Metalreducerende bakterier tilbyder en grønnere vej til fremstilling af kobberkatalysatorer

Kobbernanopartikler (Cu-NP'er) har en bred vifte af anvendelser som katalysatorer, inden for videnskabelige områder så forskellige som lægemiddelopdagelse og materialevidenskab. Den naturlige overflod af kobber, og dets relativt lave omkostninger, gør det til et levedygtigt alternativ til katalysatorer fremstillet af sjældne og dyre ædelmetaller, såsom platin og palladium. Imidlertid, syntesen af ​​Cu-NP'er involverer normalt høje temperaturer og giftige opløsningsmidler. Derudover Cu-NP'er produceret via konventionel syntese har tendens til at agglomerere og oxidere, og kræver brug af uorganiske kemikalier for at opretholde deres katalytiske aktivitet. Ny forskning, udgivet i Lille , detaljer proof-of-concept eksperimenter, der viser, at den metalreducerende bakterie Shewanella oneidensis tilbyder en grønnere vej til Cu-NP-syntese, og potentialet til at genvinde kobber fra spildevandsstrømme.

Bakteriel biosyntese af Cu-NP'er

Hvis vi kan udnytte metabolismen af ​​metalreducerende bakterier, dette giver os en vej til billige, enkel og miljøvenlig nanopartikelsyntese. Dette er den første undersøgelse, der undersøger bioreduktionen af ​​opløselige kobber(II)-ioner og syntesen af ​​Cu-NP'er ved hjælp af anaerobe metalreducerende bakterier, organismer, der findes naturligt i anaerobe sedimenter, og få der energi ved at overføre elektroner fra organisk stof til metaller i sedimenterne. Shewanella oneidensis er en af ​​de mest alsidige og velundersøgte arter af metalreducerende bakterier, i stand til at reducere en lang række metaller under laboratorieforhold. Det blev først isoleret i 1988, af professor Ken Nealson, fra sedimenter i Lake Oneida i New York (hvorfra den har fået sit navn). Det blev valgt til disse eksperimenter på grund af dets alsidighed som metal-reducer og at have hele dets genom sekventeret. Den resulterende tilgængelighed af mutantstammer tillader undersøgelse af den vej, der er involveret i metalreduktion (f.eks. de involverede enzymer). Identifikation af elektronoverførselsvejen involveret i Cu-reduktion kan føre til effektivitetsforbedringer i fremtiden. Resultaterne viser, at det er muligt at anvende Shewanella oneidensis til bioreduktion af kobber(II)-ioner, danner elementære Cu(0) nanopartikler, hvilket i sig selv er overraskende, da mange former for kobber er kendt for at være giftige, bruges som et desinfektionsmiddel og et fungicid, og er blevet undersøgt til brug i antimikrobielle overflader.

Denne nye proces sætter kryds i alle felter for 'grøn syntese', da det er i stand til at producere Cu-NP'er ved stuetemperatur, i vand. Ud over, under katalysetestene blev Cu-NP'erne ikke adskilt fra biomassen, og bakterien fungerede som en støttematrix for nanopartiklerne - fjernede behovet for uorganiske tilsætningsstoffer og gjorde Cu-NP'erne mere reaktive. Endelig, Katalysatoren kan let filtreres fra ved hjælp af en centrifuge, gør det muligt at genbruge det.

De NERC-finansierede eksperimenter brugte Diamond brugte røntgenabsorptionsnær-kantspektroskopi (XANES) og udvidet røntgenabsorptionsfinstrukturspektroskopi (EXAFS) analyse på B18 (en generel XAS-strålelinje) for at vise, at de producerede nanopartikler er kobber , og identificere dets oxidationstilstand. Bløde x-ray XAS-målinger blev udført ved hjælp af Diamonds I10-strålelinje. Disse indledende undersøgelser brugte metalsalte, men forskerholdet går videre med at se på brugen af ​​industrielle spildevandsstrømme. For hovedforfatter, Dr. Richard Kimber fra School of Earth and Environmental Sciences ved University of Manchester, dette er det ultimative mål med projektet. Han siger, "Det er vigtigt at genvinde metaller fra spildevand, for at forhindre dem i at forurene miljøet. Det, vi ser på her, er en måde at skabe produkter af høj værdi fra affaldsbehandling, så det betaler sig selv."

Fremtidigt arbejde vil også undersøge måder at optimere systemet på, herunder bestemmelse af optimale reaktionstider og Cu-NP-belastning, at forbedre udbyttet. Der skal også arbejdes med at forstå den vej, som bakterien bruger til at reducere kobber. Normalt bruger metalreducerende bakterier almindelige metaller (såsom jern) til respiration. De første resultater tyder på, at dette ikke er tilfældet for Shewanella oneidensis og kobber, måske ikke overraskende i betragtning af metallets giftige natur. Elektronoverførselsvejen kunne være en del af bakteriens afgiftnings-/forsvarsmekanismer, men der skal arbejdes mere. En forståelse af vejen ville gøre det lettere at øge udbyttet af producerede Cu-NP'er samt potentielt finjustere deres egenskaber. Med det i tankerne, det Manchester-baserede forskerhold er ivrige efter at bruge de seneste fremskridt inden for syntetisk biologi til at lave den næste generation af katalysatorer til industrien. Prof Jon Lloyd, der leder forskningen på dette område (sammen med kolleger i Manchester's Institute of Biotechnology) bemærker "denne nye undersøgelse giver os en ny type metallisk nanokatalysator, som vi håber vil være meget nyttig for den kemiske industri, og vi er meget opsatte på at udvide anvendeligheden af ​​denne tilgang via inkorporering af yderligere katalytiske materialer (enzymer og andre metalliske nanopartikler) i værtscellerne, som vi brugte til denne aktuelle undersøgelse. Dette arbejde danner grundlaget for et nyt BBSRC-projekt for teamet."