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- 일부 유형의 남조류, 수용액에서 희토류를 빠르고 선택적으로 흡수
- 낮은 용액 농도에서도 희토류 금속을 흡수하고 건조 중량의 최대 10%까지 농축

희토류 수집가로서의 시아노박테리아
일부 남조류는 폐수에서 희토류를 빠르고 선택적으로 흡수한다.

생물학적 재활용 도우미:
시아노박테리아는 희토류 금속을 추출하거나 재활용하는 데 도움이 될 수 있다. 일부 유형의 남조류는 수용액에서 희토류를 빠르고 선택적으로 흡수할 수 있기 때문이다. 테스트에서 시아노박테리아는 몇 분 안에 세륨, 네오디뮴, 테르븀 등에 건조 질량의 최대 10%를 축적했다. 따라서 이러한 미생물은 미래 기술에 중요한 희토류 금속의 재활용 및 추출에 기여할 수 있다. 

▲ 시아노박테리아 배양을 위한 광생물반응기의 모습. 남조류의 일부 종은 수용액에서 희토류 금속을 매우 효율적으로 추출할 수 있다. © Andreas Heddergott / TU München

풍력 터빈, 촉매 변환기, 광섬유 케이블 또는 스크린 등:
희토류 금속은 수많은 하이테크 응용 분야에 없어서는 안 될 필수 요소다. 희토류의 17개 원소는 그에 따라 수요가 많다. 그러나 공급이 부족하고 비싸며 이러한 금속 원료의 대부분은 현재 중국에서 수입된다. 최근 스웨덴에서 대규모 희토류 매장지가 발견됐지만 원자재 채굴은 비용이 많이 들고 환경에 유해하다.

따라서 폐기된 전자 제품이나 산업 및 광업 폐수에서 귀중한 희토류 금속을 회수하기 위해서는 효율적인 재활용 방법을 동시에 개발하는 것이 중요하다. 무엇보다도 선택적 흡수체가 테스트되고 있지만 소위 플래시 줄 가열도 테스트되고 있다.

생체흡착 시험에서의 남조류

뮌헨 공과대학(TUM)의 Michael Paper와 그의 팀은 이제 또 다른 효과적이고 환경 친화적인 재활용 방법을 발견했다. 그들은 시아노박테리아가 희토류 금속의 재활용 보조제로 적합한지 조사했다. "시아노박테리아는 이미 다양한 중금속에 대한 유망한 흡수 능력을 보여주었고 따라서 산업 규모의 금속 추출에도 적합할 수 있다"고 팀은 설명했다.

연구를 위해 연구원들은 물과 토양의 종뿐만 아니라 지의류, 암석 또는 사막 토양에서 발생하는 남조류 종을 포함해 매우 다른 계통과 서식지에서 12개의 시아노박테리아 종을 수집했다. 이러한 균주의 대부분은 이전에 생명공학 잠재력에 대해 테스트된 적이 없다. 테스트를 위해 Paper와 그의 팀은 0.5~10밀리몰의 희토류 금속 세륨, 란탄, 테르븀 또는 네오디뮴이 용해된 용액에 시아노박테리아를 제공했다.

빠르고 효율적인 강화

결과:
조사된 모든 남조류 종은 용액에서 희토류를 흡수하여 세포에 축적할 수 있었다. Nostoc sp., Desmonostoc muscorum 및 Synechococcus elongates를 포함한 5가지 종은 특히 효율적인 것으로 입증됐다. 낮은 용액 농도에서도 희토류 금속을 흡수하고 건조 중량의 최대 10%까지 농축했다. 흡수 용량은 그램당 84.2~91.5밀리그램 범위라고 팀은 보고했다.

또한 긍정적인 점은 이 생체 흡수가 매우 빠르다는 것이다. 불과 5분 후, 시아노박테리아는 대부분의 용해된 희토류 금속을 흡수했고, 그런 다음 그들의 흡수는 정체기에 도달했다. 흡수는 박테리아 세포벽의 화학 작용을 통해 가능하다. 이들은 양전하를 띤 금속 이온을 끌어당겨 바이오매스에 결합된다”고 Paper는 설명했다. 이 과정은 용액의 pH가 약 5일 때 가장 효과적이다.

▲ 건조 질량을 기준으로 4가지 희토류 금속에 대한 12가지 시아노박테리아의 흡수 능력. © Paper et al./Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, CC-by 4.0

다른 금속이 존재하는 경우에도 생체 흡수

추가 분석에 따르면 희토류 금속의 생체 흡수는 다른 금속이 용액에 존재할 때 여전히 작동한다. 테스트에서 시아노박테리아는 금속 농도가 리터당 4밀리몰 미만인 한 알루미늄, 납, 아연 또는 니켈보다 세륨에 대한 친화력이 더 높았다. "더 높은 농도에서 금속은 세륨을 대체하는 경향이 있다"고 연구원들은 말했다.

Scheibe Paper와 그의 동료들은 "금속 농도가 일반적으로 우리 실험에서 가장 높은 테스트보다 낮기 때문에 산업 응용 분야에서 유망한 결과다"고 말했다. 그들은 시아노박테리아의 우수한 생체 흡수가 예로서 테스트된 4개의 희토류 금속뿐만 아니라 매우 유사한 화학적 거동을 보이기 때문에 이 그룹의 17개 원소 모두에 적용된다고 가정한다.

"또 다른 주요 이점은 프로세스가 가역적이라는 것이다"고 뮌헨 공과 대학의 공동 저자 Thomas Brück는 설명했다. "이것은 우리가 금속을 씻어내고 바이오매스를 재사용할 수 있다는 것을 의미한다." 과학자들은 이제 시아노박테리아에 의한 이 생체 흡수의 산업적 응용을 발전시키기 위해 후속 프로젝트의 일환으로 더 큰 규모로 실험을 계속하기를 원한다.
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2023; doi:10.3389/fbioe.2023.1130939
출처: Technische Universität München / 뮌헨공과대학

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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