Forscher unter der Leitung von Prof. Gao Xiang vom Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Prof. Lu Lu vom Harbin Institute of Technology haben eine neuartige Methode vorgeschlagen, um Abwasserverunreinigungen mithilfe von Sonnenlicht in wertvolle Chemikalien umzuwandeln ebnet den Weg für eine nachhaltige und umweltfreundliche Chemieproduktion.
Die Studie wurde veröffentlicht in Nachhaltigkeit in der Natur.
Die konventionelle chemische Produktion ist auf energieintensive Prozesse angewiesen. Halbleiter-Biohybride, die effiziente lichtsammelnde Materialien mit überlegenen lebenden Zellen kombinieren, haben sich als spannender Fortschritt bei der Nutzung von Sonnenenergie für die chemische Produktion erwiesen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, einen wirtschaftlich tragfähigen und umweltfreundlichen Ansatz für die Skalierung dieser Technologie zu finden.
In dieser Studie wollten die Forscher Schadstoffe aus Abwasser direkt in der Abwasserumgebung in Halbleiter-Biohybride umwandeln. Das Konzept besteht darin, den im Abwasser enthaltenen organischen Kohlenstoff, Schwermetalle und Sulfatverbindungen als Rohstoffe für den Aufbau dieser Biohybride zu nutzen und sie anschließend in wertvolle Chemikalien umzuwandeln.
Dennoch weist echtes Industrieabwasser in der Regel eine unterschiedliche Zusammensetzung aus wichtigen organischen Schadstoffen, Schwermetallen und komplexen Schadstoffen auf, die alle häufig für Bakterienzellen toxisch sind und von ihnen nur schwer effizient verstoffwechselt werden können. Es enthält außerdem einen hohen Anteil an Salz und gelöstem Sauerstoff, was Bakterien mit einer aeroben Sulfatreduktionskapazität erfordert. Daher ist es schwierig, Abwasser als Bakterienausgangsmaterial zu verwenden.
Um dies zu überwinden, wählten die Forscher ein schnell wachsendes Meeresbakterium, Vibrio natriegens, das eine außergewöhnliche Toleranz gegenüber hohen Salzkonzentrationen und die Fähigkeit zur Nutzung verschiedener Kohlenstoffquellen aufweist. Sie führten einen aeroben Sulfatreduktionsweg in V. natriegens ein und trainierten den gentechnisch veränderten Stamm, verschiedene Metall- und Kohlenstoffquellen zu nutzen, um direkt aus solchen Abwässern Halbleiter-Biohybride herzustellen.
Ihre primäre Zielchemikalie für die Produktion war 2,3-Butandiol (BDO), eine wertvolle Grundchemikalie.
Durch die Entwicklung eines V. natriegens-Stammes erzeugten sie Schwefelwasserstoff, der eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von CdS-Nanopartikeln spielte, die Licht effizient absorbieren. Diese Nanopartikel, die für ihre Biokompatibilität bekannt sind, ermöglichten die In-situ-Erstellung von Halbleiter-Biohybriden und ermöglichten den nicht-photosynthetischen Bakterien die Nutzung von Licht.
Die Ergebnisse zeigten, dass diese durch Sonnenlicht aktivierten Biohybride eine deutlich gesteigerte BDO-Produktion aufwiesen und die mit Bakterienzellen allein erreichbaren Erträge übertrafen. Darüber hinaus zeigte das Verfahren Skalierbarkeit und ermöglichte eine solarbetriebene BDO-Produktion im großen 5-Liter-Maßstab unter Verwendung von echtem Abwasser.
„Die Biohybrid-Plattform zeichnet sich nicht nur durch einen geringeren CO2-Fußabdruck aus, sondern reduziert auch die Produktkosten, was zu einer insgesamt geringeren Umweltbelastung im Vergleich zu herkömmlichen bakteriellen Fermentationen und auf fossilen Brennstoffen basierenden BDO-Produktionsmethoden führt“, sagte Prof. Gao. „Bemerkenswert ist, dass diese Biohybride aus einer Vielzahl von Abwasserquellen hergestellt werden konnten.“
Mehr Informationen:
Pi, S. et al, Solarbetriebene Umwandlung von Abfall in Chemikalien durch aus Abwasser gewonnene Halbleiter-Biohybride, Nachhaltigkeit in der Natur (2023). DOI: 10.1038/s41893-023-01233-2. www.nature.com/articles/s41893-023-01233-2