Uma equipe de cientistas de institutos de pesquisa chineses conseguiu usar bactérias para purificar águas residuais de poluentes orgânicos e produzir uma série de compostos químicos para a indústria de semicondutores. Este processo poderia abrir caminho para a produção sustentável e ecologicamente correta de materiais semicondutores valiosos. O estudo foi publicado em 16 de outubro na revista científica Nature Sustainability.
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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 de Shenzhen, demonstrou a possibilidade de obter materiais semicondutores a partir de águas residuais usando tecnologias geneticamente modificadas. . Os pesquisadores conseguiram converter poluentes de águas residuais em biohíbridos semicondutores que consistem em componentes biológicos e não biológicos.
A equipe de pesquisa escolheu o microrganismo marinho Vibrio natriegens como ponto de partida para a modificação da bactéria. De acordo com os cientistas, “é uma das bactérias de crescimento mais rápido que prospera em ambientes com alto teor de sal e é altamente resistente a águas residuais. Eles podem usar mais de 200 tipos de materiais orgânicos como nutrientes, incluindo açúcares, álcoois, aminoácidos e ácidos orgânicos, tornando-os candidatos ideais para esta pesquisa”.
A equipe então “deu o pontapé inicial” no mecanismo de redução de sulfato no Vibrio natriegens, treinando a cepa para absorver diretamente o sulfato do meio ambiente e produzir sulfeto de hidrogênio, que foi então combinado com íons metálicos em águas residuais para criar nanopartículas semicondutoras. O método revelou-se universal e pôde ser aplicado a íons de diversos metais, produzindo compostos como sulfeto de cádmio, sulfeto de chumbo e sulfeto de mercúrio.
Nanopartículas foram fixadas na superfície das bactérias, 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 em que foram utilizados bio-híbridos para tratar águas residuais, 99% dos iões de cádmio foram assim recuperados como partículas de sulfureto de cádmio.
Esses tipos de nanopartículas, também conhecidas como pontos quânticos, foram a peça central de uma descoberta pela qual outro grupo de cientistas ganhou o Prêmio Nobel de Química deste ano. “Após um ciclo completo, os biohíbridos nas águas residuais podem ser coletados por filtração ou sedimentação (sedimentação de partículas) para extrair materiais semicondutores”, disse Gao Xiang. “Este sistema poderia fornecer um método eficiente e econômico para a produção de pontos quânticos altamente valiosos.”
Quando os biohíbridos crescem em águas residuais, também convertem poluentes orgânicos em 2,3-butanodiol (BDO), um produto químico valioso que é amplamente utilizado em cosméticos, agricultura e saúde. Testes de laboratório mostraram que sob luz artificial, os biohíbridos produzem BDO duas vezes mais rápido que as bactérias não modificadas, com um aumento de 26% na conversão de carbono.
«A energia adicional gerada pelas nanopartículas devido à absorção de luz aumentou a eficiência da síntese biohíbrida e a taxa de conversão de substâncias orgânicas nas águas residuais. Tradicionalmente, toda a energia necessária para o crescimento bacteriano e a produção de BDO é fornecida pelas próprias bactérias, o que inclui o autometabolismo e a digestão da matéria orgânica. A energia adicional obtida com a absorção de luz aparentemente acelera ambos os processos”, explicou Gao.
Em um experimento realizado em um reator de 5 litros, os biohíbridos foram cultivados com sucesso usando águas residuais industriais reais, alcançando uma produtividade de BDO de 13 gramas por litro e superando os resultados de todos os estudos anteriores.
Agora os cientistas estão explorando a possibilidade de ampliar o processo. O principal obstáculo é a fraca transparência das águas residuais industriais. Portanto, são necessários reatores com uma área superficial maior para fornecer iluminação suficiente para a atividade bacteriana ativa.
«Os biohíbridos semicondutores combinam as melhores características dos catalisadores biológicos de células inteiras e dos nanomateriais semicondutores, permitindo que fábricas de células microbianas industriais não fotossintéticas aproveitem a energia solar para a produção química”, concluíram os pesquisadores.