中國科學家已經成功地利用陽光碟機動的細菌來清除廢水中的有機污染物，並在此過程中製造出有價值的新化學品。據悉，從重金屬污染的水中提取有用化學物質的能力可以為半導體材料的可持續和環保生產鋪平道路。
這項研究由中國科學院深圳合成生物研究所的高翔教授和深圳哈爾濱工業大學的路璐教授牽頭，於10月16日發表在《自然·可持續發展》雜誌上。
半導體是支撐高科技產業的基本晶片，其通常是在超潔凈環境中通過化學或物理方法生產的。然而值得注意的是，用於製造半導體的材料可以通過廢水中的基因工程細菌生產，並用於廣泛的應用，例如下一代數字顯示器，太陽能電池板甚至醫學。
儘管如此，工業廢水的成分多樣而複雜，這對將其用作細菌的營養來源構成了挑戰，而且有限的生產可能將成本推高至黃金價格的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化為由生物和非生物成分組成的半導體生物雜化體。
該研究小組選擇了需鈉弧菌，這是一種對鹹水友好的海洋微生物。高教授表示：「這種細菌是增長最快的工業微生物之一，其生長速率比大腸桿菌快一倍。」
「需鈉弧菌可以在高鹽環境中茁壯成長，對廢水具有很高的耐受性。它們可以利用200多種有機物質作為營養物質，包括糖、醇、胺基酸和有機酸，這使它們成為這項研究的理想候選者。」
研究小組隨後將好氧H2S引入需鈉弧菌，訓練該菌株直接從環境中吸收硫酸鹽並產生硫化氫氣體，然後將其與廢水中的金屬離子結合，產生半導體納米顆粒，且同步實現溶液中金屬離子的高效去除。
實驗證實，這種方法是通用的，可以應用於各種金屬離子，產生像硫化鎘、硫化鉛和硫化汞這樣的化合物。
接著將納米顆粒固定在細菌表面，形成半導體生物雜化體。當暴露在光線下時，半導體材料吸收太陽能並將其轉化為電子，為細菌提供額外的能量。
這些類型的納米粒子（也稱為量子點）是另一組科學家獲得今年諾貝爾化學獎的核心發現。
高教授表示：「經過一個完整的循環，廢水中的生物雜化物可以通過過濾或沉澱收集，用於半導體材料的提取。這種生物混合系統可能是一種高效、經濟的製造高價值量子點的方法。」
當這種生物雜合物在廢水中增殖時，它還將有機污染物轉化為2,3-丁二醇(BDO)，這是一種有價值的商品化學品，在化妝品、農業和醫療保健領域有著廣泛的應用。
高教授說:「納米粒子通過吸收光產生的額外能量，提高了生物雜交種的合成效率和廢水中有機物的轉化率。
「傳統上，細菌生長和生成BDO所需的所有能量都由細菌自身提供，這涉及到有機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過程。」實驗室測試表明，在人造光下，生物雜交種產生BDO的速度是未經修飾的細菌的兩倍，碳轉化率提高了26%。
該團隊正在探索擴大反應規模的選擇。「工業廢水的透明度通常很差。我們正在研究更大表面積的反應堆，以獲得足夠的照明。」