Pesquisadores descobrem método pioneiro para transformar água contaminada em produtos químicos valiosos usando bactérias projetadas. Custos de produção mais baratos e ecológicos podem abrir as portas para uma fabricação de chips mais inovadora
Publicado em 30/10/2023 – 10h
Por Zhang Tong – Pequim
SCMP — Cientistas na China conseguiram utilizar bactérias produzidas pela luz solar para limpar poluentes orgânicos de águas residuais e, no processo, produzir novos produtos químicos valiosos. A capacidade de extrair produtos químicos úteis de água contaminada com metais pesados poderia abrir caminho para a produção sustentável e ecológica de materiais semicondutores valiosos.
O estudo, liderado pelo professor Gao Xiang do Instituto de Biologia Sintética de Shenzhen da Academia Chinesa de Ciências, e pelo professor Lu Lu do Instituto de Tecnologia Harbin em Shenzhen, foi publicado na revista científica Nature Sustainability em 16 de outubro.
Os semicondutores – os chips fundamentais que sustentam a indústria de alta tecnologia – são normalmente produzidos por meios químicos ou físicos em ambientes ultra limpos.
No entanto, os materiais utilizados para fabricar semicondutores podem ser produzidos por bactérias geneticamente modificadas em águas residuais e utilizados numa vasta gama de aplicações, tais como telas digitais de próxima geração, painéis solares e até medicamentos.
Ainda assim, a composição variada e complexa das águas residuais industriais representa um desafio na sua utilização como fonte de nutrientes para bactérias, e a produção limitada resultou em custos que são mais de 100 vezes superiores ao preço do ouro.
Para encontrar um método melhor, os pesquisadores queriam converter os poluentes das águas residuais em biohíbridos semicondutores, que são compostos de componentes biológicos e não biológicos.
A equipe de pesquisa selecionou o Vibrio natriegens – um microrganismo marinho amigo da água salgada – como ponto de partida para suas bactérias projetadas . “Esta bactéria é um dos micróbios industriais de crescimento mais rápido, que pode crescer duas vezes mais rápido que a E. coli comumente usada”, disse Gao ao Post na quinta-feira.
“Vibrio natriegens pode prosperar em ambientes altamente salinos e é altamente tolerante a águas residuais. Eles podem usar mais de 200 tipos de materiais orgânicos como nutrientes, incluindo açúcares, álcoois, aminoácidos e ácidos orgânicos, o que os torna candidatos ideais para esta pesquisa”, acrescentou.
A equipe então introduziu uma via de redução de sulfato no Vibrio natriegens, treinando a cepa para absorver diretamente o sulfato do meio ambiente e produzir gás sulfureto de hidrogênio, que foi então combinado com íons metálicos nas águas residuais para criar nano partículas semicondutoras.
O método provou ser versátil e pode ser aplicado a vários íons metálicos, produzindo compostos como sulfeto de cádmio, sulfeto de chumbo e sulfeto de mercúrio.
As nano partículas foram então fixadas na superfície bacteriana, formando biohíbridos semicondutores. Quando exposto à luz, o material semicondutor absorveu a energia solar e a converteu em elétrons, fornecendo energia adicional às bactérias.
Numa experiência de laboratório que utilizou biohíbridos para purificar uma solução de águas residuais, 99% dos íons de cádmio foram extraídos e transferidos para partículas de sulfureto de cádmio.
Estes tipos de nanopartículas – também conhecidas como pontos quânticos – foram a peça central de uma descoberta que valeu a outro grupo de cientistas o Prémio Nobel da Química deste ano.
“Após um ciclo completo, os biohíbridos nas águas residuais podem ser coletados por filtração ou sedimentação para extração de material semicondutor”, disse Gao.
“Este sistema biohíbrido pode ser um método eficiente e econômico para a fabricação de pontos quânticos altamente valiosos”, disse Gao em entrevista na quinta-feira.
Embora o biohíbrido prolifere nas águas residuais, ele também converte os poluentes orgânicos em 2,3-butanodiol (BDO), um produto químico valioso com amplas aplicações em cosméticos, agricultura e saúde.
“A energia extra gerada pelas nano partículas através da absorção de luz melhorou a eficiência da síntese dos biohíbridos e a taxa de conversão da matéria orgânica nas águas residuais”, disse Gao. “Tradicionalmente, toda a energia necessária para o crescimento das bactérias e a produção de BDO é fornecida pelas próprias bactérias, o que envolve auto metabolismo e digestão da matéria orgânica. A energia extra adquirida através da absorção de luz obviamente acelera ambos os processos.”
Testes de laboratório mostraram que, sob luz artificial, os biohíbridos produziam BDO duas vezes mais rápido que as bactérias não modificadas, com um aumento de 26% na taxa de conversão de carbono.
Em um experimento conduzido em um reator de 5 litros (1,3 galão), os biohíbridos foram cultivados com sucesso usando águas residuais industriais reais, alcançando uma taxa de produção de BDO de 13 gramas (o. 45 onças) por litro, superando estudos anteriores.
A equipe está explorando opções para aumentar a reação. “As águas residuais industriais geralmente têm pouca translucidez. Estamos investigando reatores com áreas de superfície maiores para permitir iluminação adequada”, disse Gao.
Gao creditou o sucesso do projeto ao desenho cuidadoso dos caminhos experimentais.
“Os biohíbridos semicondutores integram os melhores atributos dos catalisadores biológicos de células inteiras e nano materiais semicondutores , permitindo que fábricas de células microbianas industriais não fotossintéticas utilizem a energia solar para a produção química”, disse a equipe no artigo Nature Sustainability.