科学家们开发了一种阳光驱动的方法，将废水污染物转化为有价值的化学品，为传统化学制造提供了可持续的替代方案。中国科学院深圳先进技术研究院高翔研究员和哈尔滨工业大学陆路教授领导的研究人员提出了一种利用阳光将废水污染物转化为有价值化学品的新方法，从而 为可持续和环保的化学品制造铺平道路。该研究于 10 月 16 日发表在《自然可持续发展》杂志上。

传统方法的挑战

传统的化学制造依赖于能源密集型工艺。 半导体生物混合材料将高效的光捕获材料与优质的活细胞相结合，在利用太阳能进行化学生产方面取得了令人兴奋的进步。 然而，挑战在于找到一种经济可行且环保的方法来扩大这项技术的规模。

在这项研究中，研究人员着手将废水中的污染物直接在废水环境中转化为半导体生物混合物。 该概念涉及利用废水中存在的有机碳、重金属和硫酸盐化合物作为构建这些生物混合物的原材料，然后将它们转化为有价值的化学品。

深圳先进技术研究院和哈尔滨工业大学的研究人员开发了一种利用阳光将废水污染物转化为有价值的化学品的方法。 该工艺使用直接从废水污染物中产生的半导体生物混合体，利用太阳能进行化学生产。 图片来源：SIAT

废水的复杂性和解决方案

然而，实际工业废水的主要有机污染物、重金属和复杂污染物的成分通常各不相同，这些污染物往往对细菌细胞有毒且难以有效代谢。 它还含有高含量的盐和溶解氧，需要具有好氧硫酸盐还原能力的细菌。 因此，利用废水作为细菌原料具有挑战性。

为了克服这个问题，研究人员选择了一种快速生长的海洋细菌——Vibrio natriegens，它对高盐浓度具有特殊的耐受性，并且能够利用各种碳源。 他们在 V. natriegens（纳特里根弧菌，一种革兰氏阴性海洋细菌）中引入了需氧硫酸盐还原途径，并训练工程菌株利用不同的金属和碳源，以便直接从此类废水中生产半导体生物杂交体。

他们生产的主要目标化学品是 2,3-丁二醇 (BDO)，这是一种有价值的商品化学品。

通过改造 V. natriegens 菌株，他们产生了硫化氢，这在促进有效吸收光的 CdS 纳米颗粒的生产中发挥了关键作用。 这些纳米颗粒以其生物相容性而闻名，能够原位创建半导体生物杂交体，并使非光合细菌能够利用光。

结果表明，这些阳光激活的生物杂交体表现出显着增强的 BDO 产量，超过了仅通过细菌细胞即可实现的产量。 此外，该工艺还表现出可扩展性，利用实际废水实现了 5 升规模的太阳能驱动的 BDO 生产。

高教授表示：“与传统的细菌发酵和基于化石燃料的 BDO 生产方法相比，生物混合平台不仅具有较低的碳足迹，而且还降低了产品成本，从而总体上对环境的影响较小。值得注意的是，这些生物混合物可以利用各种废水源来生产。”