Secolele XX și XXI au cunoscut o explozie în utilizarea substanțelor chimice sintetice la nivel mondial, inclusiv pesticide, medicamente și produse de curățat de uz casnic - multe dintre ele ajung în căile navigabile. Chiar și în cantități mici, aceste substanțe pot afecta viața sălbatică, plantele și oamenii, iar un număr dintre ele au demonstrat rezistență la metodele normale de tratare a apei, lăsându-le să se acumuleze în mediu necontrolat.

noastre

Într-un studiu publicat în ACS Catalysis, cercetătorii de la Institutul pentru Științe Verzi (IGS) de la Universitatea Carnegie Mellon au deschis calea către un nou domeniu al chimiei durabile prin dezvăluirea unor catalizatori de oxidare puternici, siguri și ieftini, inspirați de procesele biologice din noi, care descompun chiar cei mai încăpățânați poluanți.

"Este poate cea mai importantă lucrare pe care am produs-o în ultimii 20 de ani", a spus Teresa Heinz, profesor de chimie verde, Terrence J. Collins, care conduce IGS.

Collins, care s-a preocupat de efectele biologice dăunătoare ale substanțelor chimice sintetice încă din zilele sale de student în Noua Zeelandă, a petrecut ultimele patru decenii lucrând la dezvoltarea metodelor de îndepărtare a acestor substanțe chimice din apă folosind procesul de oxidare, un proces familiar. la corpul uman.

„Chimia oxidării reprezintă un procent considerabil din biochimia care se întâmplă în noi”, a remarcat Collins. „Acesta este modul în care natura se ocupă de transformarea materiei organice, în special a materiei organice foarte rezistente chimic, în material utilizabil pentru biochimia sa sau în energie pentru a menține organismul în funcțiune. Uneori rezistența este prea mare pentru enzimele care conduc chimia oxidării și avem compuși persistenți împotriva cărora natura este neputincioasă ".

Substratul ales pentru multe reacții de oxidare în corpul nostru și în alte părți ale naturii este peroxidul de hidrogen, pe care enzimele peroxidazice îl activează pentru a descompune moleculele din alimente și alte substanțe pe care le luăm. Scopul lui Collins din 1980 a fost în esență să recreeze puterea și eficiența acestor enzime cu catalizatori artificiali ai creației sale numiți liganzi tetra-amido macrociclici (TAML).

"A trebuit să facem centrul de fier al catalizatorilor noștri la același tip de chimie ca și centrul de fier al enzimelor peroxidazei", a spus Collins. "Am petrecut 15 ani în mod sistematic să ne dăm seama cum să facem compoziția catalizatorului TAML să funcționeze corect. Apoi, după ce am primit primul - am petrecut 20 de ani încercând să o îmbunătățim."

În acest nou studiu, Collins descrie performanțele „record-set” ale acestor catalizatori îmbunătățiți, numiți NewTAMLs. Testarea a arătat că cantități infinitezimale din acești catalizatori activează peroxidul de hidrogen pentru a elimina propranololul farmaceutic și comun persistent de propranolol din apă în mai puțin de cinci minute.

Datorită vitezei și eficienței lor, Collins consideră că NewTAML-urile au economii majore de costuri față de tehnicile actuale de tratare a apei, cum ar fi purificarea ozonului. Cu toate acestea, chiar mai important pentru el decât costul și puterea este siguranța. Un catalizator care elimină micropoluanții ar fi inutil dacă catalizatorul în sine ar ajunge să provoace efecte dăunătoare organismelor vii.

„Este banal să afli dacă ceva este acut toxic - atunci când ceva este secret pe cale toxică în părți per trilioane din corpul tău ai o mare problemă”, a explicat Collins. "Hormonii endocrini din corpul tău funcționează în părți pe bilion până la părți scăzute pe miliard de concentrații. Ei controlează cât de mult se dezvoltă viața și ce devenim. Găzduirea actuală a substanțelor chimice de zi cu zi, peste tot, pe care le-am descoperit sunt perturbatori endocrini, se citește ca o science fiction poveste de groază - dar este realitate. "

Pentru a testa siguranța catalizatorilor, Collins a ajutat liderii mondiali ai științei perturbărilor endocrine să identifice testele adecvate și să le aranjeze în mod logic pentru a depista efectele adverse cu doze mici ale substanțelor chimice. Și TAML și NewTAML au fost utilizate pentru testarea beta a protocolului rezultat pe niveluri pentru perturbarea endocrină. Lucrarea NewTAML încorporează un test de întrerupere endocrină la șoareci, pe care catalizatorul candidat l-a trecut cu brio.

Mai mult, Collins și echipa sa au ajuns să respingă potențialele elemente catalizatoare care ar putea îmbunătăți foarte mult performanța TAML din cauza lipsei lor de prezență în organismele vii. Adăugarea fluorului la TAML, de exemplu, le-a îmbunătățit foarte mult performanța și stabilitatea, dar fluorul este o substanță rar întâlnită în viețuitoare, iar cercetătorii au fost îngrijorați de faptul că construirea acestuia în catalizatori folosiți în apa potabilă ar putea crește fluorura și produsele de degradare fluorochimică din apa tratată . „Nu am avut rezultate negative de toxicitate când am testat”, a spus Collins. „Decizia de a încerca să reproducem proprietățile electronice singulare și remarcabile ale fluorului fără a-l utiliza s-a dovedit a fi un motiv cheie pentru care am fost recompensați cu NewTAMLs.”

„Modul numărul unu de a vă menține în siguranță împotriva toxicității este să vă construiți tehnologiile chimice din aceleași elemente din care sunteți compuși”, a spus Collins.

Această abordare „bioinspirată” a chimiei este un pilon al noului domeniu al catalizei durabile de oxidare ultradiluată pe care Collins și Institutul pentru Științe Verzi sunt pionier.