Kopparnanopartiklar (Cu-NP) har ett brett spektrum av tillämpningar som katalysatorer, inom så olika vetenskapliga områden som läkemedelsupptäckt och materialvetenskap. Det naturliga överflödet av koppar, och dess relativt låga kostnad, gör det till ett lönsamt alternativ till katalysatorer gjorda av sällsynta och dyra ädelmetaller, såsom platina och palladium. Dock, syntesen av Cu-NPs involverar vanligtvis höga temperaturer och giftiga lösningsmedel. Dessutom, Cu-NPs som produceras via konventionell syntes tenderar att agglomerera och oxidera, och kräver användning av oorganiska kemikalier för att bibehålla sin katalytiska aktivitet. Ny forskning, publiceras i Små , beskriver proof-of-concept-experiment som visar att den metallreducerande bakterien Shewanella oneidensis erbjuder en grönare väg till Cu-NP-syntes, och potentialen att återvinna koppar från avloppsvattenströmmar.

Bakteriell biosyntes av Cu-NPs

Om vi ​​kan utnyttja metabolismen av metallreducerande bakterier, detta ger oss en väg till billiga, enkel och miljövänlig nanopartikelsyntes. Detta är den första studien för att undersöka bioreduktionen av lösliga koppar(II)joner och syntesen av Cu-NPs med användning av anaeroba metallreducerande bakterier, organismer som finns naturligt i anaeroba sediment, och få energi där genom att överföra elektroner från organiskt material till metaller i sedimenten. Shewanella oneidensis är en av de mest mångsidiga och välstuderade arterna av metallreducerande bakterier, kan reducera ett brett spektrum av metaller under laboratorieförhållanden. Det isolerades först 1988, av professor Ken Nealson, från sediment i Lake Oneida i New York (där den fått sitt namn). Den valdes för dessa experiment på grund av dess mångsidighet som metallreducerare och att hela genomet sekvenserades. Den resulterande tillgängligheten av mutanta stammar möjliggör undersökning av vägen som är involverad i metallreduktion (t.ex. enzymerna som är involverade). Att identifiera elektronöverföringsvägen som är involverad i Cu-reduktion kan leda till effektivitetsförbättringar i framtiden. Resultaten visar att det är möjligt att använda Shewanella oneidensis för bioreduktion av koppar(II)joner, bildar elementära Cu(0) nanopartiklar, vilket i sig är förvånande eftersom många former av koppar är kända för att vara giftiga, används som desinfektionsmedel och svampdödande medel, och har undersökts för användning på antimikrobiella ytor.

Denna nya process markerar alla rutor för "grön syntes", eftersom det kan producera Cu-NPs vid rumstemperatur, i vatten. Dessutom, under katalystesterna separerades inte Cu-NP från biomassan, och bakterien fungerade som en stödmatris för nanopartiklarna, vilket tog bort behovet av oorganiska tillsatser och gjorde Cu-NPs mer reaktiva. Till sist, katalysatorn kan enkelt filtreras bort med en centrifug, så att den kan återanvändas.

De NERC-finansierade experimenten använde Diamond använde röntgenabsorptionsnära-kantspektroskopi (XANES) och utökad röntgenabsorptionsfinstrukturspektroskopi (EXAFS) analys på B18 (en allmän XAS-strållinje) för att visa att de producerade nanopartiklarna är koppar , och för att identifiera dess oxidationstillstånd. Mjuk röntgen-XAS-mätningar gjordes med hjälp av Diamonds I10-strållinje. Dessa inledande undersökningar använde metallsalter, men forskargruppen går vidare med att titta på att använda industriella avloppsvattenströmmar. För huvudförfattare, Dr Richard Kimber från School of Earth and Environmental Sciences vid University of Manchester, detta är det slutliga målet med projektet. Han säger, "Det är viktigt att återvinna metaller från avloppsvatten, för att förhindra att de förorenar miljön. Det vi tittar på här är ett sätt att skapa högvärdiga produkter från avfallsbehandling, så att den betalar sig själv."

Framtida arbete kommer också att undersöka sätt att optimera systemet, inklusive bestämning av optimala reaktionstider och Cu-NP-laddning, för att förbättra avkastningen. Det finns också arbete att göra för att förstå vägen som bakterien använder för att minska koppar. Vanligtvis använder metallreducerande bakterier vanliga metaller (som järn) för andning. De första resultaten tyder på att detta inte är fallet för Shewanella oneidensis och koppar, kanske inte överraskande med tanke på metallens giftiga natur. Elektronöverföringsvägen kan vara en del av bakteriens avgiftnings-/försvarsmekanismer, men mer arbete måste göras. En förståelse av vägen skulle göra det lättare att öka utbytet av producerade Cu-NPs samt potentiellt finjustera deras egenskaper. Med detta i åtanke, det Manchester-baserade forskarteamet är angelägna om att använda de senaste framstegen inom syntetisk biologi för att göra nästa generations katalysatorer för industrin. Prof Jon Lloyd som leder forskningen inom detta område (tillsammans med kollegor vid Manchesters Institute of Biotechnology) noterar "denna nya studie ger oss en ny typ av metallisk nanokatalysator som vi hoppas kommer att vara mycket användbar för den kemiska industrin, och vi är mycket angelägna om att utöka användbarheten av detta tillvägagångssätt genom att införliva ytterligare katalytiska material (enzymer och andra metalliska nanopartiklar) i värdcellerna som vi använde för denna aktuella studie. Detta arbete utgör grunden för ett nytt BBSRC-projekt för teamet."