디젤분진은 입자와 가스의 혼합물로 알려진 수백 종 이상의 서로 다른 화합물질이 함유되어 있는 것으로 알려져 있다. 그리고 유럽, 미국 및 일본에서는 대기환경오염물질로서 그 위해성이 사회적으로 큰 관심이 되어왔다. 한편 2015년부터 대기환경기준에 PM2.5가 신설됨에 따라 디젤자동차에서 배출되는 미세먼지에 대한 특성 및 독성 자료가 필요하다. 현재까지 다양한 디젤자동차 미세먼지에 대한 연구가 진행되어 왔지만 디젤자동차의 디젤연료에 따른 미세먼지와 발암독성 관계에 대한 규명이 명확하게 이루지지 않고 있는 실정이다.
따라서 본 연구는 한국 및 유럽 규제모드인 European Stationary Cycle(ESC)모드 조건으로 운행된 디젤엔진이 부착된 디젤자동차에서 Base Diesel(BD), Bio Diesel 10%(BD10) 및 Bio Diesel 20%(BD20)를 연료로 사용하였을 때 발생되는 미세먼지의 특성 및 미세먼지에 흡착되어 있는 Polyaromatic Hydrocarbon류(PAHs)와 휘발성유기화합물(VOCs)을 분석하고 미세먼지의 유기성 추출물에 대한 유전독성 및 발암성평가를 수행하였다. 유전독성평가는 햄스터난소암조직(CHO-K1 cells)을 이용하여 In vitro micronucleus test(OECD TG487), In vitro chromosomal aberration assay(OECD TG473) 및 In vitro COMET assay(OECD daft)을 수행하였으며, 발암성 평가는 마우스세포주(BALB/c 3T3 A31-1-1)를 선정하여 In vitro cell transformation assay(OECD draft)를 수행하였다. 그 결과로 BD, BD10 및 BD20에서 PM2.5의 용적당 포집된 포집량은 3.29㎎/㎥(34회), 2.70㎎/㎥(44회) 및 2.55㎎/㎥(45회)이었으며, 바이오디젤을 섞은 연료에서 감소하는 경향을 나타냈다. 휘발성 물질을 분석한 결과 benzene 및 xylene은 일반 디젤에 비해 바이오디젤의 경우 유의적으로 발생 저감효과가 나타났고 toluene 및 ethylbenzene의 경우에는 유의적으로 감소되지는 않았으나 저감되는 경향이 나타났다. 따라서 디젤보다 바이오디젤을 섞을수록 휘발성물질이 점점 감소되는 것으로 판단되었다. 미세먼지에 대해 흡착되어 있는 16종의 PAH류를 분석한 결과로 PAH류의 총 합계인 바이오디젤을 연료로 사용한 경우 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 국제암연구소(IARC)에서 경유자동차의 배기가스를 1등급으로 상향조정 발표함에 있어 각각 PAH류에 대해 독성정도를 감안한 ∑B(a)P-TEQ치를 계산한 결과 BD, BD10 및 BD20에서 13.78, 12.41 및 3.32㎍-TEQ/g으로 각각 나타났다. 미세먼지의 유기성 추출물을 CHO-K1 cell에 노출시켜 CBMN (cytocharasin B micronucleus test), CA (chromosome aberration assay)및 COMET assay를 이용하여 유전독성을 평가한 결과 디젤시료에서는 염색체손상(소핵형성), 염색체 이상 및 DNA손상이 유의적으로 높게 나타났으나 바이오디젤 함량에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 미세먼지의 유기성 추출물을 BALB/c 3T3A31-1-1 cell에 노출시켜 cell transformation assay(CTA)를 이용하여 발암성을 평가한 결과 바이오 디젤 함량에 따라 colony수 및 발암성의 특성을 지니고 있는 세포형태학적 변화가 감소하는 경향으로 나타났다. 결론적으로 디젤연료를 바이오디젤과 섞어 사용할 경우 배출가스 중 폐포 깊숙이 침착되어 폐 독성을 유도할 수 있는 입자상물질(PM2.5)의 양을 감소시킬 수 있으며 또한 입자상물질에 흡착되어있는 발암성 물질 즉 PAH류의 농도를 감소시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 또한 입자상물질(PM2.5)의 유기성 추출물의 유전독성 및 발암성도 감소시킴을 확인할 수 있었다.

In this study, toxic response of particulate matter (PM2.5) emitted from diesel vehicle on mutagenicity and carcinogenicity was tested with comet assay, micronucleus test (MN assay), chromosome aberration (CA) and cell transformation assay (CTA). Diesel engines was operated with ESC driving cycle used for emission certification in Europe and Korea, and fueled with Base Diesel (BD), Bio Diesel 10%(BD10) and Bio Diesel 20%(BD20), respectively.
First, we analyzed the characteristics of particulate emission and volatile organic carbons (VOCs) and PAHs absorbed on PM2.5. BD10 and BD20 showed a significant reduction of benzene and xylene emission compared to BD. Toluene and ethylbenzene was slightly decreased but did not show a significant decrease compared to BD. In addition, PM2.5 mass concentration of BD, BD10 and BD20 were 3.29, 2.70 and 2.55 ㎎/㎥, respectively. These results indicated that use of biodiesel as diesel fuel could reduce level of VOCs and PM2.5.
Second, to identify PAHs absorbed on PM2.5, PM2.5 was extracted by dichloromethane (DCM) under high temperature and high pressure condition using ASE2000 apparatus. Among 16 PAHs, naphthalene (IARC group 2B), benz(a)anthracene (IARC group 2A) and benzo(a)pyrene (IARC group 1) were reported as the carcinogens and were detected in BD. However, in BD10, BD20, the levels of them was significantly decreased compared to BD and was not detected. Therefore, toxic equivalence of PAHs (b(a)p-TEQ) of BD, BD10 and BD20 were 13.78, 12.41 and 3.32 b(a)p-TEQ ㎍/g, respectively. The b(a)p-TEQ of BD10 and BD20 was greatly decreased compared to that of BD.
Third, we performed comet assay, MN test and CA for genotoxicity in Chinese Hamster Ovary cells (CHO-K1 cells) exposed to soluble organic extract of PM2.5 (BD, BD10 and BD20). BD was significantly increased DNA damage, MN formation and chromosome aberration compared to control, but BD10 and BD20 significantly decreased MN formation and chromosome aberration compared to BD.
Finally, to identify carcinogenicity effects of BD, BD10, and BD20, we conducted CTA in mouse cell (BALB/c 3T3 A31-1-1 cells). The results showed a significant increase of colony formation in cells exposed to the BD, but BD10 and BD20 showed a significant decrease of colony formation compared to the BD. These results indicated biodiesel may have a reduction for carcinogenicity of diesel.
In conclusion, we suggested the use of biodiesel as a diesel fuel play an important role in reduction of air pollution by a significant decrease of PM2.5, PAHs emission levels, genotoxicity, and carcinogenicity.