中國科學(xué)家已經(jīng)成功地利用陽光驅(qū)動(dòng)的細(xì)菌來清除廢水中的有機(jī)污染物，并在此過程中制造出有價(jià)值的新化學(xué)品。據(jù)悉，從重金屬污染的水中提取有用化學(xué)物質(zhì)的能力可以為半導(dǎo)體材料的可持續(xù)和環(huán)保生產(chǎn)鋪平道路。

這項(xiàng)研究由中國科學(xué)院深圳合成生物研究所的高翔教授和深圳哈爾濱工業(yè)大學(xué)的路璐教授牽頭，于10月16日發(fā)表在《自然·可持續(xù)發(fā)展》雜志上。

半導(dǎo)體是支撐高科技產(chǎn)業(yè)的基本芯片，其通常是在超潔凈環(huán)境中通過化學(xué)或物理方法生產(chǎn)的。然而值得注意的是，用于制造半導(dǎo)體的材料可以通過廢水中的基因工程細(xì)菌生產(chǎn)，并用于廣泛的應(yīng)用，例如下一代數(shù)字顯示器，太陽能電池板甚至醫(yī)學(xué)。

盡管如此，工業(yè)廢水的成分多樣而復(fù)雜，這對(duì)將其用作細(xì)菌的營養(yǎng)來源構(gòu)成了挑戰(zhàn)，而且有限的生產(chǎn)可能將成本推高至黃金價(jià)格的100倍以上。

為了找到更好的方法，研究人員希望將廢水污染物轉(zhuǎn)化為由生物和非生物成分組成的半導(dǎo)體生物雜化體。

該研究小組選擇了需鈉弧菌，這是一種對(duì)咸水友好的海洋微生物。高教授表示：“這種細(xì)菌是增長最快的工業(yè)微生物之一，其生長速率比大腸桿菌快一倍?！?/p>

“需鈉弧菌可以在高鹽環(huán)境中茁壯成長，對(duì)廢水具有很高的耐受性。它們可以利用200多種有機(jī)物質(zhì)作為營養(yǎng)物質(zhì)，包括糖、醇、氨基酸和有機(jī)酸，這使它們成為這項(xiàng)研究的理想候選者?！?/p>

研究小組隨后將好氧H2S引入需鈉弧菌，訓(xùn)練該菌株直接從環(huán)境中吸收硫酸鹽并產(chǎn)生硫化氫氣體，然后將其與廢水中的金屬離子結(jié)合，產(chǎn)生半導(dǎo)體納米顆粒，且同步實(shí)現(xiàn)溶液中金屬離子的高效去除。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種方法是通用的，可以應(yīng)用于各種金屬離子，產(chǎn)生像硫化鎘、硫化鉛和硫化汞這樣的化合物。

接著將納米顆粒固定在細(xì)菌表面，形成半導(dǎo)體生物雜化體。當(dāng)暴露在光線下時(shí)，半導(dǎo)體材料吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電子，為細(xì)菌提供額外的能量。

這些類型的納米粒子(也稱為量子點(diǎn))是另一組科學(xué)家獲得今年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的核心發(fā)現(xiàn)。

高教授表示：“經(jīng)過一個(gè)完整的循環(huán)，廢水中的生物雜化物可以通過過濾或沉淀收集，用于半導(dǎo)體材料的提取。這種生物混合系統(tǒng)可能是一種高效、經(jīng)濟(jì)的制造高價(jià)值量子點(diǎn)的方法?！?/p>

當(dāng)這種生物雜合物在廢水中增殖時(shí)，它還將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為2,3-丁二醇(BDO)，這是一種有價(jià)值的商品化學(xué)品，在化妝品、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

高教授說:“納米粒子通過吸收光產(chǎn)生的額外能量，提高了生物雜交種的合成效率和廢水中有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率。

“傳統(tǒng)上，細(xì)菌生長和生成BDO所需的所有能量都由細(xì)菌自身提供，這涉及到有機(jī)物的自我代謝和消化。通過吸收光獲得的額外能量顯然加速了這兩個(gè)過程。”實(shí)驗(yàn)室測試表明，在人造光下，生物雜交種產(chǎn)生BDO的速度是未經(jīng)修飾的細(xì)菌的兩倍，碳轉(zhuǎn)化率提高了26%。

該團(tuán)隊(duì)正在探索擴(kuò)大反應(yīng)規(guī)模的選擇?！肮I(yè)廢水的透明度通常很差。我們正在研究更大表面積的反應(yīng)堆，以獲得足夠的照明?！?/p>