가우시안 연기 모델과 DNA 복구기전

가우시안 연기 모델은 모델 식이 간단하면서도 대기 분산 현상을 비교적 정확히 계산할 수 있다. 따라서, 현재 대 기환 경영 향 평가 및 대기질 대책 수립에 가장 널리 이용되는 모델이라고 할 수 있다.

 

6·2·1 가우시안 연기 모델 유도

 

점오염원으로부터 배출되는 오 염 물질의 연기가 분산되는 형태를 고려해 보자. 이때 바람이 불어 가는 풍하 (downwind) 지역을 방향으로 좌표를 설정하고, 주 바람과 수평방향으로 직 교하는 풍횡(crosswind) 방향을 방향으로, 지표면과 수직 한 연직(vertical) 방향을 2방향으로 좌표를 설정한다. (6·1) 식이 복잡하여 엄밀해가 존재하 지 않으므로, 엄밀해를 구하기 위해서는 다음과 같은 가정을 고려하여 (6. 1) 식을 간략화할 수 있다.

 

즉, 가우시안 모델에 도입된 가정은 다음과 같다. 1) 연기의 분산은 정상상태(steady state)이다. 정상상태에서는 시간에 따라 농도 및 기타 기상조건 등이 변하지 않으므로 C/ dt = 0이다. 2) x 방향을 주 바람 방향으로 고려하면 방향(풍 횡방향)의 풍속은 V=0이다. 3) 연직방향의 풍속(W)은 통상 수평방향의 풍속(U) 보다 상대적으로 크기가 작기 때문에 연직방향의 풍속을 무시한다.

 

즉, W=0이다. 4) x 방향으로 오염물질의 이동은 주로 이류에 의한 이동량(U(3C/x)]이 난류 확산에 의한 이동량 (3/x) K( 3C/ 3x)]보다 상대적으로 크다. 따라서, 방향으로 난류 확산에 의한 이동량을 무시할 수 있다. 즉, / x Ki (3C/x)] = 0이다. 5) 연기 내 대기 반응은 무시한다. 즉, S= 0이다. 6) 난류 확산 계수는 일정하다. 7) 풍속 U는 일정하다. 일반적으로 풍속은 고도에 따라서 증가하나, 가우시안모 델에서는 일정하다고 가정한다.

 

앞의 가정들을 도입하여 (6·1)식을 간략화하면 다음과 같다. v = Kiwi + K............... (6.2) (6·2)식에 의하면, 연기는 풍하지역인 방향으로 이류에 의한 이동을 하고, y 및 방향으로는 난류 확산에 의하여 대기 분산이 이루어지는 것을 의미한다. (6.2)식은 편미분방정식이므로 엄밀해를 구하기 위해서는 경계 조건이 요구된다. 그 엄밀하는 경계조건에 따라 다르게 구해지므로, 먼저 그림 6-2의 I에서 보는 바와 같이 좌표(0, 0, 0)에 위치한 점오염원에서 배 출되는 연기 분산을 고려해야 한다.

 

6·7·2의 가우시안 분포 곡선의 특성을 참조하여 그림 6-2의 I에서 보는 212 제6장 대기오염 모델 바와 같은 연기의 분산을 설명하면 다음과 같다. 연기의 최대 농도는 연기중 심선에서 나타나고, 연기 중심선에서의 농도는 연기가 풍하지역으로 바람을 따라 이동하면서 풍횡 및 연직 방향의 난류 확산에 의하여 분산이 일어나면 서 점차 감소한다. 이에 따라 연기의 분산 폭도 점차 풍하지역으로 이동하면 서 넓어진다.

 

연기가 풍하지역으로 이동하면서 중심선에서 최대 농도가 감소하고, 연기 분산 폭이 증가하는 것은 (6·4)식에서 x가 증가함에 따라와 증가하는 것으로 쉽게 설명할 수 있다. 이를 가우시안 연기 모델(Gaussian plume model)이라 하고, 농도 계산 시 수평 및 연직 방향의 분산 표준편차와 풍속을 알면, (6.5)식으로부터 농도를 계산할 수 있다. 표준편차 값들은 대기 조건에 따라 변하는데, 계산방법은 6·2·2에서 논하기로 하자. U, 오염원 오염원 반사 지면 그림 6-2 지표면(2 = 0)에서 연기 분산 I. 지표 반사가 없을 때 II. 지표 반사 시 (1) 지표면에서 연기 배출 시 농도 계산 한편, 그림 6-2의 II에서 보는 바와 같이 점오염원이 지표면에 위치할 경우, 지표에서 침적이 일어나지 않는다고 가정하면 지표에서 연기가 반사되어 지상에서 중첩된다.

 

따라서, 농도는 지표면에 닿지 않는 경우의 2배가 된다. C(x, y, z) - LG.. exp(-2) exp(-).... EXID.... (6 · 6) 62 가우시안 연기 모델 213 (2) 굴뚝에서 연기 배출 시 농도 계산 굴뚝에서 배출되는 연기 온도는 주변의 대기온도보다 높아 열 부력(ther mal buoyancy)과 배출가스 속도에 의한 관성력(momentum)에 의하여, 실제 굴뚝 높이보다 더 높게 상승한다.

 

이때 최종적으로 연기가 상승한 높이를 유효 굴뚝 높이(effective stack height, He)라 하고, 이는 굴뚝 높이(h)와 연 기상승 높이 (Ah)의 합으로 표시한다. 즉, 굴뚝에서 배출된 연기는 그림 6-3의 I에서 보는 바와 같이 유효 굴뚝 높이(H)까지 상승한 후, 2=He 지점에서부터 분산이 일어난다고 가정할 수 있다. 굴뚝의 유효 높이를 계산하는 방법은 6·2·4에서 설명한다.

 

알킬화제의 인산(주로 OH 그룹)에 대한 공격은 자유 산소들의 공명 구조로 인해 일어나기 어렵다. 그러나 일단 알킬화가 일어나면 전자쌍의 위치가 고정되어 후속 알킬화(주로 에스테르 결합 부위)가 용이하게 된다(그림 4.14). 후속 알킬화로 인하여 deoxyribose의 3'-OH와 인산 사이의 결합이 끊어짐으로써 DNA 손상이 초래된다. (2) DNA 삽입 개재 물질 일부 방향족 물질과 이환 평면상 화학물질들은 DNA의 염기 사이에 스스로 끼어들 수 있다.

 

이와 같은 유형의 상호작용을 삽입 개재 작용이라 하며 DNA 사슬의 펴짐과 비틀림의 결과로 일회 회전 당 나사선의 길이가 증가하게 된다. 대표적인 삽입 개재 물질들을 그림 4.15에 표시하였다. 어떤 연구결과에 의하면 이들 삽입 게재물 질의 유전적 변이 기전을 DNA 복제를 위하여 일시적으로 사슬을 풀어주는 역할을 하는 효소인 topoisomerase II의 작용을 방해하는 것으로 보고되었다. 삽입 개재 물질이 있을 경우에는 topoiso 화학물질이나 복사선에 의해 발생된 DNA 손상은 유전정보가 다음 세대로 복제 전달되기 전에 복구되지 않으면 돌연변이로 진전될 수 있다.

 

또한 잘못 복구된 DNA 역시 돌연변이를 발생시킬 수 있다. 알킬화나 이합체화에 의해 초래된 DNA 염기의 변화를 전돌 연변이라 하며 이 경우 변이 된 부분이 잘못 복구되거나 전혀 복구되지 않을 경우에는 돌연변이성이 확정된다. 이때 methylguanine의 6번 산소의 탈메틸화는 methyltransferase라는 특이 효소에 의해 복구된다.

 

Ames시험의 원리는 박테리아의 성장에 필수적인 아미노산인 histidine을 합성할 수 없는 Salmonella typhimurium균을 유전적으로 조작 histidine이 요구되는 변이 균주 한 다음 이 균을 대상으로 변이원성 물질들에 의한 histidine 요구 균주로 역 돌연변이되는 빈도를 측정하는 것이다. Ames시험의 변이원성 예측률은 실험대상 물질들의 화학적 구조 특성에 따라 크게 다르다. 근래의 한 연구에 따르면 실험에 적용된 염소계 발암물질들 중 40%가 변이원성 물질로 나타났으며, 반면 발암성 amine과 nitro 화학물질들은 각각 75%, 100%의 양성 결과를 보여 주 었다. Ames 시험의 방법은 제6장에서 상세히 언급하기로 한다.

 

4.3 최기형성 독성 DNA

 

복구기전에는 여러 형태가 있지만 가장 잘 알려진 방법은 삭제 복구이다. 삭제 복구는 두 가지의 다른 기전으로 이루어진다. 첫째는 thymine 이합체화의 경우로서 손상된 DNA 사슬 부위에 홈을 만든 다음 손상된 nucleotide를 제거하고 손상받지 않은 사슬을 주형으로 하여 새로운 nucleotide를 만드는 기전이다. 둘 째는 단일염기가 손상되었을 경우로 손상된 염기를 제거한 다음 손상부위의 염기를 재합성하는 기전이다. 여기서 일반적으로 동물에 있어서 염기의 삭제 복구 능력과 수명과는 정비례 관계가 있는 것으로 알려지고 있다.

 

다른 DNA 복구기 전은 아직 명확하게 알려져 있지만 일부 복구 방법은 복구과정에 오류가 발생하기 쉬워 오히려 복구로 인한 돌연변이나 암 발생 가능성이 큰 것으로 보고되고 있다. 돌연변이는 복구기전의 유무와 관계없이 손상 정도가 복구능력을 초과하거나 어떤 원인으로 인하여 복구기 전이 결핍 또는 억제되었을 때도 발생될 수 있다. 최기형성(teratogenesis)이란 산모가 임신 중 어떤 원인으로 배아나 태아에 구 조적 혹은 기능적 이상이 초래되는 것을 말하며 기형을 야기하는 원인물질을 최기형성 물질(teratogen)이라 부른다.

 

최기형성 물질은 태아시기에는 주위를 둘러싼 산모의 체액을 통하여 그리고 태반이 생성된 후에는 산모의 혈액을 통하여 태아로 이동하게 된다. 그러나 방사선이나 고주파 등의 경우는 직접 배아나 태아에 영향을 미치게 된다. 이전에는 태반 막이 산모에게 노출되는 독성물질로부터 태아를 보호하는 것으로 생각되었으나 1960년대 thalidomide에 의해 수 천명의 기형아들이 출산됨으로써 태반 막의 보호 개념은 약화되고 있으며 최근 연구에 의하면 수많은 화학물질이 태반 막을 통과할 수 있는 것으로 보고되었다.

 

4.3.1 임신 단계와 독성 발현

 

일반적으로 최기형성은 임신기간 중 어떤 시기에 독성물질에 노출되느냐에 따라 돌연변이가 암으로 진전된다는 직접적인 증거는 없지만 최근 많은 실험 결과들에 의하면 화학물질의 발암성과 변이원성 사이에는 상당한 상관관계가 있음이 밝혀지고 있다. 변이원성을 확인하는 대표적인 방법 -Ames시험을 개발한 미 국 캘리포니아대학의 Ames교수에 따르면 발암물질의 90%가 변이원성을 갖고 있는 반면 발암성이 없는 화학물질 87%는 변이원성이 없었음을 보고하였다.

 

이와 같은 상관관계에 기초하여 현재 각종 변이원성 실험은 발암성이 의심되는 화학 물질을 검색하는 유용한 수단으로써 활용되고 있다. 때문에 독성물질에 노출되면 다양한 유형의 구조적 기형과 행동장애가 초래된다. 이때 같은 화학물질일지라도 장기가 형성되는 시기에 따라 다양한 기형이 발생되며 이러한 현상은 임신기간이 짧은 동물일수록 더욱 분명하게 나타난다. 태아기에는 최기형성 물질에 노출되면 주로 성장지연, 기능적/생리적 장애, 내 분비 장애, 면역장애, 암 등이 발생될 수 있다 대표적 포유동물의 임신 후 주요 장기의 발생이 일어나는 시기를 정리하여 표 4.8에 제시하였다.

 

임신 단계는 먼저 정자에 의한 난자의 수정은 난관 내에 서 일어나고 수정된 난자는 배아 세포를 형성하여 자궁내막에 착상하게 된다. 사 람의 경우 임신 후 처음 며칠은 착상된 배아가 증식하는 시기에 독성물질에 노출되면 구조적 기형은 초래되지 않고 배아가 사망하기 쉽다. 왜냐하면 이 시기는 배아가 외부물질에 대한 방어체계가 사망을 극복할 수 있을 만큼 분화되어 있지 않기 때문이다. 배아란 사람에 있어서는 보통 임신 8주까지의 태아를 말한다. 사람에 있어 장기의 형성이 이루어지는 수정 후부터 몇 주 사이가 최기형 독성에 가장 취약한 시기라 할 수 있다.

 

우선 기형의 발생은 유전인자 또는 염색체의 손상/변화와 깊은 관련성을 갖는데 여기에는 돌연변이, 염색체 수 이상, 염색체의 구조이상 등도 포함된다. 편 이원성은 생식세포에서 발생될 때만 유전되며 배아의 체세포에서 발생될 때는 성이 많은 관심의 대상이 되고 있다.

 

유전되지 않으나 구조적 기능적 손상을 초래할 수 있다. 변이원성 물질과 최기형성 물질 간에는 상관성이 높다고 생각되지만 많은 변이원성 물질이 최기형성 물질은 아니다. 염색체의 파괴나 분열 시 염색체가 분리되지 않음으로써 염색체 수가 변할 수 있다. 예로서 유사 분열 시 방추체의 형성이 colchicine에 의하여 억제되어 후기에 염색체 분리가 저해받게 된다. 또한 방사능이나 알킬화제와 같은 물질 들에 의해 염색체의 일부가 파괴됨으로써 염색체 구조의 이상이 초래될 수 있다. 장기 형성 기간에는 기전이 무엇이든지 세포분열을 저해하는 물리적, 화학적 인자는 최기형성을 일으키게 된다.

 

또한 태아세포의 에너지 생산을 저해하거나 세포 삼투압의 변화를 일으키는 화학물질들 역시 최기형성을 일으키는 것으로 알려져 있으며 비타민과 미네랄 등의 경우도 결핍 시에는 태아의 성장이 저해되고 기형 이 일어날 수 있다. 납이나 카드뮴과 같은 중금속은 대사에 관여하는 효소들의 활성을 억제함으로써 기형을 초래할 수 있는 것으로 알려져 있으며 어떤 화학물 질들은 DNA 복구에 관여하는 효소의 활성을 억제함으로써 최기형성을 나타낼 수 있다.

 

4.3.3 최기형성 독성물질

 

1956년 독일에서 제조되어 진정, 최면제로 시판된 thalidomide를 산모들이 복용 함으로써 7000~8000명으로 추산되는 기형아들이 출산된 사건은 최기형성 문제와 관련된 대표적 사건으로 기록되고 있다. 또한 미국에서는 유산 방지 약제인 die thylstilbesterol(DES)을 복용했던 산부에서 출생한 여아들에게서 질 및 자궁 경부 에서의 선암(adenocarcinoma)의 발생이 보고되었다.

 

환경오염과 관련하여서는 일본의 미나마타 사건 때 메틸수은에 장기간 노출된 임산부에게서 태어난 아이들 의 대부분이 심한 뇌성마비 증세를 보였다. 금속으로서는 수은 이외에도 리튬, 카드뮴, 납, 비소 등이 최기형성과 태아 치사 능을 갖고 있는 것으로 알려지고 있으며, 아연의 경우에는 결핍되면 기형이 발생되는 것으로 보고되어 있다.