В новаторском исследовании, опубликованном в журнале Nature Sustainability, ученые из Шэньчжэньского института передовых технологий и Харбинского технологического института представили новый метод преобразования загрязняющих веществ сточных вод в ценные химические вещества с помощью солнечного света. Под руководством профессора Сяна Гао и профессора Лу Лу группа исследователей разработала устойчивый и экологически чистый подход к химическому производству, способный произвести революцию в этой отрасли.
Проблемы традиционных методов
Традиционные процессы химического производства в значительной степени зависят от энергоемких методов. Однако интеграция полупроводниковых биогибридов, сочетающих эффективные светоулавливающие материалы с живыми клетками, стала перспективным направлением в использовании солнечной энергии для химического производства. Основная проблема заключается в том, чтобы найти экономически выгодный и экологически безопасный подход к масштабированию этой технологии.
Процесс "зеленого" химического производства
Исследователи решили эту проблему путем прямого преобразования загрязняющих веществ из сточных вод в полупроводниковые биогибриды в самой среде сточных вод. Эта инновационная концепция предполагает использование органического углерода, тяжелых металлов и сульфатных соединений, содержащихся в сточных водах, в качестве сырья для создания биогибридов, которые затем превращаются в ценные химические вещества.
Преодоление сложностей, связанных со сточными водами
Промышленные сточные воды имеют сложную структуру и часто содержат различные органические загрязнители, тяжелые металлы и сложные соединения, которые токсичны для бактериальных клеток и трудно поддаются эффективному метаболизму. Кроме того, высокое содержание солей и растворенного кислорода в сточных водах требует наличия бактерий с аэробной способностью к сульфатредукции, что затрудняет использование сточных вод в качестве бактериального сырья.
Для преодоления этих сложностей исследователи выбрали быстрорастущую морскую бактерию Vibrio natriegens, известную своей исключительной устойчивостью к высоким концентрациям соли и способностью утилизировать различные источники углерода. Они внедрили в V. natriegens аэробный путь сульфатредукции и обучили этот штамм утилизировать различные металлы и источники углерода, что позволило получать полупроводниковые биогибриды непосредственно из сточных вод.
Целевое химическое производство: 2,3-бутандиол (BDO)
Основной целью исследователей было получение 2,3-бутандиола (BDO), ценного товарного химиката. Сконструировав штамм V. natriegens, они получили сероводород, который является важнейшим компонентом для производства наночастиц CdS, эффективно поглощающих свет. Эти наночастицы, известные своей биосовместимостью, способствовали созданию полупроводниковых биогибридов in situ и позволили нефотосинтезирующим бактериям использовать свет.
Многообещающие результаты и возможность масштабирования
Результаты исследования показали, что биогибриды, активируемые солнечным светом, демонстрируют значительное увеличение производства BDO, превосходящее показатели, достижимые при использовании только бактериальных клеток. Кроме того, процесс оказался масштабируемым: производство BDO под действием солнечных лучей достигло значительных масштабов в 5 л при использовании реальных сточных вод.
Последствия для устойчивого развития химического производства
Разработка этого инновационного метода имеет огромный потенциал для изменения ландшафта химического производства. Используя солнечный свет и применяя загрязняющие вещества сточных вод в качестве сырья, этот метод предлагает устойчивую и экологичную альтернативу традиционным энергоемким процессам. Он не только решает экологические проблемы, но и открывает новые возможности для производства ценных химических веществ.
Профессор Сян Гао, ведущий научный сотрудник Шэньчжэньского института передовых технологий, подчеркивает значимость полученных результатов: "Наш метод представляет собой большой шаг вперед в области устойчивого химического производства. Используя солнечный свет и загрязняющие вещества сточных вод, мы можем производить ценные химические вещества экологически безопасным способом".
