In de 20e en 21e eeuw is er wereldwijd een explosie geweest in het gebruik van synthetische chemicaliën, inclusief pesticiden, medicijnen en huishoudelijke schoonmaakmiddelen, waarvan er veel in onze waterwegen terechtkomen. Zelfs in kleine hoeveelheden kunnen deze stoffen dieren in het wild aantasten, planten en mensen, en een aantal van hen heeft weerstand getoond tegen normale waterbehandelingsmethoden, ze ongecontroleerd in de omgeving laten ophopen.

In een studie gepubliceerd in ACS Katalyse , onderzoekers van Carnegie Mellon University's Institute for Green Science (IGS) baanden de weg voor een nieuw gebied van duurzame chemie door krachtige, veilige en goedkope oxidatiekatalysatoren geïnspireerd door de biologische processen in ons die zelfs de meest hardnekkige microverontreinigingen afbreken.

"Het is misschien wel het belangrijkste papier dat we in 20 jaar hebben geproduceerd, " zei Teresa Heinz Professor in Groene Chemie Terrence J. Collins, die de IGS leidt.

Collins, die zich sinds zijn tijd als student in Nieuw-Zeeland bezighoudt met de schadelijke biologische effecten van synthetische chemicaliën, heeft de afgelopen vier decennia gewerkt aan het ontwikkelen van methoden om deze chemicaliën uit water te verwijderen door middel van oxidatie, een proces dat het menselijk lichaam kent.

"Oxidatiechemie is een aanzienlijk percentage van de biochemie die zich in ons afspeelt, Collins merkte op. "Dit is hoe de natuur omgaat met het probleem van het omzetten van organisch materiaal, bijzonder zeer chemisch resistente organische stof, in bruikbaar materiaal voor zijn biochemie of in energie om het organisme in stand te houden. Soms is de weerstand te groot voor de enzymen die de oxidatiechemie aandrijven en hebben we persistente verbindingen waar de natuur machteloos tegen is."

Het substraat bij uitstek voor veel oxidatiereacties in ons lichaam en elders in de natuur is waterstofperoxide, welke peroxidase-enzymen activeren om moleculen af ​​te breken uit voedsel en andere stoffen die we binnenkrijgen. Collins' doel sinds 1980 was in wezen om de kracht en efficiëntie van deze enzymen te recreëren met kunstmatige katalysatoren van zijn creatie, tetra-amido macrocyclische liganden (TAML's).

"We moesten het ijzercentrum van onze katalysatoren dezelfde soort chemie laten doen als het ijzercentrum van de peroxidase-enzymen, " zei Collins. "We hebben 15 jaar systematisch uitgezocht hoe we de TAML-katalysatorsamenstelling naar behoren kunnen laten presteren. Toen we de eerste kregen, hebben we 20 jaar lang geprobeerd om het beter te maken."

In deze nieuwe studie Collins beschrijft de "record-setting" prestaties van deze verbeterde katalysatoren, genaamd NewTAML's. Testen hebben aangetoond dat oneindig kleine hoeveelheden van deze katalysatoren waterstofperoxide activeren om de farmaceutische en veelvoorkomende hardnekkige microverontreiniging propranolol in minder dan vijf minuten uit het water te verwijderen.

Door hun snelheid en efficiëntie, Collins voorziet dat NewTAML's grote kostenbesparingen opleveren ten opzichte van de huidige waterbehandelingstechnieken, zoals ozonzuivering. Nog belangrijker voor hem dan kosten en macht, echter, is veiligheid. Een katalysator die microverontreinigingen elimineert, zou zinloos zijn als de katalysator zelf schadelijke effecten zou veroorzaken in levende organismen.

"Het is triviaal om erachter te komen of iets acuut giftig is - het is wanneer iets heimelijk giftig is in delen per biljoen in je lichaam dat je een groot probleem hebt, Collins legde uit. "Endocriene hormonen in je lichaam werken in delen per biljoen tot lage delen per miljard concentraties. Ze bepalen hoeveel van het leven zich ontwikkelt en wat we worden. De huidige gastheer van alledaagse, overal chemicaliën die we hebben ontdekt hormoonontregelaars zijn, leest als een sciencefiction-horrorverhaal, maar het is realiteit."

Om de veiligheid van de katalysatoren te testen, Collins hielp wereldleiders op het gebied van hormoonontregelingswetenschap om geschikte tests te identificeren en logisch te rangschikken om te screenen op bijwerkingen van lage doses chemicaliën. En TAML's en NewTAML's zijn gebruikt voor het bètatesten van het resulterende gelaagde protocol voor hormoonontregeling. Het NewTAML-document bevat een hormoonontregelingstest bij muizen, die de kandidaat-katalysator met vlag en wimpel doorbracht.

Verder, Collins en zijn team verwierpen uiteindelijk potentiële katalysatorelementen die de prestaties van TAML's aanzienlijk zouden kunnen verbeteren vanwege hun gebrek aan aanwezigheid in levende organismen. Fluor toevoegen aan TAML's, bijvoorbeeld, hun prestaties en stabiliteit aanzienlijk verbeterd, maar fluor is een stof die zelden in levende wezens wordt aangetroffen, en de onderzoekers vreesden dat het inbouwen in katalysatoren die in drinkwater worden gebruikt, de fluoride- en fluorchemische afbraakproducten in het behandelde water zou kunnen verhogen. "Er waren geen negatieve toxiciteitsresultaten toen we testten, " zei Collins. "De beslissing om de unieke en opmerkelijke elektronische eigenschappen van fluor te reproduceren zonder het te gebruiken, bleek een belangrijke reden te zijn dat we werden beloond met NewTAML's."

"De belangrijkste manier om veilig te blijven voor toxiciteit, is door je chemische technologieën te bouwen met dezelfde elementen waaruit je bent gemaakt, ' zei Collins.

Deze "bio-geïnspireerde" benadering van chemie is een pijler van het nieuwe veld van duurzame ultraverdunde oxidatiekatalyse waar Collins en het Institute for Green Science baanbrekend werk van maken.