Il XX e il XXI secolo hanno visto un'esplosione nell'uso di prodotti chimici di sintesi in tutto il mondo, compresi i pesticidi, farmaci e detergenti per la casa, molti dei quali finiscono nei nostri corsi d'acqua. Anche in piccole quantità queste sostanze possono influenzare la fauna selvatica, piante e uomini, e alcuni di loro hanno mostrato resistenza ai normali metodi di trattamento delle acque, lasciandoli incontrollati ad accumularsi nell'ambiente.

In uno studio pubblicato su Catalisi ACS , ricercatori dell'Institute for Green Science (IGS) della Carnegie Mellon University hanno aperto la strada a un nuovo campo della chimica sostenibile svelando potenti, catalizzatori di ossidazione sicuri ed economici ispirati ai processi biologici in noi che abbattono anche i microinquinanti più ostinati.

"È forse la carta più importante che abbiamo prodotto in 20 anni, " disse Teresa Heinz Professore di Chimica Verde Terrence J. Collins, che dirige l'IGS.

Collins, che si è preoccupato degli effetti biologici dannosi delle sostanze chimiche sintetiche sin dai suoi giorni da studente universitario in Nuova Zelanda, ha trascorso gli ultimi quattro decenni lavorando per sviluppare metodi per rimuovere queste sostanze chimiche dall'acqua utilizzando il processo di ossidazione, un processo familiare al corpo umano.

"La chimica dell'ossidazione è una percentuale considerevole della biochimica che avviene dentro di noi, " Collins ha osservato. "Questo è il modo in cui la natura affronta il problema della conversione della materia organica, materia organica particolarmente resistente agli agenti chimici, in materiale utilizzabile per la sua biochimica o in energia per far funzionare l'organismo. A volte la resistenza è troppo grande per gli enzimi che guidano la chimica dell'ossidazione e abbiamo composti persistenti contro i quali la natura è impotente".

Il substrato di scelta per molte reazioni di ossidazione all'interno del nostro corpo e altrove in natura è il perossido di idrogeno, quali enzimi perossidasi attivano per scomporre le molecole del cibo e di altre sostanze che ingeriamo. L'obiettivo di Collins dal 1980 essenzialmente è stato quello di ricreare la potenza e l'efficienza di questi enzimi con catalizzatori artificiali di sua creazione chiamati ligandi macrociclici tetra-ammidico (TAML).

"Dovevamo fare in modo che il centro di ferro dei nostri catalizzatori facesse lo stesso tipo di chimica del centro di ferro degli enzimi perossidasi, " Collins ha detto. "Abbiamo trascorso 15 anni a capire sistematicamente come far funzionare correttamente la composizione del catalizzatore TAML. Poi, avendo ottenuto il primo, abbiamo passato 20 anni a cercare di migliorarlo".

In questo nuovo studio, Collins descrive le prestazioni "da record" di questi catalizzatori migliorati, chiamati NewTAML. I test hanno dimostrato che quantità infinitesimali di questi catalizzatori attivano il perossido di idrogeno per eliminare il propranololo farmaceutico e il comune microinquinante persistente dall'acqua in meno di cinque minuti.

Per la loro velocità ed efficienza, Collins prevede che i NewTAML abbiano notevoli risparmi sui costi rispetto alle attuali tecniche di trattamento delle acque, come la purificazione dell'ozono. Ancora più importante per lui del costo e della potenza, però, è sicurezza. Un catalizzatore che eliminasse i microinquinanti sarebbe inutile se il catalizzatore stesso finisse per provocare effetti dannosi negli organismi viventi.

"È banale scoprire se qualcosa è acutamente tossico:è quando qualcosa è surrettiziamente tossico in parti per trilione nel tuo corpo che hai un grosso problema, " Collins ha spiegato. "Gli ormoni endocrini nel tuo corpo lavorano in concentrazioni da parti per trilione a basse parti per miliardo. Controllano quanto della vita si sviluppa e cosa diventiamo. L'attuale ospite di tutti i giorni, ovunque le sostanze chimiche che abbiamo scoperto sono interferenti endocrini si legge come una storia dell'orrore di fantascienza, ma è la realtà".

Per testare la sicurezza dei catalizzatori, Collins ha aiutato i leader mondiali della scienza dell'interruzione del sistema endocrino a identificare i test appropriati e organizzarli in modo logico per lo screening degli effetti negativi delle sostanze chimiche a basse dosi. E TAML e NewTAML sono stati utilizzati per il beta test del risultante protocollo a livelli per l'interruzione del sistema endocrino. Il documento NewTAML incorpora un test di interruzione del sistema endocrino nei topi, che il catalizzatore candidato ha superato a pieni voti.

Per di più, Collins e il suo team hanno finito per rifiutare potenziali elementi catalizzatori che potrebbero migliorare notevolmente le prestazioni dei TAML a causa della loro mancanza di presenza negli organismi viventi. Aggiunta di fluoro ai TAML, Per esempio, notevolmente migliorato le loro prestazioni e stabilità, ma il fluoro è una sostanza che raramente si trova negli esseri viventi, e i ricercatori temevano che integrandolo in catalizzatori impiegati nell'acqua potabile si potesse aumentare il fluoro e i prodotti di degradazione fluorochimica nell'acqua trattata. "Non ci sono stati risultati di tossicità negativi quando abbiamo testato, " ha detto Collins. "La decisione di provare a riprodurre le singolari e straordinarie proprietà elettroniche del fluoro senza utilizzarlo si è rivelata una delle ragioni principali per cui siamo stati premiati con i NewTAML".

"Il modo numero uno per stare al sicuro dalla tossicità è costruire le tue tecnologie chimiche dagli stessi elementi di cui sei fatto, "Collins ha detto.

Questo approccio "bioispirato" alla chimica è un pilastro del nuovo campo della catalisi ossidativa ultradiluita sostenibile che Collins e l'Institute for Green Science stanno sperimentando.