미세 먼지가 해로운 진짜 이유는?

세포 산화시키는 ‘산화 잠재력’이 문제

한동안 잠잠하던 미세먼지 경보가 다시 울리기 시작했다. 관측 위성에 따르면 중국이 산업 활동을 본격화하고 난방 수요가 늘어나면서 우리나라 쪽으로 날아오는 미세 먼지 양이 부쩍 늘었다는 것이다.

미세먼지가 호흡기나 심장 등에 매우 해로운 영향을 미친다는 것은 널리 알려진 일이다. 해마다 수백만 명이 미세먼지로 인해 사망한다는 연구들도 있다. 이로 인해 공기 중 미세 먼지 오염은 고혈압과 흡연, 당뇨병 및 비만과 더불어 5대 건강 위해 요소로 꼽힌다.

그러면 미세먼지는 구체적으로 어떤 작용에 의해 그런 결과를 낳는 것일까?

최근 스위스 최대 연구기관인 폴 쉐러 연구소(PSI)를 비롯한 유럽의 여러 연구소 과학자들은 어떤 배출원들에서 나온 미세입자 물질(particulate matter)이 특히 인체 건강에 해로운지를 조사했다.

연구 결과, 이들은 건강에 가장 큰 위험을 초래하는 것은 미세입자 물질의 양 만이 아니라 산화 잠재력(oxidative potential)이라는 사실을 확인해 과학 저널 ‘네이처’(Nature) 18일 자에 발표했다.

탈황 설비가 설치되기 전 미국 뉴멕시코의 발전소에서 내뿜는 매연가스. © WikiCommons/ NPS

‘산화 잠재력’이 위험 초래

폴 쉐러 연구소 가스상 및 에어로졸 화학 연구그룹의 카스파 댈런바흐(Kaspar Dällenbach) 박사는 “이번 연구에서는 먼저, 유럽에서 어떤 미세 먼지 공급원이 미세입자 물질 혹은 에어로졸의 산화 잠재력을 발생시키는지 그리고 이런 미세입자 물질로 인한 건강 위험이 이 물질의 산화 잠재력으로 야기되는 것인지 등 두 가지 점에 초점을 맞췄다”고 밝혔다.

여기서 ‘산화 잠재력’은 항산화제 양을 감소시키는 미세입자 물질의 능력을 일컫는다. 미세먼지의 산화 잠재력이 인체의 항산화제를 감소시키고 그에 따라 세포와 조직이 산화돼 손상을 입게 된다.

연구팀은 연구 첫 단계로 기관지 상피세포로 불리는 인체 기도 세포를 미세입자 표본에 노출시킨 뒤 생물학적 반응을 시험했다. 이런 세포들이 스트레스를 받으면 면역계에 신호물질을 방출해 인체에서 염증 반응을 일으키게 된다.

이 테스트를 통해 연구팀은 높은 산화 잠재력을 지닌 미세입자가 세포의 염증 반응을 강화시킨다는 사실을 보여주었다. 이는 산화 잠재력이 미세입자 물질의 위해성을 결정한다는 것을 시사한다.

댈런바흐 박사에 따르면 높은 산화 잠재력과 건강에 대한 위험 사이의 인과관계는 아직 결정적으로 확립되지 않았으나, “이번 연구는 이 같은 인과관계가 실제로 존재한다는 또 다른 분명한 증거”라고 강조했다.

스위스 베른대 연구팀이 수행한 동반 연구에서는 특이 질환인 낭포성 섬유증 환자의 경우 세포들이 미세입자 물질에 대한 방어력이 약한 것으로 나타났다. 건강한 세포는 항산화 방어 메커니즘이 염증 반응 진행을 막을 수 있었으나, 병든 세포는 방어 능력이 부족해 세포 사망률이 증가했다.

인체 머리카락과 PM2.5 및 PM10 미세먼지의 크기 비교. 이런 미세먼지들이 혈액과 심장 등으로 들어가 건강을 해칠 수 있다는 연구 보고가 있고, 이번 연구에서는 미세먼지의 산화력으로 인해 인체 세포와 조직이 손상될 수 있다고 밝혔다. © WikiCommons/ Environmental Protection Agency

미세입자 물질과 산화 잠재력의 원천

연구팀은 스위스의 여러 곳에서 미세입자 표본을 수집해 PSI에서 개발한 질량분석 기술을 사용해 이 미세입자들의 물질 조성을 분석했다. 이렇게 얻은 각 미세입자 표본의 화학적 프로파일은 이 입자들이 어디서 발생했는지를 나타냈다.

그레노블 연구팀은 인체 건강에 대한 위험 징후를 확보하기 위해 같은 표본들의 산화 잠재력을 확인했다. 연구팀은 상세한 분석과 통계적 방법으로 모든 관련 배출원에 대한 산화 잠재력을 결정할 수 있었다.

이어 이 실험 데이터들을 기반으로 컴퓨터 모델을 사용해, 연중 배출되는 미세입자 물질로 인해 유럽 내 어떤 지역들이 가장 산화 잠재력이 높은지를 계산해 냈다. 이 계산에 따르면 프랑스 수도 파리와 주요 산업 및 농업 지역인 북부 이태리 포 밸리(Po Valley) 같은 대도시 지역이 요주의(critical) 지역으로 확인됐다.

댈런바흐 박사는 “이번 연구 결과는 미세입자 물질의 양과 산화 잠재력이 동일한 배출원에 의해 결정되지는 않는다는 사실을 보여준다”고 말했다.

연구를 수행한 댈런바흐 박사가 미세먼지 표본을 조심스럽게 분석하고 있는 모습. © Paul Scherrer Institute/Markus Fischer

미세 먼지로 인한 건강 위험, 도시지역이 높아

미세입자 물질 구성 광물성 먼지와, 질산암모늄 및 황산염 같은 2차 무기성 에어로졸이 가장 큰 부분을 차지한다. 반면에 미세입자 물질의 산화 잠재력은 주로 목재 연소에서 나오는 인위적인 2차 유기성 에어로졸과, 도로 주행시의 차량 브레이크와 타이어 마모에서 나오는 금속 배출물에 의해 결정된다는 것이다.

연구팀은 도시지역 인구가 더 많은 양의 미세입자 물질에 노출될 뿐만 아니라, 이들 지역의 미세입자 물질들은 더 높은 산화 잠재력을 지니고 있어 시골지역보다 건강에 더 해롭다는 사실을 확인했다.

댈런바흐 박사는 “이번 연구 결과는 미세입자 양을 조절하는 것만으로는 효과가 미흡할 수 있음을 보여준다”고 말했다. 베른대의 연구 역시 기저 질환을 가진 인구 집단에게는 특히 미세먼지 오염을 줄이기 위한 적절한 조치가 취해질 필요가 있음을 시사한다.

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