Reacción colorimétrica catalizada por la actividad peroxidasa de enzimas naturales (HRP) y nanozimas minerales con sustratos (TMB). HRP, peroxidasa de rábano picante. TMB, 3, 3 ?, 5, 5 \ beta - tetrametilbencidina. Fh, ferrihidrita. Dobladillo, hematites. Monte, magnetita. Crédito:Science China Press
Globalmente el sistema de la Tierra tiene miles de terragramos (Tg) (1 Tg =10 12 g) de nanopartículas minerales que se mueven por el planeta cada año. Estas nanopartículas minerales se distribuyen de forma ubicua por la atmósfera, océanos aguas, suelos en y / o sobre la mayoría de los organismos vivos, e incluso dentro de proteínas como la ferritina. En ambientes naturales, Las nanoenzimas minerales pueden producirse por dos vías:procesos "de arriba hacia abajo" y "de abajo hacia arriba". Específicamente, la degradación de los materiales a granel provocada por la intemperie o provocada por el hombre puede dar lugar a nanomateriales directamente (un proceso de arriba hacia abajo), o los nanomateriales pueden crecer a partir de precursores a través de la cristalización, reacción, o roles biológicos (un proceso de abajo hacia arriba).
Estas nanopartículas minerales pueden poseer múltiples propiedades enzimáticas, p.ej., oxidasa, peroxidasa, catalasa y superóxido dismutasa, dependiendo del entorno local. Minerales que contienen hierro, p.ej., ferrihidrita, hematites, y magnetita, son ubicuos en los sistemas terrestres y poseen actividad similar a la peroxidasa. Entre estos óxidos de hierro (oxihidr), ferrihidrita exhibió la mayor actividad similar a la peroxidasa, debido a su tamaño de partícula más pequeño y su área de superficie específica más grande. Debido a la presencia de hierro ferroso, la magnetita tiene una actividad similar a la peroxidasa considerablemente alta.
Comparado con las enzimas naturales, nanozimas minerales muestran varias ventajas, como bajo costo, mayor estabilidad, actividad catalítica sostenible, y robustez para entornos hostiles. Debido a su mayor superficie específica, altas proporciones de átomos de superficie, amplio intervalo de banda, y fuertes actividades catalíticas, Las nanozimas minerales juegan un papel esencial en los ciclos biogeoquímicos de los elementos de los ecosistemas.
Los hongos y las bacterias aportan aproximadamente 70 Gt de carbono (C) (1 Gt =10 9 t) y 120 Gt C a la biomasa global, respectivamente. Dado que las hifas de hongos pueden extenderse acumulativamente cientos de kilómetros en suelos kg -1 en entornos como la rizosfera (es decir, 200-800 kilometros kg -1 ) y que más del 94% de las plantas terrestres y los hongos forman una relación simbiótica, nanozimas minerales pueden tener implicaciones importantes en la coevolución microbiano-mineral, el ciclo de nutrientes en la superficie del sistema terrestre, secuestro de carbono mineral, y alivio de los cambios climáticos globales.
En los sistemas terrestres, Los microorganismos taxonómicamente y funcionalmente diversos son una gran fuente de superóxido (O 2 - ) o peróxidos de hidrógeno (H 2 O 2 ). Estas nanozimas minerales pueden regular los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS), incluyendo H 2 O 2 , O 2 - y radicales hidroxilo (HO + ). Al producir un fuerte HO oxidativo + , la interacción entre nanozimas minerales y microorganismos puede desempeñar un papel importante en el impulso del ciclo biogeoquímico de los elementos (Figura 2).
Efectos sinérgicos entre nanozimas minerales y microorganismos que impulsan los ciclos biogeoquímicos de los elementos en los sistemas terrestres. Crédito:Science China Press
"Todas las investigaciones sobre nanozimas minerales están todavía en la etapa de laboratorio y no son estudios de campo, "dijo Guang-Hui Yu, un científico de la Escuela de Ciencias del Sistema Terrestre, Universidad de Tianjin, en la ciudad china de Tianjin.
"La actividad catalítica de las nanozimas minerales está determinada principalmente por las vacantes de oxígeno (OV) en la superficie mineral", los investigadores escribieron en un artículo titulado "Las partículas fúngicas en nanofase catalizan la transformación del hierro para la eliminación del estrés oxidativo y la adquisición de hierro".
"Estas vacantes de oxígeno a menudo están ocupadas por grupos hidroxilo en la superficie del mineral, " ellos explicaron.
Dado que las nanozimas minerales pueden catalizar H 2 O 2 para producir HO altamente oxidante + , se han utilizado ampliamente en el campo de la remediación ambiental. Comparado con las enzimas naturales, Las nanoenzimas minerales pueden degradar contaminantes orgánicos en un rango de pH más amplio. Por ejemplo, degradando H 2 O 2 , Fe 3 O 4 Las nanopartículas podrían eliminar eficazmente la rodamina B (RhB) en el rango de pH de 3,0 a 9,0.
"Los efectos de las nanozimas minerales en las comunidades microbianas del medio ambiente siguen sin estar claros, "escribieron los dos investigadores, "Los hallazgos de nanozimas minerales pueden haber revelado una ruta de retroalimentación previamente desconocida de coevolución microbio-mineral que podría arrojar luz sobre una serie de preguntas de larga data, como el origen y la evolución de la vida mediante la modulación de los niveles de ROS ".
Estos dos eruditos también revelaron en el estudio, que fue publicado en el Ciencia China Ciencias de la Tierra , que el descubrimiento de nanomateriales como nuevos miméticos de enzimas ha cambiado la idea tradicional de que los nanomateriales son químicamente inertes en los sistemas terrestres. Dada la abundancia a nivel de terragram (Tg) de nanopartículas minerales en los sistemas terrestres, es estadísticamente muy probable para algunos de ellos, particularmente los de origen biótico, comportarse como nanozimas minerales para catalizar superóxido y H 2 O 2 y promover los ciclos biogeoquímicos del oxígeno y otros elementos.
