Kopernanodeeltjes (Cu-NP's) hebben een breed scala aan toepassingen als katalysatoren, op wetenschappelijke gebieden die zo divers zijn als de ontdekking van geneesmiddelen en materiaalwetenschap. De natuurlijke overvloed aan koper, en de relatief lage kosten, maakt het een levensvatbaar alternatief voor katalysatoren gemaakt van zeldzame en dure edele metalen, zoals platina en palladium. Echter, de synthese van Cu-NP's gaat meestal gepaard met hoge temperaturen en giftige oplosmiddelen. Aanvullend, Cu-NP's geproduceerd via conventionele synthese hebben de neiging om te agglomereren en te oxideren, en vereisen het gebruik van anorganische chemicaliën om hun katalytische activiteit te behouden. Nieuw onderzoek, gepubliceerd in Klein , beschrijft proof-of-concept-experimenten die aantonen dat de metaalreducerende bacterie Shewanella oneidensis een groenere route naar Cu-NP-synthese biedt, en het potentieel om koper uit afvalwaterstromen terug te winnen.

Bacteriële biosynthese van Cu-NP's

Als we het metabolisme van metaalreducerende bacteriën kunnen benutten, dit geeft ons een route naar goedkope, eenvoudige en milieuvriendelijke synthese van nanodeeltjes. Dit is de eerste studie om de bioreductie van oplosbare koper(II)-ionen en de synthese van Cu-NP's te onderzoeken met behulp van anaërobe metaalreducerende bacteriën, organismen die van nature voorkomen in anaërobe sedimenten, en daar energie te winnen door elektronen van organisch materiaal over te brengen naar metalen in de sedimenten. Shewanella oneidensis is een van de meest veelzijdige en best bestudeerde soorten metaalreducerende bacteriën, in staat om een ​​breed scala aan metalen onder laboratoriumomstandigheden te reduceren. Het werd voor het eerst geïsoleerd in 1988, door professor Ken Nealson, uit sedimenten in Lake Oneida in New York (waar het zijn naam aan ontleent). Het werd gekozen voor deze experimenten vanwege zijn veelzijdigheid als metaalreductor en omdat het volledige genoomsequensen heeft. De resulterende beschikbaarheid van mutante stammen maakt onderzoek mogelijk van de route die betrokken is bij metaalreductie (bijv. de betrokken enzymen). Het identificeren van de elektronenoverdrachtsroute die betrokken is bij Cu-reductie zou in de toekomst tot efficiëntieverbeteringen kunnen leiden. De resultaten tonen aan dat het mogelijk is om Shewanella oneidensis te gebruiken voor de bioreductie van koper(II)-ionen, vorming van elementaire Cu(0) nanodeeltjes, wat op zichzelf verrassend is, aangezien bekend is dat veel vormen van koper giftig zijn, gebruikt als ontsmettingsmiddel en fungicide, en is onderzocht voor gebruik in antimicrobiële oppervlakken.

Dit nieuwe proces vinkt alle vakjes aan voor 'groene synthese', omdat het in staat is om Cu-NP's te produceren bij kamertemperatuur, in water. In aanvulling, tijdens de katalysetesten werden de Cu-NP's niet gescheiden van de biomassa, en de bacterie fungeerde als een ondersteunende matrix voor de nanodeeltjes, waardoor de behoefte aan anorganische additieven werd weggenomen en de Cu-NP's reactiever werden. Eindelijk, de katalysator kan eenvoudig worden uitgefilterd met behulp van een centrifuge, waardoor het opnieuw kan worden gebruikt.

De door NERC gefinancierde experimenten die Diamond gebruikten, maakten gebruik van röntgenabsorptie-near-edge-spectroscopie (XANES) en uitgebreide X-ray-absorptie-fijnstructuurspectroscopie (EXAFS)-analyse op B18 (een XAS-bundellijn voor algemeen gebruik) om aan te tonen dat de geproduceerde nanodeeltjes van koper zijn. , en om de oxidatietoestand te identificeren. Soft X-ray XAS-metingen werden gedaan met behulp van Diamond's I10-bundellijn. Bij deze eerste onderzoeken werden metaalzouten, maar het onderzoeksteam gaat verder met het gebruik van industriële afvalwaterstromen. Voor hoofdauteur, Dr. Richard Kimber van de School of Earth and Environmental Sciences aan de Universiteit van Manchester, dit is het uiteindelijke doel van het project. Hij zegt, "Het is belangrijk om metalen terug te winnen uit afvalwater, om te voorkomen dat ze het milieu vervuilen. We kijken hier naar een manier om hoogwaardige producten te maken uit afvalverwerking, zodat het zichzelf terugbetaalt."

Toekomstig werk zal ook manieren onderzoeken om het systeem te optimaliseren, inclusief het bepalen van optimale reactietijden en Cu-NP belading, rendementen te verbeteren. Er is ook werk aan de winkel om de weg te begrijpen die de bacterie gebruikt om koper te verminderen. Meestal gebruiken metaalreducerende bacteriën gewone metalen (zoals ijzer) voor de ademhaling. De eerste resultaten suggereren dat dit niet het geval is voor Shewanella oneidensis en koper, misschien niet verwonderlijk gezien de giftige aard van het metaal. De elektronenoverdrachtroute kan deel uitmaken van de ontgiftings-/afweermechanismen van de bacterie, maar er is meer werk nodig. Een goed begrip van de route zou het gemakkelijker maken om de opbrengst van geproduceerde Cu-NP's te verhogen en hun eigenschappen mogelijk te verfijnen. Met dit in gedachten, het in Manchester gevestigde onderzoeksteam wil graag de nieuwste ontwikkelingen in synthetische biologie gebruiken om de volgende generatie katalysatoren voor de industrie te maken. Prof Jon Lloyd, die het onderzoek op dit gebied leidt (naast collega's van het Manchester Institute of Biotechnology), merkt op:"Deze nieuwe studie geeft ons een nieuw type metalen nanokatalysator waarvan we hopen dat deze zeer nuttig zal zijn voor de chemische industrie, en we willen heel graag het nut van deze benadering uitbreiden via de opname van extra katalytische materialen (enzymen en andere metalen nanodeeltjes) in de gastheercellen die we voor dit huidige onderzoek hebben gebruikt. Dit werk vormt de basis van een nieuw BBSRC-project voor het team."