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用突破性的生物启发化学清洗我们的水

2019-07-19 08:38:52 • 来源：

20世纪和21世纪，全球合成化学品的使用爆炸式增长，包括杀虫剂，药物和家用清洁剂 - 其中许多最终进入我们的水道。即使少量这些物质也会影响野生动植物，植物和人类，其中一些物质已经显示出对正常水处理方法的抵抗力，使它们在环境中不受控制地积聚。

用突破性的生物启发化学清洗我们的水

在ACS Catalysis发表的一项研究中，卡内基梅隆大学绿色科学研究所(IGS)的研究人员通过揭示强大，安全和廉价的氧化催化剂开辟了可持续化学新领域的道路，这些催化剂受到我们内部生物过程的启发，甚至可以破坏最顽固的微污染物。

“这可能是我们20年来制作的最重要的论文，”Teresa Heinz绿色化学教授Terrence J. Collins说道，他是IGS的负责人。

柯林斯自从担任新西兰本科生以来一直关注合成化学品的有害生物效应，过去四十年来一直致力于开发使用氧化过程从水中去除这些化学物质的方法，这是一个熟悉的过程对人体。

柯林斯指出：“氧化化学是我们生物化学中相当大比例的一部分。” “这就是大自然如何处理将有机物质，特别是非常耐化学腐蚀的有机物质转化为可用于生物化学的物质或能量来保持生物体运转的问题。有时，对于驱动氧化化学的酶来说，抗性太强了我们拥有持久的化合物，而大自然无能为力。“

我们体内和自然界其他地方的许多氧化反应的首选底物是过氧化氢，过氧化物酶激活这些酶以分解食物和我们摄入的其他物质中的分子。柯林斯自1980年以来的目标主要是重建力量和效率这些酶与其产生的人工催化剂称为四酰胺大环配体(TAML)。

柯林斯说：“我们必须使催化剂的铁中心与过氧化物酶的铁中心具有相同的化学性质。” “我们花了15年时间系统地弄清楚如何使TAML 催化剂组合物正常运行。然后我们得到了第一个 - 我们花了20年时间试图让它更好。”

在这项新的研究中，柯林斯描述了这些改进催化剂的“记录设定”性能，称为NewTAMLs。测试表明，无限量的这些催化剂活化过氧化氢，在不到五分钟的时间内从水中消除药物和常见的微污染物普​​萘洛尔。

由于其速度和效率，柯林斯设想NewTAML比目前的水处理技术(如臭氧净化)节省了大量成本。然而，对他而言，比成本和动力更重要的是安全性。如果催化剂本身最终对生物体造成有害影响，那么消除微污染物的催化剂将毫无意义。

柯林斯解释说：“找出某些东西是否具有剧毒性是非常微不足道的 - 当你的身体中有万亿分之一的东西有明显的毒性时，你会遇到大问题。” “你体内的内分泌激素以万亿分之一到十亿分之一左右的浓度工作。它们控制着生命的发展和我们变成的东西。我们发现的每一种日常生活中的化学物质都是内分泌干​​扰物，就像一部科幻小说恐怖故事 - 但这是现实。“

为了测试催化剂的安全性，柯林斯帮助世界领先的内分泌干扰科学领域确定了适当的检测方法，并在逻辑上对其进行筛选，以筛查化学品的低剂量不良反应。并且TAML和NewTAML已被用于测试由此产生的内分泌干扰分层协议。NewTAML论文在小鼠中加入了内分泌干扰试验，候选催化剂以漂亮的颜色通过。

此外，柯林斯及其团队最终拒绝了可能大大改善TAML性能的潜在催化剂元素，因为它们缺乏生物体。例如，在TAML中添加氟可大大提高其性能和稳定性，但氟是生物中很少见的物质，研究人员担心将其制成饮用水中的催化剂会增加处理水中的氟化物和氟化物降解产物。“我们测试时没有出现负面毒性结果，”柯林斯说。“试图在不使用氟的情况下再现氟的独特和卓越的电子特性的决定被证明是我们获得NewTAML奖励的关键原因。”

柯林斯说：“保持毒性安全的首要方法是用你制造的相同元素来建立你的化学技术。”

这种“生物启发”的化学方法是柯林斯和绿色科学研究所开创性的可持续超稀释氧化催化新领域的支柱。

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