Biến đổi nước thải thành các vật liệu bán dẫn sinh học: một tiến bộ khoa học từ Trung Quốc

Một nhóm nhà khoa học tại Trung Quốc vừa công bố một kết quả nghiên cứu đáng chú ý trong việc chiết xuất hóa chất hữu ích từ nước bị nhiễm kim loại nặng để sản xuất các vật liệu bán dẫn có giá trị một cách bền vững và thân thiện với môi trường. Nghiên cứu này do Giáo sư Gao Xiang của Trung tâm Nghiên cứu Sinh học Tổng hợp Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Giáo sư Lu Lu của Học viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân dẫn đầu, và đã được công bố trên Tạp chí Nature Sustainability vào ngày 16/10/2023.

Chất bán dẫn rất quan trọng đối với ngành công nghệ cao, thường được sản xuất thông qua các phương pháp hóa học hoặc vật lý trong môi trường siêu sạch. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, nhóm nhà khoa học đã khám phá cách sử dụng vi khuẩn biến đổi gen trong nước thải để sản xuất vật liệu bán dẫn. Cách tiếp cận này đã mang lại tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất màn hình kỹ thuật số thế hệ mới, pin năng lượng mặt trời, và thậm chí y học.

Tuy nhiên, việc sử dụng nước thải công nghiệp làm môi trường nuôi dưỡng vi khuẩn đã gặp nhiều thách thức do sự đa dạng và phức tạp của thành phần nước thải. Ngoài ra, khả năng sản xuất hạn chế đã dẫn đến chi phí cao hơn hơn 100 lần so với giá vàng. Để tìm kiếm phương pháp hiệu quả hơn, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu việc biến đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành các chất bán dẫn sinh học lai, được tạo thành từ các thành phần sinh học và phi sinh học.

Nhóm nghiên cứu đã chọn loài vi khuẩn biển thân thiện với nước mặn, gọi là Vibrio natriegens, để bắt đầu tạo ra vi khuẩn biến đổi gien. Giáo sư Gao cho biết Vibrio natriegens là một trong những loài vi khuẩn công nghiệp phát triển nhanh nhất, có khả năng phát triển gấp đôi so với loài vi khuẩn E. coli thông thường. Vibrio natriegens có khả năng phát triển mạnh mẽ trong môi trường có độ mặn cao và trong nước thải. Chúng có khả năng sử dụng hơn 200 loại chất hữu cơ khác nhau làm nguồn dinh dưỡng, bao gồm đường, rượu, axit amin và axit hữu cơ, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho nghiên cứu này. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện quá trình khử sunfat cho Vibrio natriegens, "huấn luyện" chủng vi khuẩn này để hấp thụ trực tiếp sunfat từ môi trường và tạo ra khí H2S. Khí H2S sau đó được kết hợp với các ion kim loại trong nước thải để tạo ra các hạt nano bán dẫn. Phương pháp này đã cho thấy tính linh hoạt và có thể áp dụng cho nhiều ion kim loại khác nhau, tạo ra các hợp chất như cadmium sulphide, chì sunfua và thủy ngân sunfua.

Trong các thí nghiệm sử dụng các chất sinh học lai để làm sạch nước thải, các nhà nghiên cứu đã chiết xuất thành công 99% ion cadmium và chuyển chúng thành các hạt cadmium sulphide. Sau một chu trình hoàn chỉnh, các nhà khoa học có thể thu thập các chất sinh học từ nước thải thông qua quá trình lọc hoặc lắng để tạo ra vật liệu bán dẫn. Hệ thống lai sinh học này có thể là một phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để sản xuất các chất bán dẫn có giá trị cao. Ngoài việc phát triển trong nước thải, cách tiếp cận này cũng có khả năng chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành 2,3-butanediol (BDO), một loại hóa chất có giá trị rộng rãi trong các lĩnh vực như mỹ phẩm, nông nghiệp và chăm sóc sức khỏe. Nhóm nghiên cứu hiện đang nghiên cứu các biện pháp khác để mở rộng quy mô của quy trình này.