中国の科学者が廃水を半導体材料に変える

サウスチャイナ・モーニング・ポストによると、この研究は中国科学院深圳統合生物学センターのガオ・シアン教授とハルビン工業大学のルー・ルー教授が主導し、10月16日にネイチャー・サステナビリティ誌に掲載された。

ハイテク産業の基盤となる基本的なチップである半導体は、通常、化学的または物理的に超クリーンな環境で製造されます。しかし、半導体の製造に使われる材料は、廃水中の遺伝子組み換え細菌を使って生産することができ、次世代デジタルディスプレイや太陽電池、さらには医療など、多くの分野で応用されています。

しかし、その多様で複雑な構成のため、産業廃水を細菌の栄養素として使用することは課題となっています。さらに、生産能力が限られているため、コストは金の価格の 100 倍以上になります。より効率的な方法を見つけるために、研究者たちは廃水汚染物質を生物学的成分と非生物学的成分からなるハイブリッドバイオ半導体に変換することを検討している。

研究チームは、遺伝子組み換え細菌の作成を開始するために、海水に適した海洋微生物であるビブリオ・ナトリゲンスを選んだ。ガオ教授は、ビブリオ・ナトリゲンスは最も成長が早い産業用細菌の一つで、一般的に使用されている大腸菌の2倍の速さで成長できると述べた。

「ビブリオ・ナトリゲンスは塩分濃度の高い環境や廃水中で繁殖することができます。 「彼らは糖、アルコール、アミノ酸、有機酸など200種類以上の有機物を栄養素として利用できるため、この研究には理想的な候補だ」と彼は付け加えた。

その後、研究チームはビブリオ・ナトリゲンスの硫酸塩除去を行い、菌株が環境から硫酸塩を直接吸収してH2Sガスを生成するように「訓練」し、それが廃水中の金属イオンと結合して半導体ナノ粒子を生成した。この方法は多用途であることが証明され、さまざまな金属イオンに適用でき、硫化カドミウム、硫化鉛、硫化水銀などの化合物を生成しました。

その後、ナノ粒子は細菌表面に固定され、半導体バイオ粒子を形成します。光にさらされると、半導体材料は太陽エネルギーを吸収して電子に変換し、細菌に追加のエネルギーを提供します。

バイオハイブリッドを使用して廃水を浄化する実験では、カドミウムイオンの 99% が抽出され、硫化カドミウム粒子に変換されました。

量子ドットとしても知られるこれらのナノ粒子は、今年、新たな科学者グループにノーベル化学賞をもたらしました。

「サイクルが完了すると、科学者はろ過や沈殿を通じて廃水中の生物学的物質を収集し、半導体材料を抽出することができます。 「このバイオハイブリッドシステムは、高価値の量子ドットを生産するための効率的で費用対効果の高い方法となる可能性がある」とガオ氏は述べた。

このバイオハイブリッドは、廃水中で増殖するだけでなく、有機汚染物質を化粧品、農業、医療で広く使用されている貴重な化学物質である2,3-ブタンジオール（BDO）に変換します。

「ナノ粒子が光吸収によって生成する追加エネルギーにより、バイオハイブリッドの合成効率と廃水中の有機物の変換率が向上しました」とガオ氏は述べた。

通常、細菌の増殖と BDO 生成に必要なエネルギーはすべて、細菌自身の代謝や有機物の消化を含め、細菌自身によって供給されます。

実験の結果、人工光の下では、遺伝子組み換え細菌は遺伝子組み換えされていない細菌よりも2倍速くBDOを生成し、炭素変換率は26%増加した。

リアクター内で行われた実験では、実際の産業廃水を使用してハイブリッドバイオ株を製造することに成功し、BDO生産率が1リットルあたり13グラムに達し、これまでの研究を上回りました。

チームは対応を拡大するための他の方法も模索している。

「産業廃水は透明度が低いことが多いです。 「十分な光を確保するために、表面積の大きい原子炉の開発に取り組んでいます」とガオ氏は述べ、プロジェクトの成功は慎重なテストスケジュールのおかげだと語った。