해조류를 이용한 바이오마이닝(biomining)

인류가 필요로 하는 중요한 광물질들은 자연계에 순수한 상태로 존재하지 않고 대부분은 다른 물질과 화합한 모습으로 암석 속에 포함되어 있다. 암석 속에 철, 구리, 아연, 금, 우라늄과 같은 광물질이 대량 포함되어 있으면, 원광(原鑛)을 제련(製鍊)하여 원하는 광물을 경제적으로 추출할 수 있다. 그러나 암석에 포함된 광물질의 양이 너무 적으면 비경제적이다.​

어떤 종류의 미생물은 암석에 포함된 특정한 광물질을 산화시키는 능력이 있다. 그들은 효소를 분비하여 암석 속의 특정 광물을 분해시킨다. 그러면 광물질(철, 금 등)은 물에 녹아 나오고, 미생물은 이때 발생하는 에너지를(태양 에너지 대신) 이용하여 생존한다. 바이오마이닝이란 이런 미생물이 물에 용해시킨 금속을 효과적으로 걸러내어 원하는 금속을 생산하는 기술을 말한다. 즉 바이오는 생물, 마이닝은 광물 채굴(채광採鑛)을 의미한다.

​식물은 태양 에너지로 광합성을 하여 영양물질을 생산하고, 반면에 동물은 식물이 만든 영양물질을 분해(산화)시켜 생존에 필요한 에너지로 쓴다. 흥미롭게도 황 성분이 가득한 고온의 온천수에 사는 미생물(Desulfovibrio vulgaris)은 물에 녹아있는 황(S) 성분을 환원시켜 그때 발생하는 에너지를 이용하여 생장하고 증식한다. 그리고 Acidithiobacillus ferroxidans라는 박테리아 종류는 암석에 포함된 철 성분을 분해시켜 발생하는 에너지를 이용하여 살아간다.​

지금까지 알려진 특별한 성질을 가진 미생물에는 황, 철 외에 금, 구리, 아연, 망간, 마그네슘, 우라늄, 토륨과 같은 광물질을 분해하는 종류들이 알려져 있다. 이런 광물분해 미생물의 존재를 알게 된 때는 1951년에 템플과 콜머 두 과학자의 연구 발표 이후였으며, 이때부터 다수의 과학자들은 특정 미생물을 대량 증식시켜, 암석에 포함된 필요한 금속을 경제적으로 생산하는 바이오마이닝을 연구하기 시작했다.

Temple, Kenneth L.; Colmer, Arthur R. (1951).“THE AUTOTROPHIC OXIDATION OF IRON BY A NEW BACTERIUM: THIOBACILLUS FERROOXIDANS1”. Journal of Bacteriology.62(5):​

현재 바이오마이닝 방법으로 생산되는 산업적으로 경제적인 금속은 아직 없다. 그러나 이 연구가 계속되고, 광물자원이 부족해지는 날이 오면 실용화될 미래의 기술이다.​

바이오마이닝으로 금을 생산하는 화학변화 과정을 예로 소개한다. 아르시노파이라이트(arsenopyrite)라는 암석(FeAsS[Au])은 금(Au)을 함유하고 있다. 이 암석이 포함된 물에 Adidithiobacillus라는 박테리아를 배양하면 아래와 같은 화학변화가 일어나 물에 금이 녹아 나온다.​

2 FeAsS[Au] + 7 O2+ 2 H2O + H2SO4→ Fe2(SO4)3+ 2 H3AsO4+ [Au]

해조류에서 희토류 원소를 바이오마이닝

최근 알래스카 페어뱅크스대학의 우만조르(Schery Umanzor) 교수는 해조류를 이용하여 희토류를 생산할 수 있는 바이오마이닝 방법을 제안했다. 그는 해조류가 해수에 포함된 희토류 원소를 흡수하여 세포에 축적한다는 사실을 확인하고, 이런 해조류를 이용하면 육지가 아니라 바다에서 희토류 원소를 환경 피해 없이 생산할 수 있다는 생각을 하게 되었다. 그가 이 연구를 하게 된 것은, 미역과 다시마의 중요 구성 성분인 아르지닌(arginine) 아미노산이 이트륨 원소를 대량 흡수한다는 사실을 발견한 것이다.

현재 대부분의 희토류 원소는 중국에서 생산되고 있고, 그 가격이 날로 상승한다. 우만조르 교수팀은 수조에서 미역과 다시마를 양식하면서 이트륨 원소를 흡수하는 능력을 조사했다. 연구결과 해조류들은 자연상태에서보다 100만 배나 많은 이트륨을 흡수할 수 있었다.​

알래스카 남동부의 보칸산(Bokan Mountain)에는 희토류가 대량 매장되어 있다. 그러나 이곳에서는 환경 문제 때문에 희토류를 채굴하는 것이 현재 불가능하다. 보칸산에서 흘러내리는 물에는 희토류가 대량 녹아 있으며, 이 물은 산 아래 켄드릭만으로 흘러들고 있다. 그러므로 미국 에너지부에서는 켄드릭만에 해조류를 대량 양식하면, 해조류가 흡수한 희토류를 대량 생산할 수 있을 것이라고 생각한다.

​미생물을 이용하여 원하는 물질을 생산하는 기술은 훨씬 과거부터 있었다. 즉 과학자들은 페니실리움이라는 곰팡이를 길러 페니실린이라는 항생물질을 생산하고 있고, 박테리아에서 소화효소라든가 의약품을 추출(抽出)한다. 이런 경우에는 바이오마이닝이라 하기보다 바이오리칭(bioleaching 생물추출)이라 하고 있다.​

지난 2024년 5월 30일의 조선일보에 의하면, 미국 에너지부의 관계자들이 해조류 양식 최강국인 우리나라의 완도를 방문하여 해조류 양식장을 둘러보면서, 이트륨 바이오마이닝을 우리나라 해양수산과학기술진흥원과 공동으로 연구할 것을 추진하고 있다고 보도했다.

바이오마이닝 기술은 훗날 우주개발에서도 매우 중요하게 활용될 것이라 한다. 달이나 화성에 간 인류가 그곳에서 철이나 구리 등의 금속이 대량 필요할 때는, 그 천체에 존재하는 암석으로부터 광물을 채광하는 바이오마이닝 기술을 활용한다는 것이다. – YS