Вчені навчилися добувати напівпровідникові матеріали зі стічних вод за допомогою бактерій

Команді вчених із китайських дослідницьких інститутів вдалося використати бактерії для очищення стічних вод від органічних забруднювачів та отримання низки хімічних сполук для напівпровідникової промисловості. Цей процес може прокласти шлях до сталого та екологічно чистого виробництва цінних напівпровідникових матеріалів. Результати дослідження були опубліковані 16 жовтня в журналі Nature Sustainability, що рецензується.

Дослідження, очолюване професором Гао Сяном (Gao Xiang) з Шеньчженьського інституту синтетичної біології Китайської академії наук та професором Лу Лу (Lu Lu) з Харбінського технологічного інституту в Шеньчжені, продемонструвало можливість отримання матеріалів, що використовуються для виготовлення напівпровідників, зі стічних вод модифікованих бактерій. Дослідникам вдалося перетворити забруднювачі стічних вод у напівпровідникові біогібриди, що складаються з біологічних та небіологічних компонентів.

Дослідницька група обрала морський мікроорганізм Vibrio natriegens як відправну точку для модифікування бактерій. За словами вчених, «це одні з найбільш бактерій, що швидко ростуть, які процвітають у середовищах з високим вмістом солі й дуже стійкі до стічних вод. Вони можуть використовувати більше ніж 200 типів органічних матеріалів як поживні речовини, включаючи цукру, спирти, амінокислоти та органічні кислоти, що робить їх ідеальними кандидатами для цього дослідження».

Потім команда «запустила» механізм відновлення сульфатів Vibrio natriegens, навчивши штам безпосередньо поглинати сульфат з навколишнього середовища і виробляти сірководень, який потім об’єднувався з іонами металів у стічних водах для створення напівпровідникових наночастинок. Метод виявився універсальним і його можна було застосовувати до іонів різних металів, отримуючи такі сполуки, як сульфід кадмію, сульфід свинцю та сульфід ртуті.

Наночастки фіксувалися на поверхні бактерій, утворюючи напівпровідникові біогібриди. Під впливом світла напівпровідниковий матеріал поглинав сонячну енергію і перетворював їх в електрони, забезпечуючи бактеріям додаткову енергію. У лабораторному експерименті, в якому біогібриди використовувалися для очищення стічних вод, 99% іонів кадмію було таким чином вилучено у вигляді частинок сульфіду кадмію.

Ці типи наночастинок, також відомі як квантові точки, стали центральним елементом відкриття, за яке інша група вчених отримала цього року Нобелівську премію з хімії. «Після повного циклу біогібриди у стічних водах можна збирати за допомогою фільтрації або седиментації (осадження частинок) для отримання напівпровідникових матеріалів, — повідомив Гао Сян. — Ця система може стати ефективним та економічно вигідним методом виробництва дуже цінних квантових точок».

При розмноженні біогібридів у стічних водах вони також перетворюють органічні забруднювачі на 2,3-бутандіол (БДО), цінний хімікат, який широко застосовується в косметиці, сільському господарстві та охороні здоров’я. Лабораторні випробування показали, що зі штучному освітленню біогібриди виробляють БДО вдвічі швидше, ніж немодифіковані бактерії, у свій ступінь конверсії вуглецю збільшується на 26 %.

«Додаткова енергія, що генерується наночастинками шляхом поглинання світла, підвищила ефективність синтезу біогібридів та швидкість перетворення органічних речовин у стічних водах. Традиційно вся енергія, необхідна для зростання бактерій і виробництва БДО, забезпечується самими бактеріями, що включає саметаболізм і перетравлення органічних речовин. Додаткова енергія, отримана шляхом поглинання світла, очевидно, прискорює обидва процеси» — пояснив Гао.

В експерименті, проведеному в 5-літровому реакторі, біогібриди були успішно вирощені з використанням реальних промислових стічних вод, досягнувши продуктивності БДО 13 грамів на літр і перевершивши результати всіх попередніх досліджень.

Наразі вчені вивчають можливості масштабування процесу. Основною перешкодою стає погана прозорість промислових стічних вод. Тому необхідні реактори з більшою площею поверхні, щоб забезпечити достатнє для активної діяльності бактерій освітлення.

«Напівпровідникові біогібриди поєднують у собі найкращі якості біологічних цілісних каталізаторів і напівпровідникових наноматеріалів, дозволяючи нефотосинтетичним промисловим заводам з виробництва мікробних клітин використовувати сонячну енергію для хімічного виробництва», — резюмували дослідники.