科学者たちは、廃水汚染物質を貴重な化学物質に変換する太陽光主導の方法を開発し、従来の化学物質製造に代わる持続可能な代替手段を提供しました。中国科学院深セン先進技術研究所の研究員ガオ・シャン氏とハルビン工業大学のルー・ルー教授率いる研究者らは、太陽光を利用して廃水汚染物質を貴重な化学物質に変換する新しい方法を提案し、持続可能で環境に優しい化学品製造への道を切り開いた。この研究は10月16日付けでNature Sustainability誌に掲載された。
伝統的な手法の課題
従来の化学製品の製造は、エネルギーを大量に消費するプロセスに依存しています。半導体バイオハイブリッド材料は、効率的な集光材料と高品質の生細胞を組み合わせ、太陽エネルギーを化学生産に利用する上で刺激的な進歩をもたらします。ただし、課題は、このテクノロジーを拡張する経済的に実行可能で環境に優しい方法を見つけることです。
この研究では、研究者らは廃水環境内で廃水中の汚染物質を半導体バイオ混合物に直接変換することに着手した。このコンセプトには、廃水中に存在する有機炭素、重金属、硫酸塩化合物を原料として使用してこれらの生物学的混合物を構築し、それらを価値のある化学物質に変換することが含まれます。
深セン先進技術研究所とハルビン工業大学の研究者は、太陽光を利用して廃水汚染物質を貴重な化学物質に変換する方法を開発した。このプロセスでは、廃水汚染物質から直接生成される半導体バイオハイブリッドを使用し、太陽エネルギーを化学生成に利用します。画像出典：SIAT
廃水の複雑さと解決策
しかし、実際の産業廃水には、通常、主要な有機汚染物質、重金属、複合汚染物質のさまざまな組成が含まれており、これらは多くの場合細菌細胞にとって有毒であり、効果的に代謝することが困難です。また、高レベルの塩分と溶存酸素が含まれているため、好気性硫酸塩還元能力を持つ細菌が必要です。したがって、廃水を細菌の原料として利用することは困難です。
この問題を克服するために、研究者らは、高塩分濃度に対する特別な耐性とさまざまな炭素源を利用する能力を備えた、急速に成長する海洋細菌であるビブリオナトリジェンスを選択した。彼らは、グラム陰性海洋細菌であるV. natriegensに好気性硫酸塩還元経路を導入し、さまざまな金属と炭素源を利用して廃水から直接半導体バイオハイブリッドを生産するように操作された菌株を訓練した。
彼らが生産する主な標的化学物質は、貴重な汎用化学物質である 2,3-ブタンジオール (BDO) です。
V. natriegens の菌株を操作することにより、硫化水素が生成されました。硫化水素は、光を効率的に吸収する CdS ナノ粒子の生成を促進する上で重要な役割を果たしました。生体適合性で知られるこれらのナノ粒子は、その場での半導体バイオハイブリッドの生成を可能にし、非光合成細菌が光を利用できるようにします。
結果は、これらの太陽光活性化バイオハイブリッドが、細菌細胞単独で達成されるものを超える、大幅に増強されたBDO産生を示すことを示した。さらに、このプロセスは拡張性を実証し、実際の廃水を使用して 5 リットル規模の太陽光発電による BDO 生産を可能にしました。
Gao教授は、「従来の細菌発酵や化石燃料ベースのBDO生産方法と比較して、バイオハイブリッドプラットフォームは二酸化炭素排出量が低いだけでなく、製品コストも削減され、結果として全体的な環境への影響も小さくなります。これらのバイオミックスがさまざまな廃水源を使用して生産できることは注目に値します。」と述べた。