Los siglos XX y XXI han visto una explosión en el uso de productos químicos sintéticos en todo el mundo, incluyendo plaguicidas, medicamentos y limpiadores domésticos, muchos de los cuales terminan en nuestras vías fluviales. Incluso en pequeñas cantidades, estas sustancias pueden afectar a la vida silvestre, plantas y humanos, y varios de ellos han mostrado resistencia a los métodos normales de tratamiento del agua, dejando que se acumulen en el medio ambiente sin control.

En un estudio publicado en Catálisis ACS , Los investigadores del Instituto de Ciencias Verdes (IGS) de la Universidad Carnegie Mellon abrieron el camino hacia un nuevo campo de la química sostenible al revelar poderosos, Catalizadores de oxidación seguros y económicos inspirados en los procesos biológicos internos que descomponen incluso los microcontaminantes más rebeldes.

"Es quizás el papel más importante que hemos producido en 20 años, ", dijo la profesora Teresa Heinz de Química Verde, Terrence J. Collins, quien dirige el IGS.

Collins, que se ha preocupado por los efectos biológicos nocivos de los productos químicos sintéticos desde sus días como estudiante de pregrado en Nueva Zelanda, ha pasado las últimas cuatro décadas trabajando para desarrollar métodos para eliminar estos productos químicos del agua mediante el proceso de oxidación, un proceso familiar para el cuerpo humano.

"La química de la oxidación es un porcentaje considerable de la bioquímica que ocurre dentro de nosotros, ", Señaló Collins." Así es como la naturaleza lidia con el problema de convertir la materia orgánica, particularmente materia orgánica muy químicamente resistente, en material utilizable para su bioquímica o en energía para mantener al organismo en funcionamiento. A veces, la resistencia es demasiado grande para las enzimas que impulsan la química de oxidación y tenemos compuestos persistentes contra los cuales la naturaleza es impotente ".

El sustrato de elección para muchas reacciones de oxidación dentro de nuestro cuerpo y en otras partes de la naturaleza es el peróxido de hidrógeno, qué enzimas peroxidasa activan para descomponer las moléculas de los alimentos y otras sustancias que ingerimos. El objetivo de Collins desde 1980 ha sido esencialmente recrear el poder y la eficiencia de estas enzimas con catalizadores artificiales de su creación llamados ligandos tetraamido macrocíclicos (TAML).

"Tuvimos que hacer que el centro de hierro de nuestros catalizadores hiciera el mismo tipo de química que el centro de hierro de las enzimas peroxidasa, "Dijo Collins." Pasamos 15 años averiguando sistemáticamente cómo hacer que la composición del catalizador TAML funcione correctamente. Luego, cuando obtuvimos el primero, pasamos 20 años tratando de mejorarlo ".

En este nuevo estudio, Collins describe el rendimiento "récord" de estos catalizadores mejorados, llamado NewTAMLs. Las pruebas han demostrado que cantidades infinitesimales de estos catalizadores activan el peróxido de hidrógeno para eliminar el propranolol farmacéutico y microcontaminante persistente común del agua en menos de cinco minutos.

Por su rapidez y eficiencia, Collins prevé que los NewTAML tendrán importantes ahorros de costos en comparación con las técnicas actuales de tratamiento de agua, como la purificación de ozono. Incluso más importante para él que el costo y el poder, sin embargo, es seguridad. Un catalizador que elimine microcontaminantes no tendría sentido si el catalizador en sí terminara causando efectos nocivos en los organismos vivos.

"Es trivial descubrir si algo es sumamente tóxico; es cuando algo es subrepticiamente tóxico en partes por billón en su cuerpo que tiene un gran problema, "Collins explicó." Las hormonas endocrinas en su cuerpo trabajan en concentraciones de partes por billón a bajas partes por billón. Controlan cuánto se desarrolla la vida y en qué nos convertimos. El anfitrión actual de todos los días, en todas partes las sustancias químicas que hemos descubierto que son disruptores endocrinos parece una historia de terror de ciencia ficción, pero es la realidad ".

Para probar la seguridad de los catalizadores, Collins ayudó a los líderes mundiales de la ciencia de la alteración endocrina a identificar los ensayos apropiados y organizarlos de manera lógica para detectar efectos adversos de las sustancias químicas en dosis bajas. Y se han utilizado TAML y NewTAML para realizar pruebas beta del Protocolo escalonado resultante para la interrupción endocrina. El artículo NewTAML incorpora un ensayo de alteración endocrina en ratones, que el catalizador candidato pasó con gran éxito.

Es más, Collins y su equipo terminaron rechazando elementos catalizadores potenciales que podrían mejorar en gran medida el rendimiento de los TAML debido a su falta de presencia en organismos vivos. Agregar flúor a los TAML, por ejemplo, mejorado enormemente su rendimiento y estabilidad, pero el flúor es una sustancia que rara vez se encuentra en los seres vivos, ya los investigadores les preocupaba que incorporarlos en catalizadores desplegados en el agua potable pudiera aumentar los productos de degradación de fluoruro y fluoroquímicos en el agua tratada. "No hubo resultados de toxicidad negativos cuando hicimos las pruebas, ", dijo Collins." La decisión de tratar de reproducir las propiedades electrónicas singulares y notables del flúor sin usarlo resultó ser una de las razones clave por las que fuimos recompensados ​​con NewTAMLs ".

"La forma número uno de mantenerse a salvo de la toxicidad es construir sus tecnologías químicas a partir de los mismos elementos de los que está hecho, "Dijo Collins.

Este enfoque "bioinspirado" de la química es un pilar del nuevo campo de la catálisis de oxidación ultradiluida sostenible en el que Collins y el Institute for Green Science son pioneros.