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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.28 No.3 pp.209-220
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2015.28.3.209

The Leaching of Valuable Metal from Mine Waste Rock by the Adaptation Effect and the Direct Oxidation with Indigenous Bacteria

Bong-Ju Kim1, Kang-Hee Cho1, Nag-Choul Choi2, Cheon-Young Park1*
1Dept. of Energy and Resource Engineering, Chosun University, Gwang-ju, Korea
2Dept. of Rural Systems Engineering/Research Institute for Agriculture and Life Science, Seoul National University, Seoul, Korea
Corresponding author : +82-62-230-7878, cybpark@chosun.ac.kr
April 15, 2015 September 9, 2015 September 11, 2015

Abstract

The aim of this study was leaching valuable metal ions from mine waste rocks which were abandoned mine site using indigenous aerobic bacteria. In order to tolerate the the indigenous aerobic bacteria to the heavy metal ions they were repeatedly adapted in CuSO4⋅5H2O environment. As the repeated generation-adaptation progressed, the pH values of the growth-medium were gradually decreased. During bio-leaching experiments with indigenous aerobic bacteria raised in a heavy metal ion environment for 42 days, the pH of the leaching solution was decreased while increasing the adaptation period. The indigeous bacteria were much more active on the surface of Younhwa waste rocks which contained relatively few the chalcopyrite and Cu content than the Goseong mine waste rocks, and also the amount of Cu and Fe ions were leached more in the Younhwa sample(leaching rate of 92.79% and 55.88%, respectively) than the Goseong sample(leaching rate of 66.77% and 21.83%, respectively). Accordingly, it is confirmed that valuable metal ions can be leached from the mine waste rocks, if any indigenous bacteria which inhabits a mine environment site for a long time with heavy metal ions can be used, and these bacteria can be progressively adapted in the growth-solutions containing the target heavy metals.


토착박테리아의 중금속 적응효과와 직접산화작용에 의한 폐광석으로부터 유용금속 용출

김 봉주1, 조 강희1, 최 낙철2, 박 천영1*
1조선대학교 에너지⋅자원공학과
2서울대학교 지역시스템공학과

초록

폐광산에 방치되어 있는 폐광석으로부터 유용금속이온을 그 지역 토착박테리아를 이용하여 효 과적으로 용출시키고자 하였다. 토착호산성박테리아를 중금속 이온에 내성이 형성될 수 있도록 중금 속 이온에 주기적으로 반복 적응시켰다. 그 결과 적응실험이 진행될수록 성장-배양액의 pH가 더 안정 적으로 감소하였다. CuSO4⋅5H2O에 9주와 12주 동안 적응시킨 박테리아를 이용하여 42일 동안 미생 물용출을 수행한 결과, 용출-배양액의 pH는 적응 횟수에 비례하여 더 빠르게 감소하였다. 황동석과 Cu 함량이 고성 폐광석에 비하여 상대적으로 적게 포함된 연화 폐광석에서 더 많은 박테리아들이 부 착하였고, 또한 Cu와 Fe 함량은 고성 박테리아 시료(각각의 용출률 = 66.77%와 21.83%)에 비하여 연 화 박테리아 시료(각각의 용출률 = 92.79%와 55.88%)에서 더 많이 용출되었다. 따라서 중금속으로 오 염된 광산에 오랫동안 서식한 토착호산성 박테리아를 이용한다면 또한 이 박테리아들을 목적중금속 이온이 포함된 성장-배양액에 계속하여 주기적으로 적응시킨다면, 폐광석으로부터 유용금속이온을 더 효과적으로 용출시킬 수 있을 것으로 확신한다.


    Chosun University

    서 론

    화학무기자가영양체인 호산성박테리아를 이용하여 황동석으로부터 Cu 이온을 용출시키는 연구가 활발 하게 진행되어 왔다. 이 호산성박테리아는 불용성의 황동석을 수용성의 Cu 이온으로 용출시키는 능력이 뛰어나다. 이들 박테리아를 이용하면 황동석, 섬아연 석, 방연석 등으로부터 Cu, Zn, Pb 등의 유용금속이온 을 용출시킬 뿐만 아니라 황철석 혹은 유비철석에 포 함된 금과 은을 회수하는데도 활용되고 있다. 박테리 아를 이용하여 황화광물로부터 유용금속이온을 회수 하는 미생물용출 방법은 공정이 단순하고 경비가 저 렴하기 때문에 그리고 환경 문제가 거의 발생하지 않 기 때문에 외국에서는 heap 혹은 dump leaching과 같 이 대규모로 활용되고 있다. 그러나 박테리아를 이용 하는 경우, 용출 효율이 뛰어나지 못하고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하 여 박테리아를 독성 이온에 적응시켜 황화광물로부터 유용금속이온을 효율적으로 용출시키는 실험이 진행 되어 왔다(Tuovinen et al., 1971; Das et al., 1998). 독성 이온에 적응된 박테리아는 황화광물로부터 유용 금속 이온을 2배 내지 4배 이상으로 향상시킬 수 있고 (Attia and El-Zeky, 1990a), 박테리아 활성도가 2에서 4.8배 이상 향상된다(Xia et al., 2008). 박테리아는 환 경에 선택(selection)되고 적응(adaptation)하면서 계속 진화(evolution)하는 미생물(Woese, 1987)이기 때문 에 독성원소에 적응될 수 있을 뿐만 아니라 심지어 생존 범위를 벗어나는 온도에도 적응된다(Karimi et al., 2010). 따라서, 박테리아의 성장 환경을 중금속 이온 농도가 높은 환경으로 바꾸어서, 박테리아를 반 복적으로 계대배양하면 중금속 이온에 내성이 형성된 다. 박테리아가 중금속 원소에 적응되는 mechanism은 아직 정확히 이해되지 않고 있지만(Das et al., 1997, 1998), 박테리아가 독성 중금속 이온을 체외로 배출 (efflux), 독성원소를 비독성원소로 효소적 변환 (enzymic conversion), 독성원소를 체내 및 체외로 격 리(seqestration) 혹은 투과성 장벽 형성(permeability barrier) 등의 기작을 통하여 독성원소에 적응하는 것 으로 알려져 있다(Dopson et al., 2003).

    일반적으로, 박테리아의 적응력을 향상시켜주기 위해서, 동일한 농도의 단일 중금속 이온에 혹은 두 종류 이상의 중금속 이온에 박테리아를 계대배양하 는 방법(Tuovinen et al., 1971; Attia and Elzeky, 1989; Kai et al., 1995), 중금속 이온 농도를 증가 시켜 가면서 반복-계대배양하는 방법(Natarajan and Iwasaki, 1983; Natarajan et al., 1994), 그리고 용 출 대상 광석을 이용하여 반복-계대배양하는 방법 들이 활용되었다(Attia and El-Zeky, 1990a; Barr et al., 1992; Elzeky and Attia, 1995; Shahverdi et al., 2001; Shi and Fang, 2004; Astudillo and Acevedo, 2008; Haghshenas et al., 2009). 중금속 이온을 이용하는 경우, 배양용액에 독성 이온과 미 생물의 산화에너지원을 따로 첨가하여야 하지만 (Tuovinen et al., 1971; Natarajan et al., 1994), 광 석을 이용하는 경우, 광석 자체가 산화에너지원으로 작용하기 때문에 따로 산화에너지원을 첨가하지 않 는다(Shi and Fang, 2004, 2005; Shi et al., 2006). 무엇보다도, 박테리아를 독성이온에 노출시키는 적응 기간이 적응 효율에 중요한 변수가 되었다. 가장 일 반적인 적응방법은 박테리아의 지수성장기에 맞추어 적응-계대배양을 반복하는 것이다. Mason and Rice (2002)에 의하면 일반적인 호산성 화학무기자가영양 체는 약 3일간의 적응기(lag phase)를 거쳐서 지수성 장기(exponential phase)에 도달하고 지수성장기가 끝나는 약 16일 후에는 정체기(stationary phase)에 도달하는 것으로 해석하였다. 그러므로 박테리아가 중금속 이온이 용해된 새로운 환경에 적응하고, 그 런 다음 박테리아가 새로운 환경에 완전히 적응하 여 개체수가 지수적으로 증가하는 시기, 즉 지수성 장기가 끝나는 시기까지를 중금속에 적응시키는 기 간으로 설정한다. 그러므로 조건에 따라 다르지만, 호산성박테리아의 배가시간이 약 6시간에서 10시간 임을 고려하면, 중금속 이온에 적응한 박테리아가 적응기를 지나 지수성장기에 도달되었다는 것은 새 로운 형질을 갖는 박테리아로 변환되었다고 해석할 수 있을 것이다(Ferroni et al., 1986; Fowler and Crundwell, 1999), 그러나 중금속 이온에 적응하는 기간을 1주일(Kai et al., 1995), 2주일(Attia and El-Zeky, 1990a; Elzeky and Attia, 1995; Shahverdi et al., 2001) 혹은 4주일(Attia and El-Zeky, 1989, 1990b) 주기로 계대배양을 반복한 연구들도 있다. 이와 같은 적응주기로 박테리아를 반복하여 적응시 키면 적응기(lag phase)가 짧아지고 황화광물의 용 출률이 향상된다(Das et al., 1998; Xia et al., 2008). 용출효과를 향상시키기 위하여 박테리아를 독성 중금속 이온에 1년 이상(Li and Ke, 2001; Shahverdi et al., 2001; Shi and Fang, 2005; Shi et al., 2006), 2년 이상(Wei et al., 1997), 3년 이상 (Sanmugasunderam and Branion, 1985) 혹은 14년 이상(Jones et al., 2003) 적응시키기도 하였다. 그러 나 독성 이온을 제거하면 박테리아의 적응 능력이 사라진다(Natarajan et al., 1994; Das et al., 1998).

    우리나라에서 토착박테리아를 이용하여 광산폐 석으로부터 유용금속 용출 연구 등이 Park et al. (2009; 2010a, 2010b, 2011), Ko et al. (2009), Han et al. (2010)에 의하여 수행되었으나 중금속 이온에 토착박테리아를 주기적으로 적응시켜 유용 금속을 용출시킨 연구는 Kim et al. (2014)이 있을 뿐이다.

    본 연구의 목적은 광산 현장에서 서식하는 토착 호산성박테리아를 배양, 목적원소에 내성이 형성되 도록 중금속 이온에 반복-적응시켰다. 중금속 이온 에 내성이 형성된 박테리아를 이용하여 광산 폐광 석으로부터 유용금속 이온을 효과적으로 용출시키 고자 하였다.

    실험재료 및 분석방법

    토착박테리아 및 폐광석 채취

    미생물용출에 이용할 토착박테리아는 경남 고성 군 삼산면 미룡리에 소재하는 삼산제일광산 광석 적치장의 토양에서 채취하였다. 폐광석으로 심하게 오염된 토양 100 g을 증류수 100 mL에 혼합하였 다(pH = 3.91). 1시간 동안 진탕하고 30분 이상 방 치하였다. 상등액 10 mL를 성장-배양액(150 mL) 에 접종하였다(이하 고성 박테리아). 미생물 용출 실험에 사용할 황화광물 시료는 폐광석 적치장에 서 폐광석을 채취하였다(이하 고성 폐광석). 연화 박테리아는 강원도 삼척시 가곡면 풍곡리 연화제2 광산의 광산배수(pH = 3.43)에서 10 mL를 채취하 여 성장-배양액에서 성장시켰다(이하 연화박테리 아). 이들 고성 및 연화 박테리아에 대하여 16S rRNA 염기서열을 분석하였으며, 이 분석 결과를 ATCC (American Type Culture Collection) 표준균 주인 Acidithiobacillus ferrooxidans 23270과 비교한 결과 유사도가 각각 96.99-97.79와 97.59-97.90%로 나타났다(Kim et al., 2012). 따라서 97% 이상의 유 사도는 같은 종(species)으로 간주하므로(Stackebrandt and Goebel, 1994), 본 실험에 사용한 박테리아는 Acidithiobacillus ferrooxidans에 해당되는 것으로 판단된다. 역시 황화광물 시료는 연화제2광산의 폐 광석에 방치되어 있는 폐광석을 채취하였다(이하 연화 폐광석). 이들 폐광석은 죠크라샤와 디스크 밀로 크기 1 mm로 파쇄하였다. 또한 폐광석에 함 유된 광석광물의 종류를 확인하기 위하여 연마편 을 제작하였다.

    두 지역의 토착박테리아는 다음과 같은 성장-배 양액으로 계대배양하였다. 성장-배양액의 조성은 무기성분과 산화-에너지원으로 구성하였다. 무기성 분은 (NH4)2SO4 0.2 g/L, MgSO4⋅7H2O 0.5 g/L, CaCl2 0.25 g/L 및 KH2PO4 3.0 g/L을 3차 증류수 1.0 L에 용해시켜 제조하였다. 산화-에너지원은 원 소 황 분말 1.0 g/L과 FeSO4⋅7H2O 5.0 mg/L을 각각 첨가하였다.

    적응실험

    박테리아의 적응실험은 성장-배양액에 CuSO4⋅ 5H2O 1.5 g을 첨가시켜 3주(21일) 주기로 수행하 였다(이하 적응-배양액). 21일 주기로 적응-배양액 10 mL를 채취하여 CuSO4⋅ 5H2O이 용해된 신선 한 적응-배양액에 접종하여 박테리아를 적응시켰 다. 이와 같은 적응실험은 3회(9주)와 4회(12주)시 켰다(Tuovinen et al., 1971; Attia and El-Zeky, 1990b). 적응 초기 pH는 황산으로 2.62 (고성 박 테리아)와 2.82 (연화 박테리아)로 조정하였다.

    용출실험

    용출실험은 비교시료(without bacteria control sample), 비-적응박테리아 시료(non-adaptation bacteria) 그 리고 적응박테리아 시료(adaptation bacteria)로 구 분하여 실험하였다. 비교시료는 폐광석 시료(0.2 g, 1 mm)를 용출-배양액(leaching-solution, 150 mL) 에 첨가하여 제조하였다. 비-적응박테리아 시료는 폐광석시료, 용출-배양액 그리고 박테리아가 포함 된 성장-배양액 10 mL를 혼합하여 제조하였다. 적 응박테리아 시료는 폐광석시료, 용출-배양액 그리 고 적응박테리아가 포함된 성장-배양액 10 mL를 혼합하여 제조하였다. 이들 용출-배양액의 초기 pH 조정은 황산을 이용하여 한번 실시하였다. 즉, 고성박테리아 용출-배양액은 pH 2.62으로 그리고 연화박테리아 용출-배양액은 pH 2.82로 조정하였 다. 초기 pH 조정을 서로 다른 pH 조건으로 실시 한 이유는 중금속 적응실험을 서로 다른 pH 조건 에 실시하였기 때문이다. 용출실험은 32℃에서 42 일 동안 수행하였다.

    분석방법

    연마편으로 제작된 폐광석 시료를 편광현미경으 로 관찰하였다. -200 mesh로 분쇄된 폐광석 시료에 대하여 XRD분석하였고, 화학분석은 heating block 에서 왕수를 이용하여 분해한 후, 원자흡광분광기 (atomic absorption spectrophotometer. AA-7000, Shimadzu)로 실시하였다. 적응-배양액, 용출-배양액 의 pH (Horiba, Japan)와 Eh (TOA RM-12P)는 시 간별로 측정하였다. 박테리아 관찰은 적응-배양액 10 mL를 0.2 μm 여과지로 여과한 후 그리고 용출- 배양액에서 광석입자를 채취한 후, 각각 글루타르알 데히드로 처리하고 에틸알콜로 탈수하였다. 여과지 위에 그리고 광석입자 표면에 부착한 박테리아는 SEM (scanning electron microscopy, Japan, Hitachi, S4800)으로 관찰하였다. 용출-배양액으로 용출된 FeCu 함량은 원자흡광분광기로 측정하였다.

    실험 결과 및 고찰

    광석광물

    연마편으로 제작된 여러 개의 고성 폐광석에 대 하여 반사편광현미경을 관찰한 결과 평균적으로 황동석(10.5%), 황철석(55.5%), 방연석(5.1%) 등이 그리고 극소량으로 자류철석이 산출된다. 소량의 자류철석이 황동석에 포획되어 나타나고 황철석은 주로 반자형 내지 반타형으로 산출된다(Fig. 1a). 고성 폐광석 시료에 대하여 화학분석한 결과 Fe가 44.86%, Cu가 33.82%, Pb가 14.67% 그리고 Zn이 6.55%로 나타났다. 여러 개의 연마편으로 제작된 연화 폐광석에 대하여 편광현미경을 관찰한 결과 평균적으로 황동석(3.75%), 자류철석(60.8%), 섬아 연석(20.4%) 등이 나타난다. 육방정계 자류철석 (hexagonal pyrrhotite)이 단사정계 자류철석(monoclinic pyrrhotite)으로 교대되어 가장자리 구조(rim structure)가 특징적으로 잘 나타나고 있다(Fig. 1b). 연화 폐광석 시료에 대하여 화학분석한 결과 Fe가 61.3%, Cu가 10.16%, Zn이 28.51%로 측정.

    중금속 적응에 따른 pH 변화

    CuSO4⋅ 5H2O (1.5 g/150 mL)이 용해된 적응- 배양액에서 고성 토착박테리아가 성장함에 따라 pH가 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 2). 적응실험 이 진행되는 9주와 12주의 초기 pH는 2.62로 조정 하였으며, 황산으로 1회만 조정하였다. 9주 적응-배 양액의 초기 pH는 2.62이었으나 박테리아가 성장 함에 따라 pH가 감소하여 21일에는 1.44로 나타났 다. 9주 적응-배양액의 pH는 매우 느리게 감소하였 다. 그러나 12주 적응-배양액의 pH는 매우 빠르게 감소하였다. 즉, 박테리아가 성장함에 따라 초기 pH가 2.62이었으나 매우 빠르게 감소하여 21일에 는 1.08로 나타났다. 이와 같이 9주보다 12주 적응- 배양액의 pH가 더 빠르게 감소하는 원인은 토착박 테리아가 용해된 Cu2+ 이온에 잘 적응하였기 때문 인 것으로 사료된다. Fig. 3은 고성박테리아와 연화 박테리아가 각각 9주 동안 적응실험이 완료되었을 때, 적응-배양액 10 mL를 여과지로 여과하여 이들 박테리아들을 SEM으로 관찰한 것이다. 수많은 막 대 모양의 박테리아들이 여과지 위에 층을 형성하 고 있는 것을 확인할 수 있다. Cu2+ 독성이온이 존 재함에도 불구하고 이와 같이 수많은 박테리아들이 배양되었다는 것은 Cu2+ 이온에 대하여 이미 내성 이 형성되었음을 의미하는 것이다(Rawlings and Kusno, 1994).

    미생물용출에 의한 pH 변화

    42일 동안, 비교시료, 비-적응 박테리아 시료 그 리고 적응 박테리아 시료에 대하여 각각 용출실험 을 수행하였다. 고성 및 연화 폐광석이 산화작용이 일어나면서 나타나는 pH 변화를 Fig. 4에 도시하였 다. 박테리아가 없는 비교시료와 적응되지 않은 박 테리아가 포함된 시료의 경우, 용출실험이 진행되는 동안 pH 값은 증가하였다. 이와 같은 원인은 황화광 물이 무기적 산화작용이 진행될 때 배양액 속의 H+ 이온이 소비되기 때문이다. 그러나 적응 9주 및 적 응 12주 박테리아가 포함된 적응박테리아 시료의 경 우, 고성 및 연화 시료 모두에서 pH가 감소하였다. pH 감소는 9주에서 보다 12주에서 더 규칙적이고 더 안정적으로 감소하는 경향을 보인다. 이것은 적 응 횟수가 반복될수록 박테리아가 Cu2+ 이온에 더 잘 적응하였기 때문으로 사료된다. 따라서 Cu2+ 이 온에 적응된 박테리아일수록 폐광석으로부터 유용금 속 이온을 더 효과적으로 용출시킬 수 있을 것으로 기대된다(Mousavi et al., 2005; Kaewkannetra et al., 2009).

    박테리아 부착 특성

    미생물용출 실험이 종료된 42일, 고성 및 연화 폐광석 입자를 채취하여 SEM으로 관찰하였다. 그 결과 폐광석 입자 표면에 박테리아들이 부착한 것 을 확인할 수 있었다(Fig. 5). Fig. 5a는 적응 9주 된 고성 박테리아들이 고성 폐광석 표면에 부착한 모습이고 Fig. 5b 및 Fig. 5c는 적응 9주 및 적응 12주된 연화 박테리아들이 각각 연화 폐광석 표면 에 부착한 모습이다. 고성 폐광석 표면에 크기가 약 0.3 × 1.6 μm의 막대 모양의 박테리아들이 부 착하였다. 그러나 연화 폐광석 표면에는 막대 모양, S자형 혹은 doughnut-like 형태의 박테리아들이 부 착하였다. 특히 연화 박테리아들은 광석 표면의 특 정 장소에 집중적으로 부착하였다. 박테리아들이 집중적으로 부착한 광석 표면에 대하여 EDS분석을 실시한 결과 S가 46.55 (atomic %), Fe가 45.86 (atomic %) 및 Cu가 7.59 (atomic %)로 검출되었 다. EDS 분석 결과 박테리아들이 집중적으로 부착 한 부분은 자류철석 표면인 것으로 나타났다. 수많 은 박테리아들이 광석표면에 부착하는 원인은 박테 리아들이 생존에 필요한 산화에너지를 얻기 위해서 이다. 즉, 직접산화 메카니즘의 일환으로 박테리아가 황화광물표면에 물리적으로 직접 접촉하여 산화에너 지를 얻기 위해서다(Liu et al., 2011). 박테리아가 황화광물 표면에 부착할 때, 박테리아는 주화성 (chemotaxis)을 갖고 있기 때문에 산화에너지가 많 이 발생하는 장소를 선택할 수 있다(Rojas- Chapana et al., 1998; Baker and Bafield, 2003). 고성 및 연화 폐광석 표면에 부착한 박테리아의 개체수로 단순히 비교하면, 고성 폐광석에 비하여 연화 폐광 석 표면에 훨씬 많은 박테리아들이 부착하였다. 특 히 연화 폐광석 표면의 특정 장소에 박테리아들이 집중적으로 부착하였다. 이와 같은 결과는 연화박 테리아가 고성박테리아에 비하여 Cu2+ 이온에 더 잘 적응한 결과로 해석되며 특히 연화 폐광석에 포 함된 자류철석에 의한 갈바니 효과에 의한 결과로 사료된다(Gantayat et al., 2000).

    적응에 따른 용출량 변화

    42일 동안, 비교시료, 비-적응 박테리아 시료 그 리고 적응 박테리아 시료에 대하여 용출실험을 수 행하였고, 이들 실험으로부터 용출된 Cu 이온 함량 을 3일 간격의 막대그래프로 나타냈다(Fig. 6a). Fig. 6a와 Fig. 6b에서, 고성시료의 경우, 비교시료 와 비-적응 박테리아에 의해서 용출된 Cu 이온 함 량은, 고성시료에서 각각 평균 0.06 mg/l와 0.046 mg/l로 나타났고 연화시료는 각각 0 mg/l과 0.008 mg/l로 나타났다. 그러나 9주 및 12주 적응된 박테 리아를 이용한 경우(Fig. 6a), 고성시료에서 용출된 Cu 이온의 평균 함량은 각각 14,945 mg/l과 44,394 mg/l로 용출되었고 연화시료는 각각 38,917 mg/l 와 49,782 mg/l로 용출되었다. 고성시료와 연화시 료 모두에서 적응 9주 박테리아에 비하여 적응 12 주 박테리아에 의하여 용출된 Cu 함량이 훨씬 많 이 용출되었다. 이와 같은 용출 결과는 박테리아를 Cu 이온에 적응시키는 기간이 증가할수록 폐광석 으로부터 Cu 이온을 더 효과적으로 용출시킬 수 있음을 보여주는 증거다.

    42일 동안, 비교시료, 비-적응 박테리아 시료 그 리고 적응 박테리아 시료에서 용출된 Fe 함량을 3 일 간격의 막대그래프로 나타냈다(Fig. 7). Fig. 7a 와 Fig. 7b에서, 고성시료의 경우, 비교시료와 비적 응 박테리아에 의해서 용출된 Fe 이온 함량은, 고 성시료에서 각각 평균 1.184 mg/l와 2.732 mg/l로 나타났고 연화시료는 각각 1.327 mg/l과 2.449 mg/l로 나타났다. 고성 및 연화시료 모두, 박테리 아가 없는 비교시료 보다 비 적응 박테리아에 의하 여 용출된 Fe 함량이 약간씩 높게 나타났다. 그러 나 9주 및 12주 적응된 박테리아를 이용한 경우 (Fig. 7a), 고성시료에서 용출된 Fe 이온의 평균 함 량은 각각 14,995 mg/l과 37,229 mg/l로 용출되었 고 연화시료는 각각 15,165 mg/l와 49,782 mg/l로 용출되었다. 용출된 Fe의 평균 함량 역시, 고성시 료와 연화시료 모두에서 적응 9주 박테리아에 비 하여 적응 12주 박테리아에 의하여 용출된 Fe 함 량이 훨씬 많이 용출되었다.

    9주와 12주 박테리아에 용출된 평균 Cu 함량과 평균 Fe 함량을 고성시료과 연화 시료로 비교해보 면, 항상 고성시료 보다 연화시료에서 높게 용출되 었다.

    토 의

    박테리아를 CuSO4⋅ 5H2O이 용해된, 즉 Cu2+ 이 온이 용해된 적응-배양액에서 3주 동안 배양하자 pH가 서서히 감소하였다. 그러나 3주 배양된 박테리 아 10 mL를 채취하여 다시 6주 동안 Cu2+ 이온에 적응시키자 pH 감소가 빠르게 일어났다. 이는 박테 리아가 Cu2+ 이온에 잘 적응한 것으로 해석된다(Fig. 2). 특히 6주 적응 말기(22일)에 수많은 박테리아들 이 나타나는 모습(Fig. 3)은 Cu2+ 이온에 내성이 형 성되었음을 보여주는 증거이다. 박테리아를 중금속 이온에 노출시키면 이중반응((biphasic response)이 나타나는 것으로 알려져 있다(Sadler and Trudinger, 1967). 즉, 중금속 이온의 농도가 낮은 경우, 박테리 아는 이 중금속 이온에 자극(stimulation)을 받아 내 성이 형성된다. 그러나 중금속 이온이 고 농도인 경 우, 박테리아는 중금속 이온에 의하여 성장장애를 일 으켜 선택(selection)되거나 돌연변이(mutation)이가 출현하는 것으로 알려졌다(Woese, 1987; Rawlings and Kusno, 1994). 따라서 Rawlings and Kusno (1994)는 박테리아가 중금속 이온에 내성이 형성되 는 메카니즘을 선택과 돌연변이 반복적 축적으로 해석하였다. 수많은 박테리아가 중금속 이온에 노 출되었을 경우, 중금속 이온에 대하여 내성인자를 갖고 있지 않은 대부분의 박테리아는 사멸한다. 그 러나 내성인자를 갖고 있는 극소수의 박테리아는 중금속 이온에 선택되어 증식하게 된다. 또한 내성 인자를 갖고 있는 박테리아가 증식하는 과정에서 중금속 이온의 독성에 잘 견디는 돌연변이가 출현 한다. 이 돌연변이는 자손을 더 많이 증식하게 되 고 결국 중금속 이온에 내성인자를 갖는 돌연변이 들이 우점종으로 축적될 것이다(Silver and Phung, 1996). 실제적으로 Silver and Phung (1996)는 중 금속 이온에 내성이 형성된 박테리아일수록 플라 스미드(plasmid)가 증가하고 화학적 삼투력이 증가 하는 것을 확인하였다.

    편광현미경에서 폐광석 시료를 관찰하였을 때, 황동석이 고성 폐광석에서 10.5%, 연화 폐광석에 서 3.75%로 산출되었다(Fig. 1). 그리고 폐광석 시 료에 대한 화학분석에서도 Cu 함량이 고성시료에 서는 33.82%, 연화시료에서는 10.16%로 측정되었 다. 황동석과 Cu 함량 모두 고성시료에 비하여 연 화시료에서 적게 산출되고 그리고 적게 포함되었 다. 그러나 Fig. 6과 Fig. 7Cu 함량이 고성에 비하여 상대적으로 연화시료에서 더 많이 용출되 었다. 그리고 고성 폐광석에 비하여 연화 폐광석 표면에 더 많은 박테리아들이 부착하였다(Fig. 5). 이와 같이 더 많은 박테리아들이 부착하고 Cu 이 온이 더 많이 용출된 원인은 적응효과 그리고 폐광 석에 함유된 광석광물의 종류에 기인하는 것으로 사료된다. 자류철석은 연화 폐광석에서 만 산출된 다(Fig. 1). Fig. 1에서와 같이 자류철석이 섬아연 석이나 황동석과 함께 산출되면 정지전압이 낮은 자류철석은 양극으로 작용하고 정지전압이 높은 황동석이나 섬아연석은 음극으로 작용한다. 이와 같이 정지전압 차이로 양극 및 음극반응이 일어나 는 것을 갈바니 반응이라 한다(Mehta and Murr, 1983; Veglio et al., 2003). 이때 자류철석 표면에 서 부식반응이 일어나기 때문에 Fe2S0이 방출된 다. 따라서 Fig. 5에서와 같이 많은 박테리아들이 자류출석 표면에 집중적으로 부착하는 것은 부식 반응으로 방출되는 Fe2S0을 활용하기 위해서 일 것이다. 자류철석에 의한 갈바니 반응이 일어나기 때문에 고성 시료에 비하여 연화시료에 더 많은 Cu 이온이 용출되었고 그리고 박테리아가 더 많이 부착하는 것으로 사료된다.

    토양에서 채취한 고성 박테리아에 비하여 광산배 수에 채취한 연화박테리아가 실험실의 용출실험에 더 잘 적응하였을 것이다. 박테리아의 종(species) 을 형태로 구분하는 것은 불가능한 방법이고 매우 위험한 방법이지만, 고성시료는 막대 모양의 박테 리아만 소수 관찰되었지만 연화시료의 경우, 막대 모양, S자 형태 혹은 도넛(doughnut-like) 형태의 박테리아들이 수없이 관찰된다(Fig. 5). 따라서 단 순 종의 박테리아에 의한 산화작용 보다 복합 종의 박테리아에 의한 산화작용이 우세하게 일어났기 때문에 고성시료에 비하여 연화시료에서 더 많은 CuFe 이온이 용출되었던 것으로 사료된다.

    살균제로 사용하는 CuSO4⋅ 5H2O에 박테리아를 적응시킨 결과 CuFe의 용출효율이 증가하는 것 을 확인하였다. 따라서 박테리아를 Zn2+이나 Pb2+ 이온에 적응시킨다면 또한 Zn2+Pb2+ 이온을 혼 합하여 적응시키면 폐광석에 포함되어 있는 섬아 연석이나 방연석과 같은 황화광물로부터 더 많은 유용금속 이온을 효과적으로 용출시킬 수 있을 것 으로 기대된다. 아울러 향후 현장적용 가능한 bio heap leaching 및 dump leaching 실험 시 본 실험 내용을 설계인자로 반영하고자 한다.

    결 론

    폐광산에 방치되어 있는 폐광석으로부터 유용금 속이온을 그 지역에 서식하는 토착박테리아를 이 용하여 효과적으로 용출시키고자 하였다. 광산 환 경에 적응된 토착호산성박테리아를 배양하였고, 또 한 중금속 이온에 내성이 형성될 수 있도록 중금속 이온에 주기적으로 적응시켰다. 그 결과 적응실험 이 진행될수록 성장-배양액의 pH가 더 안정적으로 감소하였다. CuSO4⋅ 5H2O에 9주와 12주 동안 적 응시킨 박테리아를 이용하여 42일 동안 미생물용 출을 수행한 결과, 용출-배양액의 pH는 적응 횟수 에 비례하여 더 빠르게 감소하였다. 황동석과 Cu 함량이 고성 폐광석에 비하여 상대적으로 적게 포 함된 연화 폐광석에서 더 많은 박테리아들이 부착 하였고, 또한 CuFe 함량은 고성 박테리아 시료 (각각의 용출률 = 66.77%와 21.83%)에 비하여 연 화 박테리아 시료(각각의 용출률 = 92.79%와 55.88%)에서 더 많이 용출되었다. 따라서 광산 환 경에 서식하는 박테리아를 이용하고 또한 목적중 금속 이온으로 박테리아를 주기적으로 적응시키면 폐광석으로부터 유용금속이온을 더 효과적으로 용 출시킬 수 있음을 확인하였다.

    Figure

    JMSK-28-209_F1.gif

    Reflected photomicrograph of mine waste rock from Goseong (a) and Younhwa (b) abandoned mine site (magnification × 50). Ch; chalcopyrite, G; galena, Py; pyrite, Pyr; pyrrhotite, Sp; sphalerite. The scale bar is 500 μm in length.

    JMSK-28-209_F2.gif

    The variation of pH and Eh in the adaptation-medium contained CuSO4⋅ 5H2O (1.5 g/150 ml) with Goseong (a and b) and Younhwa(c and d) bacteria. ○ and □; 9 weeks, ● and ■; 12 weeks.

    JMSK-28-209_F3.gif

    SEM image of indigenous bacterial layer on the filter paper from the adaptation-medium with Goseong (a and b) and Younwha (c and d) bacteria. These bacteria were adapted to the period of 9 weeks. The scale bar is 5.0 μm (a and c) and 10.0 μm (b and d) in length.

    JMSK-28-209_F4.gif

    The variation of pH in the leaching-medium with Goseong (a) and Younwha (b). The bioleaching experiments were carried out by using the without bacteria (△), non-adaptation bacteria (▲), the 9 weeks (○ and □) and 12 weeks (● and ■) adaptation bacteria, respectively.

    JMSK-28-209_F5.gif

    SEM image of indigenous bacteria on the surface of mine waste rock from the Goseong (a) and Younwha (b and c) mine. These bacteria were observed on the leaching-medium after 42 days of inoculum. The scale bar is 5.0 μm in length.

    JMSK-28-209_F6.gif

    The histogram of Cu contents in the leaching-medium with Goseong (a) and Younwha (b) mine. The bioleaching experiments were carried out by using the without bacteria (□), non-adaptation bacteria (▨), the 9 weeks (▩) and 12 weeks (■) adaptation bacteria, respectively.

    JMSK-28-209_F7.gif

    The histogram of Fe contents in the leaching-medium with Goseong (a) and Younwha (b) mine. The bioleaching experiments were carried out by using the without bacteria (□), non-adaptation bacteria (▨), the 9 weeks (▩) and 12 weeks (■) adaptation bacteria, respectively.

    Table

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