Bioförorening vid ett båtskrov; b knuten vrak, Ascophyllum nodosum; c Verkningssätt för bioinspirerade under vattenfärger:Liksom det naturliga enzymet vanadiumbromoperoxidas vanadiumpentoxid -nanopartiklar fungerar som en katalysator för bildning av hypobromös syra från bromidjoner (i havsvatten) och små mängder väteperoxid som bildas vid exponering för solsken.
Forskare vid Johannes Gutenberg -universitetet Mainz (JGU) i Tyskland har upptäckt att små vanadinpentoxid -nanopartiklar kan hämma tillväxten av havstulpaner, bakterie, och alger på ytor i kontakt med vatten, som skeppsskrov, havsbojar, eller offshore -plattformar. Deras experiment visade att stålplattor på vilka en beläggning som innehöll dispergerade vanadinpentoxidpartiklar hade applicerats kunde utsättas för havsvatten i veckor utan att det bildades av avlagringar av spindel, bakterie, och alger. I jämförelse, plattor som endast var belagda med fartygets normala färg uppvisade massiv nedsmutsning efter exponering för havsvatten under samma tidsperiod. Upptäckten kan leda till utvecklingen av nya skyddande, antifouling -beläggningar och färger som är mindre skadliga för miljön än de fartygsbeläggningar som för närvarande används.
Marin förorening är ett problem som kostar sjöfartsnäringen mer än 200 miljarder dollar per år. Ackumulering av organismer som alger, musslor, och barnaklar ökar föremålens vattenbeständighet och, följaktligen, bränsleförbrukning. Detta innebär extra kostnader för rederier och, ännu värre, ökad miljöskada på grund av extra CO 2 utsläpp. Inom bara några månader, ett undervattensbåtskrov kan vara helt täckt och överväxt med organismer. Enligt Lloyds, detta innebär en ökning av bränsleförbrukningen med upp till 28 procent och cirka 250 miljoner ton extra koldioxid 2 utsläpp per år. Även om det är möjligt att motverka denna effekt i viss utsträckning med användning av färgskyddande färger, konventionella biocider är mindre effektiva och kan ha negativa miljökonsekvenser. Dessutom, mikroorganismer kan utveckla resistens mot dem.
Kommersiellt tillgänglig antifouling -färg med och utan vanadinpentoxid -nanopartiklar applicerades på två plattor av rostfritt stål (2 x 2 cm). Båda plattorna fästes på en båt förtöjd i en lagun med direkt exponering för atlantiskt havsvatten. Efter 60 dagar, plattan utan vanadinpentoxid -nanopartiklar (vänster) visade kraftig nedsmutsning; i kontrast, plattan med vanadinpentoxidbeläggningen inte (höger). Kredit:Tremel forskargrupp, JGU
Det var en av naturens egna försvarsmekanismer som gav inspirationen till det tillvägagångssätt som nu tas av forskargruppen som arbetar under professor Dr. Wolfgang Tremel vid Institutet för oorganisk kemi och analytisk kemi vid JGU. Vissa enzymer som finns i bruna och röda alger producerar halogenföreningar som har en biocidpotential. Det antas att dessa syntetiseras av algerna för att skydda dem mot mikrobiella attacker och rovdjur. Kemisterna vid Mainz University bestämde sig för att efterlikna denna process med hjälp av vanadinpentoxid -nanopartiklar. Enligt deras artikel publicerad i Naturnanoteknik , vanadinpentoxid (V 2 O 5 ) nanopartiklar har "en inneboende biomimetisk bromeringsaktivitet […] som gör dem till ett praktiskt och kostnadseffektivt alternativ för konventionella kemiska biocider." Vanadinpentoxid fungerar som en katalysator så att väteperoxid och bromid kombineras för att bilda små mängder hypobromös syra, som är mycket giftigt för många mikroorganismer och har en uttalad antibakteriell effekt. De nödvändiga reaktanterna finns i havsvatten:Detta innehåller redan bromidjoner, medan små mängder väteperoxid bildas när den utsätts för solljus.
Processen har demonstrerats både under laboratorieförhållanden och i naturligt havsvatten. Det har bara mycket minimala konsekvenser för miljön eftersom effekten är begränsad till mikroytor. Metalloxiden är särskilt potent när den finns i form av nanopartiklar eftersom då, på grund av den större ytan, det finns en förbättrad katalytisk effekt.
"Vanadinpentoxid -nanopartiklar, på grund av deras dåliga löslighet och det faktum att de är inbäddade i beläggningen, är betydligt mindre giftiga för marint liv än de tenn- och kopparbaserade aktiva substanser som används i de kommersiellt tillgängliga produkterna, "förklarar Wolfgang Tremel. Enligt hans uppfattning, fartygsbeläggningar baserade på vanadinpentoxid kan vara ett praktiskt och kostnadseffektivt alternativ till konventionella kemiska biocider. "Här har vi en miljökompatibel komponent för en ny generation antifoulingfärger som använder den naturliga försvarsmekanismen som används av marina organismer."
Ron Wever, teamets nederländska samarbetspartner från University of Amsterdam, har undersökt sådana naturliga försvarsmekanismer under de senaste 15 åren. Han föreslog att man skulle lägga till det inblandade enzymet, d.v.s. vanadinhaloperoxidas, mot bottenfärger. Kemisterna i Mainz arbetar nu tillsammans med Wever för att utveckla vanadinpentoxid -nanopartiklar. "Vanadinpentoxidpartiklar är betydligt billigare och dessutom mer stabila än genetiskt producerade enzymer, " han lägger till.
En forskargrupp som leds av Dr. Klaus Peter Jochum vid Max Planck Institute for Chemistry i Mainz har genomfört experiment för att avgöra om användningen av vanadinpentoxid kan ha en negativ inverkan på miljön. Med hjälp av en mycket känslig ICP -masspektrometer, forskarna bestämde koncentrationen av vanadin i olika prover av havsvatten som hade utsatts för det belagda materialet under olika lång tid. Resultaten visade att halterna endast var något förhöjda över den vanliga genomsnittliga vanadinkoncentrationen i havsvatten. Det kan således dras slutsatsen att endast mycket små mängder vanadin migrerar från beläggningen till havsvatten och kommer därför inte att ha någon negativ inverkan på miljön.
