20- och 2000-talen har sett en explosion i användningen av syntetiska kemikalier över hela världen, inklusive bekämpningsmedel, mediciner och hushållsrengöringsmedel — varav många hamnar i våra vattendrag. Även i små mängder kan dessa ämnen påverka vilda djur, växter och människor, och ett antal av dem har visat motstånd mot normala vattenbehandlingsmetoder, lämnar dem att bygga upp i miljön okontrollerade.

I en studie publicerad i ACS-katalys , forskare vid Carnegie Mellon Universitys Institute for Green Science (IGS) banade vägen för ett nytt område för hållbar kemi genom att avslöja kraftfulla, säkra och billiga oxidationskatalysatorer inspirerade av de biologiska processerna inom oss som bryter ner även de mest envisa mikroföroreningarna.

"Det är kanske det viktigaste papper som vi har producerat på 20 år, " sa Teresa Heinz professor i grön kemi Terrence J. Collins, som leder IGS.

Collins, som har varit oroad över de skadliga biologiska effekterna av syntetiska kemikalier sedan sina dagar som student i Nya Zeeland, har under de senaste fyra decennierna arbetat med att utveckla metoder för att ta bort dessa kemikalier från vatten med hjälp av oxidationsprocessen, en process som är bekant för människokroppen.

"Oxidationskemi är en betydande andel av biokemin som pågår inom oss, Collins noterade. "Det är så naturen hanterar problemet med att omvandla organiskt material, särskilt mycket kemiskt resistent organiskt material, till användbart material för sin biokemi eller till energi för att hålla organismen igång. Ibland är motståndet för stort för enzymerna som driver oxidationskemin och vi har persistenta föreningar som naturen är maktlös mot."

Det valda substratet för många oxidationsreaktioner i våra kroppar och på andra ställen i naturen är väteperoxid, vilka peroxidasenzymer aktiverar för att bryta ner molekyler från mat och andra ämnen vi tar in. Collins mål sedan 1980 har i huvudsak varit att återskapa kraften och effektiviteten hos dessa enzymer med artificiella katalysatorer från hans skapelse som kallas tetra-amido makrocykliska ligander (TAML).

"Vi var tvungna att få järncentret i våra katalysatorer att göra samma typ av kemi som järncentret för peroxidasenzymer, ", sade Collins. "Vi spenderade 15 år på att systematiskt lista ut hur man får TAML-katalysatorkompositionen att fungera korrekt. Efter att ha fått den första – vi tillbringade 20 år på att försöka göra den bättre."

I denna nya studie, Collins beskriver "rekordsättande" prestanda för dessa förbättrade katalysatorer, kallas NewTAMLs. Tester har visat att oändliga mängder av dessa katalysatorer aktiverar väteperoxid för att eliminera den farmaceutiska och vanliga långlivade mikroföroreningen propranolol från vatten på mindre än fem minuter.

På grund av deras snabbhet och effektivitet, Collins föreställer sig att NewTAML har stora kostnadsbesparingar jämfört med nuvarande vattenbehandlingstekniker, såsom ozonrening. Ännu viktigare för honom än kostnad och kraft, dock, är säkerhet. En katalysator som eliminerar mikroföroreningar skulle vara meningslös om katalysatorn i sig hamnade med att orsaka skadliga effekter i levande organismer.

"Det är trivialt att ta reda på om något är akut giftigt - det är när något i smyg är giftigt i delar per biljon i kroppen som du har ett stort problem, Collins förklarade. "Endokrina hormoner i din kropp arbetar i delar per biljon till låga delar per miljard koncentrationer. De styr hur mycket av livet som utvecklas och vad vi blir. Dagens nuvarande värd, överallt kemikalier som vi har upptäckt är hormonstörande läses som en science fiction-skräckhistoria - men det är verklighet."

För att testa katalysatorernas säkerhet, Collins hjälpte världsledare inom vetenskap om endokrina störningar att identifiera lämpliga analyser och ordna dem logiskt för att screena för låga doser av negativa effekter av kemikalier. Och TAML och NewTAML har använts för beta-testning av det resulterande Tiered Protocol for Endocrine Disruption. NewTAML-papperet innehåller en hormonstörningsanalys hos möss, som kandidatkatalysatorn klarade med glans.

Vidare, Collins och hans team slutade med att förkasta potentiella katalysatorelement som avsevärt skulle kunna förbättra prestandan hos TAML på grund av deras brist på närvaro i levande organismer. Lägga till fluor till TAML, till exempel, avsevärt förbättrat deras prestanda och stabilitet, men fluor är ett ämne som sällan finns i levande varelser, och forskarna var oroliga för att inbyggnaden av den till katalysatorer som används i dricksvatten skulle kunna öka fluorid och fluorkemiska nedbrytningsprodukter i det behandlade vattnet. "Det fanns inga negativa toxicitetsresultat när vi testade, ", sa Collins. "Beslutet att försöka reproducera fluorets unika och anmärkningsvärda elektroniska egenskaper utan att använda det visade sig vara en viktig anledning till att vi belönades med NewTAMLs."

"Det främsta sättet att förbli säker för toxicitet är att bygga din kemiska teknik från samma grundämnen som du är gjord av, sa Collins.

Detta "bioinspirerade" förhållningssätt till kemi är en pelare i det nya området för hållbar ultrautspädd oxidationskatalys som Collins och Institute for Green Science är banbrytande.