초록
미생물을 이용한 원석 또는 폐석으로부터 인류에 유용한 원소 및 중금속의 용출은 초기 연구단계에 있는 새로운 생물학적 기술 중의 하나이다. 본 연구의 목적은 갯벌 퇴적물에서 분리한 미생물(Microcosm)을 이용하여 자철석으로부터 철의 용출 및 용출된 철의 생광화작용에 따른 2차 물질의 형성을 규명하고자 한다. 갯벌퇴적물에서 분리한 철 환원 박테리아(Microcosm)가 글루코스($10{\sim}20mM$)를 이용하여 성장하는 동안 자철석으로부터 철의 용출 및 2차 물질의 형성을 ICP, XRD, SEM-EDX 및 TEM을 이용하여 연구하였다. 미생물배지에 상업용 자철석(미생물배지 : 자철석 = 100 : 1)과 철환원 박테리아를 넣고 혐기성 및 호기성 조건하에서 철 용출 및 2차 물질의 형성실험을 실시한 결과, 철의 용출 실험동안 미생물배지의 Eh는 호기성 조건에서 +250 mV에서 -520 mV 까지 감소하고, pH 7.3에서 5.5까지 감소하였다. 혐기성 환경에서 박테리아의 활동에 따라 15일째 자철석으로부터 94 ppm의 Fe를 용출하였으며, 박테리아가 없는 혐기성 조건 하에서는 0.9 ppm의 Fe의 용출을 보여 주었다. 호기성 환경에서 박테리아의 활동에 따라 자철석으로부터 15일째 107 ppm의 Fe를 용출하였다. 배양을 시작한지 1개월이 지난 시점에서는 미생물배지에 용출되어 있는 Fe가 혐기성 조건에서는 57ppm의 Fe가, 호기성 조건하에서는 6.5 ppm의 Fe 각각 존재하였다. 박테리아가 배양되는 동안 용출된 철의 감소는 2차물질의 형성에 철이 소비된 것으로 사료되며, 호기성 조건하에서는 적갈색의 2차 물질 형성을 보여주었다. 미생물에 의한 자철석으로부터 철과 망간의 용출은 미생물의 활동에 따른 미생물배지의 열역학적인 조건(Eh/pH)의 변화 및 유기물의 산화에 따른 유기산의 형성에 기인한 것으로 사료된다. 미생물을 이용한 결정질의 자철석으로부터 철의 용출 및 비정질의 2차물질의 형성은 미생물의 퇴적물 내에서 철의 순환에 중요한 역할을 담당할 뿐만 아니라 미생물을 이용한 유용물질의 침출(Bioleaching) 및 생광화작용에 따른 광물의 합성 가능성을 시사한다.
It is in its infancy to use bacteria as a novel biotechnology for leaching precious and heavy metals from raw materials. The objective of this study was to investigate biogeochemical processes of iron leaching from magnetite reduction by iron-reducing bacteria isolated from intertidal flat sediments, southwestern part of Korea. Microbial leaching experiments were performed using commercial magnetite, Aldrich magnetite, in well-defined mediums with and without bacteria. Water soluble Fe production was determined by ICP analysis of bioleached samples in comparison to uninoculated controls, and the resulting precipitated solids were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). The extent of iron leaching from magnetite in the aerobic conditions (Fe = 107 ppm) was higher than that in the anaerobic environments (Fe = 94 ppm). In the anaerobic conditions, Fe(III) in commercial magnetite was also reduced to Fe(II), but no secondary mineral phases were observed. Amorphous iron oxides formed in the medium under aerobic conditions where there was sufficient supply of oxygen from the atmosphere. SEM observation suggests that the reduction process involves dissolution-precipitation mechanisms as opposed to solid state conversion of magnetite to amorphous iron oxides. The ability of bacteria to leach soluble iron and precipitate amorphous iron oxides from crystalline magnetite could have significant implications for biogeochemical processes in sediments where Fe(III) in magnetite plays an important role in the largest pool of electron acceptor as well as the tool as a novel biotechnology for leaching precious and heavy metals from raw materials.
