환경독성학을 위한 기초학문

1.1 독성학의 역사와 관련 학문분야

 

독성학은 화학물질의 생체에 대한 바람직하지 않은 작용 즉 역작용(adverse effects : 독성학 분야에서는 독성과 같은 개념)의 정도를 정량적으로 분석함은 물 론 발생빈도와 작용 특성과 기전 그리고 작용에 영향을 주는 인자 등을 연구하는 학문 분야이다.

 

과거에는 약리학 분야에서 약의 부작용(side effects)과 함께 연구 하기 시작한 역사가 비교적 짧은 학문으로 분류할 수 있다. 그러나 학문적 분류 는 별도로 치더라도 인간은 고대부터 동식물에서 얻은 독을 이용하여 수렵, 전쟁 등 생존에 필요한 도구로서 활용해온 사실에서 독성학의 역사는 인간의 역사와 더불어 이미 시작되었다고 볼 수 있다. 따라서 고대로부터 지금까지의 독성물질에 관한 역사를 정리하면 다음과 같다.

 

B.C. 1500년경 기록서인 Ebers Papyrus에는 이미 천연에서 얻을 수 있는 독성 물질의 성분, 독성작용, 해독방법 등에 관한 방대한 정보가 수록되어 있었다. 이 중에는 천연에서 얻은 약물 약 800여 가지를 의학적인 처방으로 활용한 기록도 있다. B.C. 400년경 Hippocrates는 수많은 독성물질을 추가로 발견하였으며 원시 독 성학이라 부를 수 있는 임상적으로 나타나는 독성작용에 관한 책을 저술하였다. 로마시대에는 Dioscorides가 수많은 독성물질을 동물성, 식물성, 광물성 등으로 체계적으로 분류하였다. 이 분류법은 오늘날까지 활용되고 있는 실정이다.

 

그러나 처음으로 과학적 기초 위에서 독성물질을 정의한 사람은 15세기 독일의 내과의사인 Paracelsus이다. 그는 자신의 저서에서 “독성물질과 아닌 것의 차이는 무엇인가? 모든 물질은 해로우며, 해롭지 않는 것은 아무것도 없다. 독성 물질과 치료제를 구별하는 것은 단지 사용량에 달려있을 뿐이다”라고 하였다. 즉 모든 화학물질은 생체에 이로운 작용에서 해로운 작용까지 동시에 나타날 수 있으며 양자를 구분하는 유일한 기준은 사용량의 차이라는 개념을 정립하였다. 이 개념 은 훗날 용량-반응 간의 상관관계를 확립시키는 기초가 된다.

 

특히 환경독성학적인 측면에서 의미가 있는 사람은 이탈리아 내과의사인 Ramazzini로서 1713년에 발표한 그의 저서 “작업자에게서 발견되는 질병”에서 작업 중에 배출되는 독성물질에 의하여 발생하는 직업병을 환경으로 인한 장애로 구분하여 설명하고 있다. 현대적 의미에서의 독성학 창시자는 스페인 내과의사인 Orfila(1787~1853)로서 그는 “법의학적 측면에서 고찰한 화학물질들의 일반독성에 관한 개념”이라는 저 서에서 화학물질의 독성에 관한 예견은 물론 치사량을 알기 위한 분석법을 제안하기도 하였다.

 

즉 독성학을 하나의 독립된 학문분야로 발전시킨 인물이다. 이상의 역사를 바탕으로 독성학은 계속 분화하고 발전한 결과 오늘날에는 독성 학을 크게 네 분야로 나누고 있다. 첫번째 화학물질 자체의 물리 화학적 특성 분석을 통하여 예견되는 독성을 실 험동물을 이용하여 측정하는 분야로서 주로 분석 독성학, 독성병리학, 전염병학 등 이 여기에 속한다. 두 번째 독성이 확인된 물질을 대상으로 생명체에 일어나는 독성의 종류와 발 생기 전을 생화학적으로 규명하는 분야로서 주로 생화학적 독성학, 영양 독성학, 행 태독 성학 등이 여기에 속한다.

 

세 번째 기초 독성학을 다양한 학문분야에 도입함으로써 응용범위를 확장한 분 야로서 주로 임상 독성학, 환경독성학, 수의 독성학, 산업 독성학 등이 여기에 속한다. 네 번째 독성이 확인된 물질들을 상품화할 경우 발생이 예견되는 피해를 평가 한 다음 사용 용도와 관리를 위해 필요한 제도 등을 결정하는 분야 즉 규제 독성 학 분야가 이에 속한다. 즉 모든 화학물질은 생체에 이로운 작용에서 해로운 작용까지 동시에 나타날 수 있으며 양자를 구분하는 유일한 기준은 사용량의 차이라는 개념을 정립하였다.

 

이 개념 은 훗날 용량-반응간의 상관관계를 확립시키는 기초가 된다. 특히 환경독성학적인 측면에서 의미가 있는 사람은 이탈리아 내과의사인 고 있는 독성학 분야라 할 수 있다. 특히 환경독성학 분야 중 독성물질이 생태계를 구성하고 있는 생물군집의 변화에 미치는 영향과 생태계 내의 거동 - 이동과 전환, 잔류성, 상호작용을 다루는 분야를 별도로 생태 독성학이라 부르기도 한다.

 

1.2 독성물질의 정의와 분류법

 

Ramazzini로서 1713년에 발표한 그의 저서 “작업자에게서 발견되는 질병”에서 작업 중에 배출되는 독성물질에 의하여 발생하는 직업병을 환경으로 인한 장애로 구분하여 설명하고 있다. 현대적 의미에서의 독성학 창시자는 스페인 내과의사인 Orfila(1787~1853)로서 그는 “법의학적 측면에서 고찰한 화학물질들의 일반독성에 관한 개념”이라는 저 서에서 화학물질의 독성에 관한 예견은 물론 치사량을 알기 위한 분석법을 제안 하기도 하였다.

 

즉 독성학을 하나의 독립된 학문분야로 발전시킨 인물이다. 이상의 역사를 바탕으로 독성학은 계속 분화하고 발전한 결과 오늘날에는 독성 학을 크게 네 분야로 나누고 있다. 첫번째 화학물질 자체의 물리화학적 특성분석을 통하여 예견되는 독성을 실 예전에는 물질을 이로운 물질(음식이나 약)과 해로운 물질(병이나 죽음을 초래 하는 물질)로 구분하였는데 특히 생명체의 조직이나 장기 혹은 생리 작용에 치명 적인 효과를 유발하는 물질을 독성물질(toxin, poison, toxicant)이라 하였다. 여기서 독성물질의 어원은 희랍어인 toxikon과 라틴어인 toxicum과 potio에서 유래되 었다.

 

독성물질을 분류하는 방법에는 배출원에 따른 분류, 사용목적에 따른 분류, 작용기전에 따른 분류, 표적장기에 따른 분류, 독성발현기간에 따른 분류 등 여러 가지 방법이 있다 여기서 대표적인 분류법에 대하여 간단히 설명하면 다음과 같다. 험동물을 이용하여 측정하는 분야로서 주로 분석독성학, 독성병리학, 전염병학 등 여러 가지 기준으로 분류한 독성물질 이 여기에 속한다. 두번째 독성이 확인된 물질을 대상으로 생명체에 일어나는 독성의 종류와 발 생기전을 생화학적으로 규명하는 분야로서 주로 생화학적 독성학, 영양독성학, 행 태독성학 등이 여기에 속한다.

 

세번째 기초독성학을 다양한 학문분야에 도입함으로써 응용범위를 확장한 분 야로서 주로 임상독성학, 환경독성학, 수의 독성학, 산업독성학 등이 여기에 속한 분류 기준 물리적 상태 용도 화학적 구조 작용 기전 독성의 세기 표적장기 독성발현 기간 작용범위 독 성 물 질 의 종류 가스상, 액상, 고상 농약, 용매, 의약품, 식품첨가물 방향족, 지방족 유도제, 해독제, 길항제 무독성, 중간정도, 맹독성 간독성, 신장독성, 폐독성 급성, 아급성, 만성 국소, 전신 다. 네번째 독성이 확인된 물질들을 상품화할 경우 발생이 예견되는 피해를 평가 한 다음 사용 용도와 관리를 위해 필요한 제도 등을 결정하는 분야 즉 규제독성 학 분야가 이에 속한다.

 

여기서 환경독성학은 환경 중으로 배출되는 오염물질들이 인간의 건강에 미치는 작용기전에 따른 분류:세포 내에서 독성을 일으키는 생화학적 원리를 기준 으로 분류하는 방법이다. 예를 들어 세포의 정상기능에 필요한 효소활성을 억제 할 경우에는 억제제, 유도할 경우에는 유도제로 구분한다. 표적장기에 따른 분류: 독성물질의 물리화학적 특성(예를 들면 친화도)으로 인하여 장기에 따라 독성 발현정도가 달라지는 원리를 기준으로 분류하는 방법 는 영향과 생태계에 미치는 영향을 다루는 응용독성학 분야로서 최근에 발전하이다. 즉 간독성을 일으키면 간독성물질, 신장에 독성을 일으키면 신장독성물질로 구분한다. 독성 발현 기간에 따른 분류 : 독성물질에 노출된 후부터 독성이 나타나기까지의 시간을 기준으로 분류하는 방법이다. 일반적으로 독성 발현기간이 2주일 이내 면 급성 독성물질로 1년 이상 장기간이면 만성 독성물질로 구분한다. 작용범위에 따른 분류: 독성작용이 생체의 일부분에 국한되면 국소 독성물 질로 전신에 걸쳐 나타나면 전신 독성물질로 구분한다.

 

그러나 이러한 다양한 방법에도 불구하고 정확하게 독성물질을 분류한다는 것 은 어려운 일이다. 왜냐하면 수많은 화학물질의 경우 투여량에 따라 이로운 작용 부터 치사 작용까지 광범위한 효과를 지니고 있기 때문이다. 따라서 현대에는 독 성물질의 분류기준에서 양적인 개념을 매우 중요하게 생각하여 정량적 독성지표 를(예를 들면 LD50 용량) 활용하여 상대적 독성을 표시하는 경향이 강하다. 또한 화학물질들을 관리하는 실제적 방법으로서 다양한 독성지표를 기준으로 그룹별로 묶어서 표시함으로써 관리의 편의성을 도모하고 있는 실정이다.

 

즉 간독성을 일으키면 간독성물질, 신장에 독성을 일으키면 신장독성물질로 구분한다.

5,000~15,000 독성이 중간 정도 물질 500~5,000 독성이 강한 물질 20-500 맹독성 물질 5~50 초 맹독성 물질 5이하 면 급성 독성물질로 1년 이상 장기간이면 만성 독성물질로 구분한다. 작용범위에 따른 분류: 독성작용이 생체의 일부분에 국한되면 국소 독성물 질로 전신에 걸쳐 나타나면 전신 독성물질로 구분한다.

 

그러나 이러한 다양한 방법에도 불구하고 정확하게 독성물질을 분류한다는 것 은 어려운 일이다. 왜냐하면 수많은 화학물질의 경우 투여량에 따라 이로운 작용 부터 치사 작용까지 광범위한 효과를 지니고 있기 때문이다. 따라서 현대에는 독 성물질의 분류기준에서 양적인 개념을 매우 중요하게 생각하여 정량적 독성지표 를(예를 들면 LD50용량) 활용하여 상대적 독성을 표시하는 경향이 강하다.

 

또한 화학물질들을 관리하는 실제적 방법으로서 다양한 독성지표를 기준으로 그룹별로 묶어서 표시함으로써 관리의 편의성을 도모하고 있는 실정이다. 대표적 인 예를 표 1.3에 제시하였다. 그러나 화학물질들의 독성은 얼마나 많은 양이 유기체에 노출되었나 하는 측면 뿐만 아니라 유기체의 종, 신체의 크기, 영양상태, 노출방법 및 관련된 여러 인자 들에 의해 영향을 받는다는 점을 염두에 두어야 한다. 대표적인 예로서 알코올의 경우 소량을 섭취하면 무해한 것으로 인식되며 어떤 경우에는 의학적으로 권장 되기도 한다. 그러나 과다한 섭취는 간독성은 물론 심하면 죽음에 까지 이를 수 있다.

 

비슷한 예로서 비타민 A의 경우, 대부분 고등동물의 정상적인 생리기능유지(특 히 눈)에 필수물질이지만 과량으로 섭취하게 되면 신장의 배설기능 저하와 피부 건조증 등의 독성이 발생된다. 마지막으로 독성물질을 분류함에 있어서 주의해야 할 사항은 외견상 같은 종의 생물일지라도 독성작용은 다를 수 있다는 점을 염두에 두어야 한다는 것이다. 왜냐하면 동종교배의 경우에도 한 개체에서 나타난 화학물질의 독성이 반드시 다 른 개체에서도 나타나는 것이 아니기 때문이다. 따라서 어떤 화학물질의 독성을 평가하기 위해서는 자료에 대한 통계적 평가기술이 선행되어야 한다.