Ny forskning tyder på mineralske nanopartikler som allestedsnærværende enzymmimetika i jordsystemer

Globalt, Jordsystemet har tusindvis af terragrammer (Tg) (1 Tg =10 ¹² g) af mineralske nanopartikler, der bevæger sig rundt på planeten hvert år. Disse mineralske nanopartikler er allestedsnærværende fordelt i atmosfæren, oceaner, farvande, jord, i og/eller på de fleste levende organismer, og endda inden for proteiner såsom ferritin. I naturlige omgivelser, mineralske nanozymer kan produceres ad to veje:'top down' og 'bottom up' processer. Specifikt, forvitring eller menneskeskabt nedbrydning af bulkmaterialer kan resultere i nanomaterialer direkte (en top-down proces), eller nanomaterialer kan vokse fra forstadier gennem krystallisation, reaktion, eller biologiske roller (en bottom-up proces).

Disse mineralske nanopartikler kan have flere enzymlignende egenskaber, f.eks., oxidase, peroxidase, katalase, og superoxiddismutase, afhængig af lokalmiljøet. Jernholdige mineraler, f.eks., ferrihydrit, hæmatit, og magnetit, er allestedsnærværende i jordsystemer og har peroxidase-lignende aktivitet. Blandt disse jern(oxyhydr)oxider, ferrihydrit udviste den højeste peroxidase-lignende aktivitet, på grund af dens mindste partikelstørrelse og største specifikke overfladeareal. På grund af tilstedeværelsen af ​​jernholdigt jern, magnetit har betydelig høj peroxidase-lignende aktivitet.

Sammenlignet med naturlige enzymer, mineralske nanozymer viser flere fordele, såsom lave omkostninger, øget stabilitet, bæredygtig katalytisk aktivitet, og robusthed over for barske miljøer. På grund af deres større specifikke overfladeareal, høje forhold mellem overfladeatomer, bred båndspalte, og stærke katalytiske aktiviteter, mineralske nanozymer spiller væsentlige roller i biogeokemiske kredsløb af elementer i økosystemer.

Svampe og bakterier bidrager med cirka 70 Gt kulstof (C) (1 Gt =10 ⁹ t) og 120 Gt C til global biomasse, henholdsvis. I betragtning af at svampehyfer kumulativt kan strække sig hundreder af kilometer i jord kg ^-1 i miljøer som rhizosfæren (dvs. 200-800 km kg ^-1 ) og at mere end 94 % af landplanter og svampe danner et symbiotisk forhold, mineralske nanozymer kan have vigtige implikationer i mikrobiel-mineral coevolution, næringsstofkredsløb i overfladejordsystemet, mineralkulstofbinding, og afhjælpning af globale klimaændringer.

I jordsystemer, taksonomisk og funktionelt forskellige mikroorganismer er en stor kilde til superoxid (O ₂ ^- ) eller hydrogenperoxider (H ₂ O ₂ ). Disse mineralske nanozymer kan regulere niveauerne af reaktive oxygenarter (ROS), herunder H ₂ O ₂ , O ₂ ^- og hydroxylradikaler (HO ⁺ ). Ved at producere et stærkt oxidativt HO ⁺ , interaktionen mellem mineralske nanozymer og mikroorganismer kan spille en vigtig rolle i at drive den biogeokemiske cyklus af grundstoffer (figur 2).

"Alle undersøgelser af mineralske nanozymer er stadig i laboratoriestadiet og er ikke feltstudier, " sagde Guang-Hui Yu, en videnskabsmand ved School of Earth System Science, Tianjin Universitet, i den kinesiske by Tianjin.

"Den katalytiske aktivitet af mineralske nanozymer bestemmes hovedsageligt af ilt-vacatures (OV'er) på mineraloverfladen", forskerne skrev i en artikel med titlen "Fungal Nanophase Particles Catalyze Iron Transformation for Oxidative Stress Removal and Iron Acquisition."

"Disse ilt ledige pladser er ofte besat af hydroxylgrupper på mineraloverfladen, " forklarede de.

Da mineralske nanozymer kan katalysere H ₂ O ₂ at producere stærkt oxiderende HO ⁺ , de har været flittigt brugt inden for miljøsanering. Sammenlignet med naturlige enzymer, mineralske nanozymer kan nedbryde organiske forurenende stoffer i et bredere pH-område. For eksempel, ved at nedgøre H ₂ O ₂ , Fe ₃ O ₄ nanopartikler kunne effektivt fjerne rhodamin B (RhB) i pH-området fra 3,0 til 9,0.

"Effekterne af mineralske nanozymer på mikrobielle samfund i miljøet er stadig uklare, " skrev de to forskere, "fundene af mineralske nanozymer kan have afsløret en hidtil ukendt feedback-rute for mikrobe-mineral coevolution, der kunne kaste lys over en række langvarige spørgsmål, såsom livets oprindelse og udvikling ved at modulere ROS-niveauer."

Disse to forskere afslørede ligeledes i undersøgelsen, som blev offentliggjort i Videnskab Kina Geovidenskab , at opdagelsen af ​​nanomaterialer som nye enzymmimetika har ændret den traditionelle idé om, at nanomaterialer er kemisk inerte i jordsystemer. I betragtning af terragram (Tg)-niveau overflod af mineralske nanopartikler i jordsystemer, det er statistisk meget sandsynligt for nogle af dem, især dem af biotisk oprindelse, at opføre sig som mineralske nanozymer for at katalysere superoxid og H ₂ O ₂ og fremme de biogeokemiske kredsløb af ilt og andre grundstoffer.