미생물 단백질로 희토류 분리… 1%대 재활용 한계 넘는다

뮌헨 공과대학교 토마스 브뤽 교수와 케이프타운 대학교 수 해리슨 교수, 퀸즐랜드 대학교 게리 솅크 교수가 이끄는 다국적 연구팀은 2026년 11월 미생물의 분자 결합 능력을 활용해 산업 폐기물에서 희토류를 선택 추출하는 정밀 생물수력야금 공정 모델을 발표했다.

과학 전문 매체 바이오엔지니어닷컴은 2026년 11월 8일(현지시각) 국제 학술지 생명공학 및 생명기술 프론티어스에 게재된 해당 연구를 인용해 유독 폐기물 배출을 크게 줄이면서 개별 원소를 98% 이상의 고순도로 분리하는 대안이 제시됐다고 보도했다. 전기차 모터용 자석 원료 수요가 급증하는 가운데 공정 실증이 진전되면 특정 국가 정제 시설에 집중된 핵심 원료 조달 구조를 다변화하는 기술적 기반이 될 수 있다는 평가가 나온다.


스칸듐과 이트륨을 비롯한 15개 란탄족 원소는 전기차 모터와 풍력 발전 터빈에 쓰이는 영구자석 제조의 핵심 광물이다. 현재 가동되는 산업 정제 시설은 고온 열처리나 독성 유기 용매를 사용하는 화학 공정에 의존한다. 이 과정에서 희토류 산화물 1t을 정제할 때 최대 2000t의 독성 잔류물과 1000t의 오염 폐수가 발생해 심각한 환경 부담을 초래한다.
석탄 비산재나 채굴 부산물, 폐전자제품 같은 폐기물은 유용한 금속을 품고 있지만 농도가 옅고 성분이 복잡하다. 기존 화학 용매 추출법을 저농도 폐기물에 적용하면 대규모 시설과 약품 투입 비용이 급증해 채산성을 확보하기 어렵다. 이로 인해 제품 수명이 다한 희토류의 글로벌 재활용률은 현재 1% 수준에 머물러 있다.

연구팀이 제시한 정밀 생물수력야금은 고체 용해, 농축, 단백질 친화 분리로 이어지는 3단계 순차 공정이다. 첫 단계에서는 아스페르길루스와 페니실리움 곰팡이가 분비하는 유기산이 고체 폐기물에서 금속을 분리해 낸다. 화학무기영양 세균은 광물 속 황 화합물을 산화시켜 생물 기원 황산을 만들어 희토류를 물에 녹는 형태로 바꾼다.


2단계 공정에서는 미생물 세포 표면에 달린 화합물 결합 부위를 활용해 묽은 산성 용액에 녹아 있는 희토류 성분을 중간 농축한다. 연구팀은 강한 산성 환경에서도 살아남는 붉은 미세조류인 갈디에리아 설푸라리아를 알지네이트 구슬 안에 고정했다. 이를 산성 광산 배수에 투입한 결과 란탄 97.2%, 사마륨 98.9%, 이트륨 96.2%를 회수하는 성과를 거뒀다.

3단계는 메탄을 먹고 자라는 특정 세균에서 찾아낸 란모듈린 단백질을 활용해 개별 금속을 골라내는 무세포 정제 공정이다. 란모듈린은 자연 상태의 칼슘 이온보다 희토류 원소와 결합하려는 성질이 수백만 배 강하다. 연구팀은 단백질 분자 구조를 개량해 크기가 매우 비슷한 네오디뮴과 디스프로슘을 단 한 번의 관 분리 시험으로 98% 이상의 원소 순도로 걸러냈다.

상업적 적용성을 가늠하기 위한 예시 계산 모델도 제시됐다. 희토류가 1리터당 10mg 들어 있는 침출액 100㎥를 하루에 처리할 때 생물 흡착제를 10회 재사용한다고 가정하면 일일 바이오매스 보충량은 1.4kg으로 산출된다. 이는 대용량 농축은 미세조류가 맡고 정밀 분리는 단백질이 담당하는 역할 분담이 유효함을 보여준다.

전기차와 가전 산업은 모터의 자력을 유지하는 네오디뮴과 디스프로슘 공급망을 특정 해외 가공 시설에 크게 의존하고 있다. 미생물 정밀 분리 기술이 자리 잡으면 전자 폐기물이나 자석 가공 부산물에서 고순도 희토류를 직접 회수하는 재활용 공정 구축에 보탬이 될 수 있다.

다만 상용화 단계에 안착하려면 실험실을 벗어난 현장 적응성 검증이 선행되어야 한다. 실제 산업 폐수에는 철, 알루미늄, 칼슘 같은 불순물이 다량 섞여 있어 단백질 분리막의 흡착 수명을 단축시킬 위험이 있다. 단백질 생산과 고정화에 들어가는 비용이 기존 화학 약품보다 높게 유지되거나 재사용 횟수가 기준에 미치지 못하면 경제성을 입증하기 어렵다는 지적이 나온다.

이 생물학적 정제 기술이 산업 현장에 본격 도입되면 환경 규제로 가동이 묶였던 저품위 광산 부산물과 산업 잔류물이 새로운 전략 자원으로 탈바꿈할 수 있다. 채굴과 화학 정련 과정에서 발생하는 오염 부담을 크게 낮추는 동시에 특정 국가가 쥐고 있는 희토류 가공 독점 구조를 완화하고, 핵심 원료의 순환 공급 체계를 넓히는 계기가 될 것으로 전망된다.


최삼열 글로벌이코노믹 기자 csyis@naver.com