科學家們開發了一種陽光驅動的方法，將廢水污染物轉化為有價值的化學品，為傳統化學製造提供了可持續的替代方案。由中國科學院深圳先進技術研究院高翔研究員和哈爾濱工業大學陸路教授領導的研究人員提出了一種利用陽光將廢水污染物轉化為有價值化學品的新方法，從而為可持續和環保的化學品製造鋪平道路。這項研究於10 月16 日發表在《自然永續發展》雜誌。

傳統方法的挑戰

傳統的化學製造依賴能源密集型製程。半導體生物混合材料將高效的光捕獲材料與優質的活細胞相結合，在利用太陽能進行化學生產方面取得了令人興奮的進展。然而，挑戰在於找到一種經濟可行且環保的方法來擴大這項技術的規模。

在這項研究中，研究人員著手將廢水中的污染物直接在廢水環境中轉化為半導體生物混合物。這個概念涉及利用廢水中存在的有機碳、重金屬和硫酸鹽化合物作為構建這些生物混合物的原材料，然後將它們轉化為有價值的化學物質。

深圳先進技術研究院和哈爾濱工業大學的研究人員開發了一種利用陽光將廢水污染物轉化為有價值的化學物質的方法。該製程使用直接從廢水污染物產生的半導體生物混合體，利用太陽能進行化學生產。圖片來源：SIAT

廢水的複雜性與解決方案

然而，實際工業廢水的主要有機污染物、重金屬和複雜污染物的成分通常各不相同，這些污染物往往對細菌細胞有毒且難以有效代謝。它還含有高含量的鹽和溶解氧，需要具有好氧硫酸鹽還原能力的細菌。因此，利用廢水作為細菌原料具有挑戰性。

為了克服這個問題，研究人員選擇了一種快速生長的海洋細菌——Vibrio natriegens，它對高鹽濃度具有特殊的耐受性，並且能夠利用各種碳源。他們在V. natriegens（納特里根弧菌，一種革蘭氏陰性海洋細菌）中引入了需氧硫酸鹽還原途徑，並訓練工程菌株利用不同的金屬和碳源，以便直接從此類廢水中生產半導體生物雜交體。

他們生產的主要目標化學品是2,3-丁二醇(BDO)，這是一種有價值的商品化學品。

透過改造V. natriegens 菌株，他們產生了硫化氫，這在促進有效吸收光的CdS 奈米顆粒的生產中發揮了關鍵作用。這些奈米顆粒以其生物相容性而聞名，能夠原位創建半導體生物雜交體，並使非光合細菌能夠利用光。

結果表明，這些陽光活化的生物雜交體表現出顯著增強的BDO 產量，超過了僅透過細菌細胞即可實現的產量。此外，該製程還表現出可擴展性，利用實際廢水實現了5 公升規模的太陽能驅動的BDO 生產。

高教授表示：「與傳統的細菌發酵和基於化石燃料的BDO 生產方法相比，生物混合平台不僅具有較低的碳足跡，而且還降低了產品成本，從而總體上對環境的影響較小。值得注意的是，這些生物混合物可以利用各種廢水源來生產。”