Biohybrid Alchemy: Transforming Wastewater Contaminants Into Chemicals

Neuauflage von Plato

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Forscher haben eine neuartige Methode zur Umwandlung von Abwasserverunreinigungen in wertvolle Chemikalien mithilfe von Sonnenlicht vorgeschlagen, die einen Weg für eine nachhaltige und zirkuläre Chemikalienherstellung bietet.

Die konventionelle chemische Produktion ist auf energieintensive Prozesse angewiesen. Halbleiter-Biohybride, die effiziente lichtsammelnde Materialien und lebende Zellen kombinieren, haben sich zu einer spannenden Möglichkeit für diejenigen entwickelt, die Sonnenenergie zur Herstellung von Chemikalien nutzen möchten, sagen die Autoren dieser neuen Studie.

Die Herausforderung besteht nun darin, einen wirtschaftlich sinnvollen und umweltfreundlichen Weg zur Skalierung der Technologie zu finden.

Es wurde veröffentlicht in Natur Nachhaltigkeit im Oktober.

Die Arbeit wurde von Professor GAO Xiang vom Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Professor LU Lu vom Harbin Institute of Technology geleitet.
Ziel der Forscher war es, Schadstoffe aus dem Abwasser direkt in der Abwasserumgebung in Halbleiter-Biohybride umzuwandeln. Das Konzept besteht darin, den im Abwasser vorhandenen organischen Kohlenstoff, Schwermetalle und Sulfatverbindungen als Rohstoffe für den Aufbau dieser Biohybride zu nutzen und sie anschließend in wertvolle Chemikalien umzuwandeln.

Dennoch weist echtes Industrieabwasser in der Regel eine unterschiedliche Zusammensetzung aus wichtigen organischen Schadstoffen, Schwermetallen und komplexen Schadstoffen auf, die alle häufig für Bakterienzellen toxisch sind und von ihnen nur schwer effizient verstoffwechselt werden können. Es enthält außerdem einen hohen Anteil an Salz und gelöstem Sauerstoff, was Bakterien mit einer aeroben Sulfatreduktionskapazität erfordert. Daher ist es schwierig, Abwasser als Bakterienausgangsmaterial zu verwenden.

Um dies zu überwinden, wählten die Forscher ein schnell wachsendes Meeresbakterium, Vibrio natriegens, das eine außergewöhnliche Toleranz gegenüber hohen Salzkonzentrationen und die Fähigkeit zur Nutzung verschiedener Kohlenstoffquellen aufweist. Sie führten einen aeroben Sulfatreduktionsweg in V. natriegens ein und trainierten den gentechnisch veränderten Stamm, verschiedene Metall- und Kohlenstoffquellen zu nutzen, um direkt aus solchen Abwässern Halbleiter-Biohybride herzustellen.

Ihre primäre Zielchemikalie für die Produktion war 2,3-Butandiol (BDO), eine wertvolle Grundchemikalie.

Durch die Entwicklung eines Stamms von V. natriegens erzeugten sie Schwefelwasserstoff, der eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von CdS-Nanopartikeln spielte, die Licht effizient absorbieren. Diese Nanopartikel, die für ihre Biokompatibilität bekannt sind, ermöglichten die In-situ-Erstellung von Halbleiter-Biohybriden und ermöglichten den nicht-photosynthetischen Bakterien die Nutzung von Licht.

Die Ergebnisse zeigten, dass diese durch Sonnenlicht aktivierten Biohybride eine deutlich gesteigerte BDO-Produktion aufwiesen und die Erträge übertrafen, die mit Bakterienzellen allein erreichbar wären. Darüber hinaus zeigte das Verfahren Skalierbarkeit und ermöglichte eine solarbetriebene BDO-Produktion im großen 5-Liter-Maßstab unter Verwendung von echtem Abwasser.

Die Lebenszyklusanalyse zeigt, dass dieser spezielle Biohybridweg im Vergleich zu herkömmlichen 2,3-Butandiol-Produktionswegen einen erheblichen Nachhaltigkeitsgewinn mit sich bringt.

„Die Biohybrid-Plattform weist nicht nur einen geringeren CO2-Fußabdruck auf, sondern reduziert auch die Produktkosten, was zu einer insgesamt geringeren Umweltbelastung im Vergleich zu herkömmlichen bakteriellen Fermentationen und BDO-Produktionsmethoden auf Basis fossiler Brennstoffe führt“, sagte Prof. GAO. „Bemerkenswerterweise könnten diese Biohybride aus einer Vielzahl von Abwasserquellen hergestellt werden.“

Die Autoren sagen, dass die Arbeit die solarbetriebene Bioproduktion und die Umwandlung von Abfall in Wohlstand einen Schritt voranbringen und den Weg zu einer saubereren Produktion und Kreislaufwirtschaft ebnen kann.