환경오염화학

제1부 개론
제1장 개론 / 22

제2부 사례 편
제2장 유기염소화합물 / 64
제3장 다이옥신류 / 96
제4장 브롬계 난연제 / 121
제5장 다환방향족탄화수소 / 140
제6장 석유오염 / 159
제7장 합성세제 / 179
제8장 불소계 계면활성제 / 198
제9장 내분비장애 화학물질 / 214
제10장 플라스틱 오염 / 233
제11장 합성의약품ㆍ항생물질류 / 252
제12장 모닝터링 / 277
제13장 환경오염화학에서 분자마커의 응용 / 299

제1장 개 론

1.1. 증가하는 화학물질과 그 물성을 기반으로 한 환경거동 파악의 중요성
현재 전 세계에 화학물질이 얼마나 존재하고 있는지 아는가? 새롭게 발견되는 화학물질을 데이터베이스에 등록하는 시스템이 있다. 그 중에 주요한 것 하나가 Chemical Abstracts Service(CAS)이며, 여기에는 화학합성에 의해 인공적으로 만들어 지거나 자연계에서 발견되는 화합물이 등록된다[1]. 비율로는 유기합성에 의해서 만들어진 것이 많다.
그림 1.1은 1965년부터 2015년까지 CAS에 등록된 무기화합물과 유기화합물 총수의 변화양상이다. 1965년에는 약 21만종이었던 등록 수는 2014년 10월에는 9,000만종, 2015년 6월 중순에는 1억 종을 넘었다. 이 8개월 반 정도에 약 1,000만종이 증가하여, 평균하면 하루에 약 4만개의 화학물질이 등록되는 것이다. 이것은 약 2초에 한 개가 등록되는 속도이다. 2006년부터 2007년에 걸친 증가 수는 약 300만개로, 약 10초당 한 개의 속도이며, 신규 화학물질이 등록되는 속도는 점점 증가하고 있다. 실제로 CAS의 홈페이지에는 무기ㆍ유기화합물의 등록되는 총수에 관한 계수기(counter)가 표시되어 있으며, 멈추지 않고 계속 돌아가고 있다.
이와 같이 몇 초에 한 개씩 새로운 화학물질이 탄생하는 것은 환경오염 연구자에게는 큰 문제가 된다. CAS에 등록된 모든 화학물질이 환경으로 방출되는 것은 아니지만 나날이 증가하고 있는 모든 화학물질에 대한 분석법을 개발하고, 거동을 파악하는 것은 사실상 불가능하기 때문이다. 화학물질 1개의 분석법을 개발하는 것만으로도 1년 이상 걸리는 경우가 있다.
여기서 요구되는 것이 화학물질의 물리ㆍ화학적 성질을 이용한 분포ㆍ거동의 추정 및 예측이다. 화학물질의 분포ㆍ거동은 그 화학물질의 물리ㆍ화학적인 성질에 크게 의존하고 있다. 예를 들면, 휘발성이 높은 오염물질은 대기로 이동되어 발생원으로부터 멀리 떨어진 곳까지 운반된다. 그리고 물에 녹기 어렵고, 기름에 녹기 쉬운 오염물질은 사람이나 야생동물의 지방에 축적된다. 이와 같이 오염물질의 물리ㆍ화학적 성질과 분포ㆍ거동과의 관련성을 이해하면 오염물질의 분포나 거동을 직접 조사하지 않아도 예측하는 것이 가능하다. 물성과 거동과의 관련성이 이해되면 보다 정량적으로 예측할 수 있다. 물성은 실험실에서도 비교적 쉽게 측정할 수 있으므로 화학물질이 실제로 사용되어 환경으로 방출되기 이전에 그 물질의 분포나 거동을 예측할 수 있다. 게다가 지금은 분자식ㆍ구조식으로부터도 물성을 추정할 수 있기 때문에 공업적으로 생산되기 전에 그 물질의 분포ㆍ거동 및 생태계에 미치는 영향이 예측 가능하게 되었다. 어쨌든 중요한 점은 오염물질의 물리ㆍ화학적 성질과 분포ㆍ거동과의 관련성에 대한 정량적인 이해 또는 물성과 거동과의 관련성에 대한 일반적인 법칙을 찾아내는 것이 중요하다. 일반 법칙의 적용에는 연역적인 방법과 귀납적인 방법이 있지만 이 책에서는 귀납적인 방법을 시도해보겠다. 즉 기존 물질의 분포ㆍ거동을 물리ㆍ화학적인 성질과 관련지어 고찰하고 거기에서 유도되는 일반적인 「법칙」을 찾아내는 것을 목표로 한다.
이 책의 목적은
① 대표적인 인위적 기원 유기화합물의 구조ㆍ성질ㆍ분포ㆍ거동ㆍ영향의 이해
② 인위적 기원 유기화합물의 환경거동을 지배하는 법칙의 이해
③ 목적 ①ㆍ②에서 얻어진 지식을 활용한 거동 연구 방법ㆍ모니터링 방법의 이해이다.
이 책은 제1부에 개론으로서 화학물질의 물리ㆍ화학적 성질과 지금까지 알려진 지식으로부터 확립된 일반적인 법칙에 대해서 살펴보겠다. 그리고 제2부의 대표적인 인위적 기원 유기화합물의 각론에서는 각 화합물이 각각 어떠한 구조ㆍ성질을 가지고 있는지, 어디에 분포하기 쉬운지, 어떻게 움직이는지, 어떠한 영향이 있는지 등의 항목에 대해서 고찰하겠다. 마지막 제3부에서는 예방적 대응으로서의 모니터링 방법에 대해서 소개하겠다.
아마도 제1부 개론을 한번 읽어서는 이 책의 전모가 아직 보이지 않을 것으로 생각되지만 그 개론을 기본으로 하여 제2부의 각론을 읽어 나가면 각각의 사례에 대해 이해가 깊어질 것이며, 책 전체를 통하여 다시 개론이 이해될 것으로 기대한다.

1.2. 오염물질의 정의와 종류
1.2.1. 오염의 정의
이 책은 환경오염에 대해 서술하는 책이기 때문에 먼저 「오염」을 정의하겠다. 한자어 「오염」은 영어로는 「contamination」과 「pollution」의 두 종류의 단어로 나타낸다. Contamination은 본래 존재하지 않던 것이 존재하는 것, 또는 원래는 존재량이 적었던 것이 증가하는 것을 의미한다. 그것에 의해 생물ㆍ생태계로의 영향 여부는 관계가 없다. Pollution은 단순히 자연에 없었던 것이 존재하거나 존재량이 적었던 것이 증가하는 것에 추가로 생물에 유해한 영향이 있는 것을 전제로 한다. 한자로는 모두 오염으로 표기하지만 생물로의 영향 유무가 중요한 포인트이다. 오염의 정의에 대해서는 Kennish(1997)에 상세하게 기술되어 있다[2].

1.2.2. 오염물질과 인위적 기원물질
오염물질도 영어로는 contaminant와 pollutant 두 종류의 단어가 된다. Contaminant를 인위적 기원물질, pollutant를 오염물질이라고 부르면 한자어로서도 구별할 수 있다. 즉 인위적 기원물질 속에 생물 영향이 있는 것이 오염물질이다. 이 책에서 다루는 화학물질은 인위적 기원물질 중의 유기화합물, 즉 「인위적 기원 유기화합물」이다. 인위적 기원 유기화합물은 영어로는 anthropogenic organic compound라고 한다. Anthropogenic은 「인간이 원인」이라는 의미의 단어이며, 간단히 「인공유기화합물」만을 가리키는 것은 아니라는 점에서 주의하길 바란다.
인위적 기원 유기화합물은 두 개의 범주(category)로 나눌 수 있다. 첫 번째는 공업적으로 합성된 화학물질이며, 인위적 기원 유기화합물의 대부분이 여기에 해당된다. 대표적인 예로서 폴리염화비페닐(polychlorinated biphenyl: PCB), 디클로로디페닐트리클로로에탄(dichlorodiphenyltrichloroethane: DDT), 연성알킬벤젠슬폰산염(linear alkylbenzenesulfonate: LAS) 등을 들 수 있다.
두 번째는 자연계에 원래부터 존재하지만 인간 활동에 의해서 환경으로 유입이 증가하고 있는 화학물질이다. 예로서 우선 석유가 있다. 석유라고 하면 공업적인 이미지가 있지만 석유는 수 천만년 전에 바다나 호소의 바닥에 퇴적된 생물 유해가 지각 속에서 속성작용에 의해 자연적으로 만들어진 것이며, 지구상에서는 자연적으로 용출되는 장소도 있다. 우리가 이용하고 있는 석유는 인위적으로 대량으로 퍼올린 것이다. 그리고 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon: PAH)도 여기에 포함된다. PAH는 유기물의 연소에 의해서 생성되는 화학물질이며, 자연에서는 산불이나 산림화재 등의 기원으로 존재하고 있다. 그러나 자동차의 배출가스나 화석연료의 연소 등 인간 활동에 의해서도 환경으로 방출되고 있다. 마찬가지로 다이옥신도 자연에 미량으로 존재하였던 물질이었지만 쓰레기 연소 등에 의해 인위적인 유입이 증가하고 있는 물질이다.

1.3. 오염물질의 거동을 지배하는 요인
그림 1.2는 어떤 물질 「i」가 물 환경 속에서 어떻게 거동을 하는지를 예를 들어 토쿄만東京?과 같은 내만에서의 오염물질의 거동을 나타낸 모식도이다.
우선 물질 「i」가 시스템에 들어가는 경로부터　살펴보면 하수(sewage)는 수역으로 유입되는 오염물질의 중요한 유입원이다(①). 하수는 하수처리가 된 즉, 하수처리수와 처리되지 않은 하수(생하수) 모두 포함한다. 선진 공업화 국가의 도시지역에서는 하수처리수가 주요하지만 경제적 발전도상국 등에서는 생하수도 수역으로 방류되는 경우가 있다. 그리고 직접 내만으로 하수가 방류되고 있는 경우도 있다. 또한 하천으로 하수가 직접 방류되는 경우가 많기 때문에 하수에 포함되어 있는 화학물질은 하천수와 더불어 수역으로 유입된다. 「i」는 대기로부터도 수역으로 들어온다. 대기로부터의 유입은 두 가지의 경로가 존재한다. 하나는 대기의 「i」가 빗물에 녹거나, 먼지에 흡착되어 수역으로 들어오는 경로이다(②). 각각 습식침착(wet deposition), 건식침착(dry deposition)이라고 한다. 또 하나는 가스 상태로 대기에 존재하고 있는 「i」가 물에 녹아드는 과정이다(③). 이 과정은 역방향, 즉 물에 녹아 있는 것이 대기로 방출되는 과정도 있으며, 이 두 과정을 합쳐서 대기-물 사이의 교환이라고 부른다. 지하수에도 오염물질은 존재하고 있으며, 수역으로의 지하수의 누출(exfiltration), 수역으로부터 지하수로의 물의 침입(infiltration)에 의해서도 오염물질은 유입ㆍ유출된다.
다음으로 시스템 내에서 물질 「i」의 움직임에 주목해보자. 물속의 물질 「i」는 물의 수평적인 움직임(수평혼합)에 의해서 평면적으로 확산된다(⑤). 동시에 물의 수직적인 움직임(수직혼합)에 의해서 수직방향으로도 운반된다(⑤). 물질 「i」의 움직임 특히 수직방향의 움직임은 물질 「i」의 존재 상태에 따라서 달라진다. 오염물질 「i」는 환경수에서 두 가지 상태로 존재한다. 하나는 물에 녹아 있는 상태(용존태), 또 하나는 현탁입자에 흡착(sorption)되어 있는 상태(입자태)이다(⑥). 입자에 흡착되어 있는 것은 물로 탈착(desorption)되는 현상도 일어난다. 용존태와 입자태의 비율은 물질의 성질에 의존하므로 다양하다. 거의 대부분이 물에 녹은 상태로 존재하는 물질도 있지만, 그 반대로 입자에 흡착된 것이 거의 100%인 물질도 있다. 입자에 있는 오염물질은 오염물질이 입자의 표면에 존재하는 것, 즉 흡착(adsorption)된 것과 입자의 내부에 침투ㆍ흡수(absorption)된 것이 존재한다. 두 개를 합쳐서 수착收着(sorption)이라고 하는 쪽이 화학적으로 정확하지만, 이 책에서는 두 개를 합친 것을 흡착吸着이라고 표현하고, 영어로서 sorption을 사용하겠다. 현탁입자는 최종적으로 수층의 바닥에 가라앉는데, 이 현상을 침강 또는 퇴적(sedimentation)이라고 한다(⑦). 현탁물질의 침강ㆍ퇴적과 함께 입자태의 물질 「i」도 수직방향으로 운반되어 퇴적물(sediment)로 들어가게 된다. 퇴적물이 된 직후의 현탁입자는 다시 수층으로 되돌아가는 것도 있지만(⑧), 현탁입자가 점점 쌓이면 매몰(burial)이라는 상태가 된다(⑨). 퇴적물의 상태에 따라 달라지지만 약 30~50cm 정도의 깊이가 되면 생태계와는 단절된 안정한 상태가 되고, 현탁입자에 흡착된 물질 「i」는 더 이상 수층으로 되돌아가지 않는다. 이러한 물질 「i」의 수직운반과 퇴적은 입자태의 물질 「i」에 대해서 일어나는 현상이다. 물에 녹아 있는 물질 「i」는 수괴(watermass) 안에서 확산과 수괴의 이류移流에 의한 수평적ㆍ수직적으로 움직일 수 있지만(⑤), 물이 온도나 염분의 관계에서 성층을 이루고 있는 경우에는 수괴들끼리 혼합되지 않으므로 용존태의 물질 「i」는 수직방향으로는 운반되지 않는다. 성층이 있는 수역에서는 입자에 흡착된 물질 「i」만이 수직방향 즉 퇴적물까지 운반된다.
이와 같이 수역에서는 다양한 움직임이 일어나고 있지만 그 움직이는 형태는 화학물질에 따라 다르다. 이 책은 유기화합물에 초점을 맞추고 있지만 여기에서 설명한 것처럼 「어떤 물질이 어떤 매체에 얹혀서 움직이는가」라는 점에서는 무기물질에 대해서도 적용된다. 무기물질과 유기화합물 사이의 큰 차이점은 분해가 되는지의 여부이다.
유기화합물은 환경에 존재하는 동안 다양한 화학변화를 받는다. 광분해(photolysis)는 직접 빛을 받아서 결합이 끊어지고 부서지는 직접광분해(direct photolysis)와 빛이 다른 물질에 닿아서 생긴 라디칼이 물질을 파괴하는 간접광분해(indirect photolysis)가 있다(⑩). 또한 화학적인 분해나 미생물 분해 등에서도 변성이 일어난다(⑪). 유기화합물은 분해를 거쳐서 무기화되는 것과 역으로 독성이 증가하는 것도 있다. 또한 이 그림에서는 포함되어 있지 않지만 생물로 흡수되는 과정도 존재한다.
그림 1.2와 같이 화학물질이 어디로부터 환경으로 유입되었고, 어떤 매체에 의해 어느 정도의 속도로, 어느 방향으로 가기 쉬운지, 어떻게 분해되는지 등의 하나하나의 작은 과정의 종류와 특성을 이해하는 것에 의해 환경에서 화학물질의 오염실태를 파악할 수 있게 된다. 그리고 이러한 작은 각각의 과정들을 정량적으로 수식으로 표현하고 그것을 조합시키는 작업(모델링)이 이루어진다. 이 책에서는 모델링까지는 들어가지 않았지만 각각의 작은 과정에 대한 보다 정량적인 이해와 그것을 바탕으로 한 모델화에 대해서는 Schwalzenbach et al.(2003)과 카와모토(河本, 2006) 등에 상세히 서술되어 있고[3, 4], 그것에 기초한 거동모델이 만들어져 있다. 일본에서도 국립환경연구소의 리스크(risk) 연구센터가 작성한 GIS 다매체환경동체예측모델(G-CIEMS) 등이 공개되어 있다[5].
다음의 절에서는 이들의 다양한 각각의 작은 과정들을 발생원, 물리ㆍ화학적 성질에 지배되는 운반매체와의 친화성, 매체의 거동, 분해로 나누어서 살펴보겠다.