Development of aggregate exposure assessment methodology based on co-use scenario of cosmetic products

Abstract

전통적인 화학물질 노출평가는 단일 노출원을 통한 노출에 한정된다. 인체에 노출되는 화학물질의 양을 현실적으로 추정하기 위해서는 단일 화학물질의 다양한 노출원과 노출경로를 고려한 종합노출평가를 실시할 필요가 있다. 화학물질의 노출 및 위해성평가에 사용되는 단계적 접근법은 종합노출평가에도 적용이 가능하지만, 구체적인 적용방법은 아직 논의된 바 없다. 본 연구의 목표는 소비자제품의 동시사용을 고려한 높은 단계의 종합노출평가법을 개발하는 것이다. 대상 제품은 화장품이며, 대상 화학물질은 디에틸헥실프탈레이트(di(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP), 디부틸프탈레이트(di-n-butyl phthalate, DnBP), 디에틸 프탈레이트(diethyl phthalate, DEP)의 프탈레이트 3종이다. 인구구성비에 근거한 비례대표추출을 통해 한국인 1,001명의 표본을 구축하고 가정방문설문조사를 통해 화장품 31종 사용에 대한 노출계수를 수집하였다. GC-MS-MS를 통해 214개 화장품 내의 프탈레이트 농도를 분석하였다. 첫번째 연구(chapter 2)는 화장품 사용을 통한 프탈레이트 노출을 수용체 기반 노출평가를 통해 추정하고 제품 기반 노출평가 결과와 비교하고자 하였다. 수용체 기반 노출평가는 개인이 동시에 사용(co-use)하거나 사용하지 않는(non-use) 제품을 고려하여 제품별 실제 노출계수를 통해 노출평가가 이루어진다. 제품 기반 노출평가는 제품 사용자의 노출계수에 인구집단의 사용률을 반영하여 노출평가가 이루어지며, 두가지 방법으로 추정한 노출량을 비교하였다. 수용체 기반 노출평가 방법으로 추정한 프탈레이트의 평균 종합노출량은 DEHP가 0.68 ± 0.87 μg/kg/day, DnBP가 1.08 ± 5.71 μg/kg/day, DEP가 2.47 ± 9.05 μg/kg/day이다. 수용체 기반 노출평가량에 기여율이 높은 화장품 분류는 DEHP는 스킨케어용품와 바디케어용품, DEP는 손톱케어용품, DEP는 방향용품과 헤어케어용품이었다. 인구학적 분류로는 젊은 여성 집단의 프탈레이트 노출량이 가장 높았다. 수용체 기반 노출평가 방법은 인구집단의 평균노출을 제품 기반 노출평가 방법보다 낮게 추정하였으나, DnBP와 DEP의 경우, 90분위수 이상의 고노출군의 노출량은 제품 기반 노출평가 방법보다 높게 추정하였다. 두번째 연구(chapter 3)는 화장품의 동시사용 패턴의 특징을 파악하고 성별과 연령에 따른 인구집단의 화장품 동시사용 시나리오를 작성하고자 하였다. 화장품의 동시사용 패턴은 정확한 종합노출평가를 위해 중요한 요소이다. 한국인의 국민대표 화장품 노출계수 데이터베이스가 화장품 동시사용 패턴 분석에 사용되었다. 1,001명의 화장품 31종의 사용여부를 사용과 비사용의 범주형 변수로 처리하였다. 동시사용 패턴 분석을 위해 세가지 분석법을 사용하였다. 첫째, 제품쌍의 상관성 분석을 위해 Cohen의 kappa 상관계수를 사용하였고, 화장품의 동시사용 패턴에 성별의 차이가 미치는 영향을 확인하였다. 둘째, 계층적 군집 분석을 위해 이원적 연결법을 사용하였고, 화장품의 군집이 많은 수의 제품이 포함된 거대한 하나의 클러스터와 1개 혹은 2개의 제품이 포함된 작은 클러스터로 분류되는 현상을 확인하였다. 셋째, 빈발 패턴 마이닝을 위해 eclat 알고리즘을 사용하였고, 사용하는 화장품의 개수와 동시사용 패턴은 성별과 연령이 모두 영향을 미치는 것을 확인하였다. 화장품의 동시사용 패턴은 새로움 제품이 기존의 제품 사용 패턴에 더해지는 누적성이 나타났다. 세 가지 분석법을 통해 확인한 화장품의 동시사용 패턴의 특징을 모두 반영하여, 동시사용 패턴 내 빈발 순위와 인구집단의 화장품 사용개수 분포를 결합하여 화장품 동시사용 시나리오를 작성하였다. 4가지 인구집단의 25, 50, 75, 95 분위수에 대한 화장품 31종의 동시사용 시나리오 16가지를 결정하였다. 세번째 연구(chapter 4)는 제품 동시사용 시나리오를 기반으로 종합노출평가를 실시하고 수용체 기반 노출평가법과의 비교를 통해 새로운 평가법을 검증하고자 하였다. 제품의 동시사용을 고려한 종합노출평가법은 모든 제품의 노출량을 합산하는 종합노출평가법보다 높은 단계의 평가법이다. 화장품 동시사용 시나리오를 통해 화장품 사용을 통한 DEHP, DnBP, DEP의 종합노출량을 확률론적 방법으로 추정하였다. 성별과 연령에 의한 4가지 인구집단의 25, 50, 75, 95분위수에 해당하는 종합노출량이 도출되었다. 민감도 분석을 통해 동시사용 시나리오 기반 종합노출량에 기여율이 큰 화장품을 규명하였다. 동시사용 기반 종합노출평가량은 인구집단의 75분위수 이하에서는 수용체 기반 종합노출평가량보다 컸고, 95분위수에서는 수용체 기반 종합노출평가량 보다 작았다. 새로운 종합노출평가법이 낮은 단계의 평가법인 제품 기반 노출평가법보다 가장 높은 단계의 평가법인 수용체 기반 노출평가법에 근접하여 중간 단계의 평가법임을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 개발한 동시사용 시나리오 기반 종합노출평가법을 통해 개인의 실제 사용 제품의 패턴과 노출계수를 매번 새롭게 조사할 필요없이 적은 종류의 입력값만으로도 종합노출평가를 실시할 수 있다. 동시사용 시나리오 기반 종합노출평가법은 수용체 기반 노출평가법보다 간단하고, 모든 제품이 아닌 동시사용과 비사용 제품을 고려한 현실적인 추정법이며, 종합 노출 및 위해성에 기반한 화학물질 및 제품 관리에 활용할 수 있다.

Traditional chemical exposure assessments were conducted to a single exposure source. For a realistic estimation of chemical exposures to human body, aggregate assessment of a chemical across multiple routes and sources should be considered. The tiered approach for chemical exposure and risk assessment could applied to aggregate exposure assessment. However, the specific application method was not yet developed. The objective of this study were to develop a higher tier aggregate exposure assessment methodology based on co-use scenarios of multiple consumer products and to apply for phthalate aggregate exposure assessment. The target consumer products were cosmetic products, and the target chemicals were three phthalates, that is, di(2-ethylhexyl)phthalate (DEHP), di-n-butyl phthalate (DnBP), and diethyl phthalate (DEP). Exposure factors for 31 cosmetic products were collected by face-to-face interviews with 1,001 subjects who were selected by national representative sampling of Korean population. The concentrations of phthalates in 214 cosmetic products were analyzed by GC-MS-MS. The first study aimed to estimate receptor-based aggregate exposures to phthalates through cosmetics and to compare with product-based aggregate exposures. A receptor-based aggregate exposure assessment was conducted according to individuals exposure factors and simultaneous use patterns including co-use and non-use. A product-based aggregate exposure assessment was conducted by product usage rates of population and users exposure factors. The average aggregate exposure dose (AED) determined by the receptor-based method for DEHP, DnBP, and DEP were 0.68 ± 0.87, 1.08 ± 5.71, and 2.47 ± 9.05 μg/kg/day, respectively. Based on the receptor-based AED, the most contributing cosmetics were skin care and body care products for DEHP, nail care products for DnBP, and fragrance and hair care products for DEP. The young female group showed the highest exposure. Although average population exposure by product-based aggregate exposure underestimated, 95th percentiles of product-based aggregate exposure for DnBP and DEP were significantly overestimated. The second study aimed to characterize co-use patterns of cosmetics and to determine the co-use scenarios for gender-age population groups. The co-use patterns of cosmetics should be critical for accurate aggregate exposure assessment. The Korean national representative exposure factor database was used to analyze the co-use patterns of cosmetics. The use or non-use of 31 cosmetics was treated as a categorical variable. Three analytical methods were applied to determine the co-use patterns. Cohens kappa coefficient was used to analyze the correlation between pairs of cosmetics. This method revealed an influence of gender on the co-use pattern of cosmetics. Hierarchical clustering analysis was performed using the binary linkage distance method. The clusters were divided into one large cluster and small clusters of one or two cosmetics. Frequent pattern mining was performed using the eclat algorithm. The number of used cosmetics and co-use pattern were influenced by gender and age of the population. The co-use patterns exhibited an additive property in that new cosmetics were added to previous combinations with increases in the number of cosmetics. In addition to the three analytical methods, a co-use scenario was proposed using the rank of frequency of occurrence in co-use patterns and percentile values of the distribution of the number of used cosmetics. The 16 co-use scenarios for the 31 cosmetics were determined to the 25, 50, 75, and 95th percentiles of the distribution of four gender-age population groups. The third study aimed to perform aggregate exposure assessment based on co-use scenarios from the second study and to validate the novel methodology by comparing with the results of receptor-based aggregate exposure assessment. Aggregate exposure assessment considering specific products in co-use scenario was a higher tier approach than product-based aggregate exposure assessment. The aggregate exposures to DEHP, DnBP, and DEP in cosmetics were estimated by co-use scenario based aggregate exposure assessment by probabilistic approaches. The AED values were derived representing 25, 50, 75 and 95th percentiles of four population groups by gender and age. The most contributing cosmetics to co-use scenario based AED were determined by sensitivity analysis. The validation of co-use scenario based aggregate exposure assessment methodology was conducted by comparison with receptor-based AED. The co-use scenario based AEDs were slightly higher than receptor-based AED below 75th percentiles of population, and slightly lower at 95th percentile. The aggregate exposure assessment methodology using co-use scenarios was closer to the receptor-based AED than product-based AED. These studies shows that co-use scenario based estimations could be useful to perform aggregate exposure assessment with less resources, rather than investigating each individuals actual product usage patterns each time. It was relatively simple estimation than the receptor-based estimation, nevertheless realistic estimation that considering co-use and non-use rather than all available products, and could be applied easily for integrated risk management of chemicals.