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- 세계보건기구(WHO)는 미세먼지 오염으로 인해 매년 약 600만 명이 사망한다고 추정
- 반응성 산소 라디칼(ROS)은 우리 세포와 조직의 분자와 매우 쉽게 반응해 특히 해롭다.
- 환경 과학자들은 이제 미세먼지에 얼마나 많은 산소 라디칼이 포함되어 있는지 측정
- 새 기술로 테스트 결과, 공기 중에 존재하는 산소 라디칼의 60~99%가 누락된 것으로 나타나

미세먼지에는 지금까지 생각했던 것보다 더 많은 오염 물질이 포함돼
수명이 짧은 산소 라디칼은 일반적인 미세먼지 측정 방법을 통과하지 못한다.

과소평가된 위험:
미세먼지는 예전에 생각했던 것보다 건강에 훨씬 더 해로울 수 있다. 새로운 측정 방법을 통해 공기 중에 이전에 기록된 것보다 훨씬 더 많은 산소 라디칼이 포함되어 있다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 고반응성 라디칼은 수명이 매우 짧아서 이미 알려진 수명이 긴 입자상 물질 성분보다 측정하기가 더 어렵다. 연구진이 "Science Advances"에 보고한 바에 따르면, 이들은 또한 인체 조직에서 더 심각한 염증을 유발한다.

▲ 미세먼지는 배기가스, 브레이크 마모, 도로교통의 아스팔트 등에서 발생한다.

수년간 미세먼지로 오염된 공기를 호흡한 사람들은 중증 질병에 걸릴 위험이 더 높다. 크기가 10㎛(마이크로미터) 미만, 보통 2.5㎛ 미만인 공기 중 입자는 폐와 조직 깊숙이 침투해 천식과 같은 만성 호흡기 문제와 심혈관 질환, 당뇨병, 치매를 일으킬 수 있다. 세계보건기구(WHO)는 미세먼지 오염으로 인해 매년 약 600만 명이 사망한다고 추정한다. 전 세계 대부분 사람은 현재 WHO가 권장하는 것보다 미세먼지 오염이 더 높은 지역에 살고 있다.

미세먼지 속의 작은 입자는 자동차 교통과 같은 인위적인 요인과 화산, 산불 또는 대기 반응과 같은 자연적인 요인에서 발생하는 수천 가지의 다양한 화학 물질로 구성된다. 어떤 화학 물질이 우리 몸에 영향을 미치는지, 그리고 정확히 어떻게 영향을 미치는지는 아직 일부만 연구되었다. 소위 반응성 산소 라디칼(ROS)은 우리 세포와 조직의 분자와 매우 쉽게 반응하기 때문에 특히 해로운 것으로 여겨진다. 이는 세포를 손상하고, 몸 전체에 영향을 미치는 염증을 유발할 수 있다.

미세먼지 모바일 측정장치

런던 임페리얼 칼리지의 스티븐 캠벨이 이끄는 환경 과학자들은 이제 미세먼지에 얼마나 많은 산소 라디칼이 포함되어 있는지 측정했다. 이를 위해 그들은 이전처럼 실험실에서 포집한 입자를 며칠 또는 몇 주 후에 분석하지 않고 현장에서 몇 초 만에 측정하는 새로운 측정 방법을 개발했다. 이를 통해 이전 연구에서 다른 물질과 반응하여 더 검출되지 않았던 휘발성 라디칼도 검출할 수 있다.

▲ 생물학적 SOAsecondary organic aerosol)의 ROS(reactive oxygen species)와 OPO는 몇 시간 내에 분해된다. (A) 오프라인 분석(OPt/OP0)은 ROS와 OP( Oxidative potential) 를 정량화하는 데 사용된 세 가지 주요 지표에 대한 생물학적 β-피넨 SOA의 필터 기반 ROSDCFH(빨간색), OPDTT(회색), OPAA(파란색) 분해를 보여준다. SOA 입자는 즉시 분석하기 전에 100초 동안 필터에서 수집되었다. 그런 다음 동일한 필터를 최대 1주일 동안 보관하는 동안 주기적으로 분석했다. OP0는 추출 직후의 오프라인 OP 측정값이고 OPt는 이후 시간 지점에서 측정한 값. 0~20분 분해 시간 사이의 데이터는 그림 S2에 표시되고 논의된다. 매우 짧은 입자 수집 및 처리 시간은 측정 불확실성을 더하고 5분에서의 OPDTT 데이터 포인트는 2분에서의 데이터 포인트보다 30% 더 높은데, 이는 3회 반복에서 관찰된 실험적 불확실성 내에 있다. (B) 오프라인 ROSDCFH 및 OPAA 붕괴 곡선[(A)와 동일한 데이터]은 온라인 정량화(분홍색 데이터 포인트)와 결합되어 온라인 데이터(OPoffline/OPonline)로 정규화되었습니다. 두꺼운 분홍색 오차 막대는 온라인 ROSDCFH 불확실성을 나타내고 얇은 오차 막대는 온라인 OPAA 불확실성을 나타낸다. 분석 결과 OPT의 10%와 ROST의 1%만이 1주일 이상 안정적이다. OPAA 데이터는 Utinger et al.(25)에서 가져왔습니다. (B)에 맞는 것은 SOA에서 서로 다른 반응 속도 상수를 갖는 두 개의 OP 성분이 1차 반응 속도론에 따라 감소하고 하나의 안정적인 OP 성분이 있다고 가정하는 것이다. ROST의 ~85%, OPT의 ~75%가 빠르게 감소하며 반감기는 각각 1.1분과 1.4분이다. 그 뒤를 이어 두 번째 성분이 더 느리게 감소한다(ROST의 경우 ~14%, OPT의 경우 ~15%). 감소하는 반감기는 각각 3.6시간과 37시간이다. 그 결과 반감기가 1주일 이상인 안정적인 성분(ROST의 경우 ~1%, OPT의 경우 10%)이 남는다. (출처:관련논문 Short-lived reactive components substantially contribute to particulate matter oxidative potential / Science Advances)

연구진은 지연 없이 미세먼지 속의 산소 라디칼을 직접 측정하기 위해 테프론 필터 대신 공기 중에서 직접 입자를 포집하여 액체에 모으는 모바일 장치를 개발했다. 이 수용액 속에서 라디칼은 지시약과 반응하여 형광 물질을 생성하는데, 이 물질의 발광은 분광기를 사용해 실시간으로 측정할 수 있다. 연구팀은 실험실 실험과 런던, 로스앤젤레스, 베이징 등의 도시로의 현장 답사 모두에서 이 장치를 사용했다.

오염 물질 함량 엄청나게 과소평가돼

결과:
이 새로운 방법으로 분석한 입자상 물질 샘플은 지연 분석을 통해 이전에 분석한 샘플보다 산소 라디칼 비율이 최대 100배 높았다. 새 기술을 활용한 테스트 결과, 오래된 샘플을 몇 분 후나 몇 시간 후 분석하느냐에 따라 실제로 공기 중에 존재하는 산소 라디칼의 60~99%가 누락된 것으로 나타났다.

▲ 오프라인 분석 전에 에어로졸 입자의 ROS 및 OP 활동의 상당 부분이 붕괴된다..

따라서 미세먼지 중 오염물질의 비율은 이전에 추정했던 것보다 훨씬 높다. "지연 분석의 측정 오차는 일정하지 않기 때문에 쉽게 계산할 수 없다"고 바젤 대학의 수석 저자 마르쿠스 칼베러는 설명한다. 그러므로 이전 데이터는 쉽게 수정할 수 없다. 실제 값을 얻으려면 해당 위치에서 새로운 측정을 수행해야 한다.

더 강한 염증 반응

하지만 현재 미세먼지에서 발견되는 수명이 짧은 산소 라디칼이 이전 측정에서 분석된 더 안정적인 라디칼만큼 해로울까? 이를 확인하기 위해 캠벨과 그의 동료들은 실험실에서 인간 폐 상피 세포에 미치는 효과를 시험했다. 수명이 짧은 미세먼지는 다양한 전달 물질을 방출하고, 심지어 수명이 긴 성분보다 면역 체계에 더 강한 염증 반응을 유발하는 것으로 나타났다. 따라서 이러한 라디칼은 이전에 생각했던 것보다 숫자가 더 많을 뿐만 아니라 더 해롭다.

캠벨과 그의 연구팀은 미세먼지 입자의 건강 영향과 출처를 더욱 자세히 조사하기 위해 측정 장치를 더욱 개발하고 여러 장소에서 표준화된 방식으로 사용하려고 한다. "우리가 고반응성 유해 성분의 비율을 보다 정확하고 신뢰할 수 있게 측정한다면, 우리는 보다 나은 보호 조치를 취할 수도 있다"고 칼베러는 설명했다.
(Science Advances, 2025; doi: 10.1126/sciadv.adp8100)
출처: Universität Basel

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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