Rengøring af vores vand med banebrydende bioinspireret kemi

Det 20. og 21. århundrede har oplevet en eksplosion i brugen af ​​syntetiske kemikalier verden over, herunder pesticider, medicin og husholdningsrensere - hvoraf mange ender i vores vandveje. Selv i små mængder kan disse stoffer påvirke dyrelivet, planter og mennesker, og en række af dem har vist modstand mod normale vandbehandlingsmetoder, lad dem bygge op i miljøet ukontrolleret.

I en undersøgelse offentliggjort i ACS -katalyse , forskere ved Carnegie Mellon University's Institute for Green Science (IGS) banede sporet for et nyt felt inden for bæredygtig kemi ved at afsløre kraftfulde, sikre og billige oxidationskatalysatorer inspireret af de biologiske processer i os, der nedbryder selv de mest genstridige mikropollutanter.

"Det er måske det vigtigste papir, vi har produceret i 20 år, "sagde Teresa Heinz professor i grøn kemi Terrence J. Collins, der leder IGS.

Collins, som har været bekymret over de skadelige biologiske virkninger af syntetiske kemikalier siden sine dage som bachelorstuderende i New Zealand, har brugt de sidste fire årtier på at udvikle metoder til at fjerne disse kemikalier fra vand ved hjælp af oxidationsprocessen, en proces, der er kendt for menneskekroppen.

"Oxidationskemi er en betydelig procentdel af den biokemi, der foregår i os, "Collins bemærkede." Sådan behandler naturen problemet med at omdanne organisk stof, især meget kemisk resistent organisk stof, i brugbart materiale til dets biokemi eller til energi for at holde organismen i gang. Nogle gange er modstanden for stor for de enzymer, der driver oxidationskemien, og vi har vedholdende forbindelser, som naturen er magtesløs imod. "

Det foretrukne substrat for mange oxidationsreaktioner i vores kroppe og andre steder i naturen er hydrogenperoxid, hvilke peroxidaseenzymer aktiverer for at nedbryde molekyler fra mad og andre stoffer, vi tager i. Collins mål siden 1980 har hovedsageligt været at genskabe kraften og effektiviteten af ​​disse enzymer med kunstige katalysatorer fra hans skabelse kaldet tetra-amido makrocykliske ligander (TAML'er).

"Vi var nødt til at få jernkernen i vores katalysatorer til at udføre den samme kemi som peroxidaseenzymernes jerncenter, "Collins sagde." Vi brugte 15 år systematisk på at finde ud af, hvordan man får TAML -katalysatorsammensætningen til at fungere korrekt. Efter at have fået den første - brugte vi 20 år på at gøre det bedre. "

I denne nye undersøgelse, Collins beskriver de "rekordindstillende" præstationer af disse forbedrede katalysatorer, kaldet NewTAML'er. Test har vist, at uendelige mængder af disse katalysatorer aktiverer hydrogenperoxid for at fjerne den farmaceutiske og almindelige persistente mikropollutant propranolol fra vand på mindre end fem minutter.

På grund af deres hastighed og effektivitet, Collins forestiller sig, at NewTAML'er har store omkostningsbesparelser i forhold til nuværende vandrensningsteknikker, såsom ozonrensning. Endnu vigtigere for ham end omkostninger og magt, imidlertid, er sikkerhed. En katalysator, der fjernede mikropollutanter, ville være meningsløs, hvis selve katalysatoren endte med at forårsage skadelige virkninger i levende organismer.

"Det er trivielt at finde ud af, om noget er akut giftigt - det er, når noget er hemmeligt giftigt i dele pr. Billion i din krop, at du har et stort problem, "Collins forklarede." Endokrine hormoner i din krop arbejder i dele pr. Billioner til lave dele pr. Milliard koncentrationer. De styrer, hvor meget af livet der udvikler sig, og hvad vi bliver. Dagens nuværende vært, overalt er kemikalier, som vi har opdaget, hormonforstyrrende læser som en science fiction -skrækhistorie - men det er virkelighed. "

For at teste katalysatorernes sikkerhed, Collins hjalp verdens ledere inden for videnskab med hormonforstyrrelser med at identificere passende analyser og arrangere dem logisk for at undersøge for lavdosis bivirkninger af kemikalier. Og TAML'er og NewTAML'er er blevet brugt til betatestning af den resulterende Tiered Protocol for endocrine Disruption. NewTAML -papiret indeholder et associeret med hormonforstyrrelser hos mus, som kandidatkatalysatoren bestod med glans.

Desuden, Collins og hans team endte med at afvise potentielle katalysatorelementer, der i høj grad kunne forbedre TAML'ernes ydeevne på grund af deres mangel på tilstedeværelse i levende organismer. Tilsætning af fluor til TAML'er, for eksempel, forbedrede deres ydeevne og stabilitet kraftigt, men fluor er et stof, der sjældent findes i levende ting, og forskerne bekymrede sig for, at det kunne øge fluorid og fluorokemiske nedbrydningsprodukter i det behandlede vand ved at bygge det ind i katalysatorer, der blev indsat i drikkevand. "Der var ingen negative toksicitetsresultater, da vi testede, "sagde Collins." Beslutningen om at forsøge at gengive fluors unikke og bemærkelsesværdige elektroniske egenskaber uden at bruge det viste sig at være en vigtig årsag til, at vi blev belønnet med NewTAML'er. "

"Den første måde at forblive sikker på for toksicitet er at bygge dine kemiske teknologier ud fra de samme elementer, som du er lavet af, "Sagde Collins.

Denne "bioinspirerede" tilgang til kemi er en søjle i det nye felt for bæredygtig ultradilut oxidationskatalyse, som Collins og Institute for Green Science er banebrydende.