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미생물이야기 생물정화 (bioremediation)는 미생물에 의한 유류, 독성 화학물질 또는 다른 오염물질의 정화를 가리킨다.
2013-08-13 14:02:24
이엠생명과학연구원

미생물 정화

 

미생물의 총체적인 생지화학적 잠재능은 거대하다. 생물적 복원 또는 생물정화 (bioremediation)는 미생물에 의한 유류, 독성 화학물질 또는 다른 오염물질의 정화를 가리킨다. 생물복원은 오염물질의 정화에 비용이 적게 들며 친환경적인 방법이 된다.

 

 광석의 미생물 제련

호산성 세균에 의한 산 생성과 광물 용해는 금속의 채광에 이로운 역할을 할 수 있다. 설파이드는 많은 금속과 매우 불용성의 광물을 형성하며 이들 금속의 공급원인 많은 광석들이 황화금속이다. 만일 광석 내 금속 농도가 낮으면 재래식 화학적 방법에 의한 금속 농축은 경제적으로 부적합하다. 이런 조건에서 미생물 제련이라고도 하는 미생물 용출 (microbial leaching)이 실시된다. 이 방법은 특히 구리 광석에 유용한데 실제 전 세계적으로 채광되는 모든 구리의 약 1/4이 미생물 제련에 의해 얻어진다.

설파이드는 공기 중에서 자발적으로 산화된다. 대부분의 금속황화물들도 자발적으로 산화되지만 H2S 또는 HS-보다는 훨씬 느리다. 그러나 Acidithiobacillus ferrooxidans와 기타 금속-산화 원핵생물들은 훨씬 빠른 속도로 황화물 광물의 산화를 촉매할 수 있으며 금속의 용해에 도움이 된다. 산화에 대한 민감성 또한 광물에 따라 다른데 가장 쉽게 산화되는 광물이 미생물 제련에 가장 용이하다.

 

침출 과정

미생물 제련에서 저급 광석 또는 폐기 암석은 큰 더미 (침출더미)로 쌓고 묽은 황산용액 (pH 약 2)을 더미를 통해 삼투시킨다. 더미의 바닥에서 나온 액체 는 용해된 금속이 풍부한데 모아서 침전장 (precipitation plant)으로 이송하여 원하는 금속을 재침전시키고 정제한다. 남은 액체는 다시 광석더미의 꼭대기로 반송하여 순환이 반복된다. 필요하면 더 많은 산이 첨가되어 낮은 pH를 유지시킨다.

세균이 황화광물의 산화를 촉매할 수 있는 방법은 다양하다. +2가의 구리를 갖는 황동석 CuS의 예를 들면Acidithiobacillus ferrooxidans가 CuS의 설파이드를 SO42-로 산화할 수 있다. 이 반응은 또한 자발적으로도 일어날 수 있다. 그러나 구리 용출과정에서 가장 중요한 반응은 세균의 제1철 이온의 산화에 의해 생성된 제2철 이온과 구리 광석의 화학적 산화를 포함한다. 거의 어떤 광석에든 황철광 (FeS2)이 존재하며 그것의 산화는 제2철의 생성을 초래한다 . 제2철은 황화광물을 위한 좋은 전자수용체이며 CuS와 제2철과의 자발적 반응은 구리의 용해와 제1철의 생성을 가져온다. 중요하게도 이것은 혐기성 조건인 침출더미 깊은 곳에서 일어날 수 있다.

 

금속 회수

침전장은 침출용액으로부터 용존 구리가 회수되는 곳이다.아래 부분에 나와 있는 반응에 의해 침출용액으로부터 구리를 회수하기 위해 철편 (scrap iron, Fe0)을 첨가하면 Fe2+를 형성한다. 이 Fe2+가 풍부한 액체는 산화지로 이송하고 그곳에서 자라는 Acidithiobacillus ferrooxidans가 Fe2+를 Fe3+로 산화시킨다. Fe3+를 용액 내에 유지하기 위해 pH를 낮추려고 산화지에 산을 첨가하며, 그 후 이 제2철이 풍부한 용액을 더미의 꼭대기로 반송하고 더 많은 황화광물을 산화하는데 Fe3+가 사용된다 . 이같이 전체 용출과정은 세균에 의한 Fe2+의 Fe3+로의 산화에 의해 유지된다.

 

 

다른 용출과정: 우라늄과 금

미생물은 우라늄과 금 함유 광석의 용출에도 사용된다. Acidithiobacillus ferrooxidans는 O2를 전자수용체로 사용하여 U4+를 U6+로 산화시킬 수 있다. 그러나 우라늄 용출은 Fe3+에 의한 우라늄의 화학적 산화에 아마 더 의존하는데, A. ferrooxidans가 구리 용출 에서처럼 주로 Fe2+의 Fe3+로의 재산화를 통해 기여한다. 관찰된 반응은 다음과 같다:

UO2 + Fe2(SO4)3 → UO2SO4 + 2 FeSO4

(U4+) (Fe3+) (U6+) (Fe2+)

UO2와 달리, 산화된 우라늄 광물은 수용성이며 다른 과정에 의해 회수될 수 있다.

금은 자연에서 전형적으로 비소와 황철광을 함유한 광물과 연관된다. A. ferrooxidans 및 그와 연관된 종들은 황비철석 (黃砒鐵石, arsenopyrite) 광물을 공격하여 용해시켜 포집된 금 (Au)을 방출시킨다:

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

이 금은 전통적 채금법에 의해 시안화물과 결합시킨다. 용출이 거대한 침출더미 에서 일어나는 구리와 달리 금 용출은 비교적 작은 생물반응조 에서 일어난다. 그런 생물용출은 포집된 금의 95% 이상을 방출시킨다. 소규모 미생물 금 제련은 따라서 비용이 많이 들고 환경에 해를 미치는 재래식 금-채굴법의 대안이 될 수 있다.




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