تبدیل فاضلاب به مواد شیمیایی باارزش

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری علم و فناوری آنا، محققان به سرپرستی پروفسور «شیانگ گائو» از موسسه فناوری پیشرفته شنژن (SIAT) آکادمی علوم چین و پروفسور «لو لو» از موسسه فناوری هاربین، روش جدیدی را برای تبدیل آلاینده‌های فاضلاب به مواد شیمیایی ارزشمند با استفاده از نور خورشید پیشنهاد کرده‌اند؛ پیشرفتی که راه برای تولید مواد شیمیایی پایدار و سازگار با محیط زیست هموار می‌کند.

چالش‌ها در روش‌های مرسوم

شیوه‌های رایج تولید مواد شیمیایی بر فرآیند‌های انرژی بر، متکی است. بیوهیبرید‌های نیمه رسانا، که مواد جذب کننده نور را با سلول‌های زنده با ارزش ادغام می‌کنند، به عنوان یک پیشرفت هیجان انگیز در استفاده از انرژی خورشیدی برای تولید مواد شیمیایی ظاهر شده اند. با این حال، چالش در یافتن یک رویکرد اقتصادی و سازگار با محیط زیست برای افزایش مقیاس این فناوری نهفته است.

در این مطالعه، محققان تصمیم گرفتند تا آلاینده‌های حاصل از فاضلاب را مستقیماً در محیط فاضلاب به بیوهیبرید‌های نیمه رسانا تبدیل کنند. این مفهوم شامل استفاده از کربن آلی، فلزات سنگین و ترکیبات سولفات موجود در فاضلاب به عنوان مواد خام برای ساخت این بیوهیبرید‌ها و سپس تبدیل آن‌ها به مواد شیمیایی ارزشمند است.

پیچیدگی‌ها و راه حل‌های فاضلاب

با این وجود، فاضلاب صنعتی واقعی معمولاً از نظر ترکیبی از آلاینده‌های اصلی آلی، فلزات سنگین و آلاینده‌های پیچیده متفاوت است که همگی اغلب برای سلول‌های باکتری سمی هستند و سوخت و ساز کارآمد برای آن‌ها دشوار است. همچنین حاوی سطوح بالایی از نمک و اکسیژن محلول است که به باکتری‌هایی با ظرفیت کاهش سولفات هوازی، نیاز دارد. بنابراین، استفاده از فاضلاب به عنوان خوراک باکتری‌ها چالش برانگیز است.

برای غلبه بر این مسئله، محققان از یک باکتری دریایی با رشد سریع به نام Vibrio natriegens استفاده کردند که در برابر غلظت بالای نمک تحمل استثنایی داشته و ظرفیت استفاده از منابع مختلف کربن را دارد.

آن‌ها یک مسیر کاهش سولفات هوازی را به V. natriegens معرفی کردند و این سویه مهندسی شده را برای استفاده از منابع فلزی و کربنی مختلف به منظور تولید بیوهیبرید‌های نیمه هادی مستقیماً از چنین فاضلابی آموزش دادند.

تولید هدفمند شیمیایی

هدف اولیه آن‌ها تولید «۲، ۳-بوتاندیول» (BDO بود که یک ماده شیمیایی ارزشمند قلمداد می‌شود.

محققان با مهندسی سویه‌ای از V. natriegens، سولفید هیدروژن تولید کردند که نقشی محوری در تسهیل تولید نانوذرات CdS ایفا می‌کند که به طور موثر نور را جذب می‌کنند.
این نانوذرات که به دلیل زیست سازگاری خود شهرت دارند، امکان ایجاد بیوهیبرید‌های نیمه رسانا در محل را فراهم کردند و باکتری‌های غیر فتوسنتزی را قادر ساختند که از نور استفاده کنند.

نتایج امیدوار کننده

نتایج نشان داد که این بیوهیبرید‌های فعال شده با نور خورشید به طور قابل‌توجهی تولید BDO را افزایش دادند و از بازدهی قابل دستیابی به تنهایی از طریق سلول‌های باکتریایی پیشی گرفتند. همچنین، این فرآیند مقیاس پذیری را نشان داد و تولید BDO مبتنی بر خورشید را در مقیاس ۵ لیتری با استفاده از فاضلاب واقعی به دست آورد.

پروفسور گائو گفت: پلتفرم بیوهیبرید نه تنها دارای ردپای کربن کمتری است، بلکه هزینه‌های محصول را نیز کاهش می‌دهد، که منجر به اثرات زیست محیطی کلی کمتری در مقایسه با روش‌های تخمیر باکتریایی سنتی و تولید BDO مبتنی بر سوخت فسیلی می‌شود. قابل توجه است که این بیوهیبرید‌ها را می‌توان با استفاده از منابع مختلف فاضلاب تولید کرد.

نتایج این تحقیقات در نشریه Nature Sustainability منتشر شده است.