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대기오염원으로 과거에는 대규모 공장 등의 점 오염원(point source)이 주된 관심사였으나, 현대에는 자동차와 같은 이동 오염원(mobile source)이 더욱 중요하게 다루어지고 있습니다. 따라서 자동차 엔진으로 광범위하게 사용되는 디젤엔진, 가솔린엔진의 연소물질 성분과 이로 인한 대기오염의 특성 및 인체에 미치는 건강영향을 살펴볼 필요가 있습니다.디젤엔진은 자동차, 선박, 비행기 등의 운송수단, 광업이나 건설업 같은 분야의 중장비, 화력발전 등에 이용되며, 가솔린엔진은 자동차와 체인톱 같은 소형 공구들에 사용됩니다. 이러한 내연기관의 연소시 배출되는 물질은 자동차엔진 같은 운송수단으로 사용된 경우에는 불특정 다수에게 대기오염의 형태로서 저농도로 노출되며, 광산 노동자, 터널 굴착공 등의 근로자들에게는 반 밀폐공간에서 고농도로 노출되어 여러 가지 건강 문제를 유발하기도 합니다. 특히 2012년 국제 암연구소(International Agency for Research on Cancer, IARC)에서는 디젤엔진 배출물질에 고농도로 노출되는 근로자들을 대상으로 한 역학연구를 근거로 디젤엔진 배출물질을 폐암을 유발하는 발암물질(그룹 1)로 분류하였습니다. 여기에서는 디젤엔진 배출물질의 구성 성분과 대기오염에 미치는 영향, 건강영향 및 관리 방안에 대해 알아보겠습니다.

개요-발생원/원인

디젤연료는 탄화수소 혼합물로 이루어져 있기 때문에 완전 연소 시 이론적으로 연소 생성물은 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O), 엔진 흡입 공기(N₂, O₂ 등)가 되어야 합니다. 그러나 실제로는 연료의 불완전 연소, 고온고압에서의 혼합물의 반응, 윤활유와 윤활유 첨가제의 연소, 그리고 연료첨가제와 연료 중에 들어있는 유황성분의 연소 등으로 미량일지라도 인체에 유해한 미세먼지(particulate matter, PM) 등의 디젤엔진 배출물질(pollutant emission)을 포함하고 있습니다. 이것은 가스 형태(gas phase)와 입자 형태(particle phase)로 구성되어 있습니다. 가스 형태로는 일산화탄소(caron monoxide), 질소산화물(nitrogen oxides)과 벤젠이나 포름알데하이드 같은 휘발성 유기물질들이 포함되어 있습니다. 입자 형태로는 유기탄소, 재, 황화물 및 금속 등이 포함되어 있습니다. 다핵 방향족 탄화수소(Polynuclear Aromatic Hydrocarbon, PAH)와 니트로아렌(nitroarenes)은 가스 및 입자 두 가지 형태 모두 포함되어 있습니다. 

디젤엔진 배출물질의 성상은 연료, 엔진의 형태 및 사용기간, 유지 보수 상태, 배출가스 조절장치의 유무와 사용형태 등에 따라 달라집니다. 배출가스 조절장치가 없거나 제한적인 구형의 디젤엔진 배출물질에는 더 많은 양의 미세먼지(particulate matter, PM)가 포함되어 있습니다. 디젤엔진 배출물질에는 가솔린엔진에 비해 일산화탄소와 탄화수소 양은 적지만, 가솔린엔진 배출물질에는 거의 없는 미세먼지(PM)와 질소산화물이 다량 포함되어 있습니다.

건강에 미치는 영향

2차 세계대전 이후 디젤엔진은 다양한 산업 및 운반 수송 영역에 이용되고 있는데, 높은 에너지 효율과 함께 일산화탄소와 탄화수소의 배출량이 상대적으로 낮은 장점이 있습니다. 이로 인해 디젤 자동차는 80년대 중반부터 세제혜택까지 누리며 급성장하였습니다. 그러나 최근 디젤엔진은 대기오염물질 특히 질소산화물과 미세먼지(PM)의 배출 문제로 인해 집중적인 비난을 받아 왔습니다. 최근 디젤 자동차의 수요 증가, 각국의 강력한 배출허용기준 적용, 매연여과 장비 차량의 시장 진출 등 디젤엔진과 관련한 많은 이슈들이 등장하였고 현재도 진행되고 있습니다. 기술 발달과 강화된 배출허용기준으로 개별 디젤엔진 배출물질에 의한 대기오염은 줄어들겠지만 디젤엔진 증가에 따른 디젤엔진 배출물질 전체 총량은 당분간 줄지 않을 것으로 예상됩니다. 

디젤엔진의 배출물질에서 문제가 되는 오염물질은 전체 배출물질의 1% 내외이고, 이중 질소산화물(NOX)이 50% 이상이며 그 다음으로 큰 비율을 차지하는 것이 미세먼지(PM)입니다. 그 외 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 이산화황(SO₂), 휘발성 유기 화합물질(VOCs)도 대기오염을 일으키는 디젤엔진 배출물질입니다. 

1) 질소산화물(NOX)

이산화질소(NO₂)는 적갈색의 반응성이 큰 기체로서, 대기 중에서 일산화질소(NO)의 산화에 의해 발생합니다. 대기 중 휘발성 유기화합물(VOCs)과 반응할 경우에는 오존(O₃)을 생성하는 전구물질(precursor)의 역할을 합니다. 질소산화물(NOX)은 일산화질소보다는 이산화질소가 인체에 더욱 큰 피해를 주는 것으로 알려져 있습니다. 고농도의 이산화질소에 인체가 노출되면 눈, 코 등의 점막에서 만성 기관지염, 폐렴, 폐출혈, 폐수종의 발병으로까지 발전할 수 있는 것으로 보고되고 있습니다. 식물에 대한 피해로는 식물세포를 파괴하여 꽃 식물의 잎에 갈색이나 흑갈색의 반점이 생기게 합니다. 

2) 미세먼지(입자상 물질, particulate matter, PM) 

미세먼지는 디젤엔진 배출물질이 1급 발암물질로 분류되게 된 원인물질입니다. 디젤엔진에서 배출된 입자상 물질은 초기에는 탄소입자로만 구성되지만, 배기 과정에서 액상 미연 탄화수소 및 황산화물 등과 결합하여 덩어리 형태가 됩니다. 배출되는 입자상 물질은 그 크기가 0.01~0.3 ㎛가 가장 많아서 매우 작고 가벼우며, 전기를 띠지 않고 대기 중에 오랫동안 떠돌아다니면서 대기를 오염시킵니다. 또한, 스펀지 형태의 탄소입자에 각종 유기성 탄화수소와 황산염 등이 함유되어 있어 호흡기로 흡입되면 폐포 깊숙이 침착되어 여러 가지 질병을 유발합니다. 가솔린엔진에서는 거의 배출되지 않지만, 디젤엔진 배출물질 중 현재 저감을 위해 심혈을 기울이고 있는 가장 중요한 대기오염물질입니다. 

3) 일산화탄소(CO) 

일산화탄소는 무색, 무취의 유독성 가스로 탄소 성분의 불완전연소 시 발생합니다. 엔진의 시동을 걸 때나 급가속할 때 불완전연소가 많으므로 배출이 늘어납니다. 인체영향은 혈액에서 산소를 운반하는 헤모글로빈을 카르복시헤모글로빈(COHb)으로 변성시켜 산소 운반 기능을 저하시킵니다. 저농도에서는 두통, 어지러움 등을 일으키고 고농도에서는 의식을 잃게 하여 치명적인 해를 입힐 수 있습니다. 배출량은 디젤엔진이 가솔린엔진에 비해 적습니다. 

4) 탄화수소(HC) 

탄화수소는 타다 만 연료가 그대로 나오거나 연소실 벽 근처에서 온도 강하에 의해 발생합니다. 주로 불규칙한 엔진 작동 상태에서 많이 배출됩니다. 배출가스 중의 탄화수소는 파라핀(paraffin)계, 올래핀(olefin)계 및 방향족계 탄화수소의 혼합물로서 인체에 기관지 자극을 일으키며 일부 방향족계 탄화수소는 암을 유발합니다. 배출량은 디젤엔진이 가솔린엔진에 비해 적습니다. 

5) 이산화황(SO₂) 

이산화황은 물에 잘 녹는 무색의 자극성이 있는 불연성 가스로 인체의 점막을 자극하며, 고농도 흡입 시 콧물, 객담, 기침 등이 나오고 호흡곤란을 초래합니다. 인체에 흡입 시 기관지염, 폐수종, 폐렴 등에 걸릴 가능성이 있습니다. 이산화황은 질소산화물(NOX)과 함께 산성비의 주요 원인물질로 토양, 호수, 하천의 산성화에 영향을 미치며, 식물의 잎맥 손상, 성장 저해 및 빌딩이나 기념물 등 각종 구조물의 부식을 촉진시키기도 합니다. 또한 미세먼지의 주요 원인물질이기도 합니다. 

6) 오존(O₃) 

오존은 질소산화물(NOX)과 휘발성유기화합물 등이 자외선과 광화학반응을 일으켜 생성된 PAN(Peroxyacetyl Nitrate), 알데하이드, 아크롤레인(Acrolein) 등의 광화학 산화제의 일종으로 2차 대기오염물질에 속합니다. 오존에 반복 노출 시 가슴의 통증, 기침, 메스꺼움, 목 자극, 소화불량 등의 증상을 유발하며, 기관지염, 심장질환, 폐기종 및 천식을 악화시키고, 폐활량을 감소시킬 수 있습니다. 특히 기관지 천식 환자나 호흡기 질환자, 어린이, 노약자 등에게는 많은 영향을 미치므로 특별한 주의가 필요합니다.

건강에 미치는 영향-건강문제

디젤엔진 배출물질은 다양한 종류의 가스상 물질과 미세먼지로 구성되어 있지만, 건강영향은 각각의 구성 성분에 의한 것보다는 디젤엔진 배출물질 자체로 한정하여 기술할 필요가 있습니다. 즉, 디젤엔진 배출물질의 구성 성분이 질소산화물, 미세먼지, 일산화탄소, 탄화수소, 이산화황 등이라고 해서 디젤엔진 배출물질이 이들 각각의 물질에 의한 건강영향을 유발하는 것은 아닙니다. 따라서 이를 명확히 하기 위해서 여기에서는 디젤엔진 배출물질의 건강영향을 기술하고자 합니다. 현재까지 알려진 디젤엔진 배출물질의 건강영향은 호흡기계 자극 증상과 호흡기계 알레르기질환 유발 및 발암성으로 크게 구분할 수 있습니다.

1) 심혈관계 이상 

디젤엔진 배출물질의 급성 노출은 관상동맥의 수축, 일시적인 혈전 생성 등을 유발하여 급성관상동맥 증후군(acute coronary syndrome, ACS)을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 고농도의 배출물질을 발생시키는 교통수단에 노출된 후 1시간 내에 심근경색의 초기 증상이 나타난다는 보고도 있습니다. 만성적인 디젤엔진 배출물질의 노출은 심혈관질환의 위험도 및 사망률의 증가와 유의한 관련성이 있는 것으로 알려져 있으며, 활성산소에 의한 심근 손상을 통해 심실세동이나 심부정맥을 유발한다는 동물실험 결과도 보고되었습니다. 

2) 호흡기계 이상 

디젤엔진 배출물질에 노출되는 경우에 가장 우선적으로 영향을 받는 부위는 호흡 기계입니다. 고농도의 디젤엔진 배출물질에 노출되는 경우 질식이 나타날 수 있는데 이는 그을음 입자(soot particles)나 이산화질소, 이산화황에 의해 일어나는 급성 폐 손상이 그 원인입니다. 천식이나 만성폐쇄성 폐질환(chronic obstructive pulmonary disease, COPD) 등의 호흡기질환자는 디젤엔진 배출물질 노출에 의해 그 증상이 더욱 악화될 수 있습니다. 오존은 디젤엔진 배출물질인 질소산화물로부터 만들어지는데 가솔린엔진에 비해 디젤엔진 배출물질에 현저하게 많은 양이 포함되어 있고, 폐 조직을 손상시킬 수 있습니다. 디젤엔진 배출물질에 다량 포함된 방향족탄화수소도 성분에 따라 폐암을 비롯한 각종 폐질환의 위험요인으로 작용하게 됩니다. 

3) 발암성 

2012년에 국제암연구소(IARC)는 디젤엔진 배출물질이 사람에서 발암성에 대한 충분한 근거가 있다고 결론 내렸습니다. 디젤엔진 배출물질은 DNA 손상을 유발하는 활성산소(reactive oxygen species)를 생성하여 세포 내에서 산화적 스트레스를 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 디젤엔진 배출물질을 구성하는 다양한 종류의 다핵 방향족 탄화수소(PAH) 중 일부는 유전독성을 가지고 있어서 PAH-DNA adduct을 쉽게 형성하여 이로 인해 유전자 가닥 손상(DNA strand breakage)과 돌연변이가 유발되기 쉽습니다. 지하 광산 근로자, 철도 근로자, 중장비와 트럭 기사 등 디젤연소물에 고농도로 노출되는 업종의 근로자들을 대상으로 한 역학연구에서 폐암으로 인한 사망자 수가 일반인에 비해 유의하게 높다는 연구결과가 보고되었습니다. 방광암도 모든 연구가 그렇진 않으나 많은 환자-대조군 연구에서 관련성이 보고되었으며, 기타 식도암, 난소암 등과도 관련이 있다고 보고되었으나 확정적이지는 않습니다. 하지만 폐암과 디젤엔진 배출물질과의 관련성은 고농도 노출의 경우 관련성이 확실한 것으로 인정되고 있습니다. 

4) 고혈압 

몇몇 연구결과를 통하여 디젤엔진 배출물질의 노출은 고혈압과 관련이 있다고 알려져 있습니다. 혈압 상승은 디젤엔진 배출물질이 심혈관의 자율적 조절에 영향을 주기 때문인 것으로 알려져 있습니다. 일반적인 도시에서의 디젤엔진 배출물질 농도 수준에 노출되는 경우, 혈압조절에 중요한 역할을 하는 혈관 긴장도(vascular tone)나 내인성 섬유소용해(endogenous fibrinolysis)의 조절이 어려워진다는 연구결과도 있습니다. 

5) 신경독성

디젤엔진 배출물질에 부착된 다양한 다핵 방향족 탄화수소(PAH)가 폐를 통해서 중추신경계로 흡수될 수 있습니다. 특히, 초미세입자는 뇌혈관장벽(blood brain barrier, BBB)을 통해서 뇌조직으로의 유입이 가능합니다. 디젤엔진 배출물질에 노출된 쥐의 뇌조직에서 도파민 뉴런이 감소되었다는 것이 보고되면서 만성적인 디젤엔진 배출물질의 노출과 파킨슨병과의 연관성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 또한, 디젤엔진 배출물질 노출에 의해 유도된 염증의 소견이 알츠하이머치매 환자들에게서 보이는 조직병리학적 병변과 유사하다는 연구결과도 있습니다.만성적으로 디젤엔진 배출물질에 노출되면 학습력, 신체동작의 조절력, 기억력과 판단력 등이 저하된다는 연구보고도 있으며, 직업적으로 고농도의 디젤엔진 배출물질에 노출되는 근로자의 경우, 신경행동학적 손상을 일으켜 반응속도가 느려지고 기억상실과 수면장애를 유발한다는 연구결과도 보고된 바 있습니다. 

6) 태아영향 및 불임 

디젤엔진 배출물질에 대한 태아의 노출은 저체중, 미숙아, 선천적인 이상을 유발하고 영아사망률 또한 증가시키는 것으로 알려져 있습니다. 사람을 대상으로 진행한 역학연구는 많지 않으나, 디젤엔진 배출물질 노출이 정자운동성을 저하시킨다는 연구결과가 있으며, 디젤엔진 배출물질의 구성 성분인 4-니트로페놀(4-nitrophenol, PNP)이 생체 내에서 불임을 유발한다는 연구결과도 보고된 바 있습니다.

예방 및 대처

지난 20여 년간 북미 및 유럽, 그 외 일부 지역에서 자동차의 배출가스 규제는 점진적으로 매우 엄격하게 강화(규제 전에 비해 거의 1/100 수준)되어 왔으며, 이는 디젤엔진 기술의 진보로 입자상 물질 및 질소산화물, 일산화탄소 등의 배출이 줄어드는 효과를 가져왔습니다. 하지만 자동차가 아닌 용도로 사용되는 디젤엔진들의 배출가스 규제는 자동차에 비해 미약한 편입니다. 더욱이 많은 저개발 국가에서는 이들 모두에서 거의 규제가 이루어지지 않고 있어 디젤엔진 배출물질을 줄이기 위한 국제적인 공조가 필요합니다.

디젤엔진 배출물질 저감대책은 지난 수년간 주로 연소효율 향상과 같은 엔진 개선을 중심으로 이루어졌습니다. 기존의 직접분사 연료장치에 비해 고압의 연료 분사 시기와 분사량을 전자식으로 제어하여 엔진 소음과 배출가스의 양을 20-30% 저감할 수 있었고, 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR) 등의 디젤엔진 전자제어를 통하여 20-50%의 배출가스 저감에 성공하였습니다. 최근에는 요소수(우레아, 암모니아 수용액)를 분사해 질소산화물(NOX)를 정화하여 일산화탄소 등 유해가스를 인체에 무해한 질소와 물로 변환시키는 선택적 촉매 감소 기술(Selective Catalyst Reduction, SCR)을 일부 사용하고 있으며, 강화된 배출가스 규제 기준에 따라 확대 사용될 것으로 예상됩니다. 또한 미세먼지(PM)를 줄이기 위한 방안으로 제대로 연소되지 않아 생기는 탄화수소 찌꺼기 등 유해물질을 모아 필터로 걸러내고 550℃ 고온으로 다시 태워 오염물질을 줄이는 디젤 분진 필터(Diesel Particulate Filter, DPF)를 많이 장착하고 있습니다. 이 장치는 유해 물질이 필터에 일정량 이상 쌓이면 센서가 이를 인식하고 전자제어장치(ECU)가 자동으로 연료를 추가 분사해 이를 태우게 됩니다. DPF는 시간이 지나면 차량 성능 자체가 떨어질 수 있어 통상 1년에 한 번은 필터를 교체하거나 청소해야 합니다.이와 같이 여러 가지 디젤엔진 배출물질 저감기술의 발전에 따라 개별 디젤엔진 배출물질은 현저히 줄어들 것입니다. 하지만 궁극적으로는 내연기관의 배출물질을 완전히 제거하지는 못하므로 향후에는 대기오염물질을 배출하지 않는 전기자동차 등이 대안이 될 수 있을 것입니다.