Biohybrid Alchemy: Transforming Wastewater Contaminants Into Chemicals

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Forskare har föreslagit en ny metod för att omvandla avloppsvattenföroreningar till värdefulla kemikalier med hjälp av solljus, vilket erbjuder en väg för hållbar och cirkulär kemikalietillverkning.

Konventionell kemisk tillverkning är beroende av energikrävande processer. Halvledarbiohybrider, som kombinerar effektiva ljusupptagningsmaterial och levande celler, har dykt upp som en spännande möjlighet för dem som vill använda solenergi för att producera kemikalier, säger författarna till denna nya studie.

Utmaningen ligger nu i att hitta ett ekonomiskt lönsamt och miljövänligt sätt att skala upp tekniken.

Den publicerades i Naturhållbarhet i oktober.

Arbetet leddes av professor GAO Xiang från Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) vid den kinesiska vetenskapsakademin och professor LU Lu från Harbin Institute of Technology.
Forskarna satte sig för att omvandla föroreningar från avloppsvatten till halvledarbiohybrider direkt i avloppsvattenmiljön. Konceptet innebär att man använder det organiska kolet, tungmetallerna och sulfatföreningarna som finns i avloppsvattnet som råmaterial för att konstruera dessa biohybrider och sedan omvandla dem till värdefulla kemikalier.

Ändå varierar verkligt industriavloppsvatten vanligtvis i sin sammansättning av stora organiska föroreningar, tungmetaller och komplexa föroreningar, som alla ofta är giftiga för bakterieceller och svåra för dem att metabolisera effektivt. Den innehåller också höga halter av salt och löst syre som kräver bakterier med en aerobisk sulfatreduktionskapacitet. Därför är det utmanande att använda avloppsvatten som råmaterial för bakterier.

För att övervinna detta valde forskarna ut en snabbväxande marin bakterie, Vibrio natriegens, som har exceptionell tolerans för hög saltkoncentration och en förmåga att utnyttja olika kolkällor. De introducerade en aerob sulfatreduktionsväg i V. natrigens och tränade den konstruerade stammen att använda olika metall- och kolkällor för att producera halvledarbiohybrider direkt från sådant avloppsvatten.

Deras primära målkemikalie för produktion var 2,3-butandiol (BDO), en värdefull råvarukemikalie.

Genom att konstruera en stam av V. natriegens genererade de svavelväte, som spelade en avgörande roll för att underlätta produktionen av CdS-nanopartiklar som effektivt absorberar ljus. Dessa nanopartiklar, kända för sin biokompatibilitet, möjliggjorde skapandet av halvledarbiohybrider på plats och gjorde det möjligt för de icke-fotosyntetiska bakterierna att använda ljus.

Resultaten visade att dessa solljusaktiverade biohybrider uppvisade avsevärt förbättrad BDO-produktion, och överträffade utbyten som kan uppnås genom enbart bakterieceller. Dessutom visade processen skalbarhet, vilket uppnådde soldriven BDO-produktion i en betydande 5-liters skala med hjälp av faktiskt avloppsvatten.

Livscykelanalys visar att denna specifika biohybridväg har en betydande hållbarhetsvinst jämfört med konventionella produktionsvägar för 2,3-butandiol.

"Biohybridplattformen har inte bara ett lägre koldioxidavtryck utan minskar också produktkostnaderna, vilket leder till en totalt sett mindre miljöpåverkan jämfört med både traditionell bakteriell fermentering och fossilbränslebaserade BDO-produktionsmetoder", säger Prof. GAO. "Anmärkningsvärt nog kan dessa biohybrider produceras med hjälp av en mängd olika avloppsvattenkällor."

Författarna säger att arbetet kan ge soldriven biotillverkning och omvandling av avfall till rikedom ett steg framåt och bana väg för renare produktion och cirkulär ekonomi.