Ученые разработали метод преобразования загрязнителей сточных вод в ценные химические вещества, основанный на использовании солнечного света, что обеспечивает устойчивую альтернативу традиционному химическому производству. Исследователи во главе с Гао Сяном, исследователем из Шэньчжэньского института передовых технологий Китайской академии наук, и Лу Лу, профессором Харбинского технологического института, предложили новый метод использования солнечного света для преобразования загрязнителей сточных вод в ценные химические вещества, открывая путь к устойчивому и экологически чистому химическому производству. Исследование было опубликовано 16 октября в журнале Nature Sustainability.
Проблемы с традиционными методами
Традиционное химическое производство основано на энергоемких процессах. Полупроводниковые биогибридные материалы сочетают в себе эффективные светособирающие материалы с высококачественными живыми клетками, обеспечивая впечатляющие достижения в использовании солнечной энергии для химического производства. Однако задача состоит в том, чтобы найти экономически жизнеспособный и экологически чистый способ масштабирования этой технологии.
В этом исследовании исследователи намеревались преобразовать загрязняющие вещества в сточных водах в полупроводниковые биосмеси непосредственно в среде сточных вод. Концепция предполагает использование органического углерода, тяжелых металлов и сульфатных соединений, присутствующих в сточных водах, в качестве сырья для создания этих биологических смесей и последующего преобразования их в ценные химические вещества.
Исследователи из Шэньчжэньского института передовых технологий и Харбинского технологического института разработали метод использования солнечного света для преобразования загрязнителей сточных вод в ценные химические вещества. В этом процессе используется полупроводниковый биогибрид, получаемый непосредственно из загрязнителей сточных вод, а солнечная энергия используется для химического производства. Источник изображения: СИАТ
Сложности и решения по очистке сточных вод
Однако реальные промышленные сточные воды обычно имеют различный состав основных органических загрязнителей, тяжелых металлов и сложных загрязнителей, которые часто токсичны для бактериальных клеток и с трудом поддаются эффективному метаболизму. Он также содержит высокий уровень соли и растворенного кислорода, что требует наличия бактерий с аэробными сульфатредуцирующими способностями. Поэтому использование сточных вод в качестве бактериального сырья является сложной задачей.
Чтобы решить эту проблему, исследователи выбрали Vibrionatriegens, быстрорастущую морскую бактерию, которая обладает особой толерантностью к высоким концентрациям соли и способностью использовать различные источники углерода. Они ввели аэробный путь восстановления сульфатов у V. natriegens, грамотрицательной морской бактерии, и обучили сконструированный штамм использовать различные источники металлов и углерода для производства полупроводниковых биогибридов непосредственно из таких сточных вод.
Основным целевым химическим веществом, которое они производят, является 2,3-бутандиол (БДО), ценный товарный химикат.
С помощью инженерных штаммов V. natriegens они произвели сероводород, который сыграл ключевую роль в стимулировании производства наночастиц CdS, которые эффективно поглощают свет. Эти наночастицы, известные своей биосовместимостью, позволяют создавать полупроводниковые биогибриды in situ и позволяют нефотосинтезирующим бактериям использовать свет.
Результаты показали, что эти активированные солнечным светом биогибриды продемонстрировали значительно увеличенное производство BDO, превосходя то, что достигается только бактериальными клетками. Кроме того, процесс продемонстрировал масштабируемость, что позволило производить 5-литровый BDO на солнечной энергии с использованием реальных сточных вод.
Профессор Гао сказал: «По сравнению с традиционными методами производства BDO на основе бактериальной ферментации и ископаемого топлива, биогибридная платформа не только имеет меньший углеродный след, но и снижает затраты на продукцию, что приводит к общему меньшему воздействию на окружающую среду. Стоит отметить, что эти биомиксы можно производить с использованием различных источников сточных вод».