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20. 먹는물의 원생동물가. 서론

  전염병의 범위는 매우 넓으며, 과거에 발병하였으나 이제는 정복했다고 생각한 전염병이 다시 발병하는 사례가 늘어나고 있어 여전히 많은 사람을 죽게 하는 원인으로 남아있다. 소독은 다양한 병원성 미생물을 제거하여 안전한 물을 공급하는 정수처리의 중심이 되어왔으며, 장티푸스나 콜레라와 같은 수인성 전염병은 상수도의 소독이 이루어지면서 거의 볼 수 없게 되었다. 그러나 최근 들어 먹는물에 존재하는 지아디아와 크립토스포리디움과 같은 병원성 미생물로 인한 집단발병사고가 일어나면서 전세계에서 이에 대한 연구를 활발하게 진행하고 있고 염소소독에 대해 다시 검토하고 있다.

  우리 나라의 경우 하천과 상수도계통에 대한 초보적 실태조사나 병원성 원생동물로 인한 집단적 발병사례가 아직 보고된 적이 없으므로, 문제의 심각성을 판단하기에는 아직 이르나 원생동물은 물을 매개로 하여 집단발병을 일으킬 위험이 있고, 외국의 발병사례를 볼 때, 우리 나라도 집단발병에서 예외일 수 없다.

나. 수인성 전염병원 원생동물의 종류

(1) 크립토스포리디움 : 구충류(Coccidia)의 하나로 6종이 알려져 있으며, 사람에 감염성이 있는 것은 Cryptosporidium parvum이다. 크립토스포리디움의 포낭을 oocyst라 하며 직경이 4∼6㎛인 구형으로 원생동물 중에서는 가장 작다. 살아있는 포낭은 내부에 바나나모양의 sporozoite를 4개 갖고 있다. 크립토스포리디움에 의한 질병을 cryptosporidiosis라 하며, 감염자의 80∼90%가 발병할 정도로 발병률이 높아 수인성발병이 일어날 경우 규모가 크고 범위가 넓은 특징을 갖는다. 크립토스포리디움에 감염되면 설사가 일어나 하루평균 3L의 수분손실이 일어나고, 복통, 메스꺼움, 구토, 발열 등의 증상도 나타난다. 이런 증상은 감염 후 평균 3∼6일 후 시작되며 이때 포낭을 배출한다.

(2) 지아디아 : 편모충류의 하나로 사람에게 감염성을 갖는 Giardia lamblia가 수돗물과 관련하여 중요성이 있다. 지아디아의 포낭을 cyst라 하며 길이 8∼12㎛, 폭 7∼10㎛의 계란형이다. 성숙한 포낭은 4개의 핵과 1쌍의 axonemes, 발톱모양의 median body 1쌍을 가진다. 지아디아에 의한 질병을 giardiasis라 하며, 감염된 사람의 약 24%만이 발병한다. 보통 감염 후 5∼10일의 잠복기간 후 설사, 복부 팽만, 장내 가스 팽만으로 인한 불쾌감 등의 증상이 나타난다. 사람에 따라서는 아무런 증상이 없거나 단기간 증상이 나타나나 쇠약한 사람들은 장기간에 걸쳐 증상이 나타난다.

(3) 이외에 아메바성 뇌수막염을 일으키는 Naegleria fowleri, 설사병을 일으키는 Cyclospora cayetanensis 및 Entamoeba histolytica, Balantidium coli, Acanthamoeba, Isospora belli, Microsporidia 등이 있으나 크립토스포리디움과 지아디아가 수인성 질병발병을 일으키는 주된 원생동물이다.

다. 전염경로

  사람과 같은 숙주의 체내에서 복잡한 생활사를 거쳐 증식한 후, 두꺼운 세포벽에 둘러싸인 포낭형태로 분변속에 섞여 외부에 배출된다. 이들 포낭이 증식하기 위해서는 숙주가 필요하기 때문에 환경에서는 증식하지 않는다. 1차 오염원은 감염된 사람과 가축 또는 야생동물의 분변이며, 원생동물을 입으로 섭취하면 감염이 일어나는데, 가장 빈번한 경로는 사람간 또는 사람과 동물간의 접촉이다. 수돗물을 통한 감염은 드물고 가능성이 매우 낮으나, 일단 감염이 일어난 경우 그 범위가 넓고 파급효과도 매우 커질 수 있어 집중적 관심의 대상이 되고 있다.

  감염된 사람은 보통 하루에 10⁹개의 포낭을 배출하며 소나 양은 하루에 10¹⁰개까지 무려 14일동안 배출한다. 따라서 가축사육장, 방목장 등은 주요한 오염원이 되며 특히 집중강우시 비점오염원으로 작용할 가능성이 많다. 또한 숙주동물이 매우 다양하기 때문에 새나 다람쥐 등의 많은 야생동물이 오염원으로 작용할 수 있어 인적이 없는 깊은 산 속의 맑은 물에서도 이들을 검출할 수 있다. 포낭을 포함한 인분은 하수처리장에 유입되어 생물학적처리공정을 거친다. 생물학적처리는 포낭의 최대 90%정도만 처리하므로 상수원으로 유입되는 하수처리장 방류수는 지속적 오염원이다.

  지아디아 포낭의 벽은 건조 또는 탈수와 같은 불리한 환경조건에서 본체를 보호하여 주지만, 주위조건에 따라 수시간 또는 수일이내에 구강으로 옮겨지지 않으면 사멸한다. 그러나 차가운 물 속에서는 약 2개월간 생존할 수 있다. 크립토스포리디움의 경우 물 속에서 90%가 불활성화되는데 50일에서 100일 정도가 걸린다. 이러한 특성으로 자연환경, 특히 토양이나 물은 원생동물을 일정기간 저장했다가 사람이나 동물에 전달하는 저장소 역할을 한다.

라. 최소감염농도(Minimum Infective Dose)

  감염을 일으킬 수 있는 최소감염농도에 대해서는 아직 확실하지 않지만, 건강한 성인을 대상으로 한 실험에서 50%의 발병율을 일으키는 크립토스포리디움 포낭의 농도(ID₅₀)를 132개로 추정하였다. 여러 실험과 역학조사결과로 미루어 크립토스포리디움의 최소감염농도는 대략 10∼100개정도로 추정되며, 경우에 따라서는 1∼5개의 포낭으로도 감염이 일어날 수 있다. 수돗물의 음용시 크립토스포리디움에 의해 발병이 일어날 수 있는 농도는 30∼35 포낭/100L로 추정된다. 선진국에서는 지금까지 발병사례로 보아 정수 100L당 10∼30개의 포낭을 초과할 경우 수인성 전염병의 가능성이 있는 것으로 간주하고 있다. 또한 위해성평가의 개념을 도입하여, 10,000명당 1명이 1년에 한번 감염될 정도의 위해성을 갖기 위해서는 정수의 농도를 0.003 포낭/100L이하로 유지해야 한다는 주장도 있다.

마. 국내외 발병사례

  전염병관리가 가장 체계화되어 있는 미국의 경우, 1989년부터 1994년까지 6년간 발생한 수인성 집단발병사건을 원인별로 분류해 보면, 지아디아는 발생건수의 18%, 발생환자의 0.3%를 차지하였고, 크립토스포리디움의 경우에는 발생건수의 9%, 환자수의 95%를 차지하였다. 감염률은 선진국의 경우 0.6∼20%, 개발도상국의 경우 4∼20%로 추정되고 있다. 우리 나라의 경우 1992년 서울과 전남 일부지역 주민을 대상으로 크립토스포리디움 감염률을 조사한 결과 서울 0.5%, 전남 10.6%로 큰 차이를 보였고, 전남의 한 농촌지역은 주민의 35.2%, 소의 93.3%가 감염되어 매우 높은 감염률을 나타냈다.

(1) 미국의 밀워키사고

  밀워키사고는 1920년이래 미국에서 가장 큰 수인성 집단발병사건으로 1993년 3∼4월에 발생하였다. 미국 위스콘신주에 위치한 밀워키시민 160만명이 크립토스포리디움을 함유한 수돗물에 노출되어 40만명(25%)이 발병하였고 면역력이 없는 에이즈환자 100여명이 사망하였다. 밀워키시는 미시간호를 상수원으로 하고 응집침전, 여과, 소독의 표준정수처리를 실시한다. 사고직전 집중호우와 해빙으로 원수의 탁도가 높아지고 하천유량이 증가하였으나 응집 및 여과효율은 향상되지 않아, 정수의 탁도가 0.25NTU에서 1.71NTU로 높아지고 크립토스포리디움이 적절히 제거되지 않은 것으로 추정되었다. 특히 역세척수를 그대로 재순환한 결과, 여과공정에서 농축된 크립토스포리디움이 원수농도를 증가시켜 완전한 제거를 어렵게 만들었다. 오염원으로는 취수장 상류에 위치한 도살장과 하수처리장, 소의 방목장 등이 의심받았다. 이러한 정수처리상의 문제에도 불구하고 정수는 모든 수질기준을 만족하였으며, 특히 병원성 미생물의 지표인 대장균군검사에서도 문제가 없었다.

(2) 일본의 오코세마치사고

  일본의 사이타마현 오코세마치에서는 1996년 6월 주민의 70%인 약 만명이 크립토스포리디움에 감염되는 사건이 있었다. 오코세마치 정수장은 표층수와 복류수를 함께 사용하며 표준정수처리에 응집제로 PAC를 사용하는데, 원수의 탁도 측정과 응집제의 주입기눈금이 정확하지 않아 원수의 탁도에 따라 응집제 주입을 조정하지 못하였다. 취수장 상류에는 하수처리장이 있어 초기에 발병한 환자의 분변에 들어있던 포낭이 하수처리장으로 다량 유입되어 처리되지 않은 채 다시 상수원으로 흘러 들어가 오염을 증가시키는 악순환이 일어났다. 또한 100여년만에 있는 가뭄으로 탁도가 34NTU로 높아졌다. 환자는 한달 이상 계속하여 발생하였고 하수처리장 방류수에서 포낭의 농도가 줄어들기까지 무려 3개월이 걸렸다.

(3) 집단발병사례의 특징

(가) 상수원 근처에 하수처리장, 방목장, 축사 등 오염원이 존재

(나) 집중호우 등으로 토양에 있는 원생동물이 하천으로 다량 유입되거나 갈수 등으로 원생동물농도를 평상시보다 급증시키는 기후 또는 계절적 원인

(다) 정수장 운영규정을 위반하지 않더라도 응집침전, 여과 등 처리가 부적절

(라) 지금까지 분변오염의 지표로 여겨왔던 대장균군은 적절히 기능하지 못함

(마) 원수와 정수에서 탁도가 증가

그림 4.20.1. 원인별 수인성 집단발병(미국)

표 4.20.1. 크립토스포리디움으로 인한 집단발병 사례
 

바. 분석방법

  지금까지 주로 사용한 검출방법은 미국환경청(USEPA)에서 제정한 미국정보수집법(ICR; Information Collection Rule)에서 규정한 방법으로 면역형광항체를 이용한 ICR법 또는 ASTM (American Society for Testing and Material)법이다. ICR법은 100∼1,000L의 많은 물을 카트리지필터로 여과한 후 밀도차를 이용한 Percoll - Sucrose Floatation과정으로 포낭을 분리해 형광항체로 염색하여 형광현미경으로 관찰, 계수하는 방법이다. 이 방법은 종까지 분류할 수 없으며 살아있는지, 감염력이 있는지 알 수 없다. 검출율은 지아디아 5∼44%, 크립토스포리디움 1∼35%로 매우 낮으며 분석자에 따라 차이가 커 결과의 신뢰도가 떨어지고 재현성이 낮은 한계를 가진다. 또한 검사에 오랜 시간이 걸리며, 검사방법도 까다로운 단점이 있다.

  ICR법의 단점을 보완하기 위해 미국환경청에서 개발한 1622/1623방법은 포낭의 분리에 면역자기분리법(IMS; Immunomagnetic Separation)을 사용하여 검출율을 40∼50%이상 높일 수 있고 검사방법도 ICR법에 비해 쉽다. 이외의 방법으로 보다 객관적 분석을 위해 Flow Cytometry, Solid-Phase Cytometry, PCR(Polymerase Chain Reaction), FISH(Fluorescent in situ Hybridization), 세포배양을 이용한 방법들이 개발되고 있다.

사. 분포실태

  지금까지 세계 여러 나라에서 상수원수에 대한 분포조사를 실시한 결과를 보면 세계적으로 광범위하게 존재한다. 미국의 경우, 상수원수인 지표수를 조사한 결과, 지아디아 양성률은 23∼67%, 크립토스포리디움은 6.2∼80%이었으며 검출시 농도는 수개에서 수십만개까지 다양하였다. 1996년 캐나다 72개 지방의 상수원수를 조사한 결과에 의하면, 지아디아는 21%, 크립토스포리디움은 4.5%로 나타났다. 정수의 경우에는 미국 전역에 대한 분포조사에서 지아디아는 0∼98%, 크립토스포리디움은 17∼32%의 양성률을 보였다. 1991년부터 1993년까지 미국 72개 정수장 정수의 크립토스포리디움 분포실태를 조사한 결과 양성률은 13.4%, 포낭의 농도는 0.29∼57개/100L였으며, 1996년 캐나다의 조사에서는 정수의 18.2%에서 지아디아가, 3.5%에서 크립토스포리디움이 검출되었다. 이러한 연구결과들은 사용한 검출방법의 낮은 검출율을 감안한다면 상당한 부분의 상수원수가 오염되어 있고 정수에서도 검출되고 있음을 보여준다.

아. 정수처리와 제거

  두꺼운 벽에 둘러싸인 포낭은 소독에 매우 강한 저항성이 있다. 특히 크립토스포리디움은 지금까지 알려진 병원성 미생물 중 소독저항성이 가장 강해, 염소처리로 99%를 불활성화하기 위해서는 80mg/L의 염소로 90분 접촉해야 한다. 대장균의 염소에 소독저항성을 1이라 할 때, 바이러스는 40인데 비해, 지아디아는 2,300, 크립토스포리디움은 170,000로 저항성이 매우 강하다. 따라서 현재의 표준정수처리의 경우 소독 전공정인 응집·침전·여과를 통해 크립토스포리디움은 충분히 제거되지 않으며 수도꼭지에서 검출될 가능성을 갖고 있다. 소독공정만을 고려할 경우에는 고농도의 오존이나 이산화염소를 사용하여야 크립토스포리디움의 제거가 가능하다.

자. 국내외 규정

  국내 정수장에서는 개개 수인성 병원체에 대한 규정이나 모니터링 규정은 없으며, 소독과 관련하여 총대장균, 일반세균, 관망에서 잔류염소의 유지에 대한 규정이 있다.

표 4.20.2. 외국의 크립토스포리디움 분포실태
 

표 4.20.3. 병원성 미생물의 99% 불활성화를 위한 소독제별 CT값
 

표 4.20.4. 국내 먹는물에서 소독관련 기준
 

  원생동물이 감염을 일으키는 최소농도는 매우 낮을 것으로 추정되어 미국의 경우 크립토스포리디움과 지아디아의 최대허용농도목표값(MCLG; Maximum Contaminant Level Goal)으로 "0"으로 설정하였다. 정수의 탁도는 정수처리수준을 평가하는 지표로 원생동물의 잔존여부를 가늠하는 기준으로 권장한다. 미국환경청과 수도협회(AWWA)는 정수의 탁도를 0.1NTU이하로 유지할 것을 권장한다. 1989년 제정된 미국의 지표수처리법(SWTR; Surface Water Treatment Rule)은 정수공정에서 소독을 강화하기 위해 지아디아를 최소한 3 log(99.9%) 제거하도록 규정하고 있다. 일본도 처리목표를 0.17NTU로 설정하고 이를 항상 유지하도록 권장하며, 원생동물의 오염가능성이 있다고 판단되면 급속 여과, 완속 여과, 막 여과 중 하나를 수행하여 0.17NTU이하를 달성하도록 하고 있다.

차. 대책

  안전한 물을 공급하기 위한 병원성 미생물에 대한 제어대책은 정수처리의 최적화를 목적으로 하는 다단계방어개념(Multiple Barrier Concept)에 기초한다. 다단계방어개념은 하나의 관리 및 기술대책으로는 충분하게 안전한 물을 공급할 수 없기 때문에, 사고발생으로 평상시에는 적절히 운영하던 공정이 실패하였을 경우 그 피해를 최소화하는 것이다.

(1) 상수원 관리

  원생동물에 대한 위험은 수원의 특성에 따라 크게 달라지는데, 지하수는 토양에 의한 정화작용을 거치므로 상대적으로 지표수보다 안전하다. 지표수의 경우에도 상류의 지표수가 하류의 지표수보다 오염가능성이 적다. 국내의 하수처리율이 낮은 점을 감안할 때 하수처리율을 높여야 하며, 하수처리공정에 소독공정을 포함하는 일도 중요하다.

  상수원 근처에 하수처리장, 축사 등 오염원이 존재하는지를 조사하여, 총대장균군보다 분변오염에 대해 보다 정확한 지표인 대장균이나 분원성대장균, 분원성연쇄상구균 등을 오염의 지표로 오염여부를 파악해야 한다. 원생동물의 농도는 탁도와 함께 올라가는 경우가 많으며 탁도의 증가는 원생동물 제거율을 감소시키므로 원수의 탁도를 상시 측정하여 정수처리에 의해 적정수준으로 제거할 수 있는지를 파악한다.

(2) 정수처리

  주로 물리화학적 처리에 의해 제거율을 향상시키는데, 현재 가장 보편적 정수처리방식인 응집침전, 급속 여과에 의한 크립토스포리디움의 제거율은 99∼99.7%정도로 추정된다. 특히 여과 전 응집처리가 제거에 큰 영향을 미치며, 급속 여과는 원생동물을 제거하기 위한 가장 중요한 공정이므로 최적 운영하여야 한다. 탁도는 0.1NTU를 항상 유지해야 하고, 원수의 수질이 나빠진 경우에는 역세척수의 순환을 중지하여야 한다.

(3) 긴급대응체계

  원생동물로 인한 발병에 신속히 대응하지 못하면 사고규모가 더욱 커지고 장기화될 수 있으므로, 각 지방별로 수도사업자와 보건당국간에 협조체계를 구축하여 사고발생시 공동 대응할 수 있는 긴급대응체계?