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새로운 시아노박테리아 균주의 바이오매스에 의한 희토류 원소의 ‘생체 흡수’는 빠르고 효율적이며 재활용이 가능합니다.
희토류 원소(REE)는 화학적으로 유사한 17개의 금속 그룹으로, 일반적으로 지구의 지각 내에서 낮은 농도(0.5~67ppm)로 발생하기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 발광다이오드, 휴대전화, 전동기, 풍력발전기, 하드디스크, 카메라, 자석, 저전력 전구 등 현대 기술에 없어서는 안 될 필수품이기 때문에 지난 수십 년간 수요가 꾸준히 증가해 왔으며 앞으로도 2030년까지 더 상승
희소성과 수요로 인해 가격이 비쌉니다. 예를 들어 산화 네오디뮴 1kg은 현재 약 200유로인 반면 같은 양의 산화 테르븀은 약 3,800유로입니다. 2023년 1월 스웨덴 키루나(Kiruna)에서 유망한 새로운 발견(100만 미터톤 이상)을 발견했다고 발표했지만 오늘날 중국은 REE 채굴에 대해 거의 독점권을 갖고 있습니다.
순환 경제
낭비적인 ‘선형’ 경제에서 모든 자원이 재활용되고 재사용되는 ‘순환’ 경제로 이동하는 이점은 분명합니다. 그렇다면 REE도 더 효율적으로 재활용할 수 있을까요?
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology에서 독일 과학자들은 대답이 ‘예’라는 것을 보여주었습니다. 일부 이국적인 광합성 시아노박테리아의 바이오매스는 예를 들어 광업, 야금 또는 전자 폐기물 재활용에서 파생된 폐수에서 REE를 효율적으로 흡수할 수 있습니다. 흡수된 REE는 나중에 바이오매스에서 세척하여 재사용을 위해 수집할 수 있습니다.
“여기에서 우리는 시아노박테리아 바이오매스에 의한 REE 섭취 조건을 최적화하고 이들을 결합시키는 가장 중요한 화학적 메커니즘을 특성화했습니다. 이 시아노박테리아는 REE 회수와 산업 폐수의 동시 처리를 위한 미래의 친환경 공정에 사용될 수 있습니다.
고도로 전문화된 시아노박테리아 균주
생체흡착은 수용액에서 바이오매스로의 이온의 빠르고 가역적인 결합을 위한 대사적으로 수동적인 과정입니다. Brück과 동료들은 실험실 배양에서 12종의 시아노박테리아에 의한 REEs 란탄, 세륨, 네오디뮴 및 테르븀의 생체 흡수 가능성을 측정했습니다. 이러한 균주의 대부분은 이전에 생명공학 잠재력에 대해 평가된 적이 없습니다. 그들은 나미비아 사막의 건조한 토양, 전 세계 지의류 표면, 차드의 나트론 호수, 남아프리카의 바위 틈 또는 스위스의 오염된 개울과 같은 고도로 특화된 서식지에서 샘플링되었습니다.
저자는 특성화되지 않은 새로운 종의 Nostoc이 수용액에서 이 4가지 REE 이온의 생체 흡수 능력이 가장 높았으며, 효율은 바이오매스 g당 84.2~91.5mg인 반면 Scytonema hyalinum은 효율이 가장 낮은 15.5~21.2mg/g인 것으로 나타났습니다. g. Synechococcus elongates, Desmonostoc muscorum, Calothrix brevissima 및 특성화되지 않은 새로운 종인 Komarekiella도 효율적이었습니다. 생체 흡수는 산도에 크게 의존하는 것으로 나타났습니다. pH 5~6 사이에서 가장 높았고 더 많은 산성 용액에서 꾸준히 감소했습니다. 이 과정은 아연, 납, 니켈 또는 알루미늄과 같은 다른 non-REE 금속의 양이온과 시아노박테리아 바이오매스의 생체 흡착 표면에 대한 ‘경쟁’이 없을 때 가장 효율적이었습니다.
저자는 적외선 분광법이라는 기술을 사용하여 바이오매스의 어떤 기능성 화학 그룹이 REE의 생체흡수에 가장 큰 영향을 미치는지 결정했습니다.
“우리는 시아노박테리아에서 유래한 바이오매스가 카르보닐기와 카르복실기를 운반하는 음전하를 띤 당 부분이 고농축되어 있어 탁월한 흡착 특성을 가지고 있음을 발견했습니다. 이러한 음으로 하전된 구성 요소는 REE와 같은 양으로 하전된 금속 이온을 끌어당기고 바이오매스에 대한 부착을 지원합니다.
빠르고 효율적이며 미래의 응용 프로그램에 대한 큰 잠재력
저자들은 시아노박테리아에 의한 REE의 생체 흡수가 낮은 금속 농도에서도 가능하다고 결론지었습니다. 이 과정은 또한 빠릅니다. 예를 들어, 용액에 있는 대부분의 세륨은 반응 시작 후 5분 이내에 생체 흡착되었습니다.
“여기에 설명된 시아노박테리아는 건조 물질의 최대 10%에 해당하는 양의 REE를 흡수할 수 있습니다. 따라서 생체 흡착은 광업, 전자 및 화학 촉매 생산 부문의 희석된 산업 폐수에서 희토류 금속의 순환 회수 및 재사용을 위한 경제적이고 생태학적으로 최적화된 공정을 제시합니다.”라고 Brück은 말했습니다.
“이 시스템은 REE에 대한 수요와 시장 상금이 향후 몇 년 동안 크게 증가할 가능성이 있기 때문에 가까운 장래에 경제적으로 실현 가능할 것으로 예상됩니다.”라고 그는 예측했습니다.
원본 기사: 폐수에서 수동적으로 희토류 원소를 수집하는 12종의 이국적인 박테리아 발견
더 보기: 뮌헨 기술 대학교
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