독성 물질 대신 미생물 이용해 구리 추출

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-13 00:24:38
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* 박테리아가 광산 폐수에서 구리 황산염을 원자 구리로 변환시켜
* 145개의 단백질이 구리 화합물이 있는 경우에만 박테리아에 존재
* 15개의 다른 단백질이 구리 변환에 결정적, 3개는 구리흡수와 수송에, 11개는 황산구리를 원자 구리 환원에 관여

독성 물질 대신 미생물을 이용한 구리 추출
박테리아는 광산 폐수에서 구리 황산염을 원자 구리로 변환한다.


흥미로운 발견 :
미래에는 독성 용액을 사용하는 대신 생물학적으로 구리를 추출할 수 있다.
연구자들이 광산 폐수에서 발견되는 황산구리를 원자 구리로 전환할 수 있는 박테리아를 발견했기 때문이다. 브라질 구리 광산에서 발견된 미생물은 구리 및 기타 금속을 친환경적으로 추출할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 연구진이 "Science Advances" 저널에 보고한 내용이다. 

▲ 미국 유타주 솔트 레이크 시티 인근 켄네콧 구리 회사(Kennecott Copper Corporation)의 빙햄 계곡(Bingham Canyon) 광산 (Author : Holger Zernetsch)


구리는 선사 시대부터 인기 있는 금속 원료였다.
그 당시 금속은 청동, 보석 및 화폐의 기초로 사용됐다. 오늘날 구리는 전기 및 열 전도성이 우수해 전자 및 기술에서 중요한 원료다. 금속은 케이블, 전자석, 센서 뿐만 아니라 구리 파이프, 항균 코팅 및 합금에도 사용된다.
 
침전지에서 흔적 찾기

"원자 구리의 추출은 여전히 ​​어려운 일이며 복잡한 생산 단계와 독성 화학 물질이 필요하다."라고 상파울루 대학의 루이제 하스 그라치오소(Louise Hase Gracioso)와 동료들은 설명했다. 구리도 천연이지만 많은 침전물은 먼저 화학적 추출을 통해 정제해야 하는 구리 함유 미네랄로 구성된다.

Gracioso와 팀은 용해된 구리 화합물에서 생물학적으로 단일 원자 구리를 생성할 수있는 미생물을 발견했다. 그들은 브라질 구리 광산의 침전지 퇴적물에서 박테리아를 추적했다. 이 분지의 슬러지는 주로 황산구리를 함유하고 있다. 연구팀은 아직 알려지지 않은 바실러스 종의 박테리아가 퇴적물에 살고 있음을 DNA 분석을 통해 확인한 후 실험실에서 더 면밀히 샘플을 조사했다. 

▲ 물로 가득찬 이전 노천 구리 광산 말레이시아의 Mamut Copper Mine. 분화구의 지름은 1.2km, 깊이는 500m이다.

Photo by CEphoto, Uwe Aranas / © CEphoto, Uwe Aranas


녹색에서 주황색으로

연구자들이 황산구리를 함유한 배지에서 미생물을 배양했을 때 놀라운 일이 나타났다.
48시간 후에 원래 녹색 영양 배지가 주황색으로 변했다. "이 색상의 변화는 황산구리(CuSO4)가 Cu^0로의 전환을 나타낸다"고 그라치오소(Gracioso)와 동료들이 설명했다.

전자 현미경 및 스펙트럼 분석을 통한 분석은 이제 개별 구리 원자가 영양 용액에 존재한다는 것을 확인했다.

"구리 광산에서 분리된 이 박테리아는 단일 원자 구리를 생산하는 능력을 보여준다”고 연구팀은 말했다. "이 미생물 전환은 또한 자연적인 호기성 조건에서 독성 용매 없이 발생한다."
▲ 구리 광산 폐수의 녹색은 무엇보다도 황산구리가 용해되어 있음을 나타낸다. © Jodi Jacobson/ Getty Images

구리 함유 침액((浸液)도 미생물에게 스트레스를 준다

프로테옴 분석을 사용해 Gracioso와 그녀의 팀은 박테리아가 이 전환을 어떻게 수행하는지 조사했다. 이를 위해 그들은 구리가 없고 황산구리가 포함된 영양 용액에서 미생물이 생산하는 단백질을 분석했다.
내생 포자가 있는 Bacillus 속 세균 (염색되지 않은 위상차 현미경) https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Endospore_Bazillus.jpg

결과 :

145개의 단백질이 구리 화합물이 있는 경우에만 박테리아에 존재했다.
이 중 105개는 미생물의 1차 탄소 및 에너지 대사에 속하며 방어 및 스트레스 방지 기능에 관여했다.


연구진은 "이는 구리 노출이 박테리아 세포에 부정적인 영향을 미치며 스트레스에서 살아남기 위해 더 많은 에너지를 사용해야 한다는 것을 나타낸다"고 설명했다. 황산구리는 구리 채굴의 전형적인 부산물이며 대부분의 유기체에 매우 독성이 있다. 침전지에서 생존하기 위해 바실러스 미생물은 특별한 적응을 개발해야 했다. 

▲ Kilianstollen (Marsberg) : 버려진 철-구리 광산

구리 환원을 위한 특수 효소

15개의 다른 단백질이 구리 변환에 결정적인 것으로 밝혀졌다.
이들 중 3개는 구리 흡수 및 수송에 관여하고, 11개의 효소가 황산구리를 원자 구리로 환원시키는 것을 촉매하고 안정화 시킨다. 이중으로 양전하를 띤 구리 이온은 황산염에서 중성 구리 원자로 변환된다. “산성 광산 폐수에서 나온 미생물은 금속 이온을 귀중한 원료로 바꿀 수 있다”고 Gracioso와 팀은 말했다.


연구원들에 따르면, 이 미생물의 발견은 오염된 광산 폐수를 정화하고 재활용할 수 있는 새로운 기회를 열어 줄 뿐만 아니라 이러한 용액에서 원자 구리를 분리하는 박테리아의 능력은 이러한 광산에서 추가 구리 원료를 추출하는 데 도움이 될 수 있다.

"우리의 결과는 과학, 기술 및 의학 분야의 응용을 위해 다른 단일 원자 금속을 합성할 수도있는 환경 미생물에 대한 새로운 연구 분야를 열었다"고 팀은 썼다.
(Science Advances, 2021; doi : 10.1126 / sciadv.abd9210)
출처 : Science Advances

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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