Científicos chinos han propuesto un método novedoso para transformar los contaminantes de las aguas residuales en sustancias químicas valiosas utilizando la luz solar.

La fabricación de productos químicos convencionales se basa en procesos que consumen mucha energía. Los biohíbridos semiconductores, que integran materiales eficientes que captan la luz con células vivas superiores, han surgido como un avance interesante en la utilización de la energía solar para la producción química. Sin embargo, el desafío radica en encontrar un enfoque económicamente viable y respetuoso con el medio ambiente para ampliar esta tecnología.

En este estudio, los investigadores -dirigidos por el Prof. Gao Xiang del Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SIAT) de la Academia de Ciencias de China y el Prof. Lu Lu del Instituto de Tecnología de Harbin- se propusieron convertir los contaminantes de las aguas residuales en biohíbridos semiconductores directamente en el entorno de las aguas residuales. El concepto implica utilizar el carbono orgánico, los metales pesados y los compuestos de sulfato presentes en las aguas residuales como materia prima para construir estos biohíbridos y, posteriormente, convertirlos en productos químicos valiosos.

Sin embargo, las aguas residuales industriales reales generalmente varían en su composición de principales contaminantes orgánicos, metales pesados y contaminantes complejos, todos los cuales a menudo son tóxicos para las células bacterianas y les resulta difícil metabolizarlos eficientemente. También contiene altos niveles de sal y oxígeno disuelto que requieren bacterias con capacidad aeróbica de reducción de sulfato. Por lo tanto, es un desafío utilizar aguas residuales como materia prima para bacterias.

BACTERIA MARINA

Para superar esto, los investigadores seleccionaron una bacteria marina de rápido crecimiento, Vibrio natriegens, que tiene una tolerancia excepcional a las altas concentraciones de sal y capacidad para utilizar diversas fuentes de carbono. Introdujeron una vía de reducción de sulfato aeróbico en V. natriegens y entrenaron la cepa diseñada para utilizar diferentes fuentes de metal y carbono con el fin de producir biohíbridos semiconductores directamente a partir de dichas aguas residuales.

Su principal producto químico objetivo para la producción era el 2,3-butanodiol (BDO), un valioso producto químico.

Al diseñar una cepa de V. natriegens, generaron sulfuro de hidrógeno, que desempeñó un papel fundamental a la hora de facilitar la producción de nanopartículas de CdS que absorben la luz de manera eficiente. Estas nanopartículas, reconocidas por su biocompatibilidad, permitieron la creación in situ de biohíbridos semiconductores y permitieron a las bacterias no fotosintéticas utilizar la luz.

Los resultados mostraron que estos biohíbridos activados por la luz solar exhibieron una producción de BDO significativamente mayor, superando los rendimientos alcanzables solo a través de células bacterianas. Además, el proceso mostró escalabilidad, logrando una producción de BDO impulsada por energía solar en una escala sustancial de 5 litros utilizando aguas residuales reales.

"La plataforma biohíbrida no sólo cuenta con una menor huella de carbono, sino que también reduce los costos del producto, lo que lleva a un menor impacto ambiental general en comparación con la fermentación bacteriana tradicional y los métodos de producción de BDO basados en combustibles fósiles", afirmó el profesor Gao. "Sorprendentemente, estos biohíbridos podrían producirse utilizando una variedad de fuentes de aguas residuales".

El estudio fue publicado en Nature Sustainability.