Alchimia bioibrida: trasformare i contaminanti delle acque reflue in sostanze chimiche

Ripubblicato da Platone

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I ricercatori hanno proposto un nuovo metodo per trasformare i contaminanti delle acque reflue in preziose sostanze chimiche utilizzando la luce solare, offrendo una strada per una produzione chimica sostenibile e circolare.

La produzione chimica convenzionale si basa su processi ad alta intensità energetica. I bioibridi semiconduttori, che combinano materiali efficienti per la raccolta della luce e cellule viventi, sono emersi come un’entusiasmante possibilità per coloro che cercano di utilizzare l’energia solare per produrre sostanze chimiche, affermano gli autori di questo nuovo studio.

La sfida ora sta nel trovare un modo economicamente fattibile e rispettoso dell’ambiente per espandere la tecnologia.

È stato pubblicato nel Sostenibilità della natura nel mese di ottobre.

Il lavoro è stato guidato dal professor GAO Xiang dell’Istituto di tecnologia avanzata di Shenzhen (SIAT) dell’Accademia cinese delle scienze e dal professor LU Lu dell’Istituto di tecnologia di Harbin.
I ricercatori si sono proposti di convertire gli inquinanti delle acque reflue in bioibridi semiconduttori direttamente nell'ambiente delle acque reflue. Il concetto prevede l’utilizzo del carbonio organico, dei metalli pesanti e dei composti solfati presenti nelle acque reflue come materie prime per la costruzione di questi bioibridi e successivamente la loro conversione in preziose sostanze chimiche.

Tuttavia, le vere acque reflue industriali di solito variano nella composizione dei principali inquinanti organici, dei metalli pesanti e degli inquinanti complessi, che sono tutti spesso tossici per le cellule batteriche e difficili da metabolizzare in modo efficiente. Contiene inoltre alti livelli di sale e ossigeno disciolto che richiedono batteri con capacità aerobica di riduzione del solfato. Pertanto, è difficile utilizzare le acque reflue come materia prima per i batteri.

Per superare questo problema, i ricercatori hanno selezionato un batterio marino a crescita rapida, Vibrio natriegens, che ha una tolleranza eccezionale per un’elevata concentrazione di sale e una capacità di utilizzare varie fonti di carbonio. Hanno introdotto un percorso aerobico di riduzione del solfato nel V. natriegens e hanno addestrato il ceppo ingegnerizzato a utilizzare diverse fonti di metalli e carbonio per produrre bioibridi semiconduttori direttamente da tali acque reflue.

Il loro obiettivo principale per la produzione era il 2,3-butandiolo (BDO), un prezioso prodotto chimico.

Progettando un ceppo di V. natriegens, hanno generato idrogeno solforato, che ha svolto un ruolo fondamentale nel facilitare la produzione di nanoparticelle di CdS che assorbono efficacemente la luce. Queste nanoparticelle, rinomate per la loro biocompatibilità, hanno consentito la creazione in situ di bioibridi semiconduttori e hanno permesso ai batteri non fotosintetici di utilizzare la luce.

I risultati hanno mostrato che questi bioibridi attivati dalla luce solare hanno mostrato una produzione di BDO significativamente migliorata, superando le rese ottenibili attraverso le sole cellule batteriche. Inoltre, il processo ha mostrato scalabilità, ottenendo una produzione di BDO alimentata dall’energia solare su una scala sostanziale di 5 litri utilizzando vere e proprie acque reflue.

La valutazione del ciclo di vita mostra che questo specifico percorso bioibrido presenta un sostanziale guadagno in termini di sostenibilità rispetto ai percorsi di produzione convenzionali del 2,3-butandiolo.

“La piattaforma bioibrida non solo vanta un’impronta di carbonio inferiore, ma riduce anche i costi del prodotto, portando a un impatto ambientale complessivamente inferiore rispetto sia alla fermentazione batterica tradizionale che ai metodi di produzione di BDO basati su combustibili fossili”, ha affermato il prof. GAO. “Sorprendentemente, questi bioibridi potrebbero essere prodotti utilizzando una varietà di fonti di acque reflue”.

Gli autori affermano che il lavoro può portare la bioproduzione basata sull’energia solare e la conversione dei rifiuti in ricchezza un passo avanti e aprire la strada a una produzione più pulita e a un’economia circolare.