Исследовательская группа разработала дрожжевую платформу, которая преобразует человеческую мочу из сточных вод в гидроксиапатит.
Гидроксиапатит — это ценное, биосовместимое вещество, используемое для изготовления зубных и костных имплантатов, реставрации археологических артефактов и в других целях.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи предлагают технико-экономический анализ метода преобразования мочи, которая может серьёзно повредить водосборным бассейнам, в гидроксиапатит (HAp) — минерал фосфата кальция, рыночная стоимость которого, по прогнозам, достигнет более 3,5 миллиарда долларов к 2030 году.
«Этот процесс решает одновременно две задачи», — говорит соавтор Дэвид Кисайлус, профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Ирвайне.
«С одной стороны, он помогает удалять мочу из сточных вод, снижая загрязнение окружающей среды и накопление ненужных питательных веществ; с другой стороны, он производит материал, который можно коммерчески использовать в различных условиях».
В статье, опубликованной в Nature Communications, он и его коллеги — учёные из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, Университета Хоккайдо в Японии и Токийского университета сельского хозяйства и технологий — обсуждают, как они разработали и оценили биологически вдохновлённую систему на основе синтетических дрожжевых клеток, которые они назвали «остеодрожжи» (osteoyeast), запускающих преобразование мочи в HAp.
У млекопитающих специализированные клетки, называемые остеобластами, извлекают фосфат кальция из жидкостей организма, который затем перерабатывается и выделяется в виде HAp. По словам исследователей, остеобласты не подходят для крупномасштабного промышленного производства HAp, поэтому они обратились к остеодрожжам, которые используют ферменты для расщепления мочевины и повышения pH окружающей среды. Это приводит к тому, что в дрожжах образуются крошечные полости, в которых накапливаются кальций и фосфат, которые затем секретируются и кристаллизуются в HAp.
Учёные обнаружили, что их метод может производить до 1 грамма HAp на литр мочи.
«Этот процесс получения гидроксиапатита или костного минерала занимает менее одного дня», — говорит Кисайлус.
«Тот факт, что в нём используются дрожжи в качестве основы, которые недороги и могут быть помещены в большие чаны при относительно низких температурах — подумайте о пиве, которое изготавливается с помощью процессов ферментации и хорошо масштабируется — показывает, что это можно сделать легко, без серьёзных потребностей в инфраструктуре, и это имеет дополнительное преимущество, делая его доступным для развивающихся экономик».
Кисайлус, имеющий большой опыт в исследовании механизмов роста кристаллов, а также в создании неорганических кристаллических материалов с использованием биологических и биоинспирированных методов, говорит, что его основной ролью в этом проекте была оценка путей кристаллизации на платформе остеодрожжей.
По словам исследователей, композиты HAp лёгкие и обладают значительной механической прочностью, жёсткостью и долговечностью. И если синтетический гидроксиапатит, который был получен из мочи, можно производить экономически выгодно и в больших масштабах, он может служить возобновляемой и биоразлагаемой альтернативой таким товарам, как пластик и другие строительные материалы.
«Я продолжаю работать с профессором Ясуо Ёшикуни из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, автором этой статьи, над созданием других материалов с помощью этого процесса, включая материалы для энергетических применений», — говорит Кисайлус.
«В настоящее время мы разрабатываем стратегии, позволяющие использовать его дрожжевую платформу с нашими знаниями о 3D-печати и структуре для создания многофункциональных архитектрированных материалов».
Исследовательский проект получил финансовую поддержку от Министерства энергетики США, Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны и Управления научных исследований ВВС.
Источник: Калифорнийский университет в Ирвайне.