KIGAM 한국지질자원연구원

생명공학기술 기반의 저에너지 에코형 희소금속자원 회수

글. 신도연 (도시광산연구실 선임연구원)

30억 년 전, 초기 지구의 대기에는 산소가 거의 없었다.

현재 대기 중에 존재하는 산소의 함량은 약 20%이다.

이러한 변화는 원시지구의 해양에 존재했던 미생물이 활동했던 덕분이다.

이렇듯 미생물은 지난 46억 년간 지구의 변화에 중요한 역할을 담당해 왔다.

지금도 우리가 사는 환경은 물론, 생태계 내의 물질 순환, 에너지 흐름에 깊이 관여하고 있다.

이런 미생물의 능력을, 어떻게 활용할 수 있을까?

미생물, 한계에 부딪힌 제련기술의 해답

 전통적인 의미에서 ‘제련기술’이란 광석에서 금속을 추출·정련하여, 사용 목적에 적합한 형상으로 만드는 것을 뜻한다.

화학반응 혹은 열처리를 통해 광석에서 대상 금속을 추출한 후, 제련할 수 있다. 그러나 종래 제련기술, 혹은 야금기술은 기술·환경·사회적으로 볼 때 에너지 소비 수준이 크고 환경오염 물질을 많이 배출한다는 단점이 있다. 지속가능한 사회를 구축하기 위해서는, 적용 한계점에 도달한 재래 희소금속자원 회수기술을 탈피해야 한다. 대신, 금속을 효율적으로 추출해 산업에 원료를 공급하는 ‘환경 친화 공정·에너지 저감형 공정’의 개발이 필요하다. 이와 같은 관점에서 최근, 지속가능한 자원순환활용을 위해 미생물을 이용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 2011년 경제협력기구(OECD)는 기존의 산업 공정을 대체하고 미생물을 사용하여 새로운 공정을 구축하는 것을 ‘process-integrated biotechnology’라 정의한 바 있다. 미생물을 이용한 금속회수기술도 그중 하나에 해당한다. 미생물을 이용한 금속회수기술은 기본적으로 미생물 자체가 촉매로서 반응에 관여한다. 때문에 유해물질 배출이 적고, 종래 공정과 비교하면 조업 비용이 1/3∼1/2 정도로 저렴하다는 장점이 있다. 즉, ‘자원 확보’와 ‘저 지속가능 제련기술’이라는 두 가지 목표를 동시에 만족할 수 있는 셈이다.

생물학적 금속회수기술이란?

 생물학적 금속회수에 주로 이용하는 미생물은 Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans와 같은 ‘화학무기영양미생물(chemolithotroph)’이다. 화학무기영양미생물은 2가 철(Fe2+)을 3가 철(Fe3+)로 산화할 수 있다. 3가 철은 산화제로 이용 할 수 있으며, 3가 철은 금속화합물을 산화시킬 수 있다. 또, 산침출 방식을 통해 황산(H2SO4)을 생성하여 광물이나 2차 자원에서 금속을 용해시킨다. 이들은 환원 상태의 황이나 2가 상태의 철을 에너지원으로 이용한다. 때문에 추가적인 에너지원 투입이 필요하지 않아 비용이 저렴하다. 한편, 균류(fungi)를 이용한 금속회수 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 주로 유기산의 생성·분비를 통한 산 가수분해, 킬레이트 결합에 의한 착화작용(acido-complexolysis)이다.

 특히 비황화물과 산이 요구되는 산화광에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

그 외에 시안(cyanide)을 생성하는 미생물을 사용해 금, 은, 팔라듐 같은 귀금속도 회수할 수 있다. 이는 기존의 시안화법을 대체할 수 있는 기술이다. 이러한 미생물 이용 금속회수기술은 생명 공학적 접근 방식을 통해 효율 역시 비약적으로 향상시킬 수 있다는 가능성을 지닌다.

생물학적 금속회수기술의 현재와 미래

 최저 에너지·에코형 생물학적 금속회수기술은 ‘자원 확보’와 ‘환경 보전’을 동시에 만족할 수 있다. 이미 저품위광의 더미(heap/dump) 침출과 생물반응장치(stirred tank reactor) 침출에 상용규모로 사용되어 왔다. 하지만, 기존의 기술 대부분은 황화물 기반의 황·철산화미생물을 이용한 구리·금 회수 공정에만 국한되었다. 때문에 난용성 광물, 산화광 등에 부존되어 있는 금속을 회수하기 위한 생물학적 기술은 아직도 요원한 상태다. 그러므로 생물학적 금속회수기술에 DNA 분석, 유전체 설계, 단백질 생체분자 분리 같은 생명

공학기법을 적용해야 한다. 이와 같은 기술을 적용한다면 금속원소에 대해 내성이 높고, 높은 성능을 발휘하며, 다양한 온도에서 이용할 수 있는 ‘미생물 균주’를 개발할 수 있을 것이다. 이는 기존의 공정보다 속도를 증진시키고, 시스템의 효율을 향상시킬 수 있을 것이다. 자원빈국인 우리나라가 산업국가로 생존하기 위해서는 희소금속을 안정적으로 확보할 수 있어야 한다. 이는 매우 중요한 사안이다. 미생물을 이용해 희소금속회수 공정 원천기술을 개발한다면, 미래산업용 희소금속원료소재를 안정적으로 확보할 수 있어 신성장동력을 확충할 수 있을 것이다. 또한, 바이오 기반의 기술개발로 지속가능한 사회를 구축할 수 있게 될 것이다.