Las nanopartículas de cobre (Cu-NP) tienen una amplia gama de aplicaciones como catalizadores, en campos científicos tan diversos como el descubrimiento de fármacos y la ciencia de los materiales. La abundancia natural de cobre, y su costo relativamente bajo, lo convierte en una alternativa viable a los catalizadores hechos de metales preciosos raros y caros, como platino y paladio. Sin embargo, la síntesis de Cu-NP suele implicar altas temperaturas y disolventes tóxicos. Adicionalmente, Los Cu-NP producidos mediante síntesis convencional tienden a aglomerarse y oxidarse, y requieren el uso de productos químicos inorgánicos para mantener su actividad catalítica. Nueva investigación, publicado en Pequeña , detalla experimentos de prueba de concepto que demuestran que la bacteria reductora de metales Shewanella oneidensis ofrece una ruta más ecológica para la síntesis de Cu-NP, y el potencial de recuperar cobre de corrientes de aguas residuales.

Biosíntesis bacteriana de Cu-NP

Si podemos aprovechar el metabolismo de las bacterias reductoras de metales, esto nos da una ruta hacia lo barato, Síntesis de nanopartículas simple y ambientalmente benigna. Este es el primer estudio para investigar la biorreducción de iones de cobre (II) solubles y la síntesis de Cu-NP utilizando bacterias anaeróbicas reductoras de metales. organismos que existen naturalmente en sedimentos anaeróbicos, y ganar energía transfiriendo electrones de la materia orgánica a los metales en los sedimentos. Shewanella oneidensis es una de las especies de bacterias reductoras de metales más versátiles y mejor estudiadas, capaz de reducir una amplia gama de metales en condiciones de laboratorio. Fue aislado por primera vez en 1988, por el profesor Ken Nealson, de sedimentos en el lago Oneida en Nueva York (de donde toma su nombre). Fue elegido para estos experimentos debido a su versatilidad como metal-reductor y al tener secuenciado todo su genoma. La disponibilidad resultante de cepas mutantes permite la investigación de la vía involucrada en la reducción de metales (por ejemplo, las enzimas involucradas). La identificación de la vía de transferencia de electrones involucrada en la reducción de Cu podría conducir a mejoras de eficiencia en el futuro. Los resultados demuestran que es posible utilizar Shewanella oneidensis para la biorreducción de iones de cobre (II), formando nanopartículas de Cu (0) elemental, lo que en sí mismo es sorprendente ya que se sabe que muchas formas de cobre son tóxicas, siendo utilizado como desinfectante y fungicida, y se ha investigado para su uso en superficies antimicrobianas.

Este nuevo proceso cumple todos los requisitos para la 'síntesis verde', ya que es capaz de producir Cu-NP a temperatura ambiente, en agua. Además, durante las pruebas de catálisis, las Cu-NP no se separaron de la biomasa, y la bacteria actuó como una matriz de soporte para las nanopartículas, eliminando la necesidad de aditivos inorgánicos y haciendo que las Cu-NP sean más reactivas. Finalmente, el catalizador se puede filtrar fácilmente con una centrífuga, permitiendo su reutilización.

Los experimentos financiados por NERC utilizaron Diamond utilizó espectroscopia de absorción de rayos X cercana al borde (XANES) y análisis de espectroscopia de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) en B18 (una línea de luz XAS de uso general) para demostrar que las nanopartículas producidas son de cobre. , e identificar su estado de oxidación. Las mediciones de XAS de rayos X suaves se realizaron utilizando la línea de luz I10 de Diamond. Estas investigaciones iniciales utilizaron sales metálicas, pero el equipo de investigación está avanzando para analizar el uso de corrientes de aguas residuales industriales. Para el autor principal, Dr. Richard Kimber de la Facultad de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente de la Universidad de Manchester, este es el objetivo final del proyecto. Él dice, "Es importante recuperar metales de las aguas residuales, para evitar que contaminen el medio ambiente. Lo que estamos viendo aquí es una forma de crear productos de alto valor a partir del tratamiento de residuos, para que se pague solo ".

El trabajo futuro también investigará formas de optimizar el sistema, incluida la determinación de los tiempos de reacción óptimos y la carga de Cu-NP, para mejorar los rendimientos. También hay trabajo por hacer para comprender la vía que utiliza la bacteria para reducir el cobre. Por lo general, las bacterias reductoras de metales utilizan metales comunes (como el hierro) para la respiración. Los resultados iniciales sugieren que este no es el caso de Shewanella oneidensis y cobre, quizás como era de esperar dada la naturaleza tóxica del metal. La vía de transferencia de electrones podría ser parte de los mecanismos de desintoxicación / defensa de la bacteria, pero se necesita hacer más trabajo. Una comprensión de la ruta facilitaría el aumento del rendimiento de Cu-NP producidos, así como el ajuste potencial de sus propiedades. Teniendo esto en cuenta, El equipo de investigación con sede en Manchester está interesado en utilizar los últimos avances en biología sintética para crear la próxima generación de catalizadores para la industria. El profesor Jon Lloyd, que dirige la investigación en esta área (junto con colegas del Instituto de Biotecnología de Manchester) señala que "este nuevo estudio nos brinda un nuevo tipo de nanocatalizador metálico que esperamos sea de gran utilidad para la industria química". y estamos muy interesados ​​en extender la utilidad de este enfoque mediante la incorporación de materiales catalíticos adicionales (enzimas y otras nanopartículas metálicas) en las células huésped que usamos para este estudio actual. Este trabajo forma la base de un nuevo proyecto BBSRC para el equipo ".