX was made by dividing it into the method ($I^{\dagger}$) of inputting the probability density function of meteorological variables for the CalTOX model with log-normal distribution, and the method of inputting ($II^{\ddagger}$) after grasping the optimal probability density function using @Risk. As a result, it was identified that Risk (or HQ) is the same, but that there is a significant difference in the confidence interval of Risk (or HQ) between the $I^{\dagger}$ and $II^{\ddagger}$ methods.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. PDF of having estimated the surveyed meteorological data in district A according to the goodness-of-fit test of @Risk AIC
표 Table 2. Assessment of BTEX LADD§ (or ADD||) in local residents of district A using CalTOX model (mg/kg-d)
그림 Fig. 1. Histogram of BTEX exposure
표 Table 3. Monte-Carlo simulation result of the evaluation outcome on human exposure to BTEX in residents of A region that was predicted by CalTOX model (mg/kg-d)
표 Table 4. Assessment on Risk^§ (or HQ^||) of BTEX in local residents of district A predicted by CalTOX model
그림 Fig. 2. Monte-Carlo simulation of BTEX risk (HQ)
표 Table 5. Influence of LADD^§ (or ADD^||) in BTEX upon Risk^¶ (HQ**) in local residents of district A predicted by CalTOX model

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 CalTOX모델의 입력변수 중 기상변수에 대하여 선행연구에 의해 답습된 PDF를 입력하는 방법과, 실측된 기상변수의 PDF 적합성을 검증한 후 이를 입력하는 방법으로 구분하여 BTEX 배출 지역 주민의 인체노출량 및 인체위해성을 평가하고, 기상변수들의 PDF에 따른 신뢰구간의 차이를 수치화하였다. 또한 연구 대상 지역에서 BTEX의 노출경로(호흡, 섭취, 피부접촉)가 인체위해성에 미치는 영향을 분석하여 BTEX 노출경로에 따른 인체위해성 관리에도 기여하고자 하였다.
본 연구는 CalTOX 모델을 이용하여 발암 물질인 벤젠과 비발암 물질인 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌에 대한 인체노출량 평가와 인체위해성 평가를 수행하였다. 노출평가에서 벤젠은 평생동안 노출되지 않더라도 발암작용은 지속될 수 있으므로 평생일일평균 노출량(Lifetime Average Daily Dose, LADD)으로 평가하고, 발암작용이 없는 비발암물질인 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌은 노출이 일어나는 시간을 고려하여 평균일일노출량(Average Daily Dose, ADD)로 평가하였다.

제안 방법

CalTOX 모델을 이용하여 BTEX의 인체노출량을 예측하고, 인체위해성을 평가하기 위하여 입력변수의 PDF를 Log-normal 형태로 하였을 경우(I^†)와 @Risk로 파악된 기상변수의 최적 PDF를 적용하였을 경우(II^‡) 두 가지 방법으로 구분하였고, 평가 결과에 대한 Monte-Carlo simulation 수행시 샘플링은 라틴하이퍼큐브 샘플링(Latin hypercube sampling)으로 하였다. 두 방법의 신뢰구간 차이를 분석하기 위하여 SPSS 통계패키지(IBM SPSS Statistics 22)를 이용하여 T-test 분석을 하였으며, 호흡, 섭취, 피부접촉의 다경로에서 인체노출량이 인체위해성에 미치는 영향을 분석하고자 다중회귀분석을 수행하였다.
본 연구는 CalTOX 모델을 이용하여 발암 물질인 벤젠과 비발암 물질인 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌에 대한 인체노출량 평가와 인체위해성 평가를 수행하였다. 노출평가에서 벤젠은 평생동안 노출되지 않더라도 발암작용은 지속될 수 있으므로 평생일일평균 노출량(Lifetime Average Daily Dose, LADD)으로 평가하고, 발암작용이 없는 비발암물질인 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌은 노출이 일어나는 시간을 고려하여 평균일일노출량(Average Daily Dose, ADD)로 평가하였다. 위해성평가는 벤젠에 대해서는 초과발암위해도(Risk)를 산출하였고, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌에 대해서는 유해지수(HQ)를 산출하였다.
본 연구는 CalTOX모델의 입력변수 중 기상변수에 대하여 선행연구에 의해 답습된 PDF를 입력하는 방법과, 실측된 기상변수의 PDF 적합성을 검증한 후 이를 입력하는 방법으로 구분하여 BTEX 배출 지역 주민의 인체노출량 및 인체위해성을 평가하고, 기상변수들의 PDF에 따른 신뢰구간의 차이를 수치화하였다. 또한 연구 대상 지역에서 BTEX의 노출경로(호흡, 섭취, 피부접촉)가 인체위해성에 미치는 영향을 분석하여 BTEX 노출경로에 따른 인체위해성 관리에도 기여하고자 하였다.

대상 데이터

BTEX가 배출되는 A지역 산업단지에서 ‘국가 대기오염물질 배출량 산정방법 편람(III)’²⁵⁾을 기준으로 대분류는 제조업 연소, 중분류는 기타, 소분류는 화합물 및 화학제품 제조업과 코크스, 석유정제품 및 핵연료 제조업인 사업장에서 대기로 배출되는 BTEX 의 배출량을 수집하였다. 배출량 자료는 환경부 화학물질안전원의 화학물질 배출·이동량 정보(Pollutant Release and Transfer Registers, PRTR)²⁶⁾에서 2016년 업체별 검색을 이용하였다.
을 기준으로 대분류는 제조업 연소, 중분류는 기타, 소분류는 화합물 및 화학제품 제조업과 코크스, 석유정제품 및 핵연료 제조업인 사업장에서 대기로 배출되는 BTEX 의 배출량을 수집하였다. 배출량 자료는 환경부 화학물질안전원의 화학물질 배출·이동량 정보(Pollutant Release and Transfer Registers, PRTR)²⁶⁾에서 2016년 업체별 검색을 이용하였다.
에서 제시한 값을 사용하였다. 인체노출 특성은 국내 연구 자료^28,29)와 한국 노출계수핸드북³⁰⁾을 사용하였고, 지역 특성에서 기상자료는 기상청³¹⁾에서 수집하였다. 인체노출 특성과 지역 특성의 국내 자료가 없을 경우에도 DTSC에서 제시한 값을 사용하였다.

데이터처리

) 두 가지 방법으로 구분하였고, 평가 결과에 대한 Monte-Carlo simulation 수행시 샘플링은 라틴하이퍼큐브 샘플링(Latin hypercube sampling)으로 하였다. 두 방법의 신뢰구간 차이를 분석하기 위하여 SPSS 통계패키지(IBM SPSS Statistics 22)를 이용하여 T-test 분석을 하였으며, 호흡, 섭취, 피부접촉의 다경로에서 인체노출량이 인체위해성에 미치는 영향을 분석하고자 다중회귀분석을 수행하였다.

이론/모형

CalTOX모델 기상변수(연평균 강수량, 연평균 기온, 연평균 풍속, 증발)의 실측된 자료의 최적 PDF를 파악하기 위하여 @Risk 7.6 (Palisade) tool의 FIT 기능을 이용하였고, 적합도 검정기법은 AIC(Alike Information Criterion)로 하였다. 이 과정에서 연평균 강수량, 연평균 기온, 연평균 풍속은 수집된 자료를 그대로 이용하는 것이 가능하나, 증발은 SARA timeseries utility(Aqua terra) tool³²⁾을 이용하여, 일별증발을 Computation의 Penman Pan Evaporation으로 산정한 후, 시간별 증발을 Disaggregations의 Evapotranspiration로 추정한 결과에 @Risk의 FIT기능을 적용하였다.
모델의 입력 자료 중 물리·화학적 특성은 DTSC (Department of Toxic Substances Control California Environmental Protection Agency, 1993)²⁷⁾에서 제시한 값을 사용하였다. 인체노출 특성은 국내 연구 자료^28,29)와 한국 노출계수핸드북³⁰⁾을 사용하였고, 지역 특성에서 기상자료는 기상청³¹⁾에서 수집하였다.
6 (Palisade) tool의 FIT 기능을 이용하였고, 적합도 검정기법은 AIC(Alike Information Criterion)로 하였다. 이 과정에서 연평균 강수량, 연평균 기온, 연평균 풍속은 수집된 자료를 그대로 이용하는 것이 가능하나, 증발은 SARA timeseries utility(Aqua terra) tool³²⁾을 이용하여, 일별증발을 Computation의 Penman Pan Evaporation으로 산정한 후, 시간별 증발을 Disaggregations의 Evapotranspiration로 추정한 결과에 @Risk의 FIT기능을 적용하였다. Pan 증발계는 전 세계적으로 호수, 저수지, 강 그리고 습지 등과 같은 수표면의 증발량을 산정하기 위한 방법이다.

성능/효과

그러나 I^†, II^‡ 방법의 평가 결과는 신뢰구간에 차이가 존재하는 것을 확인하였다. BTEX 인체노출량 신뢰구간은 벤젠이 LADD_inhalation에서 (p<0.01), 톨루엔이 ADD_inhalation (p<0.001)과 ADD (p<0.01), 자일렌이 ADD_inhalation (p<0.001)과 ADD (p<0.05)에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며, 인체위해성 평가 결과의 신뢰구간 차이는 톨루엔(p<0.01)과 자일렌(p<0.05)이 유의한 것으로 나타났다.
본 연구에서 A지역 기상변수의 최적 PDF를 파악한 결과는 연평균 강수량이 Expon 형태, 연평균 기온이 Kumaraswamy 형태, 연평균 풍속이 Weibull 형태, 증발은 Expon 형태로 나타났다. CalTOX모델 의 기상입력변수를 Log-normal 형태로 하는 방법(I^†)과, 기상변수의 최적 PDF를 파악한 후 이를 적용(II^‡)하는 방법으로 구분하여 BTEX에 대한 A지역 주민들의 인체노출량과 인체위해성을 평가한 결과, 인체노출량은 벤젠의 LADD가 1.46E-03 mg/kg-d, 톨루엔의 ADD가 1.96E-04 mg/kg-d, 에틸벤젠의 ADD가 8.15E-05 mg/kg-d, 자일렌의 ADD가 2.30E-04mg/kg-d로 I†, II‡ 방법에서 동일하게 나타났고, 인체 위해성을 평가한 결과도 벤젠의 Risk가 3.58E-05, 톨루엔의 HQ가 3.78E-03, 에틸벤젠의 HQ가 1.48E-03, 자일렌의 HQ가 3.77E-03으로 동일하게 나타났다. 그러나 I^†, II^‡ 방법의 평가 결과는 신뢰구간에 차이가 존재하는 것을 확인하였다.
⁶⁾ 따라서 노출경로가 주로 호흡으로 분석된 환경부^,38) 장 등⁴²⁾의 연구가 보고되었다. 그러나 A지역에서 BTEX의 경로별 노출량이 인체위해성이 미치는 영향을 회귀분석한 결과는, 호흡 노출경로뿐만 아니라 섭취, 피부접촉 노출경로에서도 인체위해성에 영향을 주는 것으로 나타났다(Table 5). 따라서 산업단지인 A지역의 특성이 반영된 좀 더 정확한 인체노출량 및 인체위해성 평가가 이루어져야 하며, 노출경로에 따른 적절한 인체위해성관리 정책이 수반되어야 할 것이다.
본 연구는 이를 CalTOX 모델의 입력변수로 이용하여 인체노출량 및 인체위해성을 평가하였고, PDF를 Log-normal 형태로 평가를 한 것과 비교하여 신뢰구간의 차이가 있음을 수치적으로 확인하였다. 벤젠은 LADD_inhalation에서, 톨루엔과 자일렌은 ADD_inhalation과 ADD에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며, 톨루엔과 자일렌의 인체위해성 평가도 신뢰구간의 차이를 보였다. 이러한 결과는 신뢰성 있는 인체노출량 및 인체위해성 평가 결과 산출 시 기초자료로 의미가 있다고 생각한다.
^11,33,36) 그러나 본 연구에서 A지역 기상변수 실측 자료의 PDF를 @Risk tool로 파악한 결과, 2016년 현재 연평균 강수량은 Expon 형태, 연평균 기온은 Kumaraswamy 형태, 연평균 풍속은 Weibull 형태, 증발은 Expon 형태가 최적인 것으로 나타났다. 본 연구는 이를 CalTOX 모델의 입력변수로 이용하여 인체노출량 및 인체위해성을 평가하였고, PDF를 Log-normal 형태로 평가를 한 것과 비교하여 신뢰구간의 차이가 있음을 수치적으로 확인하였다. 벤젠은 LADD_inhalation에서, 톨루엔과 자일렌은 ADD_inhalation과 ADD에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며, 톨루엔과 자일렌의 인체위해성 평가도 신뢰구간의 차이를 보였다.
본 연구에서 A지역 기상변수의 최적 PDF를 파악한 결과는 연평균 강수량이 Expon 형태, 연평균 기온이 Kumaraswamy 형태, 연평균 풍속이 Weibull 형태, 증발은 Expon 형태로 나타났다. CalTOX모델 의 기상입력변수를 Log-normal 형태로 하는 방법(I^†)과, 기상변수의 최적 PDF를 파악한 후 이를 적용(II^‡)하는 방법으로 구분하여 BTEX에 대한 A지역 주민들의 인체노출량과 인체위해성을 평가한 결과, 인체노출량은 벤젠의 LADD가 1.
본 연구에서 실측된 기상자료의 최적 PDF를 파악한 후 기상변수로 입력하여 벤젠의 인체위해성을 평가한 결과는 3.58E-05(95% CI; 2.87E-05~6.32E-05)로 거의 모든 지역 주민이 무시할 수 없는 수준의 건강 악영향을 입을 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 환경부,³⁸⁾ 박 등³⁹⁾의 연구 결과와 유사하다.

후속연구

대기에서 실측된 농도에는 타 지역에서 유입, PRTR에서 배출량 산정에 포함되지 않은 4,5종 사업장에서의 배출, 그 외에도 선오염원과 면오염원 등에서 배출된 BTEX가 포함되어 있을 것이고, 본 연구는 CalTOX 모델링 수행 시 초기 대기 농도를 ‘0’으로 하였으며, CalTOX모델은 BTEX가 배출원에서 대기 중으로 배출된 후에 이류에 의한 대상지역 바깥으로 이동, 대기 중에서 변형, 각 매체로 전환되면서 분해·변형되는 과정을 산정하는 모델이기 때문이었다. 따라서 본 연구와 같이 모델을 이용할 경우 더 정확한 결론을 얻기 위해서는 입력변수의 최적 PDF 선택뿐만 아니라, 모델의 평가결과에 대한 환경(대기, 수질, 토양 등) 실측자료를 활용한 상호 비교 분석, 인체(혈액, 소변 등) 실측을 통한 대사산물 파악 및 노출량 검증, 추가 경로를 통한 노출량 파악 등이 요구되며^,43) 모델의 평가결과에 대한 보정 및 검증을 수행하고 보완하는 과정도 필요하다.
그러나 A지역에서 BTEX의 경로별 노출량이 인체위해성이 미치는 영향을 회귀분석한 결과는, 호흡 노출경로뿐만 아니라 섭취, 피부접촉 노출경로에서도 인체위해성에 영향을 주는 것으로 나타났다(Table 5). 따라서 산업단지인 A지역의 특성이 반영된 좀 더 정확한 인체노출량 및 인체위해성 평가가 이루어져야 하며, 노출경로에 따른 적절한 인체위해성관리 정책이 수반되어야 할 것이다.
본 연구는 모델의 입력변수 중 국내의 자료가 이용하기에 적절하지 않거나 전무한 경우 DTSC에서 제시한 값을 사용하였고, 기상변수 이외의 입력변수들에 대하여는 PDF를 조작적으로 정의하였음으로 연구의 한계가 존재한다. 그러나 본 연구는 실측된 기상변수의 PDF를 파악한 후, CalTOX모델을 이용하여 BTEX의 인체노출량 및 인체위해성을 평가하여 모델을 이용한 평가 결과의 신뢰성을 확보하고자 하였고, A지역에서 호흡, 섭취, 피부접촉으로 인한 인체노출이 인체위해성에 미치는 영향을 수치적으로 확인한 것에 의미가 있다.
그러나 본 연구는 실측된 기상변수의 PDF를 파악한 후, CalTOX모델을 이용하여 BTEX의 인체노출량 및 인체위해성을 평가하여 모델을 이용한 평가 결과의 신뢰성을 확보하고자 하였고, A지역에서 호흡, 섭취, 피부접촉으로 인한 인체노출이 인체위해성에 미치는 영향을 수치적으로 확인한 것에 의미가 있다. 앞으로 인체 유해화학물질에 대한 모델을 이용한 인체노출량 및 인체위해성평가 결과의 신뢰성을 확보하는 연구들이 지속적으로 이어지기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확률밀도함수에서 입력변수의 PDF 불일치에서 오는 불확실성을 간과할 때의 문제점은 무엇인가?	그러나 그 과정에서 입력변수의 확률밀도함수(Probability Density Function, PDF) 결정은 선행연구를 답습하거나, 모델의 기본 설정에 의존하고, 추정결과에만 집중하여 입력변수의 PDF 불일치에서 오는 불확실성을 간과하는 경향이 있었다. 이로인하여 추정결과의 일관성이나 과소·과대 결과 산출의 잠재적인 문제점들이 지적되어 왔다. 한편 위해평가자들을 위한 표준 가이드라인 또는 국가단위로 통용되는 입력변수의 PDF에 대한 표준화된 지침도 전무하여 비정상적인 활용사례가 도출되기도 하였다.
	다매체·다경로 인체위해성 평가는 무엇인가?	이 문제를 풀어나가기 위해서는 과학적이고 합리적인 방법론이 제시되어야 하는데, 이를 위한 가장 구체적인 방법은 다매체·다경로를 통한 인체위해성 평가라 할 수 있다.11) 다매체·다경로 인체위해성 평가는 어떤 유해화학물질에 노출되어 나타날 수 있는 인간의 건강 피해 정도를 가능성 또는 확률로 추정하는 과학적인 과정12) 으로 현실성 있는 배출원 및 오염원 관리에 대한 효과적인 자료를 제시해 줄 수 있는 장점이 있으며, 사전 예방적 정책 수단으로 유용하게 활용될 수 있으므로 그 기법이 매우 중요하다.13)
	다매체·다경로 인체위해성 평가의 장점은 무엇인가?	이 문제를 풀어나가기 위해서는 과학적이고 합리적인 방법론이 제시되어야 하는데, 이를 위한 가장 구체적인 방법은 다매체·다경로를 통한 인체위해성 평가라 할 수 있다.11) 다매체·다경로 인체위해성 평가는 어떤 유해화학물질에 노출되어 나타날 수 있는 인간의 건강 피해 정도를 가능성 또는 확률로 추정하는 과학적인 과정12) 으로 현실성 있는 배출원 및 오염원 관리에 대한 효과적인 자료를 제시해 줄 수 있는 장점이 있으며, 사전 예방적 정책 수단으로 유용하게 활용될 수 있으므로 그 기법이 매우 중요하다.13)

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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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