수소황화물에 의한 독성화
2019-12-09
org.kosen.entty.User@20953feb
김동석(daschu)
1. 개요
수소황화물은 비교적 흔히 발견되는 호흡을 통해 중독성을 일으키는 물질이다. 수소황화물은 1777년 스웨덴 과학자 Carl Wilhelm Schell에 의해서 발견되었으며 늪지, 화산등지에서 자연적으로 생성된다. 수소황화물은 달걀 썩은냄새와 비슷하며 공기보다 무거워서 바닥으로 퍼져나가는 성질이 있다. 수소황화물은 산업 현장에서두번째로 가장 많은 가스흡입으로 인해 치명적인 중독으로 이어지는 원인이다. 수소황화물에 의한 중독은 수소황화물이 다루어지는 모든곳에서 치명적으로 발생한다. 가장 빈번히 발생하는 산업 현장은 주로 원유를 다루는 산업인데 원유는 고농도의 수소황화물을 포함하는 경우가 많기 때문이다. 또한 황을 사용하는 제제소의 경우 역시 빈번한 장소로 조사되어진다. 수백, 수천마리의 돼지를 키우는 농업현장 역시 고농도의 황화수소물이 발생하고 이로 인해 매년 수백마리의 돼지 및 인부들을 중독시키고 있다. 그 외, 하수구, 정유소, 동물 처리소, 제지산업, 화산 지역등등이 주요한 수소황화물의 주요 원인이 된다. 또한, 최근 일본에서 시작되어 전세계적으로 퍼지게 된 자살의 방법으로도 널리 사용된다. 몇가지 화장실 세척 세제등을 이용해 쉽게 고농도의 수소황화물을 만들수 있기 때문에 널리 알려 지게 되었다. 화학 테러의 위협으로써 실제 세계 제 1차 대전에 사용되기도 했으며, 최근에는 자국 안전부 (Department of Homeland Security) 그리고 미국 이동 안전 관리국 (Transportation Security Administration) 에서는 수소황화물을 심각한 잠재적 화학 테러의 요소로 등재하여 관심을 가지고 있다. 고농도 수소황화물 노출로 인한 중독은 주요한 목표 장기로 폐, 심장, 중추신경계에 중독현상을 일으킨다. 하지만 수소황화물의 중독에 대한 명확한 메커니즘은 현재까지 자세히 규명되지 않고 있으며, 이를 치료하기 위한 해독제 역시 개발되어 있지 않다. 점점 발달해가는 산업화로 인한 위험의 증가, 자살 및 화학테러의 위험성등을 볼때 명확한 중독 메커니즘과 해독제의 개발이 빠른시간안에 이루어져야 한다. 이 보고서는 전반적인 수소황화물의 독성을 다룰것이다 [1-3].
수소황화물은 동물 및 인체 내에서 실제로 생성되고 제 3의 신경전달 가스 물질로 최근 주목받고 있으며 그 역할이 점점 더 밝혀 지고 있다. 하지만 수소황화물의 인체 내 농도는 매우 낮으며 생리학적인 수소황화물은 중독현상을 일으키지 않는다. 생리학적인 농도의 수소황화물은 여러가지 역할을 하는것으로 보고되고 있지만 명확한 역할을 규정하기에는 아직 너무 이른 단계에 있으며 이 보고서의 범위를 넘어서기 때문에 낮은 생리학적인 수소황화물의 토론은 삼가하겠다.
2. 수소황화물의 성질
수소황화물은 34.08 의 분자 무게를 가지며 눈에 보이지 않고 인화성이 강하며 달걀 썩은 냄새를 가지고 있다. 수소황화물은 공기보다 무거운 가스 (밀도 1.19)이고 바닥에 가라않는 성질이 있어 낮은 웅덩이 혹은 제한된 장소등에 고립되어 고농도의 수소황화물을 만들어내는 성질이 있다. 물보다는 기름에 잘 녹기 때문에 인체에 잘 흡수가 되며 쉽게 배출되기도 한다.
3. 수소황화물에 중독에 의한 독성 특징 (Toxidrome)
3.1. 급성 중독
비교적 낮은 농도의 수소황화물에 대한 노출이 중독성을 일으키는지는 아직까지 논란이 되고 있으므로 이 보고서에서는 배재하고 고농도의 수소황화물에 의한 중독현상을 다룰것이다. 수소황화물에 의한 중독 특징은 다른 가스에 의한 중독과 확연히 다르며 수소황화물의 의한 급성 중독 특징 [1, 2]은 다음 목록과 같다.
냄새 인지
결막염
후각 마비 (오랫동안 같은 냄새를 맡으면 더 냄새를 맡을수 없는 후각 피로와는 다르다)발작, 기절 (혹은 졸도)
폐 부종
호흡곤란
수소황화물의 중독은 다른 독성물질들 처럼 노출 정도에 의존적이기도 하지만 좀더 농도에 의존적이다. 예를 들어 비교적 낮은 고농도의 수소황화물의 긴 노출보다는 짧지만 훨씬 고농도의 수소황화물의 노출이 훨씬 심각하며 위험성을 가져다 준다. 급성노출의 수소황화물의 독특한 중독 특징은 농도 의존적이다 (표 1 참고).
표 1. 농도의존적인 수소황화물 중독에 의한 건강문제
0.05 – 5 ppm 불쾌한 달걀 썩는 냄새
10-20 ppm 눈 따끈거림
50-100 ppm 결막염, 심각한 눈손상
100-150 ppm 후각 마비, 더 이상 수소황화물의 냄새를 맡지 못함
150-250 ppm 코와 폐의 따끈거림, 구토, 두통, 어지러움
250-500 ppm 심각한 호흡 문제, 폐 부종
500-1000 ppm 중추신경계의 문제, 발작, 무호흡 증세, 혼수 상태, 급성 사망
1000 ppm 이상 급성 기절 (졸도), 호흡기 장애로 인한 사망
(Rumbeiha et al 눈문[1] 에서 인용)
3.2. 발작과 기절 (졸도)
고농도의 수소황화물에 의한 중독에 의해 일어나는 기절 (졸도)는 순식간에 정신을 잃어버리는 현상이다. 환자들의 경험에 의하면 어느 순간 스위치를 꺼버리듯 순식간에 정신을 잃어버리고 쓰러지게 된다고 한다. 또한 응급 처방후 환자들은 스위치를 켜듯 순식간에 정신을 되찾으며 어떠한 혼동이나 발작후 증세 같은 것을 겪지는 않는다. 이러한 기절현상 때문에 사고 현장에서 응급구원 요원들이 독성가스의 성질을 미처 파악하지 못하고 성급히 환자를 구하려다 같은 현장에서 수소황화물의 독성에 의해 기절하게 되어 목숨을 잃게 되는 위험성이 있으며, 이러한 실례들이 많이 보고 되고 있다. 동물실험 모델의 연구에 의하면 기절은 발작증세 이후 동반된다. 발작현상 역시 500 ppm 이상의 고농도 수소황하물의 노출에 의해 발생되며, 강직성발작, 뇌전적 발작, 강직-뇌전적 발작등 여러 종류의 발작현상이 발생한다. 이러한 수소황화물의 중독에 의한 발작은 일반적인 발작과는 다른 패턴을 보이고 있으며 현재 다양한 연구가 진행되고 있다.
3.3. 폐 부종 및 호흡기 질환
고농도의 수소황화물은 기절을 일으키기 때문에 빠른 시간안에 환자들이 구조되지 않으면 폐 부종, 호흡 질환을 일으킨다. 심각한 경우, 저산소증을 일으키기도 한다. 수소황화물은 물에 잘 녹지 않으므로 폐 깊숙한곳까지 들어가 손상을 일으킨다. 하지만 폐 부종 및 호흡질환은 다른 주요 장기들에 비하면 중독성이 약한편이며, 폐 부종 및 호흡기질환이 직접적인 죽음의 원인이 되는 경우는 드물다. 비교적 낮은 고농도 (150-250 ppm)의 수소황화물은 코와 폐에 따끈거림을 만들어주고 좀더 심한경우, 호흡기 질환을 일으킨다. 700ppm 이상의 고농도의 수소황화물은 생쥐 모델의 경우 일시적인 무호흡 증상을 일으키기도 한다. 이 일시적인 무호흡 증상의 메커니즘은 아직 밝혀 지지 않고 있으며 급성사망의 직접적인 원인이 되는지는 현재 연구 되어지고 있다.
3.4. 가스 눈 (따끔거리는 결막염)
“가스 눈”은 각막의 표면에 염증이 발생해서 생기는 현상인데 수소황화물의 강한 부식성질이 가스 눈을 일으킨다. 20 ppm의 비교적 낮은 고농도 수소황화물정도로도 가스 눈 현상을 일으킬수 있다. 심각할 경우, 안구의 미세 혈관이 부종을 일으켜 왜곡과 색상왜곡, 혹은 색상 후광을 발생시킬때도 있다. 원전에 근무하는 환자들의 경우, 가스 눈 현상과 후각 장애 현상을 지표로 삼아 수소황화물의 중독성을 판별하기도 한다.
3.5. 후각 장애
아주 낮은 농도 (1-5 ppm)의 수소황화물은 아주 불쾌한 달걀 썩는것 같은 냄새로 인해 환자들이 쉽게 가스 중독여부를 판별할수 있게 도와준다. 하지만, 100 ppm 이상의 고농도 수소황화물은 후각 신경작용을 마비시켜서 냄새를 맡지 못하게 한다. 이 후각마비는 오랫동안 같은 냄새를 맡으면 더 이상 느끼지 못하는 후각 피로와는 다르다.
3.6. 심장 장애
1000 ppm 이상의 고농도의 수소황화물에 대한 노출은 심장장애를 일으키는것으로 보고 되고 있다. 쥐 동물 모델의 연구에 의하면 수소황화물은 심근 장애를 일으켜 심장에서 출력되는 혈류량이 감소되는것으로 보고 되었다. 또, 고농도의 수소황화물은 심장 마비를 일으켜 급성 사망의 한 원인으로 보고 되었다. 하지만 이 연구들은 수소황화물 가스 대신 수소황화물을 일으키는 대체 화학 물질을 사용하였기에 좀 더 보강된 연구가 필요하다.
3.6. 수소황화물 중독에 의한 2차 증후근
고농도의 수소황화물에 대한 노출은 직접적으로 중추신경계에 영향을 주어 발작, 기절등을 일으킨다. 수소황화물에 의해 발작 혹은 기절을 하더라도 재빠른 구조와 치료는 심각한 신경손상을 예방할 수있다. 하지만, 1차적인 병원에서의 치료로 인해 일시적인 호전으로 퇴원한 환자의 경우에도 간혹 뒤늦은 2차 신경 후유증을 일으키는 경우도 있다. 어지러움증, 운동실조, 불면증, 피로, 불안감, 학습 및 인식 장애, 청각 능력 손실, 재발되는 발작등의 증상이 보고 되었다. 심각한 경우, 수소황화물의 중독이 식물인간 상태로 까지 발전된 경우도 보고 되었다. 동물 실험의 연구 결과 뇌간의 일부분인 inferior colliculus 부분과 시상부위의 신경세포가 죽는것으로 확인되었다[4]. 사람 환자의 경우, 중뇌의 일부분이 손상되는것으로 보고되기도 했다. 현재 수소황화물에 의해 신경세포가 죽는 메커니즘은 연구중이며 해독제 혹은 치료제의 개발에 도움이 될것으로 기대된다.
4. 수소황화물에 의한 중독의 치료
수소황화물 중독의 치료에 가장 중요한 점은 사고 현장에서 구조와 병원가기 전의 응급치료단계에 있다. 간단히 정리하면, 수소황화물 중독을 방비할수 있는 개인 보호장비 착용자의 환자 구조, 다른 외상에 대한 응급 치료, 안구 정화, 고농도의 산소 공급등에 있다. 현재까지 효과적인 해독제 및 치료제가 개발되어 있지 않다. 아질산염 (sodium nitrite) 치료, 4-디메틸아미노페놀 (4-dimethylaminophenol), 하이드록소 코발라민 (hydroxo cobalamine) 들은 청산가리 (cyanide) 중독에 쓰인 치료법으로써 수소황화물 중독에서도 쓰였지만 그 효과성에 대해서는 좀 더 연구가 필요하다. 티오 황산염 (thiosulfate) 치료법은 티오 황산염 자체가 수소황화물의 대사산물중의 한 물질임으로 추정에 의문이 있다. 산소 공급, 고압 산소, 저체온증 치료등이 급성 수소황화물 중독에 제시된 치료법이지만, 효과성에 대해서는 여전히 의문이 남아 있다. 그 외에 수소황화물을 붙잡는 역할을 하는 코비나마이드 (cobinamide) [5], 급성 신경독성을 방지하는 미다졸람 (midazolam) [6], 헤모글로빈의 환원 반응을 유도하는 메틸렌 블루 (methylene blue) [7] 등이 현재 활발히 연구 되고 있는 치료법들이다.
5. 수소황화물 중독의 독성동태학 (Toxicokinetics)
수소황화물 중독의 독성동태학은 현재까지 명료하게 알려져 있지 않다.
5.1. 흡수 (Absorption)
수소황화물 중독은 호흡을 통해서 흡수된다. 수소황하물은 물에 잘 녹지 않으므로 수용성 가스보다는 좀더 폐 깊은 곳 까지 전달되고 폐포-모세혈관 방벽은 순식간에 확산, 통과하여 분리된다. 따라서 수소황화물 중독은 정맥주사와 크게 다르지 않은 효과처럼 흡수된다.
5.2. 분포 (Distribution)
혈액내 황화물의 농도는 순식간에 높아져서 온 몸으로 퍼진다. 또한 황화물의 제거 역시 순식간에 일어난다.
5.3. 대사 (Metabolism)
체내 흡수된 수소황화물은 하이드로 황화물 이온 (hydrosulfide ion, HS-)로 해리 되며 자체적으로 황화물 (S=)로 변형된다. 황화물은 효소반응으로 티오 황화물 (thiosulfate, S2O3=) 로 산화되며 일반적인 대사과정을 거치게 된다. 일부 수소황화물은 여전히 수소황화물로 남아서 체내 메탈로단백질 (metalloproteins), 황화 단백질 (disulfide-containing proteins), 티오-황-메틸전달 효소 (thio-S-methyltransferase) 등의 물질과 반응한다.
5.4. 배설 (Execretion)
황화물은 신장을 통해 배출되고 독성학 관점에서 볼때, 속도 결정단계는 아니다.
6. 수소황화물 중독의 독성동력학 (Toxicodynamics)
수소황화물 중독은 노출 시간의 정도 보다 수소황화물의 농도가 훨씬 중요하다. 또한 수소황화물의 농도-반응의 상관관계 커브는 굉장히 가파르다.
6.1. 수소황화물 중독의 메커니즘
수소황화물 독성 메커니즘의 아주 오래된 가설은 시토크롬 씨 산화효소 (cytochrome C oxidase)를 방해하는것이다. 시토크롬 씨 산화효소는 미토콘드리아에서 주로 존재하며 산화적인 인산반응을 일으켜서 세포내 에너지를 만드는데 중요한 역할을 한다. 독성 이론적으로 수소황화물의 시토크롬 씨 산화효소 저해 반응은 에너지 생산을 중지시켜 생체내의 모든 활동을 멈추게 할 수 있다. 수소황화물의 시토크롬 씨 산화효소의 저해 반응은 In Vitro 실험과 In Vivo실험 모두에서 충분히 검증되었다. 하지만,시토크롬 씨 산화효소 반응의 저해가 동물실험 모델에서 실제로 에너지 생산 실패로 이어지는지는 충분히 검증되지 않았다. 또한, 많은 수소황화물 중독 환자들은 시토크롬 씨 산화효소 저해반응에 의해 나타나는 중독증상만을 가지고 있지는 않다. 그렇지만, 시토크롬 씨 산화효소 반응의 저해는 수소황화물 독성의 중요한 지표로 역할을 할수 있다.
또 다른 수소황화물의 중독 가설은 심장마비이다. 이 가설 역시 어느정도 시토크롬 씨 산화효소의 저해반응에 기초하고 있다. 수소황화물의 대체 화학물질을 사용한 동물 모델 연구는 심장마비 가설을 충분히 뒷바침하고 있다. 하지만, 수소황화물의 대체 화학물질에 의한 중독증상은 수소황화물 가스의 중독 증상과는 상당히 다른 양상을 띄고 있으므로 심장마비 가설은 좀 더 체계적인 연구가 필요하다.
또 다르게 제기된 가설은 신체 생리학적으로 저산소증을 일으켜 좀더 복잡한 신경전달 체계를 교란하여 일으키는 것이다. 실제 수소황화물은 폐 부종을 일으키고, 혈관의 팽창을 일으키며, 심장의 역할을 감소 시켜 세포에 산소의 공급을 저해한다. 또한, 세포내 에너지 생산의 저해와 맞물려 저산소증과 유사한 반응을 일으키며 실제 저산소증과 유사한 세포내 신경전달 체계의 교란을 일으킨다. 이 저산소증에 의해 세포내 신경전달물질의 관리가 엉망으로 되고 이로 인해 발작, 기절등을 일으키는것으로 보고 있다. 또한 심각할 경우, 신경세포를 죽게 만드는 원인으로 보고 있다. 이 가설의 연구는 현재 활발히 진행중이다.
수소황화물은 신경세포를 자극하여 활동시키는 것으로 보고 되고 있다. 실제 신경세포를 이용한 in Vitro 연구 모델은 이 가설을 충분히 뒷받침하였지만, in Vivo 동물 연구 모델을 이용한 연구는 진행되지 못하고 있어 좀더 명확한 연구와 뒷받침이 필요하다.
수소황화물이 직접적으로 생체내 단백질, DNA 같은 거대물질과 반응하여 생체 반응을 저해하는 가설도 제기 되었다. 굉장한 고농도의 수소황화물은 DNA 염기서열을 파괴하는것으로 보고 되었다. 하지만 실제 환자들에게서 DNA 염기서열 파괴현상이 동물 모델에서 얼마나 영향을 주는지는 아직 파악되지 못하고 있다. 수소황화물이 단백질에 직접 반응하여 신경전달 체계를 방해하는것은 in Vitro 연구 모델에서도 증명 되었다. 이러한 가설이 호흡 곤란, 발작, 졸도 같은 응급 중독의 직접 적인 원인이 되는지는 증명 되지 않았다.
7. 결론
수소황화물 중독은 우리 사회 전반에서 흔히 발생하지는 않지만 산업현장에서 2번째로 흔한 치명적인 흡입 독성 가스이다. 수소황화물은 눈에 보이지 않으며 후각을 마비 시키기 때문에 굉장히 위험한 독성 가스이다. 뿐만 아니라 자살의 한 방법으로 최근 사용되고 있고 잠재적인 화학 테러에 사용될 가능성도 있어 최근 주목 받고 있다. 하지만, 수소황화물 중독의 메커니즘이 현재까지 명확히 알려져 있지 않아 치료제 혹은 해독제 역시 개발되지 못하고 있다. 수소황화물 중독은 ‘가스 눈’, 후각 마비, 호흡 곤란, 폐 부종, 발작, 기절등 독특한 독성특징을 가지고 있으며 노출시간 보다는 수소황화물 가스의 농도에 훨신 민감하다. 수소황화물은 지용성에 더 가까워서 폐 깊숙한곳 까지 재빨리 들어가고 폐의 모세혈관에 순식간에 전달된다. 수소황화물 중독은 시토크롬 씨 산화효소의 저해, 심장 마비, 저산소증, 신경세포의 자극, 거대 생체 물질의 협착으로 인한 신경 교란등의 여러 메커니즘을 동반한다. 수소황화물의 해독제 개발을 위해 좀 더 활발한 긴급 연구가 필요하다. 수소황화물의 중독에 대비한 응급 구조 규범 또한 잘 만들어지고 지켜져야 할것이다.
수소황화물은 비교적 흔히 발견되는 호흡을 통해 중독성을 일으키는 물질이다. 수소황화물은 1777년 스웨덴 과학자 Carl Wilhelm Schell에 의해서 발견되었으며 늪지, 화산등지에서 자연적으로 생성된다. 수소황화물은 달걀 썩은냄새와 비슷하며 공기보다 무거워서 바닥으로 퍼져나가는 성질이 있다. 수소황화물은 산업 현장에서두번째로 가장 많은 가스흡입으로 인해 치명적인 중독으로 이어지는 원인이다. 수소황화물에 의한 중독은 수소황화물이 다루어지는 모든곳에서 치명적으로 발생한다. 가장 빈번히 발생하는 산업 현장은 주로 원유를 다루는 산업인데 원유는 고농도의 수소황화물을 포함하는 경우가 많기 때문이다. 또한 황을 사용하는 제제소의 경우 역시 빈번한 장소로 조사되어진다. 수백, 수천마리의 돼지를 키우는 농업현장 역시 고농도의 황화수소물이 발생하고 이로 인해 매년 수백마리의 돼지 및 인부들을 중독시키고 있다. 그 외, 하수구, 정유소, 동물 처리소, 제지산업, 화산 지역등등이 주요한 수소황화물의 주요 원인이 된다. 또한, 최근 일본에서 시작되어 전세계적으로 퍼지게 된 자살의 방법으로도 널리 사용된다. 몇가지 화장실 세척 세제등을 이용해 쉽게 고농도의 수소황화물을 만들수 있기 때문에 널리 알려 지게 되었다. 화학 테러의 위협으로써 실제 세계 제 1차 대전에 사용되기도 했으며, 최근에는 자국 안전부 (Department of Homeland Security) 그리고 미국 이동 안전 관리국 (Transportation Security Administration) 에서는 수소황화물을 심각한 잠재적 화학 테러의 요소로 등재하여 관심을 가지고 있다. 고농도 수소황화물 노출로 인한 중독은 주요한 목표 장기로 폐, 심장, 중추신경계에 중독현상을 일으킨다. 하지만 수소황화물의 중독에 대한 명확한 메커니즘은 현재까지 자세히 규명되지 않고 있으며, 이를 치료하기 위한 해독제 역시 개발되어 있지 않다. 점점 발달해가는 산업화로 인한 위험의 증가, 자살 및 화학테러의 위험성등을 볼때 명확한 중독 메커니즘과 해독제의 개발이 빠른시간안에 이루어져야 한다. 이 보고서는 전반적인 수소황화물의 독성을 다룰것이다 [1-3].
수소황화물은 동물 및 인체 내에서 실제로 생성되고 제 3의 신경전달 가스 물질로 최근 주목받고 있으며 그 역할이 점점 더 밝혀 지고 있다. 하지만 수소황화물의 인체 내 농도는 매우 낮으며 생리학적인 수소황화물은 중독현상을 일으키지 않는다. 생리학적인 농도의 수소황화물은 여러가지 역할을 하는것으로 보고되고 있지만 명확한 역할을 규정하기에는 아직 너무 이른 단계에 있으며 이 보고서의 범위를 넘어서기 때문에 낮은 생리학적인 수소황화물의 토론은 삼가하겠다.
2. 수소황화물의 성질
수소황화물은 34.08 의 분자 무게를 가지며 눈에 보이지 않고 인화성이 강하며 달걀 썩은 냄새를 가지고 있다. 수소황화물은 공기보다 무거운 가스 (밀도 1.19)이고 바닥에 가라않는 성질이 있어 낮은 웅덩이 혹은 제한된 장소등에 고립되어 고농도의 수소황화물을 만들어내는 성질이 있다. 물보다는 기름에 잘 녹기 때문에 인체에 잘 흡수가 되며 쉽게 배출되기도 한다.
3. 수소황화물에 중독에 의한 독성 특징 (Toxidrome)
3.1. 급성 중독
비교적 낮은 농도의 수소황화물에 대한 노출이 중독성을 일으키는지는 아직까지 논란이 되고 있으므로 이 보고서에서는 배재하고 고농도의 수소황화물에 의한 중독현상을 다룰것이다. 수소황화물에 의한 중독 특징은 다른 가스에 의한 중독과 확연히 다르며 수소황화물의 의한 급성 중독 특징 [1, 2]은 다음 목록과 같다.
냄새 인지
결막염
후각 마비 (오랫동안 같은 냄새를 맡으면 더 냄새를 맡을수 없는 후각 피로와는 다르다)발작, 기절 (혹은 졸도)
폐 부종
호흡곤란
수소황화물의 중독은 다른 독성물질들 처럼 노출 정도에 의존적이기도 하지만 좀더 농도에 의존적이다. 예를 들어 비교적 낮은 고농도의 수소황화물의 긴 노출보다는 짧지만 훨씬 고농도의 수소황화물의 노출이 훨씬 심각하며 위험성을 가져다 준다. 급성노출의 수소황화물의 독특한 중독 특징은 농도 의존적이다 (표 1 참고).
표 1. 농도의존적인 수소황화물 중독에 의한 건강문제
0.05 – 5 ppm 불쾌한 달걀 썩는 냄새
10-20 ppm 눈 따끈거림
50-100 ppm 결막염, 심각한 눈손상
100-150 ppm 후각 마비, 더 이상 수소황화물의 냄새를 맡지 못함
150-250 ppm 코와 폐의 따끈거림, 구토, 두통, 어지러움
250-500 ppm 심각한 호흡 문제, 폐 부종
500-1000 ppm 중추신경계의 문제, 발작, 무호흡 증세, 혼수 상태, 급성 사망
1000 ppm 이상 급성 기절 (졸도), 호흡기 장애로 인한 사망
(Rumbeiha et al 눈문[1] 에서 인용)
3.2. 발작과 기절 (졸도)
고농도의 수소황화물에 의한 중독에 의해 일어나는 기절 (졸도)는 순식간에 정신을 잃어버리는 현상이다. 환자들의 경험에 의하면 어느 순간 스위치를 꺼버리듯 순식간에 정신을 잃어버리고 쓰러지게 된다고 한다. 또한 응급 처방후 환자들은 스위치를 켜듯 순식간에 정신을 되찾으며 어떠한 혼동이나 발작후 증세 같은 것을 겪지는 않는다. 이러한 기절현상 때문에 사고 현장에서 응급구원 요원들이 독성가스의 성질을 미처 파악하지 못하고 성급히 환자를 구하려다 같은 현장에서 수소황화물의 독성에 의해 기절하게 되어 목숨을 잃게 되는 위험성이 있으며, 이러한 실례들이 많이 보고 되고 있다. 동물실험 모델의 연구에 의하면 기절은 발작증세 이후 동반된다. 발작현상 역시 500 ppm 이상의 고농도 수소황하물의 노출에 의해 발생되며, 강직성발작, 뇌전적 발작, 강직-뇌전적 발작등 여러 종류의 발작현상이 발생한다. 이러한 수소황화물의 중독에 의한 발작은 일반적인 발작과는 다른 패턴을 보이고 있으며 현재 다양한 연구가 진행되고 있다.
3.3. 폐 부종 및 호흡기 질환
고농도의 수소황화물은 기절을 일으키기 때문에 빠른 시간안에 환자들이 구조되지 않으면 폐 부종, 호흡 질환을 일으킨다. 심각한 경우, 저산소증을 일으키기도 한다. 수소황화물은 물에 잘 녹지 않으므로 폐 깊숙한곳까지 들어가 손상을 일으킨다. 하지만 폐 부종 및 호흡질환은 다른 주요 장기들에 비하면 중독성이 약한편이며, 폐 부종 및 호흡기질환이 직접적인 죽음의 원인이 되는 경우는 드물다. 비교적 낮은 고농도 (150-250 ppm)의 수소황화물은 코와 폐에 따끈거림을 만들어주고 좀더 심한경우, 호흡기 질환을 일으킨다. 700ppm 이상의 고농도의 수소황화물은 생쥐 모델의 경우 일시적인 무호흡 증상을 일으키기도 한다. 이 일시적인 무호흡 증상의 메커니즘은 아직 밝혀 지지 않고 있으며 급성사망의 직접적인 원인이 되는지는 현재 연구 되어지고 있다.
3.4. 가스 눈 (따끔거리는 결막염)
“가스 눈”은 각막의 표면에 염증이 발생해서 생기는 현상인데 수소황화물의 강한 부식성질이 가스 눈을 일으킨다. 20 ppm의 비교적 낮은 고농도 수소황화물정도로도 가스 눈 현상을 일으킬수 있다. 심각할 경우, 안구의 미세 혈관이 부종을 일으켜 왜곡과 색상왜곡, 혹은 색상 후광을 발생시킬때도 있다. 원전에 근무하는 환자들의 경우, 가스 눈 현상과 후각 장애 현상을 지표로 삼아 수소황화물의 중독성을 판별하기도 한다.
3.5. 후각 장애
아주 낮은 농도 (1-5 ppm)의 수소황화물은 아주 불쾌한 달걀 썩는것 같은 냄새로 인해 환자들이 쉽게 가스 중독여부를 판별할수 있게 도와준다. 하지만, 100 ppm 이상의 고농도 수소황화물은 후각 신경작용을 마비시켜서 냄새를 맡지 못하게 한다. 이 후각마비는 오랫동안 같은 냄새를 맡으면 더 이상 느끼지 못하는 후각 피로와는 다르다.
3.6. 심장 장애
1000 ppm 이상의 고농도의 수소황화물에 대한 노출은 심장장애를 일으키는것으로 보고 되고 있다. 쥐 동물 모델의 연구에 의하면 수소황화물은 심근 장애를 일으켜 심장에서 출력되는 혈류량이 감소되는것으로 보고 되었다. 또, 고농도의 수소황화물은 심장 마비를 일으켜 급성 사망의 한 원인으로 보고 되었다. 하지만 이 연구들은 수소황화물 가스 대신 수소황화물을 일으키는 대체 화학 물질을 사용하였기에 좀 더 보강된 연구가 필요하다.
3.6. 수소황화물 중독에 의한 2차 증후근
고농도의 수소황화물에 대한 노출은 직접적으로 중추신경계에 영향을 주어 발작, 기절등을 일으킨다. 수소황화물에 의해 발작 혹은 기절을 하더라도 재빠른 구조와 치료는 심각한 신경손상을 예방할 수있다. 하지만, 1차적인 병원에서의 치료로 인해 일시적인 호전으로 퇴원한 환자의 경우에도 간혹 뒤늦은 2차 신경 후유증을 일으키는 경우도 있다. 어지러움증, 운동실조, 불면증, 피로, 불안감, 학습 및 인식 장애, 청각 능력 손실, 재발되는 발작등의 증상이 보고 되었다. 심각한 경우, 수소황화물의 중독이 식물인간 상태로 까지 발전된 경우도 보고 되었다. 동물 실험의 연구 결과 뇌간의 일부분인 inferior colliculus 부분과 시상부위의 신경세포가 죽는것으로 확인되었다[4]. 사람 환자의 경우, 중뇌의 일부분이 손상되는것으로 보고되기도 했다. 현재 수소황화물에 의해 신경세포가 죽는 메커니즘은 연구중이며 해독제 혹은 치료제의 개발에 도움이 될것으로 기대된다.
4. 수소황화물에 의한 중독의 치료
수소황화물 중독의 치료에 가장 중요한 점은 사고 현장에서 구조와 병원가기 전의 응급치료단계에 있다. 간단히 정리하면, 수소황화물 중독을 방비할수 있는 개인 보호장비 착용자의 환자 구조, 다른 외상에 대한 응급 치료, 안구 정화, 고농도의 산소 공급등에 있다. 현재까지 효과적인 해독제 및 치료제가 개발되어 있지 않다. 아질산염 (sodium nitrite) 치료, 4-디메틸아미노페놀 (4-dimethylaminophenol), 하이드록소 코발라민 (hydroxo cobalamine) 들은 청산가리 (cyanide) 중독에 쓰인 치료법으로써 수소황화물 중독에서도 쓰였지만 그 효과성에 대해서는 좀 더 연구가 필요하다. 티오 황산염 (thiosulfate) 치료법은 티오 황산염 자체가 수소황화물의 대사산물중의 한 물질임으로 추정에 의문이 있다. 산소 공급, 고압 산소, 저체온증 치료등이 급성 수소황화물 중독에 제시된 치료법이지만, 효과성에 대해서는 여전히 의문이 남아 있다. 그 외에 수소황화물을 붙잡는 역할을 하는 코비나마이드 (cobinamide) [5], 급성 신경독성을 방지하는 미다졸람 (midazolam) [6], 헤모글로빈의 환원 반응을 유도하는 메틸렌 블루 (methylene blue) [7] 등이 현재 활발히 연구 되고 있는 치료법들이다.
5. 수소황화물 중독의 독성동태학 (Toxicokinetics)
수소황화물 중독의 독성동태학은 현재까지 명료하게 알려져 있지 않다.
5.1. 흡수 (Absorption)
수소황화물 중독은 호흡을 통해서 흡수된다. 수소황하물은 물에 잘 녹지 않으므로 수용성 가스보다는 좀더 폐 깊은 곳 까지 전달되고 폐포-모세혈관 방벽은 순식간에 확산, 통과하여 분리된다. 따라서 수소황화물 중독은 정맥주사와 크게 다르지 않은 효과처럼 흡수된다.
5.2. 분포 (Distribution)
혈액내 황화물의 농도는 순식간에 높아져서 온 몸으로 퍼진다. 또한 황화물의 제거 역시 순식간에 일어난다.
5.3. 대사 (Metabolism)
체내 흡수된 수소황화물은 하이드로 황화물 이온 (hydrosulfide ion, HS-)로 해리 되며 자체적으로 황화물 (S=)로 변형된다. 황화물은 효소반응으로 티오 황화물 (thiosulfate, S2O3=) 로 산화되며 일반적인 대사과정을 거치게 된다. 일부 수소황화물은 여전히 수소황화물로 남아서 체내 메탈로단백질 (metalloproteins), 황화 단백질 (disulfide-containing proteins), 티오-황-메틸전달 효소 (thio-S-methyltransferase) 등의 물질과 반응한다.
5.4. 배설 (Execretion)
황화물은 신장을 통해 배출되고 독성학 관점에서 볼때, 속도 결정단계는 아니다.
6. 수소황화물 중독의 독성동력학 (Toxicodynamics)
수소황화물 중독은 노출 시간의 정도 보다 수소황화물의 농도가 훨씬 중요하다. 또한 수소황화물의 농도-반응의 상관관계 커브는 굉장히 가파르다.
6.1. 수소황화물 중독의 메커니즘
수소황화물 독성 메커니즘의 아주 오래된 가설은 시토크롬 씨 산화효소 (cytochrome C oxidase)를 방해하는것이다. 시토크롬 씨 산화효소는 미토콘드리아에서 주로 존재하며 산화적인 인산반응을 일으켜서 세포내 에너지를 만드는데 중요한 역할을 한다. 독성 이론적으로 수소황화물의 시토크롬 씨 산화효소 저해 반응은 에너지 생산을 중지시켜 생체내의 모든 활동을 멈추게 할 수 있다. 수소황화물의 시토크롬 씨 산화효소의 저해 반응은 In Vitro 실험과 In Vivo실험 모두에서 충분히 검증되었다. 하지만,시토크롬 씨 산화효소 반응의 저해가 동물실험 모델에서 실제로 에너지 생산 실패로 이어지는지는 충분히 검증되지 않았다. 또한, 많은 수소황화물 중독 환자들은 시토크롬 씨 산화효소 저해반응에 의해 나타나는 중독증상만을 가지고 있지는 않다. 그렇지만, 시토크롬 씨 산화효소 반응의 저해는 수소황화물 독성의 중요한 지표로 역할을 할수 있다.
또 다른 수소황화물의 중독 가설은 심장마비이다. 이 가설 역시 어느정도 시토크롬 씨 산화효소의 저해반응에 기초하고 있다. 수소황화물의 대체 화학물질을 사용한 동물 모델 연구는 심장마비 가설을 충분히 뒷바침하고 있다. 하지만, 수소황화물의 대체 화학물질에 의한 중독증상은 수소황화물 가스의 중독 증상과는 상당히 다른 양상을 띄고 있으므로 심장마비 가설은 좀 더 체계적인 연구가 필요하다.
또 다르게 제기된 가설은 신체 생리학적으로 저산소증을 일으켜 좀더 복잡한 신경전달 체계를 교란하여 일으키는 것이다. 실제 수소황화물은 폐 부종을 일으키고, 혈관의 팽창을 일으키며, 심장의 역할을 감소 시켜 세포에 산소의 공급을 저해한다. 또한, 세포내 에너지 생산의 저해와 맞물려 저산소증과 유사한 반응을 일으키며 실제 저산소증과 유사한 세포내 신경전달 체계의 교란을 일으킨다. 이 저산소증에 의해 세포내 신경전달물질의 관리가 엉망으로 되고 이로 인해 발작, 기절등을 일으키는것으로 보고 있다. 또한 심각할 경우, 신경세포를 죽게 만드는 원인으로 보고 있다. 이 가설의 연구는 현재 활발히 진행중이다.
수소황화물은 신경세포를 자극하여 활동시키는 것으로 보고 되고 있다. 실제 신경세포를 이용한 in Vitro 연구 모델은 이 가설을 충분히 뒷받침하였지만, in Vivo 동물 연구 모델을 이용한 연구는 진행되지 못하고 있어 좀더 명확한 연구와 뒷받침이 필요하다.
수소황화물이 직접적으로 생체내 단백질, DNA 같은 거대물질과 반응하여 생체 반응을 저해하는 가설도 제기 되었다. 굉장한 고농도의 수소황화물은 DNA 염기서열을 파괴하는것으로 보고 되었다. 하지만 실제 환자들에게서 DNA 염기서열 파괴현상이 동물 모델에서 얼마나 영향을 주는지는 아직 파악되지 못하고 있다. 수소황화물이 단백질에 직접 반응하여 신경전달 체계를 방해하는것은 in Vitro 연구 모델에서도 증명 되었다. 이러한 가설이 호흡 곤란, 발작, 졸도 같은 응급 중독의 직접 적인 원인이 되는지는 증명 되지 않았다.
7. 결론
수소황화물 중독은 우리 사회 전반에서 흔히 발생하지는 않지만 산업현장에서 2번째로 흔한 치명적인 흡입 독성 가스이다. 수소황화물은 눈에 보이지 않으며 후각을 마비 시키기 때문에 굉장히 위험한 독성 가스이다. 뿐만 아니라 자살의 한 방법으로 최근 사용되고 있고 잠재적인 화학 테러에 사용될 가능성도 있어 최근 주목 받고 있다. 하지만, 수소황화물 중독의 메커니즘이 현재까지 명확히 알려져 있지 않아 치료제 혹은 해독제 역시 개발되지 못하고 있다. 수소황화물 중독은 ‘가스 눈’, 후각 마비, 호흡 곤란, 폐 부종, 발작, 기절등 독특한 독성특징을 가지고 있으며 노출시간 보다는 수소황화물 가스의 농도에 훨신 민감하다. 수소황화물은 지용성에 더 가까워서 폐 깊숙한곳 까지 재빨리 들어가고 폐의 모세혈관에 순식간에 전달된다. 수소황화물 중독은 시토크롬 씨 산화효소의 저해, 심장 마비, 저산소증, 신경세포의 자극, 거대 생체 물질의 협착으로 인한 신경 교란등의 여러 메커니즘을 동반한다. 수소황화물의 해독제 개발을 위해 좀 더 활발한 긴급 연구가 필요하다. 수소황화물의 중독에 대비한 응급 구조 규범 또한 잘 만들어지고 지켜져야 할것이다.