과학자들, 폐기물에서 희토류를 추출하기 위해 규조류와 단백질에 주목하다

석탄재, 적니(red mud), 광산 광미(mine tailings)는 보통 자원이 아니라 억제해야 할 오염 물질로 취급됩니다. Worcester Polytechnic Institute(WPI)가 이끄는 연구팀은 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 Growing Convergence Research 프로그램으로부터 330만 달러의 연구비를 지원받아, 이러한 폐기물 흐름 속에 갇힌 실리카, 희토류 원소(rare earth elements), 그 밖의 핵심 광물을 기존 방식보다 적은 에너지와 적은 강산성 화학물질로 회수할 수 있는지 생물학적 공정을 통해 알아보고자 합니다.

5년간 2단계로 진행되는 이 프로젝트는 WPI 토목·환경·건축공학과의 Mingjiang Tao가 이끌며, Carrick Eggleston과 Yan Wang이 공동 책임연구자로 참여합니다. George Mason University, University of California San Diego, University of Massachusetts Amherst, University at Buffalo의 연구자들도 함께합니다. Tao는 이 프로젝트의 목표가 각 폐기물 흐름을 최대한 활용하여 값진 원소는 분리해내고 나머지는 유용한 제품으로 전환하는 것이라고 말했습니다.

걸려 있는 규모는 큽니다. WPI의 발표에 따르면 연구팀은 미국 내 석탄재 매립지에만 약 1,100만 톤의 희토류 원소가 매장되어 있으며, 이는 약 84억 달러 가치에 해당하고 현재 미국의 원광 국내 매장량의 거의 8배에 이르는 것으로 추정합니다. 이러한 원소들은 전자기기, 청정에너지 기술, 운송, 국가 안보 관련 응용 분야에 필요합니다.

WPI 주도 프로젝트는 연구자들이 원하는 것과 이미 관련된 일을 하는 생물체들을 활용할 계획입니다. 규조류(diatoms), 해면동물(sea sponges), 그리고 일부 식물은 생물학적 분자와 유기 골격을 이용해 용해된 실리콘을 포집하고 이를 정교한 실리카 구조물로 조립하는데, 이는 업계가 현재 의존하는 고열과 강한 화학적 처리 없이 온화한 조건에서 이루어집니다. 연구팀은 이러한 메커니즘을 산업 폐기물의 실리카가 풍부한 부분을 분해하고, 그 실리카를 유용한 물질로 전환하며, 그 안에 갇힌 희토류 원소를 풀어내는 저에너지 방법으로 응용하고자 합니다. 이 작업은 생물학, 지구화학, 재료과학, 야금학, 전산화학을 아우르며, 연구팀은 전산 모델링과 인공지능을 활용해 생체분자를 설계하고 이들이 폐기물과 어떻게 상호작용하는지 예측할 계획입니다.

이와는 다르지만 관련된 접근법은 이미 실험 결과를 갖추고 있습니다. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology에 발표된 한 연구팀의 논문은 단백질 기반 생물흡착제(biosorbent), 즉 용액에서 특정 이온을 선택적으로 붙잡도록 설계된 물질을 소개합니다. 이는 연구팀이 열반응성 유전자 조작 REE-선택적 엘라스틴 유사 폴리펩타이드(thermo-responsive genetically encoded REE-selective elastin-like polypeptides), 줄여서 RELP라고 부르는 것으로 만들어졌습니다. 이 단백질들은 희토류 원소와 결합한 뒤, 화학적 세척이 아니라 온도를 올렸다 내렸다 하는 것만으로 분리해낼 수 있습니다. 실험에서 RELP는 네 차례 재사용 후에도 원래 결합 능력의 약 95%를 유지했으며, 모의 저농도 혼합물에서 대표 원소 하나를 분리할 때 희토류 용액의 순도를 최대 10만 배까지 높일 수 있었습니다.

RELP 연구는 란모듈린(lanmodulin)이라는 천연 단백질의 발견을 토대로 합니다. 같은 연구팀은 이전에 이 단백질이 경희토류 원소(light rare earth elements)를 효과적이고 매우 선택적으로 결합한다는 사실을 밝혀낸 바 있습니다. 란모듈린을 고체 비드에 고정해 재사용 가능하게 만들려던 초기 시도는 성능을 떨어뜨렸는데, 한 방법에서는 단백질이 원래 결합 활성의 약 67%만 유지했고, 다른 방법에서는 약 80%를 유지했습니다. RELP 방식은 이러한 고정화 단계를 거치지 않고, 대신 단백질 자체의 온도 의존적 특성을 이용해 용액에서 분리해냅니다.

조작된 단백질 외에도 세균, 조류, 진균, 효모, 고균 등 다양한 미생물이 자연에서 이미 희토류 원소와 상호작용한다는 사실이 알려져 있으며, 연구자들은 이를 회수에 활용할 방법을 모색하고 있다고 PubMed Central에 게재된 미세조류 전문 학술지의 한 미니 리뷰는 전합니다. 이 리뷰는 세 가지 일반적인 메커니즘을 설명합니다. 생물체가 산을 생성해 고체 물질에서 금속을 녹여내는 생물침출(bioleaching), 원소가 세포벽의 결합 부위에 달라붙는 수동적 과정인 생물흡착(biosorption), 그리고 살아있는 세포가 금속을 내부로 흡수해 저장하는 능동적 과정인 생물축적(bioaccumulation)으로, 이 과정에서는 흔히 특수한 분자를 이용해 금속이 해를 끼치지 않도록 합니다. 이 리뷰는 낮은 회수율과 제한된 선택성이 지금까지 이러한 미생물 방법의 규모 확장을 제약해왔다고 지적하면서도, 경제성 분석에 따르면 폐기물로부터의 생물학적 회수가 그럼에도 비용 효율적일 수 있다고 전합니다.

석탄과 그 부산물은 이러한 회수의 목표물로 특히 주목받고 있습니다. Journal of Environmental Management에 발표된 한 리뷰는 석탄재에서 연간 약 31만 2,000톤의 희토류 원소를 잠재적으로 얻을 수 있다고 추정하며, 저자들은 이 양이 전 세계 수요를 크게 웃돈다고 말합니다. 이 리뷰는 녹색 용매, 자연 기반 방법, 생물침출과 생물흡착을 포함한 추출 접근법들을 개괄합니다. 한편 WPI의 발표는 적니, 광산 광미, 콘크리트 잔해, 폐유리, 야금 슬래그 등을 아직 활용되지 않은 핵심 광물을 담고 있는 또 다른 실리콘 풍부 폐기물 흐름으로 지목합니다.

이러한 연구의 상당 부분은 아직 초기 또는 탐색 단계에 머물러 있습니다. WPI 주도 프로젝트는 이제 막 5년간의 일정을 시작했으며, 연구팀은 자신들이 개발할 기술이 산업적 활용을 위해 경제적으로 확장 가능한지 여전히 평가해야 한다고 말합니다. RELP 단백질 연구는 이 특정 단백질이 실제 저품위 폐기물 원료에서 희토류 원소를 회수한다는 것을 배치식 실험(batch testing)으로 보여준 최초의 직접적 실험 증거라고 스스로를 소개하는데, 이는 연속적인 산업 공정보다 훨씬 제한된 환경입니다.

미세조류 리뷰는 낮은 회수율과 낮은 선택성이 미생물 방법의 대규모 활용을 여전히 가로막고 있다고 명확히 밝히고 있으며, 연구자들은 균주 개량(strain engineering)을 비롯한 여러 전략으로 효율을 높이려 하고 있습니다. 더 넓은 분야를 다루는 리뷰들 역시 이온성 액체(ionic liquids), 심공융 용매(deep eutectic solvents), 화학적 배소(chemical roasting) 등 경쟁하는 다양한 기술들을 나열할 뿐, 어느 것이 대규모로 가장 실용적일지는 아직 결론짓지 못하고 있습니다. 이를 종합하면, 이 자료들이 보여주는 것은 검증된 산업 공정이 아니라 유망한 초기 결과와 활발히 진행 중인 연구 방향입니다.