Alquimia biohíbrida: transformación de contaminantes de aguas residuales en productos químicos

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Los investigadores han propuesto un método novedoso para transformar los contaminantes de las aguas residuales en productos químicos valiosos utilizando la luz solar, ofreciendo una vía para la fabricación de productos químicos circular y sostenible.

La fabricación de productos químicos convencionales se basa en procesos que consumen mucha energía. Los biohíbridos semiconductores, que combinan materiales eficientes que captan la luz y células vivas, han surgido como una posibilidad interesante para quienes buscan utilizar la energía solar para producir sustancias químicas, afirman los autores de este nuevo estudio.

El desafío ahora radica en encontrar una forma económicamente viable y respetuosa con el medio ambiente de ampliar la tecnología.

fue publicado en Sostenibilidad de la naturaleza en octubre.

El trabajo fue dirigido por el profesor GAO Xiang del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SIAT) de la Academia de Ciencias de China y el profesor LU Lu del Instituto de Tecnología de Harbin.
Los investigadores se propusieron convertir los contaminantes de las aguas residuales en biohíbridos semiconductores directamente en el entorno de las aguas residuales. El concepto implica utilizar el carbono orgánico, los metales pesados y los compuestos de sulfato presentes en las aguas residuales como materias primas para construir estos biohíbridos y, posteriormente, convertirlos en productos químicos valiosos.

Sin embargo, las aguas residuales industriales reales generalmente varían en su composición de principales contaminantes orgánicos, metales pesados y contaminantes complejos, todos los cuales a menudo son tóxicos para las células bacterianas y les resulta difícil metabolizarlos eficientemente. También contiene altos niveles de sal y oxígeno disuelto que requieren bacterias con capacidad aeróbica de reducción de sulfatos. Por lo tanto, es un desafío utilizar aguas residuales como materia prima para bacterias.

Para superar esto, los investigadores seleccionaron una bacteria marina de rápido crecimiento, Vibrio natriegens, que tiene una tolerancia excepcional a las altas concentraciones de sal y capacidad para utilizar diversas fuentes de carbono. Introdujeron una vía de reducción de sulfato aeróbico en V. natriegens y entrenaron la cepa diseñada para utilizar diferentes fuentes de metal y carbono con el fin de producir biohíbridos semiconductores directamente a partir de dichas aguas residuales.

Su principal producto químico objetivo para la producción era el 2,3-butanodiol (BDO), un valioso producto químico.

Al diseñar una cepa de V. natriegens, generaron sulfuro de hidrógeno, que desempeñó un papel fundamental a la hora de facilitar la producción de nanopartículas de CdS que absorben la luz de manera eficiente. Estas nanopartículas, reconocidas por su biocompatibilidad, permitieron la creación in situ de biohíbridos semiconductores y permitieron a las bacterias no fotosintéticas utilizar la luz.

Los resultados mostraron que estos biohíbridos activados por la luz solar exhibieron una producción de BDO significativamente mayor, superando los rendimientos alcanzables solo a través de células bacterianas. Además, el proceso mostró escalabilidad, logrando una producción de BDO impulsada por energía solar en una escala sustancial de 5 litros utilizando aguas residuales reales.

La evaluación del ciclo de vida muestra que esta ruta biohíbrida específica tiene una ganancia sustancial de sostenibilidad en comparación con las rutas convencionales de producción de 2,3-butanodiol.

"La plataforma biohíbrida no sólo cuenta con una menor huella de carbono, sino que también reduce los costos del producto, lo que lleva a un impacto ambiental general menor en comparación con la fermentación bacteriana tradicional y los métodos de producción de BDO basados en combustibles fósiles", dijo el profesor GAO. "Sorprendentemente, estos biohíbridos podrían producirse utilizando una variedad de fuentes de aguas residuales".

Los autores dicen que el trabajo puede hacer avanzar la biofabricación impulsada por energía solar y la conversión de residuos en riqueza y allanar el camino hacia una producción más limpia y una economía circular.