Trace copper biosorption by formaldehyde crosslinked Sargassum sp. Seaweed

물 정화의 세계를 오염이라는 불청객이 찾아오는 거대하고 북적이는 도시라고 상상해 보십시오. 수십 년 동안 과학자들은 구리와 같은 중금속 독소를 붙잡아 물 밖으로 쫓아내는 특수 재료인 '보디가드(bouncers)'를 만들어 왔습니다. 가장 인기 있는 보디가드 중 하나는 '사르가섬(Sargassum)'이라 불리는 일종의 해조류입니다. 이 해조류를 금속 이온을 붙잡기 좋아하는 작은 전하를 띤 갈고리들로 덮인 끈적끈적한 천연 스펀지라고 생각하십시오. 보통 이 보디가드들은 물속에 금속이 가득한 산업 공장의 혼란스러운 상황, 즉 북적이는 모쉬핏(mosh pit) 같은 환경에서 테스트됩니다. 하지만 물이 마치 가벼운 비가 내린 뒤의 조용한 교외 주택가처럼 아주 약간만 더러운 상태라면 어떻게 될까요? 이것이 바로 '미량(trace)' 오염의 영역입니다. 이곳에서는 금속 수치가 너무 낮아서 ppb(10억 분의 1 단위)로 측정되는데, 이는 수영장 안에 모래 한 알을 찾는 것과 같습니다. 도시 배수 시스템과 같은 일상적인 환경을 정화하기 위해 우리의 해조류 보디가드가 이러한 조용하고 낮은 수준의 시나리오에서 어떻게 행동하는지 이해하는 것은 매우 중요하지만, 이는 아직 완전히 풀리지 않은 미스터리입니다.

여기에 싱가포르 국립대학교의 원파 응(Wenfa Ng)이 수행한 흥미로운 실험이 등장합니다. 연구자는 이 해조류를 더욱 강력하게 만들기 위해 '글루 잡(glue job)'을 하기로 했습니다. 즉, 해조류의 섬유를 서로 묶어 더 단단하고 안정적으로 만들어 줄 강력한 그물 역할을 하는 화학적 가교제인 포름알데히드를 사용한 것입니다. 목표는 간단했습니다. 이 강화된 해조류 스펀지가 물속의 미량의 구리(20~1000 ppb 사이)를 붙잡을 수 있는지, 그리고 그 과정에서 형태를 유지할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

결과는 슈퍼히어로의 속도와 악당의 놀라움이 뒤섞인 모습이었습니다. 연구팀이 변형된 해조류를 500 ppb의 구리가 포함된 물에 넣었을 때, 정화 작업은 번개처럼 빨랐습니다. 단 10초 만에, 즉 눈을 깜빡이는 것보다 빠르게, 해조류는 450 ppb의 구리를 붙잡아 물을 놀라울 정도로 깨끗하게 만들었습니다. 마치 해조류가 금속 이온을 즉각적으로 낚아채는 초능력을 가진 것 같았습니다. 그러나 연구팀이 해조류가 무엇을 '내어주고 있는지'를 자세히 들여다보았을 때 이야기는 반전되었습니다. 해조류가 구리를 붙잡으면서, 동시에 자신의 비밀을 물속에 쏟아내기 시작한 것입니다. 해조류는 상당한 양의 유기 탄소(해조류 자체의 구성 성분)를 방출했고, 칼륨 이온을 최대 2000 ppb까지 쏟아냈습니다. 또한 마그네슘, 칼슘, 나트륨도 놓아주었습니다.

연구진은 해조류가 단순히 하나의 이온을 다른 이온으로 교체하는 것이 아니라, 구리를 붙잡는 행위 자체가 해조류의 내부 구조를 흔들어 놓았을 수 있다고 제안합니다. 해조류를 특정 층의 벽돌(마그네슘, 칼륨, 나트륨 이온)로 지어진 집이라고 상상해 보십시오. 이 벽돌들은 지붕(유기 구조)이 무너지지 않도록 지탱해 줍니다. 그런데 구리 이온이 급격히 밀려 들어올 때, 이 벽돌들을 느슨하게 만들었을 수 있습니다. 일단 벽돌이 사라지자 지붕이 불안정해지기 시작했고, 유기 물질과 엄청난 양의 칼륨 및 나트륨 파도가 물속으로 흘러나왔습니다. 이 '불안정화' 현상은 해조류를 24시간 동안 담가두는 평형 테스트를 통해 확인되었습니다. 해조류가 구리 수치를 5.5~9.5 ppb라는 아주 낮은 수준까지 성공적으로 낮추기는 했지만, 데이터는 노이즈가 섞여 있으면서도 명확한 패턴을 보여주었습니다. 즉, 구리를 잡는 매 순간마다 해조류는 자신을 지탱해주던 바로 그 이온들을 유출하며 구조적 온전함을 잃어가는 것처럼 보였습니다.

따라서 포름알데히드로 가교 결합된 해조류가 미량의 구리를 빨아들이는 고속 진공청소기 역할을 할 수 있음은 증명되었지만, 그 과정에는 혹독한 대가가 따랐습니다. 논문은 구리를 붙잡는 메커니즘 자체가 너무 공격적이어서 해조류의 내부 구조를 불안정하게 만들고 그 내용물을 방출하게 했을 수 있다고 시사합니다. 이는 마치 작은 금속 조각을 집어 올리기 위해 자석을 사용했는데, 그 과정에서 자석의 내부 프레임이 헐거워져 부품들이 쏟아져 나오는 것과 같습니다. 연구는 이 해조류가 도시 유출수를 정화하는 신뢰할 수 있고 재사용 가능한 도구가 되기 위해서는, 제 역할을 수행할 때 구조가 불안정해지지 않도록 내부의 '벽돌 층'을 어떻게 다시 강화할 것인지 알아내야 한다고 결론짓습니다.