Очищення води за допомогою новаторської хімії, що надихає

У ХХ і ХХІ століттях у всьому світі стався вибух із використанням синтетичних хімічних речовин, включаючи пестициди, ліки та засоби для чищення побуту - багато з яких потрапляють у наші водні шляхи. Навіть у незначних кількостях ці речовини можуть впливати на дику природу, рослини та людей, і низка з них виявила стійкість до звичайних методів очищення води, в результаті чого вони накопичуються в навколишньому середовищі без контролю.

У дослідженні, опублікованому в ACS Catalysis, дослідники Інституту зелених наук Університету Карнегі Меллона (IGS) проклали шлях до нової галузі стійкої хімії, відкривши потужні, безпечні та недорогі каталізатори окислення, натхненні біологічними процесами в нас, які руйнуються навіть найстійкіші мікрозабруднювачі.

"Це, мабуть, найважливіший документ, який ми випустили за 20 років", - сказала Тереза Хайнц, професор з зеленої хімії Терренс Дж. Коллінз, керівник IGS.

Коллінз, який займався шкідливим біологічним впливом синтетичних хімічних речовин ще з часів студентства в Новій Зеландії, протягом останніх чотирьох десятиліть працював над розробкою методів видалення цих хімічних речовин з води за допомогою процесу окислення - звичного процесу. до людського тіла.

"Хімія окислення - це якийсь значний відсоток біохімії, що відбувається в нас", - зазначив Коллінз. "Ось як природа вирішує проблему перетворення органічної речовини, особливо дуже хімічно стійкої органічної речовини, у придатний для біохімії матеріал або в енергію для підтримки організму. Іноді опір занадто великий для ферментів, що керують хімією окислення і ми маємо стійкі сполуки, проти яких природа безсила ".

Вибраним субстратом для багатьох реакцій окислення в нашому тілі та в інших місцях природи є пероксид водню, який ферменти пероксидази активують для розщеплення молекул з їжі та інших речовин, які ми вживаємо. Метою Коллінза з 1980 року, по суті, було відтворення сили та ефективності цих ферментів із штучними каталізаторами його створення, названими тетра-амідо-макроциклічними лігандами (TAML).

"Нам довелося зробити так, щоб центр заліза наших каталізаторів виконував ту саму хімію, що і центр заліза ферментів пероксидази", - сказав Коллінз. "Ми витратили 15 років, систематично придумуючи, як зробити так, щоб композиція каталізатора TAML працювала належним чином. Тоді, отримавши перший, ми витратили 20 років, намагаючись покращити його".

У цьому новому дослідженні Коллінз описує ефективність цих вдосконалених каталізаторів, що називаються NewTAML, для встановлення рекордів. Тестування показало, що нескінченно мала кількість цих каталізаторів активує пероксид водню для усунення фармацевтичного та загального стійкого мікрозабруднювача пропранололу з води менш ніж за п’ять хвилин.

Завдяки своїй швидкості та ефективності, Коллінз передбачає, що NewTAML мають значну економію коштів порівняно з сучасними методами очищення води, такими як очищення озону. Однак для нього навіть важливіша за вартість та потужність безпека. Каталізатор, який усуває мікрозабруднюючі речовини, був би безглуздим, якби сам каталізатор в кінцевому підсумку спричинив шкідливий вплив на живі організми.

"Визначити, чи є щось гостро токсичним, є тривіальним явищем. Тоді, коли щось є таємно токсичним у частинах на трильйон у вашому тілі, у вас є велика проблема", - пояснив Коллінз. "Ендокринні гормони у вашому тілі працюють у частинах на трильйон до низьких часток на мільярд концентрацій. Вони контролюють, скільки життя розвивається і чим ми стаємо. Нинішня кількість щоденних хімічних речовин, які ми виявили, є ендокринними руйнівниками, читається як наукова фантастика історія жахів - але це реальність ".

Щоб перевірити безпеку каталізаторів, Коллінз допоміг світовим лідерам науки про порушення ендокринної системи виявити відповідні аналізи та організувати їх логічно для виявлення побічних ефектів хімічних речовин у низьких дозах. А TAML та NewTAML використовувались для бета-тестування результуючого багаторівневого протоколу ендокринних порушень. Документ NewTAML включає аналіз ендокринних порушень на мишах, який кандидат-каталізатор пройшов з яскравими фарбами.

Крім того, Коллінз та його команда в кінцевому підсумку відкинули потенційні елементи каталізатора, які могли б значно покращити роботу TAML через відсутність їх у живих організмах. Наприклад, додавання фтору до ТАМЛ значно покращило їх продуктивність та стабільність, але фтор - це речовина, яка рідко зустрічається в живих істотах, і дослідники побоюються, що введення його в каталізатори, що вводяться у питну воду, може збільшити кількість фтору та продуктів фторохімічного розкладу в очищеній воді . "Коли ми тестували, результатів негативної токсичності не було", - сказав Коллінз. "Рішення спробувати відтворити особливі та чудові електронні властивості фтору, не використовуючи його, виявилося ключовою причиною того, що ми були винагороджені новими TAML".

"Основним способом збереження токсичності є побудова хімічних технологій з тих самих елементів, з яких ви виготовлені", - сказав Коллінз.

Цей "біоінспірований" підхід до хімії є опорою нової галузі стійкого ультрарозведеного каталізу окислення, котрі Коллінз та Інститут зелених наук є новаторами.