اقترح باحثون بقيادة البروفيسور شيانغ جاو من معهد شنتشن للتكنولوجيا المتقدمة (SIAT) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم والبروفيسور لو لو من معهد هاربين للتكنولوجيا طريقة جديدة لتحويل ملوثات مياه الصرف الصحي إلى مواد كيميائية قيمة باستخدام ضوء الشمس، وبالتالي مما يمهد الطريق لتصنيع كيميائي مستدام وصديق للبيئة.
التحديات في الطرق التقليدية
يعتمد التصنيع الكيميائي التقليدي على عمليات كثيفة الاستهلاك للطاقة، ولكن مع ظهور الهجينة الحيوية لأشباه الموصلات، التي تدمج مواد فعالة لحصاد الضوء مع خلايا حية متفوقة، كتقدم مثير في استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج المواد الكيميائية. ومع ذلك، يكمن التحدي في إيجاد نهج مجدٍ اقتصاديًا وصديق للبيئة لتوسيع نطاق هذه التكنولوجيا.
في هذه الدراسة، التي نشرت في مجلة Nature Sustainability العلمية، شرع الباحثون في تحويل الملوثات من مياه الصرف الصحي إلى مادة هجينة حيوية شبه موصلة مباشرة في بيئة مياه الصرف الصحي، يتضمن المفهوم استخدام الكربون العضوي والمعادن الثقيلة ومركبات الكبريتات الموجودة في مياه الصرف الصحي كمواد خام لبناء هذه الهجينة الحيوية، ومن ثم تحويلها إلى مواد كيميائية قيمة.
تعقيدات وحلول مياه الصرف الصحي
ومع ذلك، فإن مياه الصرف الصناعي الحقيقية تختلف عادةً في تركيبها من الملوثات العضوية الرئيسية والمعادن الثقيلة والملوثات المعقدة، وكلها غالبًا ما تكون سامة للخلايا البكتيرية ويصعب عليها استقلابها بكفاءة، كما أنها تحتوي على مستويات عالية من الملح والأوكسجين المذاب الذي يتطلب بكتيريا ذات قدرة هوائية على تقليل الكبريتات، وبالتالي، من الصعب استخدام مياه الصرف الصحي كمواد خام للبكتيريا.
وللتغلب على ذلك، اختار الباحثون بكتيريا بحرية سريعة النمو، تسمى Vibrio natriegens، والتي تتمتع بتحمل استثنائي لتركيزات الملح العالية وقدرة على الاستفادة من مصادر الكربون المختلفة، لقد أدخلوا مسارًا هوائيًا لاختزال الكبريتات إلى V. natriegens وقاموا بتدريب السلالة الهندسية على استخدام مصادر مختلفة من المعادن والكربون من أجل إنتاج هجينة حيوية لأشباه الموصلات مباشرة من مياه الصرف الصحي هذه.
الإنتاج الكيميائي المستهدف
كانت المادة الكيميائية المستهدفة الأساسية للإنتاج هي 2,3-بوتانيديول (BDO)، وهي مادة كيميائية قيمة، ومن خلال هندسة سلالة من V. natriegens، أنتجوا كبريتيد الهيدروجين، الذي لعب دورًا محوريًا في تسهيل إنتاج جسيمات الكادميوم النانوية Cadmium Sulfide Nanoparticles CdS التي تمتص الضوء بكفاءة. هذه الجسيمات النانوية، المشهورة بتوافقها الحيوي، مكنت من إنشاء هجين حيوي لأشباه الموصلات في الموقع ومكنت البكتيريا غير الضوئية من الاستفادة من الضوء.
نتائج واعدة
وأظهرت النتائج أن هذه الهجينة الحيوية التي يتم تنشيطها بواسطة ضوء الشمس أظهرت إنتاجًا معززًا بشكل كبير لـ BDO، متجاوزة العوائد التي يمكن تحقيقها من خلال الخلايا البكتيرية وحدها. علاوة على ذلك، أظهرت العملية قابلية التوسع، مما أدى إلى تحقيق إنتاج BDO مدعومًا بالطاقة الشمسية على نطاق كبير يبلغ 5 لترات باستخدام مياه الصرف الصحي الفعلية.
وقال البروفيسور جاو: "لا تتميز منصة الهجين الحيوي ببصمة كربونية أقل فحسب، بل تقلل أيضًا من تكاليف المنتج، مما يؤدي إلى تأثير بيئي أصغر بشكل عام بالمقارنة مع كل من التخمر البكتيري التقليدي وطرق إنتاج BDO القائمة على الوقود الأحفوري، ومن اللافت للنظر أنه يمكن إنتاج هذه الهجينة الحيوية باستخدام مجموعة متنوعة من مصادر مياه الصرف الصحي.
