문제정의

우리 몸의 호르몬이 자연을 아프게 할 수도 있다? by 세명대 환경화학실험실
환경 안전 도시

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사람이라면 당연하게 분비되는 각종 호르몬들. 이 호르몬들 중에는 몸을 혼란스럽게 하는 '내분비계 교란물질'도 있습니다. 이 물질은 사람을 포함한  동물로부터 자연적으로 생성되고 분뇨를 통해 체외로 배출되는데요. 이 물질들이 배수로 등으로 퍼지게 되면 다른 생명체들을 해하거나, 생태계를 교란시킬 위험이 있게 됩니다. 자연적으로 생성되는 물질들이기 때문에 제거나 조절도 어려움이 있다고 하는데요. 청년허브의 세명대학교 환경화학실험실팀은 내분비계 교란물질로 인한 생태계 교란 문제에 대해 정의했습니다.

Why

Background & Emotional
1. 왜 이 문제에 관심을 가지게 되었나요?

내분비계 교란물질(전 지구적 이슈)


내분비계 교란물질(endocrine disrupting chemicals, EDCs)은 극소량으로도 사람과 생물의 호르몬계 및 신체기능에 영향을 미쳐, 항상성 유지, 생식, 발생 및 행동 등에 이상을 초래합니다(WHO, 2012). 정자의 질 이상 및 기형, 조산, 저 체중아 출산, 유방암 등 각종 내분비선 암, 비만 및 2형 당뇨병의 증가 추세와 EDCs와의 상관관계가 밝혀지고 있으며, 야생동물의 경우 성교란(intersex)에 의한 군집의 변화 또한 관찰되고 있습니다(WHO, 2012). Meeker and Stapleton(2010)은 집 먼지에 포함되어 있는 유기인계 난연 물질의 일종인 tris(1,3-dichloro-2-propyl) phosphate(TDCPP)와 triphenyl phosphate(TPP)가 혈중 활성 남성호르몬 농도와 정자 농도의 감소에 영향을 미쳤다고 보고한 바 있습니다. Hayes et al. (2010)은 제초제의 일종인 Atrazine에 노출시킨 수컷 개구리(Xenopus laevis)가 다른 수컷 개구리와 교미하여 알을 낳을 수 있음을 확인한 바 있습니다. 이러한 현상이 야기하는 군집 성비 변화는 결국 군집 생산력에 영향을 미치게 됩니다. 비스페놀 A, 프탈레이트류, 잔류성 유기오염물질(e.g., 다이옥신, PCBs) 및 유기염소계 농약 등 다양한 물질들이 내분비계 교란을 일으키는 것으로 밝혀졌습니다(WHO, 2012). 따라서 이들 EDCs의 생성량, 배출량 및 환경 매질에서의 거동을 예측하여 그 잠재적 영향을 정량화하는 연구가 필수적입니다.

 


대도시에서의 인체 기원 내생 호르몬 연구의 필요성


내생 호르몬(endogenous hormone)은 인위적인 오염물질(anthropogenic pollutants)과는 다르게 동물로부터 자연스럽게 생성되고 배출되는 물질이기 때문에, 배출량 관리에 어려움이 따릅니다. 환경 중 독성이 있다고 할지라도 발생량을 줄이는 것이 사실상 불가능하고, 극미량으로도 생태독성(교란)을 나타낼 수 있기 때문입니다. 약 1000만 명의 인구가 거주하는 서울의 배출수계인 한강에 유입되는 인체 기원 내생 호르몬의 정량화 및 생태 위해성에 대한 연구가 필요하다고 판단한 이유입니다.

2. 왜 해결되어야 하는 문제일까요?

유럽 연구사례를 기반으로 한 국내 대도시 배출수계 연구의 필요성


Luo et al.(2014)은 현재의 하수처리공정이 내생 호르몬을 포함한 미량오염물질(micropollutants)을 제거하기 위해 설계된 공정이 아니기 때문에, 하수처리공정 유입(influent) 및 유출수(effluent) 중의 미량오염물질 농도의 추적에 대해 강조한 바 있습니다. 이러한 배경에서, 최근 유럽연합은 내생 에스트로겐 중 활성이 높은 17 beta-estradiol(E2) 와 합성 에스트로겐인 17 alpha-ethinylestradiol(EE2), 그리고 소염제의 일종인 diclofenac에 대한 수질기준을 각각 0.4, 0.035 및 100 ng/L로 제안하였습니다(Johnson et al., 2013). 

 

한편, Johnson and Williams (2004)는 인체로부터 배출되는 Estrone(E1), E2 및 EE2의 양을 추정하여, 하수처리시설로 유입되는 양과 유출되는 양을 예측한 바 있습니다. 이러한 결과를 바탕으로 Johnson et al. (2013)은 E2, EE2 및 diclofenac의 유럽수계 중 농도를 예측하여, 유럽연합이 제안한 수질기준과 비교하였습니다. 그 결과, E2의 경우 총 하천 연장 1%에서 기준을 초과하였고, EE2의 경우 12%, diclofenac의 경우 2%에서 초과하였습니다. 제안된 수질기준이 PNEC(predicted no effective concentration)와 SSD(species sensitivity distribution)를 바탕으로 산출된 상대적으로 엄격한 수준의 기준임을 고려할 때, 총 연장 1%에서 수질기준을 초과하는 결과가 나온 E2의 경우에도 안전한 수준으로 단정 지을 수는 없다고 판단됩니다. 특히, 유럽의 도시에 비해 인구밀도가 현저히 높은 서울의 경우, 인체 기원 내생 에스트로겐의 배출수계(한강) 중 농도에 대한 정량화 및 생태 위해성 평가 연구가 필수적이라 하겠습니다.

Who & What

Fact & Data
1. 이 문제로 인해 어려움을 겪는 대상은 누구이고 어떤 어려움을 겪고 있나요?

내생 에스트로겐이 야기하는 하천 생태 군집 성교란


내생 에스트로겐(endogenous estrogens)은 인간을 포함하는 동물로부터 자연적으로 생성되고 분뇨를 통해 체외로 배출됩니다. Estrone(E1), 17 beta-estradiol(E2) 및 estriol(E3)은 가장 일반적으로 검출되는 내생 에스트로겐입니다. 특히, E1과 E2는 높은 에스트로겐 활성(estrogenic activity)을 갖기 때문에, 수 ng/L 수준의 낮은 농도에서도 수 생태계에 심각한 영향을 끼칠 수 있는 것으로 알려져 있습니다(Johnson et al., 2013). 인체 및 축산 분뇨로부터 하수처리시설(sewage treatment plant, STP) 및 축산폐수처리시설을 경유하여 환경 매질로 배출되는 내생 에스트로겐은 다양한 생물종에 성교란을 일으키고, 수컷 어류의 체내 난황 물질(vitellogenin, VTG) 농도를 증가시키는 것으로 보고된 바 있습니다(WHO, 2012).

2. 이 문제의 원인은 무엇인가요?

문제정의의 범위


서울은 인구 1000만 내외의 대도시로, 발생하는 생활하수 및 분뇨 처리수는 한강으로 배출됩니다. 그럼에도 불구하고, 한강수계와 하수처리시설 유출수 중의 E1 및 E2 농도의 측정/추정에 관한 연구는 전무한 실정입니다. 서울의 배출수계인 한강 중의 E1과 E2의 농도를 예측하기 위해, 서울에 거주하는 인구로부터 하루에 배출되는 E1과 E2의 양을 분뇨 이송 과정을 감안하여 산정하였고, 하수처리시설의 평균적인 제거효율을 이용하여 유출수 중의 E1과 E2의 농도를 추정하였습니다. 최종적으로 2차원 하천 수치해석 모델을 적용하여 E1 및 E2를 함유하는 유출수가 한강에 유입될 경우, 어떠한 농도 분포를 보일지 평가하였습니다. 내생 에스트로겐이지만 E1과 E2에 비해 상대적으로 활성이 낮은 E3는 본 연구의 범위에서 제외하였습니다(Johnson and Williams, 2004).



서울의 분뇨처리 계통


사람은 분(feces)과 뇨(urine)를 통해 에스트로겐을 체외로 배출합니다. 서울은 하수도 보급률 100%의 도시이므로, 서울에서 발생하는 모든 ‘분뇨’에 포함된 에스트로겐은 하수처리시설로 결집될 것이라 가정하였습니다. 정화조(septic tank) 유출수에 포함된 ‘뇨’는 하수처리시설로 유입되어 처리되고, 정화조에서 분뇨처리시설로 옮겨진 ‘분’도 적절한 처리공정을 거친 후 상등액이 하수처리시설로 연계 처리되기 때문에, ‘분’에 포함된 에스트로겐 또한 하수처리시설로 유입될 것이라 가정하였습니다.

 

 

[그림 ] 가정하수 및 분뇨처리과정

 

 

서울의 인구분포


서울시 각 행정구역의 2010년 인구와 연령분포 및 2011년 신생아 수 통계를 활용하여(국가통계포털, 2019), 2010년을 기준으로 한 행정구역 내 남성의 비율, 초경 전 여성의 비율, 가임기 여성의 비율, 폐경 후 여성의 비율, 호르몬 치료 중인 여성의 비율 및 임신 중 여성의 비율을 산정하였습니다. 한국 여성의 평균 초경 나이는 15.0 ± 2.1세이고 평균 폐경 나이는 49.4 ± 5.1세이기 때문에(질병관리본부, 2008), 여성인구의 연령을 0-14세, 15-49세 및 50세 이상으로 세분화하였습니다. 한편, 국내의 50세 이상의 폐경 여성 170명을 대상으로 한 설문조사에 따르면, 21.8%의 여성이 호르몬 치료를 받은 경험이 있다고 응답하였습니다(이 외, 2013). 따라서 본 연구에서는 폐경 여성의 인구 중 21.8%의 비율을 행정구역에 상관없이 일괄적으로 적용하여, 호르몬 치료를 받고 있는 여성인구를 추정하였습니다. 영국의 2001년 조사 결과에 따르면, 22%의 폐경 후 여성이 호르몬 치료를 받고 있다고 응답하여, 본 연구에서 적용한 비율과 유사한 값을 보인 바 있습니다(Johnson and Williams, 2004).

 

 

[표 1] 서울의 성별 및 연령분포에 따른 인구비율(2010년 자료 기준)

 

 

내생 에스트로겐 인체 배출량


Johnson and Williams(2004)는 인체로부터 배출되는 E1과 E2의 양을 추정하기 위해, 문헌조사를 통해 다양한 인구집단의 배출량 수치들을 수집하여 평균 배출량을 산정한 바 있습니다. 본 연구에서는 그 결과를 인용하여 배출량 원단위로 활용하였습니다.

 

[표 2] 성별/연령별/인구 특성별 E1 및 E2 평균 배출량(Johnson and Williams, 2004)

 

 

하수처리시설 유입수/유출수 중 내생 에스트로겐 농도 계산


전술한 자료를 바탕으로 식 (1)을 이용하여, 서울시 4개 하수처리시설 유입수 중의 E1 및 E2의 농도를 산정하였습니다.

 

 

식 (1)

 

여기서, C는 E1 및 E2의 농도[ng/L], P는 인구집단 별 사람 수[인], E는 인구집단 별 E1 및 E2 배출량[μg/day/인], Q는 하수처리시설 유입유량[m3/day]입니다.


한편, Luo et al.(2014)의 연구에 따르면 활성슬러지 공정(activated sludge process) 및 고도처리공정(biological nutrient removal)의 평균적인 E1 및 E2의 제거효율은 각각 74.8~90.6% 및 92.6~100%로 나타난 바 있습니다. 본 연구에서는 본 제거율을 바탕으로 유입하수 내 포함된 E1과 E2가 제거되었다고 보고, 유출수 내 E1 및 E2의 농도를 산정하였습니다. 또한 각 자료들의 불확실성을 반영하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 수행하여 10,000번 반복 계산을 수행하였고, 그 결과를 표 3에 나타내었습니다.

 

 

[표 3] 서울시 4개 하수처리시설 유입수/유출수 내 E1 및 E2 농도

 

 

한강(배출수계) 내 내생 에스트로겐 농도 분포


하수처리시설 유출수에 포함된 E1과 E2가 한강 본류에 유입될 경우 어떠한 농도 분포를 보일지 평가하기 위해, 2차원 수치해석 모델을 구동하였습니다. River Analysis and Modeling System (RAMS 1.0)를 이용하였으며, 유체 운동을 모의하기 위해 hydrodynamic model(HDM-2D)을 적용하고, 비보존성 오염물질의 이송 및 확산을 모의하기 위해 contaminant transport model(CTM-2D)을 적용하였습니다. 국가수자원관리종합정보시스템(WAMIS)에서 획득한 각 측점의 계절별 유량 및 수위 자료와 하수처리시설에서 한강수계로 배출되는 유출수의 유량 및 E1과 E2의 농도를 경계조건으로 입력하였습니다. 각 하수처리시설에 유입되는 유입유량이 그대로 유출된다는 가정 하에, 표 3의 유출수 중 E1 및 E2의 농도가 한강 본류에 배출되는 상황을 2차원 하천 모델링을 이용하여 모의하였습니다. 한강으로 중랑천이 합류되기 직전의 영동대교 관측점의 유량 정보를 한강 본류의 모의 경계조건으로 이용하였습니다. 한강 본류의 유량이 가장 작은 2010년 12월 28일의 유량(245 m3/s)을 본류 경계조건으로 활용하였고, 상류로부터 유입되는 E1과 E2는 없다고 가정하였습니다.

 

 

[그림 2] 2차원 수치해석 모델 구동 결과(한강 중 E1 및 E2의 농도 분포를 위해도 몫(hazard quotient; HQ)으로 표현한 결과). 

HQ는 각 E1과 E2 농도를 각각 18 ng/L(E1의 예측 무영향 농도)와 0.4 ng/L(유럽연합이 제시한 E2 기준치)로 나눈 값을 의미하며, 1을 넘을 때 위해하다고 봄. 

(a) 평균 시나리오: 한강 본류 최소유량(245 m3/s) 및 하수처리시설 유출수 내 E1 및 E2의 평균 농도(표 3). 

(b) 최악 시나리오: 한강 본류 최소유량(245 m3/s) 및 하수처리시설 유출수 내 E1 및 E2의 최고농도(표 3).

 

평균 시나리오를 사용하든 최악 시나리오를 사용하든 하수처리시설 유출구 주변에서 1을 초과하는 위해도 몫(그림 3에서 빨간색으로 표시된 부분)이 산정되어 주변 수생태계 내분비계 교란 가능성이 확인되었습니다. 다만 한강 본류 유량이 풍부할 경우 희석효과가 크게 발생하여 본 문제정의의 예측 결과보다는 위해도 몫이 작게 산정될 수 있습니다.

3. 이 문제를 해결하기 위한 기존 사례는 무엇이 있고, 그 성과와 한계는 무엇인가요?

하수처리공정에 따른 에스트로겐 제거기작 연구 및 공정 개선의 필요성


Joss et al.(2004)는 하수처리 공정 중 활성슬러지공정에서 E1 및 E2가 제거되는 기작에 대한 연구를 수행한 바 있습니다. 10-30일의 슬러지 일령(sludge age)을 적용하였을 때, 슬러지에 흡착되어 제거되는 E1 및 E2는 각각 5% 미만이었고, 미생물에 의한 분해로 제거되는 비율은 E1이 35-97%, E2가 85-99%이었습니다. 높은 logKow 값으로 인해 흡착 제거되는 비율이 클 것이라는 예상과는 다른 실험 결과입니다. 또한 고도처리공정으로서 질산화공정의 추가 도입 여부에 따라 E1 및 E2의 분해율에 상당한 차이가 있었습니다. 

 

일례로 Sphingomonas, Aminobacter 및 Rhodococcus와 같은 다양한 종류의 박테리아는 에스트로겐의 분해에 관여하게 되는데, 이들은 질산화 공정에서 생성된 활성슬러지에서 동정하여 분리할 수 있는 박테리아입니다. 또한 오존 등을 이용한 소독공정에서는 소독 부산물이 생성될 수 있습니다. 오존의 투입에 따라 산화가 진행되어 벤젠고리가 해체되는 과정을 거칠 수 있는데, 이들 소독 부산물의 생태독성 및 내분비계 교란 잠재력 등의 평가 또한 필요합니다. 이과 같이, 에스트로겐의 하수처리공정 내 제거/분해/변환 기작에 대한 연구가 면밀히 수행되어, 유역 특성을 고려한 하수처리공정 구축이 필요합니다. 다만, 하수처리공법이 에스트로겐이라는 오염물질에 한정적으로 도입될 수는 없으므로 기존 공정의 변형보다는 추가 공정 도입이 필요할 것으로 판단되나, 이에 대한 비용 부담의 문제가 존재합니다.

4. 전 과정을 통해 정의한 진짜 문제는 무엇인가요?

중앙 집중형 하수처리 시스템의 분산가 필요합니다. (정의한 문제)

대도시의 집중된 인구로부터 자연스럽게 배출되는 

내생 호르몬이 배출수계의 생태계 군집에 야기하는 성교란 문제를 해결하기 위해서는 (해결될 이슈)

 ‘집중된 인구의 분산화’ 또는 ‘집중된 인구로부터 배출되는 분뇨의 분산처리 시스템 구축’이 선행되어야 합니다. (최종 목표)

How

Idea & Impact
1. 정의한 문제를 해결하기 위한 핵심 목표는 무엇이 되어야 할까요?

집중형 하수처리 시스템의 분산화(decentralization)


도시에 집중된 인구로부터 배출되어 하수처리시설에 모여드는 인체 분뇨 기원 에스트로겐의 배출량(하수처리시설 유입량)을 저감 시키기 위해서는 현재의 중앙 집중형 하수처리 시스템이 아닌, 분산형 하수처리 시스템이 도입되어야 합니다. 예를 들어, 소규모 커뮤니티에서 발생한 분뇨를 대형 하수처리시설로 이송시키는 것이 아니라, 해당 커뮤니티에서 자체적으로 수거, 처리 또는 재이용하는 것을 의미합니다. 현재 하수처리 시스템에서는 생활하수와 분뇨를 병합하여 처리하고 있으나, 분산형 시스템에서는 분뇨를 분리 배출하여 질소비료 등으로 커뮤니티 내에서 재이용하여, 분뇨 배출량을 최소화하는 것을 의미합니다. 이와 같은 분산형 시스템 또는 분뇨 분리배출 시스템을 도입하기 위해서는, 일부 생활의 불편함을 감수해야 하기 때문에(현재까지는 각 가정에서 분뇨 수거 및 퇴비화(톱밥 등과 섞어서)하고, 비료 수요처로 운반해야 하기 때문), 사회 구성원들의 공감과 합의가 필요합니다.

2. 문제정의 과정에서 문제를 파악하기 위해 어떤 활동들을 하였나요?

문제정의를 위해 통계자료를 수집하고 데이터 분석을 진행했습니다. 서울의 인구 특성과 내생 호르몬 배출량 자료를 결합시켜, 서울 특이적인 내생 에스트로겐 배출량 자료를 생산했고, 이를 문헌자료와 비교하여 생태 위해도를 판단하였습니다.

3. 문제정의 과정을 진행하면서, 진행 이후에 느낀 점을 간단하게 적어주세요

문제정의 과정을 거치면서, 단순히 높은 인구밀도로부터 유발되는 내생 호르몬 문제에 초점을 맞추고 있었던 기존의 문제 인식에서 더 나아가 집중화된 하수처리 시스템의 분산화 필요성에 대한 인식을 갖게 되었습니다. ‘다양한 수처리 공정의 분산화’와 관련된 논의는 예전부터 있어 왔으나, 대도시의 내생 호르몬이 유발하는 배출수계 생태계 성교란의 측면에서 그 필요성을 다시 한번 확인할 수 있게 되었습니다. 다만, 짧은 문제정의 기간으로 인해 심도 있는 논의/고민이 진행되지 못한 부분이 있는 것 같아 아쉬운 마음이 남습니다.

4. 문제에 대한 이해를 높이기위해 추천할 자료가 있다면 적어주세요

팀 소개

세명대 환경화학실험실
세명대학교(충북 제천 소재) 바이오환경공학과 환경화학실험실(지도교수 안진성 및 학부생 연구원 3인)입니다. 서울 출신 학부생 연구원들과 지도교수의 문제인식을 바탕으로 ‘대도시(서울)의 인체 기원 내생호르몬이 배출수계(한강)의 생태계에 미치는 영향’을 규명하고자 합니다.
팀 커리어
유기성자원학회 우수논문발표상 (2019.11.22.) 수상
한국지하수토양환경학회 신진연구자상 (2019.04.09.) 수상
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