Kolorimetrisk reaktion katalyserad av peroxidasliknande aktivitet av naturliga enzymer (HRP) och mineralnanozymer med substrat (TMB). HRP, pepparrotsperoxidas. TMB, 3, 3?, 5, 5a-tetrametylbensidin. Fh, ferrihydrit. Fålla, hematit. Mt, magnetit. Upphovsman:Science China Press
Globalt sett Jordsystemet har tusentals terragram (Tg) (1 Tg =10 12 g) av mineraliska nanopartiklar som rör sig runt planeten varje år. Dessa mineral nanopartiklar sprids allestädes närvarande genom atmosfären, hav, vattnen, jordar, i och/eller på de flesta levande organismer, och även inom proteiner såsom ferritin. I naturliga miljöer, mineral nanozymer kan produceras genom två vägar:"top down" och "bottom up" processer. Specifikt, vittring eller mänskligt främjad nedbrytning av bulkmaterial kan resultera i nanomaterial direkt (en top-down process), eller nanomaterial kan växa från prekursorer genom kristallisering, reaktion, eller biologiska roller (en bottom-up-process).
Dessa mineralnanopartiklar kan ha flera enzymliknande egenskaper, t.ex., oxidas, peroxidas, katalas, och superoxiddismutas, beroende på den lokala miljön. Järnhaltiga mineraler, t.ex., ferrihydrit, hematit, och magnetit, är allestädes närvarande i jordens system och har peroxidasliknande aktivitet. Bland dessa järn(oxihydr)oxider, ferrihydrit uppvisade den högsta peroxidasliknande aktiviteten, på grund av sin minsta partikelstorlek och största specifika yta. På grund av närvaron av järnhaltigt järn, magnetit har avsevärt hög peroxidasliknande aktivitet.
Jämfört med naturliga enzymer, mineral nanozymer visar flera fördelar, såsom låg kostnad, ökad stabilitet, hållbar katalytisk aktivitet, och robusthet mot tuffa miljöer. På grund av deras större specifika yta, höga förhållanden av ytatomer, brett bandgap, och starka katalytiska aktiviteter, mineral nanozymer spelar viktiga roller i biogeokemiska cykler av element i ekosystem.
Svampar och bakterier bidrar med cirka 70 Gt kol (C) (1 Gt =10 9 t) och 120 Gt C till global biomassa, respektive. Med tanke på att svamphyfer kan kumulativt förlänga hundratals kilometer i mark kg -1 i miljöer som rhizosfären (dvs. 200-800 km kg -1 ) och att mer än 94 % av landväxter och svampar bildar ett symbiotiskt förhållande, mineral nanozymer kan ha viktiga implikationer i mikrobiell-mineral samevolution, näringsämneskretslopp i jordens ytsystem, mineralkolbindning, och lindring av globala klimatförändringar.
I jordsystem, taxonomiskt och funktionellt olika mikroorganismer är en stor källa till superoxid (O 2 - ) eller väteperoxider (H 2 O 2 ). Dessa mineralnanozymer kan reglera nivåerna av reaktiva syrearter (ROS), inklusive H 2 O 2 , O 2 - och hydroxylradikaler (HO + ). Genom att producera ett starkt oxidativt HO + , interaktionen mellan mineralnanozymer och mikroorganismer kan spela en viktig roll för att driva grundämnenas biogeokemiska cykel (Figur 2).
Synergistiska effekter mellan mineralnanozymer och mikroorganismer som driver de biogeokemiska kretsloppen av grundämnen i jordsystemen. Upphovsman:Science China Press
"Alla undersökningar av mineralnanozymer är fortfarande i laboratoriestadiet och är inte fältstudier, " sa Guang-Hui Yu, en forskare vid School of Earth System Science, Tianjin universitet, i den kinesiska staden Tianjin.
"Den katalytiska aktiviteten hos mineralnanozymer bestäms huvudsakligen av syrevakanserna (OV) på mineralytan", forskarna skrev i en artikel med titeln "Fungal Nanophase Particles Catalyze Iron Transformation for Oxidative Stress Removal and Iron Acquisition."
"Dessa syrevakanser är ofta upptagna av hydroxylgrupper på mineralytan, " förklarade de.
Eftersom mineralnanozymer kan katalysera H 2 O 2 för att producera starkt oxiderande HO + , de har använts i stor utsträckning inom området för miljösanering. Jämfört med naturliga enzymer, mineralnanozymer kan bryta ner organiska föroreningar i ett bredare pH -område. Till exempel, genom att förnedra H 2 O 2 , Fe 3 O 4 nanopartiklar kan effektivt avlägsna rhodamin B (RhB) i pH-intervallet från 3,0 till 9,0.
"Effekterna av mineralnanozymer på mikrobiella samhällen i miljön är fortfarande oklara, " skrev de två forskarna, "fynden av mineralnanozymer kan ha avslöjat en tidigare okänd återkopplingsväg för mikrob-mineralsamevolution som kan kasta ljus över ett antal långvariga frågor, såsom livets ursprung och utveckling genom att modulera ROS-nivåer."
Dessa två forskare avslöjade också i studien, som publicerades i Vetenskap Kina Geovetenskap , att upptäckten av nanomaterial som nya enzymmimetika har förändrat den traditionella idén att nanomaterial är kemiskt inerta i jordsystem. Med tanke på terragram (Tg)-nivå överflöd av mineraliska nanopartiklar i jordens system, det är statistiskt mycket troligt för några av dem, särskilt de av biotiskt ursprung, att bete sig som mineralnanozymer för att katalysera superoxid och H 2 O 2 och främja de biogeokemiska kretsloppen av syre och andra element.
