Biohybrid alkymi: omdannelse af spildevandsforurenende stoffer til kemikalier

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Forskere har foreslået en ny metode til at omdanne spildevandsforurenende stoffer til værdifulde kemikalier ved hjælp af sollys, der tilbyder en mulighed for bæredygtig og cirkulær kemisk fremstilling.

Konventionel kemisk fremstilling er afhængig af energikrævende processer. Halvlederbiohybrider, som kombinerer effektive lys-høstende materialer og levende celler, er dukket op som en spændende mulighed for dem, der søger at bruge solenergi til at producere kemikalier, siger forfatterne til denne nye undersøgelse.

Udfordringen ligger nu i at finde en økonomisk bæredygtig og miljøvenlig måde at opskalere teknologien på.

Den blev udgivet i Naturens bæredygtighed i oktober.

Arbejdet blev ledet af professor GAO Xiang fra Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) fra det kinesiske videnskabsakademi og professor LU Lu fra Harbin Institute of Technology.
Forskerne satte sig for at omdanne forurenende stoffer fra spildevand til halvlederbiohybrider direkte i spildevandsmiljøet. Konceptet går ud på at udnytte det organiske kulstof, tungmetaller og sulfatforbindelser i spildevandet som råmaterialer til at konstruere disse biohybrider og efterfølgende omdanne dem til værdifulde kemikalier.

Ikke desto mindre varierer ægte industrispildevand normalt i dets sammensætning af store organiske forurenende stoffer, tungmetaller og komplekse forurenende stoffer, som alle ofte er giftige for bakterieceller og vanskelige for dem at metabolisere effektivt. Det indeholder også høje niveauer af salt og opløst ilt, der kræver bakterier med en aerob sulfatreduktionskapacitet. Derfor er det udfordrende at bruge spildevand som bakteriemateriale.

For at overvinde dette udvalgte forskerne en hurtigt voksende marin bakterie, Vibrio natriegens, som har en exceptionel tolerance over for høj saltkoncentration og en kapacitet til at udnytte forskellige kulstofkilder. De introducerede en aerob sulfatreduktionsvej i V. natrigens og trænede den konstruerede stamme til at bruge forskellige metal- og kulstofkilder for at producere halvlederbiohybrider direkte fra sådant spildevand.

Deres primære målkemikalie til produktion var 2,3-butandiol (BDO), et værdifuldt råvarekemikalie.

Ved at konstruere en stamme af V. natriegens genererede de svovlbrinte, som spillede en afgørende rolle i at lette produktionen af CdS-nanopartikler, der effektivt absorberer lys. Disse nanopartikler, kendt for deres biokompatibilitet, muliggjorde in-situ skabelsen af halvlederbiohybrider og gjorde det muligt for de ikke-fotosyntetiske bakterier at udnytte lys.

Resultaterne viste, at disse sollysaktiverede biohybrider udviste betydeligt forbedret BDO-produktion, hvilket oversteg udbytter, der kan opnås gennem bakterieceller alene. Desuden udviste processen skalerbarhed, der opnåede soldrevet BDO-produktion i en betydelig 5-liters skala ved brug af faktisk spildevand.

Livscyklusvurdering viser, at denne specifikke biohybridrute har en betydelig bæredygtighedsgevinst sammenlignet med konventionelle 2,3-butandiol produktionsruter.

"Biohybrid-platformen kan ikke kun prale af et lavere CO2-fodaftryk, men reducerer også produktomkostningerne, hvilket fører til en samlet mindre miljøpåvirkning sammenlignet med både traditionel bakteriel fermentering og fossilt brændstof-baserede BDO-produktionsmetoder," sagde prof. GAO. "Bemærkelsesværdigt nok kunne disse biohybrider produceres ved hjælp af en række forskellige spildevandskilder."

Forfatterne siger, at arbejdet kan bringe solcelledrevet biofremstilling og omdannelse af affald til rigdom et skridt fremad og bane vejen for renere produktion og cirkulær økonomi.