KR20030092751A

KR20030092751A - 철산화 활성이 있는 신규한 균주 및 이를 이용한 생물학적중금속 용출 방법

Info

Publication number: KR20030092751A
Application number: KR1020020030543A
Authority: KR
Inventors: 전철학; 오지용; 이성택
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-12-06

Abstract

본 발명은 철산화 활성이 있는 신규한 균주 및 이를 이용한 생물학적 중금속 용출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고농도의 중금속 이온 조건에서도 2가 철을 3가 철로 산화시키는 활성이 뛰어나 불용성 황화물 형태의 중금속을 이온 형태로 효과적으로 용출할 수 있는 신규한 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1) 균주 및 이를 이용하여 중금속을 효과적으로 용출하는 방법에 관한 것이다. 상기 본 발명 균주는 고농도의 중금속 조건 하에서도 중금속의 용출 효과가 매우 뛰어나므로, 황화물 광석이나 황화물 형태로 침전시킨 중금속 슬러지로부터 유가 금속을 용출하여 회수하는데 이용 가능하다.

Description

철산화 활성이 있는 신규한 균주 및 이를 이용한 생물학적 중금속 용출 방법 {Novel bacteria having the iron-oxidation activity and method for the leaching of heavy metals using the same bacteria}

본 발명은 철산화 활성이 있는 신규한 균주 및 이를 이용한 생물학적 중금속 용출 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고농도의 중금속 이온 조건에서도 2가 철을 3가 철로 산화시키는 활성이 뛰어나 불용성 황화물 형태의 중금속을 이온 형태로 효과적으로 용출할 수 있는 신규한 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1) 균주 및 이를 이용하여 중금속을 효과적으로 용출하는 방법에 관한 것이다.

우리는 매일 음식물과 음용수를 통해 중금속을 포함한 여러 가지 무기물질들을 섭취하게 된다. 그 중 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘 또는 철과 같은 물질은 세포의 생존에 필수적인 성분으로 그 양이 부족하면 식물 및 동물에 있어서 성장발육이 저해를 받게 되고, 망간, 코발트, 구리 또는 아연과 같은 중금속은 인간의 성장발육에 필수적인 원소임이 밝혀졌다.

그러나, 식·동물의 생장과 발육에 꼭 필요한 필수 미네랄이라 할지라도 섭취량이 생체 요구량을 초과하는 경우 치명적인 독성을 나타내게 된다. 특히, 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co), 아연(Zn), 납(Pb) 등과 같은 독성 중금속은 식물 및 하등동물에 의한 중금속 흡착과 먹이사슬에서의 축적작용에 의하여 인체에 과량 축적되는데, 이러한 축적이 장기간 이루어지면 각종 질병이 유발되게 된다.

물의 중금속 오염은 일본에서의 수은에 의한 미나마타병의 발생을 계기로 사람들로부터 관심을 받게 되었다. 수중에 용해되어 있는 중금속은 그 함량이 적더라도 생물체에 축적되기 때문에 먹이사슬을 거치면서 그 독성이 점차 강화된다. 미생물에 의해 분해될 수 있는 대부분의 유기오염물질과는 달리, 인체 내에 축적된 중금속은 결코 분해되거나 소멸되지 않으며, 쉽게 배출되지도 않는다.

따라서, 물 또는 토양으로 유입되기 전에 중금속을 제거하거나 또는 오염된 하나의 생태계로부터 중금속을 농축하여 그 생태계에서 안전하게 분리함으로써, 중금속에 의한 생체 피해를 최소화할 수 있는 방법이 필요하다. 또한, 중금속은 오염을 일으키는 물질이기 이전에 중요한 산업 자원이므로, 중금속이 유출되는 것을 완전 차단하는 청정기술과 오염원으로 존재하는 중금속을 용출 및 농축하여 회수함으로써 재활용할 수 있는 기술에 대한 요구가 지속적으로 있어왔다.

중금속 함유 폐기물의 처리방법으로는 물리, 화학 및 생물학적 처리방법이 있다. 화학적 방법은 가장 보편적으로 사용되고 있는 방법으로, 주로 중금속을 함유한 폐수에 화학약품을 투입하여 중금속을 침전시키는 방법이다. 일반적으로 가성소다(sodium hydroxide, NaOH), 탄산나트륨(sodium carbonate, Na₂CO₃) 또는 황화나트륨(sodium sulfide, Na₂S)등을 투입하여 메탈하이드록사이드(metal hydroxide), 메탈카보네이트(metal carbonate) 또는 메탈설파이드(metal sulfide) 형태로 침전시키는 방법이다. 이 세 가지 침전물 중에서 일반적으로 메탈설파이드의 용해도적(solubility product)이 가장 작아 유출수 중의 잔류 중금속 이온의 농도를 최소로 줄일 수 있으므로, 유출수 규제 수준의 제고와 함께 설파이드 형태로 침전시키는 방법이 현장에서 많이 이용되고 있다. 또한, 생물학적으로 황산염 환원균이 생성한 설파이드를 이용하여 중금속을 메탈 설파이드로 침전시키는 방법도 초기 투자비와 유지비가 적어 각광받고 있다.

이러한 처리과정을 거쳐 침전된 슬러지 형태의 메탈설파이드 침전물은 주로매립하여 처분하는데, 이 경우 토양 또는 지하수에 2차 오염을 일으킬 수 있으므로, 이에 대한 안전한 처리방법에 대한 요구가 있어왔다. 또한, 일반 오수처리장에서 발생하는 슬러지는 유기물 함량이 높아 퇴비로 사용 가능하지만 슬러지 중에 포함된 중금속의 영향으로 인하여 그 이용이 제한되고 있다.

이에, 경제적으로 유용한 중금속을 포함한 폐수의 슬러지로부터 중금속을 용출시키고 나아가 용출된 중금속을 회수하여 재활용하고자 하는 다양한 방안이 제시되었다.

산을 처리하여 침전된 중금속을 용출시키는 방법이 제시되었으나, 대량의 산을 이용하기 때문에 2차 오염을 일으킬 수 있고, 메탈설파이드가 용해되면서 황화수소 악취가 발생하는 문제가 있다.

또한, 미생물에 의한 중금속 용출에는 주로 철산화미생물과 황산화미생물이 이용되고 있어 그 메카니즘을 살펴보면, 철산화미생물은 2가 철(Fe²⁺)을 3가 철(Fe³⁺)로 산화하고, 생성된 3가 철이 메탈설파이드 침전물과 반응하여 중금속을 용해하고 설파이드는 설페이트(sulfate)로 산화시킴으로써 중금속을 용출시킨다. 이 과정에서 3가 철은 다시 2가 철로 환원되어 다시 철산화미생물에 의해 재이용된다.

그 과정을 화학식으로 나타내면 하기와 같다.

4Fe²⁺+ 4H⁺+ O₂→ 4Fe³⁺+ 2H₂O

MeS + 8Fe³⁺+ 4H₂O → Me²⁺+ SO₄ ^2-+ 8Fe²⁺+ 8H⁺

또한, 황산화미생물은 황을 설페이드로 산화하며, 이 과정에서 산을 생성하는데, 생성된 산은 일부 중금속 침전물을 용출시킨다. 황산화미생물에 의한 중금속 용출은 결국 황산화미생물이 생성한 산에 의한 용출이므로, 메탈하이드록사이드 형태의 중금속 침전물은 용출할 수 있지만 메탈설파이드 형태의 침전물은 극히 일부분만 용출할 수 있다.

철산화미생물을 이용하여 슬러지 중의 중금속을 용출시켜 슬러지를 퇴비로 사용하게 한 보고는 있지만, 고농도의 중금속 슬러지로부터 중금속을 높은 농도로 용출시켜 유가금속을 회수하는데 대한 연구는 전무한 실정이다. 중금속 슬러지로부터 유가금속의 회수를 위해서는 중금속을 높은 농도로 용출시켜야 하며, 이를 위해서는 높은 중금속 농도에서도 효과적으로 중금속을 용출시킬 수 있는 미생물의 개발이 절실히 필요한 실정이다.

이에, 본 발명자들은 높은 중금속 농도에서도 효과적으로 중금속을 용출시킬 수 있는 미생물에 대한 상기와 같은 요구를 충족시킬 수 있는 방법을 모색하던 중, 폐금광의 고인 물로부터 분리한 신규한에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1) 균주가 폐수의 슬러지와 같은 고농도의 중금속 조건에서도 2가 철(Fe²⁺)을 3가 철(Fe³⁺)로 산화시키는 철산화 활성이 뛰어나 중금속의 용출에 효과적으로 이용할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 철산화 활성이 있는 신규한 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)을 이용하여 중금속을 용출하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1를 1000배 확대한 사진이다.

도 2는 중금속 농도에 따른 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1의 철 산화량의 로그값을 나타낸 그래프이다.

도 3은 중금속 농도에 따른 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1의 철산화 활성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1의 파이라이트 중 철의 용출 특성과 파이라이트 중 황의 설페이트로의 산화 결과를 나타낸 그래프이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 2가 철이온 화합물을 에너지원으로 이용하여 3가 철을 생성함으로써 불용성 황화물 형태의 중금속을 이온 형태로 효과적으로 용출할 수 있는에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1 (Acidithiobacillus FerrooxidansGM1) 균주 및 이를 이용한 중금속의 용출 방법을 제공함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 철산화미생물을 본 발명자들은에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)이라 명명하였다.

본 발명에 따른 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)은 하기의 과정을 통하여 분리되며, 하기와 같은 특징에 의하여 동정된 것이다.

철산화미생물 에이시디티오바실러스 페로옥시던스 지엠1 균주의 분리

폐금광의 고인 물로부터 철산화미생물 분리를 위한 특별한 고체배지를 이용하여 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1 (Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)을 분리하였다.

본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1을 분리하기 위한 배지로는 D.B. Johnson〔Selective solid media for isolating and enumerating acidophilic bacteria.Journal of Microbiological Methods23(1995) 205-218〕이 제안한 철산화미생물 분리 배지를 이용하였다. 배지조성은 1.5g (NH₄)₂SO₄, 0.6g MgSO₄7H₂O, 0.3g tryptone soya broth 및 850㎖ 증류수를 혼합하고 황산을 이용하여 pH 2.5로 조절한 후 멸균하여, 6g 아가로즈(agarose)를 첨가하여 멸균한 300㎖ 증류수와 혼합하고, 55℃ 정도에서 멸균한 pH 2.0 정도의 1 mol/l FeSO 30㎖을 첨가하고 혼합하였다. 그 중 약 2/3가량을 취하여 에이씨디필리엄 에스제이에이치(Acidiphilium SJH) 배양액 20㎖을 넣고 혼합하여 플레이트에 부었다. 부어 놓은 배지가 굳은 후 다시 나머지 1/3을 각 플레이트에 부어 굳힌 후 3일 정도 상온에서 배양하여 아래층의 에스제이에이치 미생물이 상층 배지중의 저분자 유기물을 다 먹게 한 후 상기 본 발명 철산화미생물 시료를 부어 산화된 철의 적갈색이 나타나는 것으로 철산화미생물 콜로니를 확인하여 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1을 분리하였다.

상기 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1을 신규한 균주로서 한국미생물보존센터에 2002년 5월 28일자로 기탁번호 KCCM-10383으로 기탁하였다.

철산화미생물 에이시디티오바실러스 페로옥시던스 지엠1 균주의 동정

상기 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1은 30℃에서 탄소원의 첨가 없이 공기중의 이산화탄소를 탄소원으로 이용할 수 있으며, 2가 철을 에너지원으로 하여 생장하는 케모리소우오토트롭(chemolithoautotroph)이며, 짧은 막대기형(short-rod) 미생물이다(도 1). 또한, 산에 용출되지 않는 파이라이트(pyrite)와 같은 광석에서 중금속을 용출하며, 황을 설페이트로 산화하는 기능도 갖고 있다.

상기와 같은 생화학적 및 형태학적 특징 이외에, 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1의 ribosomal 16S rDNA의 서열분석을 통한 분자생물학적 동정을 실시하였다.

분자 생물학적 미생물 동정 방법인 ribosomal 16S rDNA의 서열분석을 위해 DNeasy Tissue Kit(Qiagen, Valencia, Calif.)를 이용하여 상기 균주로부터 genomic DNA를 획득한 후, Universal primer인 9F, 1512R을 이용하여 PCR을 수행하였다. PCR 결과물을 다시 QIAquick PCR purification kit(Qiagen, Valencia, Calif., USA)를 이용하여 정제한 후, ABI PRISM BigDye Terminator cycle sequencing ready reaction kit(Applied Biosystems, Foster, Calif., USA)를 이용하여 반응물을 만든 후, ABI Prism 3700 DNA analyzer를 이용하여 염기서열을 분석하였다. 분석결과를 서열목록 1에 나타내었다. 염기서열은 GenBank database BLAST search program을 이용하여 기존의 데이터들과 비교하였다.

상기와 같은 특징에 근거하여 본 발명 균주는에이시디티오바실러스 페로옥시던스에 속하는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1 (Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)은 고농도의 중금속에 대한 내성이 뛰어나서 고농도의 중금속 조건에서도 2가 철을 3가 철로 산화시키는 작용을 한다. 상기 균주의 철이온 산화작용에 의하여 생성된 3가 철은 불용성 황화물 형태의 중금속과 반응하여 중금속을 이온 형태로 효과적으로 용출시킨다. 이때, 3가 철은 다시 2가의 철로 환원되어 상기 본 발명 균주의 에너지원으로 재활용된다.

본 발명에 따른 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1은 높은 농도의 중금속 조건 하에서도 2가 철을 3가 철로 효과적으로 산화할 수 있으므로, 중금속 철화물 및 황화물 침전물로부터 높은 농도의 중금속을 용출하여 유가중금속을 회수하는데 유용하게 이용할 수 있는 장점이 있으며, 유기물 함량은 높으나 중금속으로 인하여 퇴비로서의 사용에 제한이 있어 온 중금속 슬러지로부터 중금속을 안전하게 제거하여 퇴비로써 재활용하는 데 이용할 수 있는 장점이 있다.

이하, 시험예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하지만 본 발명의 권리범위가 이들에 한정하는 것은 아니고, 당업계에서 통상적으로 주지된 변형이 수행될 수 있으며, 이러한 변형도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것임을 밝혀 둔다.

〈시험예 1〉 철산화미생물 에이시디티오바실러스 페로옥시던스 지엠1의 철산화 특성

상기 분리한 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1의 철산화량 측정을 위한 액체배양 배지조성은 아래와 같다.

1.5g/ℓ (NH₄)₂SO₄, 0.05g/ℓ KCl, 0.5g/ℓ MgSO₄7H₂O, 0.05g/ℓ KH₂PO₄, 0.15

g/ℓ Na₂SO₄, 0.01g/ℓ CaCl₂를 혼합하고 황산으로 pH 1.8이 되도록 조절하여 멸균하였다. 냉각 후 멸균한 FeSO₄를 25 mmol/ℓ되게 첨가하고 상기 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1 배양액을 2%로 첨가한 후 배양하였다.

상기 액체배지에서 배양한 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1의 철산화량을 측정하였다.

철산화미생물의 철산화량은 상기 배양 후 남아있는 용액 중에 남아 있는 2가 철을 과망간산칼륨을 이용하여 적정하는 방법으로 측정하였다.

철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1은 초기에는 철산화속도가 매우 느리다가 일정한 시간이 지난 후 2가 철이 급격히 산화하였다. 미생물의 철산화 능력이 일정하다고 가정하였을 때, 시간에 대한 2가 철 산화량의 로그도표로부터 직선을 얻을 수 있었는데 이 직선의 기울기의 역수는 미생물 배가 성장시간을 가리키는 것이다. 철산화미생물 지엠1의 배가성장 시간은 7.3 시간으로 성장 속도가 비교적 빠른 편이었다(도 2).

〈시험예 2〉철산화미생물 에이시디티오바실러스 페로옥시던스 지엠1의 중금속 농도에 따른 철산화 능력 측정

본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1을 중금속 용출과 회수에 이용하기 위하여 높은 농도의 중금속에 의한 영향을 고찰하였다. 모델 중금속으로는 독성이 비교적 강하다고 알려졌으며 회수의 경제성이 있는 구리(Cu) 이온을 선택하였다.

구리 이온의 농도가 50 mmol/ℓ(3,200 ppm)까지 증가하였을 때, 상기 본 발명 미생물의 철산화 작용은 전혀 영향을 받지 않은 것으로 나타났다. 또한, 구리 이온의 농도가 100 mmol/ℓ(6,400 ppm)으로 증가하였을 때에도 철산화 작용은 구리 이온을 첨가하지 않은 것과 비슷하였으며, 구리 이온의 농도가 200 mmol/ℓ(12,800 ppm)으로 증가하였을 때에야 철산화 작용이 효과적으로 느려지는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나, 철산화 속도가 느려지긴 했으나 200 mmol/ℓ의 높은 농도에서도 2가 철은 완전히 산화되었다. 2가 철이 시간에 따라 산화된 철산화량의 로그 도표로부터 구리 이온의 농도가 100 mmol일 때 미생물 배가 성장 시간이 7.8 시간으로 증가하고, 200 mmol일 때 미생물 배가 성장시간이 10.5 시간으로 증가하는 것을 알 수 있었다(도 3).

〈시험예 3〉철산화미생물 에이시디티오바실러스 페로옥시던스 지엠1의 파이라이트 용출 특성

본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1의 실제 중금속 침전물로부터의 중금속 용출 특성을 입증하기 위하여, 산에서는 용출이 안되고 구조가 단단한 파이라이트(pyrite, FeS₂)를 모델로 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1을 1% 첨가하여 중금속 용출 특성을 고찰하였다.

온도는 30℃로 하였고, 황산을 이용하여 초기 pH를 1.8로 조절하였으며,에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1은 공기중의 이산화탄소를 탄소원으로 하므로 공기와의 접촉을 증가시키기 위해 진탕하면서 용출시켰다.

실험결과, 철은 초기 15일 동안 일정한 속도로 계속 용출되었고, 15일 후부터 용출 효율이 좀 떨어졌다(도 4).에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1은 2가 철을 산화하였을 뿐만 아니라, 파이라이트에 있는 황을 설페이트로 효과적으로 산화하였으며, 이 과정에서 산을 생성하여 용액중의 pH는 초기 1.8에서 15일 후 1.4까지 감소하였다. 이는에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1을 이용한 불용성 중금속 황화물 침전물 중의 중금속 용출에 있어서 추가적인 산의 첨가가 전혀 필요없음을 의미하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1(Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)은 중금속에 대한 내성이 뛰어나 고농도의 중금속 조건 하에서도 2가 철을 3가 철로 산화시키는 철산화능력이 뛰어나므로, 상기 균주를 이용하는 경우 폐수처리 슬러지 중의 불용성 황화물 형태의 중금속을 2차 오염없이 안전하게 용출시켜 상기 슬러지를 퇴비 등으로 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 금속 광미로부터 유가금속을 용출시켜 귀금속을 얻을 수 있으며, 또한 고농도의 중금속이 함유된 중금속 침전물 슬러지로부터 고농도의 중금속 용출액을 얻어 유가금속을 회수할 수 있는 효과가 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

철산화 활성이 있는 신규한 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1 (Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)(KCCM-10383)
제 1항 기재의 철산화 활성이 있는 신규한 철산화미생물에이시디티오바실러스 페로옥시던스지엠1 (Acidithiobacillus FerrooxidansGM1)을 이용하여 중금속을 용출하는 방법.