바카라 필승법를 "광석 수준"까지 고농축하는 새로운 미생물을 발견했습니다
-철산화세균에 의한 바카라 필승법농축 메커니즘의 해명과 바이오마이닝의 희망-

에히메 대학 농학 대학원 미츠노부 키요시 교수, 타니모토 카즈야 대학원생은 이화학연구소 선임 연구원 가토 신고, 바카라 커뮤니티 연구원 도쿠나가 고헤이, 큐슈 대학 이학 대학원 하마무라 나츠코 교수와의 공동 연구를 통해 구리를 광석 수준으로 농축하고 고정할 수 있는 새로운 철산화 박테리아를 처음으로 분리하고 메커니즘을 해명했습니다 강력한 철산화 작용으로 인해 구리 농도가 높아집니다 이번 결과는 미생물을 활용한 유가금속 회수(바이오마이닝) 및 환경정화 기술 개발로 이어질 중요한 결과이다

이 결과는 미국 Wiley에서 2025년 11월 30일 발행하는 국제 과학저널 "Environmental Microbiology"에 게재되었습니다

성공적으로 분리된 철산화 박테리아의 전자현미경 사진(눈금 막대: 1μm)

[연구결과 세부사항]

연구 배경: 광산 현장 및 “미생물에 의한 비정상적인 바카라 필승법 농축”

바카라 필승법(원소 기호 Cu)(용어집 1)인류가 사용하는 가장 중요한 금속자원 중 하나이며, 높은 전기전도도, 열전도도, 가공성 등으로 현대사회의 산업기반을 뒷받침하는 귀중한 금속입니다 최근에는 탈탄소 사회의 진전에 따라 전 세계적으로 전력망 강화와 전력망 강화가 가속화되고 있으며, 수요가 급증하면서 국제 바카라 필승법 가격도 계속 급등하고 있습니다 바카라 필승법는 또한 강력한 항균 및 살균 특성을 갖고 있으며 많은 미생물에 독성이 있는 것으로 알려져 있습니다

한 연구팀은 일본의 이전 바카라 필승법 광산 현장에서 중성 pH의 폐수에서 산화철(III)이 침전되는 현상을 발견했으며(그림 1), 바카라 필승법는 고체 침전물에 최대 2중량%(용존 농도의 약 500,000배)까지 농축됩니다 이 농도는 전 세계적으로 채굴되는 바카라 필승법광석의 평균 농도(약 07wt%)를 웃도는 수준이다 일반적인 화학 흡착만으로는 "광석 수준"에서 이러한 높은 농도를 설명하기 어렵고, 우리는 미생물 과정이 배후에 포함될 수 있다는 가설을 세웠습니다

중심적인 역할은 철(II)의 산화와 성장으로 생각되었습니다철산화 박테리아(용어 2)철산화세균은 중성환경에서 철의 침전을 일으키는 생체촉매로 알려져 있으나, 그 중 다수가 "배양이 어렵다"며 환경에서 지배적이었던 균주들이순수 분리(용어집 3)자세히 조사하기가 어려웠습니다 이 때문에 광산에서 관찰되는 '비정상적인 바카라 필승법 농축'이 어떤 미생물과 어떤 메커니즘에 의해 발생했는지는 여전히 불분명하다

그림 1 광산 현장의 철 매장량

연구 내용: 새로운 철산화 박테리아의 최초 순수 분리 및 바카라 필승법 농도가 높아지는 메커니즘 규명

이러한 배경을 바탕으로 연구팀은 유전자 분석을 이용하여 광산 현장의 철광상에 부착된 미생물 군집에 대한 상세한 조사를 수행했습니다 결과는 이러한 환경에서 갈리오넬라과(Gallionellaceae)의 철산화 박테리아가 가장 우세한 종이며, 철 산화 반응과 높은 바카라 필승법 농축을 주도할 가능성이 있음을 보여주었습니다 그러나 갈리오넬라과(Gallionellaceae)에 속하는 많은 종은 재배가 어려운 것으로 알려져 있으며, 현재까지 순수 분리종은 극히 제한되어 있다 기존 매체의 문제점은 현장의 물리적, 화학적 조건을 적절하게 재현할 수 없어 분리가 어렵다는 것입니다

연구팀은 현장 값에 따라 주요 원소(철(II), 마그네슘, 칼슘, 질소, 인 등)의 농도, 용존 산소 농도, pH, 이산화탄소 분압을 최적화하는 배양 배지를 개발했습니다 이 방법은 배양이 어려운 철산화균의 순수분리를 목적으로 에히메대학 농학대학원 미츠노부 연구실에서 최초로 고안, 확립한 '맞춤배지법'이다(관련논문: Uchijima, Mitsunobu et al, FEMS Microbiology Ecology, 2025)

이 배양방법은 기존 방법으로는 달성할 수 없는 높은 선택성과 배양효율을 달성하였고, 세계 최초로 광산 현장에서 가장 만연했던 철산화세균과 거의 동일한 균주인 Sideroxyarcus속에 속하는 종 수준의 새로운 분리주(TK5균주)를 얻는 데 성공했습니다(그림 2; 그림 3)

그림 2 분리된 개체의 형광 염색 이미지(상단)와 동일한 영역의 명시야 이미지(하단)
명시야 이미지의 갈색 물질은 분리물에서 생성된 산화철(III)이며 이 물질에는 % 정도의 바카라 필승법 함량이 높습니다

그림 3 현장 환경에서 지배적인 박테리아 군집 (검은색 페인트숫자는 지배력을 나타냄) 및 분리(빨간색) 계통발생적 관계 이는 현장에서 우세한 균주(그림의 Mine ASV 001)와 거의 동일한 균주를 분리하는 데 성공했음을 보여줍니다

또한, 싱크로트론 방사선 X선 분석을 통해 현장 환경의 철산화세균은 바카라 필승법가 존재하는 상황에서도 철(II)을 산화시키는 능력이 매우 높으며, 생성된 산화철(III)에 바카라 필승법를 강하게 흡착, 공침시켜 바카라 필승법를 고농축시키는 것으로 나타났습니다 또한, 분리균주를 이용한 실험실 규모의 바카라 필승법 고정화 실험에서는 철의 산화반응이 진행됨에 따라 바카라 필승법가 빠르게 고체상으로 이동하고, 생성된 산화철(III)은 바카라 필승법와 함께 % 오더의 고농도를 나타내었다 이는 미생물학적 과정이 현장 환경에서 바카라 필승법 고정화에 결정적인 역할을 한다는 것을 확인시켜 줍니다

바카라 필승법는 또한 매우 강력한 살균 특성을 갖고 있으며 많은 미생물에 대한 독성이 매우 높습니다 그러나 분리된 균주는 현장 농도의 20배가 넘는 바카라 필승법 농도(약 50μM)까지 증식 활성을 나타냈습니다 이 농도는 일본의 거의 모든 중성 광산 배수의 바카라 필승법 농도 범위를 초과합니다 또한 두 개의 바카라 필승법 배설 유전자 그룹인 cop과 cus가 분리균의 게놈에서 발견되었는데, 이는 이 균주가 높은 바카라 필승법 농도에 적응하는 강력한 유전적 기반을 보유하고 있음을 나타냅니다 이러한 결과는 분리물의 높은 공학적 적용성을 입증합니다

분리물이 CO라는 점도 주목할 만합니다₂유일한 탄소원으로 철(II)의 산화를 통해 에너지가 얻어지기 때문에 철의 산화와 바카라 필승법 농축은 외부 유기물에 의존하지 않는 탄소 중립 대사 과정임을 입증합니다

연구 확산: 탄소 중립 생물채광 및 환경 정화에의 응용

이 연구 결과는 철산화 박테리아가 자연 환경에서 바카라 필승법를 고농축시키는 메커니즘을 세계 최초로 입증한 것으로, 환경 미생물학과 환경 공학 모두에서 큰 의미를 갖습니다 특히 분리주의 독립영양성, 높은 바카라 필승법 농축 능력, 바카라 필승법 내성은 외부 유기탄소가 필요하지 않은 '탄소 중립' 바카라 필승법 회수 공정 구현 가능성을 시사한다 이는 화학물질과 다량의 에너지 투입이 필요한 기존의 금속 회수 기술과 크게 다른 접근 방식으로, 에너지 절약형, 환경 영향이 적은 '미생물 기반 금속 회수(바이오마이닝) 기술' 및 환경 정화 기술로 활용될 것으로 기대된다

[용어]

1 바카라 필승법:

인류가 사용하는 가장 중요한 금속자원 중 하나이며, 높은 전기 전도성, 열 전도성, 가공성으로 인해 현대 사회의 산업 인프라를 지탱하는 귀중한 금속입니다 최근에는 탈탄소 사회가 진행됨에 따라 전 세계적으로 전력망의 전력화 및 강화가 가속화되고 있으며, 이에 따라 바카라 필승법 수요가 급격히 증가하고 있으며, 국제 바카라 필승법 가격도 지속적으로 치솟고 있습니다 바카라 필승법는 신규 광산 탐사 정체로 인해 향후 가장 공급이 부족할 금속 자원 중 하나로 꼽히며, 안정적인 공급과 효율적인 회수 기술 확립이 국제적인 이슈로 대두되고 있습니다 또한, 바카라 필승법는 강력한 항균, 살균 특성을 갖고 있어 단시간 내에 박테리아와 바이러스를 비활성화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다 이 특성은 미생물을 바카라 필승법 회수 기술에 적용하는 데 있어 주요 병목 현상입니다

2 철산화 박테리아:

철산화 박테리아는 철(Fe²⁺)을 산소로 산화시켜 에너지를 얻는 독립영양세균으로, 주로 pH가 중성~산성인 환경에서 서식합니다

페2+	＋	025O2	＋	25H2O	→	Fe(OH)3↓	+	2H+
전자 기증자		전자 수용체				산화철 광물의 침전

철을 산화시켜 얻은 에너지를 이용한 CO₂로부터 유기물을 합성합니다 그리고 그것을 자신의 성장을 위해 사용합니다 토양, 퇴적물, 지하수 환경에 널리 분포하며 환경 내 철 순환에 중요한 역할을 합니다 철산화 박테리아에 의해 생산된 산화철(III)은 표면적이 넓습니다(100-200m/g²)는 중금속의 고정화를 통해 광산 배수 및 지하수의 환경 정화에 응용할 수 있는 유용미생물이다 한편, 많은 철산화세균은 실험실에서 분리가 어려운 미생물로 분류된다

3 순수한 분리:

이것은 환경에 존재하는 수천, 수만 개의 미생물 중 단 하나의 타겟 미생물만을 분리하여 성장시키는 기술입니다 이를 통해 게놈 분석만으로는 이해할 수 없는 미생물의 생리, 대사, 생태를 세밀하게 조사할 수 있습니다 순수 분리는 일반적으로 선택 배지와 생성된 미생물의 반복 희석을 사용하여 달성됩니다 환경 미생물의 90% 이상이 비배양(배양 조건을 알 수 없음)되므로 순수 분리는 미생물 대사 연구 및 공학 응용 분야에서 강력한 연구 접근 방식입니다

[논문 정보]

발간된 잡지: 환경미생물학

제목: 중성 광산 배수에서 바카라 필승법 내성 철 산화 박테리아에 의해 촉진되는 백분율 수준의 바카라 필승법 광물화
(일본어 번역) 바카라 필승법 저항성 산화철 박테리아로 인한 중성 광산 배수의 높은 수준의 바카라 필승법 농축

저자: Tanimoto K, Kato S, Tokunaga K, Hamamura N, Ohkuma M, Mitsunobu S*
(*교신저자)

DOI: 101111/1462-292070212

[연구 자금 지원]

・JSPS 과학 연구 보조금
과제 번호: 21K19871, 23K27042, 23H00534, 24KK0198