Reazione colorimetrica catalizzata dall'attività perossidasica di enzimi naturali (HRP) e nanoenzimi minerali con substrati (TMB). HRP, perossidasi di rafano. TMB, 3, 3?, 5, 5?-tetrametilbenzidina. Fh, ferriidrite. Orlare, ematite. mt, magnetite. Credito:Science China Press
Globalmente, il sistema Terra ha migliaia di terragrammi (Tg) (1 Tg =10 12 g) di nanoparticelle minerali che si muovono ogni anno nel pianeta. Queste nanoparticelle minerali sono distribuite ubiquitariamente in tutta l'atmosfera, oceani, acque, suoli, nella e/o sulla maggior parte degli organismi viventi, e anche all'interno di proteine come la ferritina. Negli ambienti naturali, i nanozimi minerali possono essere prodotti in due modi:processi "top down" e "bottom up". Nello specifico, l'erosione o la degradazione dei materiali sfusi promossa dall'uomo può portare direttamente ai nanomateriali (un processo dall'alto verso il basso), o i nanomateriali possono crescere dai precursori attraverso la cristallizzazione, reazione, o ruoli biologici (un processo dal basso verso l'alto).
Queste nanoparticelle minerali possono possedere molteplici proprietà simili a enzimi, per esempio., ossidasi, perossidasi, catalasi, e superossido dismutasi, a seconda dell'ambiente locale. Minerali contenenti ferro, per esempio., ferriidrite, ematite, e magnetite, sono onnipresenti nei sistemi terrestri e possiedono un'attività simile alla perossidasi. Tra questi ossidi di ferro (ossiidrossidi), la ferriidrite ha mostrato la più alta attività simile alla perossidasi, a causa della sua dimensione particellare più piccola e della più grande superficie specifica. A causa della presenza di ferro ferroso, la magnetite ha un'attività simile alla perossidasi considerevolmente elevata.
Rispetto agli enzimi naturali, i nanozimi minerali mostrano numerosi vantaggi, come basso costo, maggiore stabilità, attività catalitica sostenibile, e robustezza ad ambienti difficili. A causa della loro maggiore superficie specifica, alti rapporti di atomi di superficie, ampio gap di banda, e forti attività catalitiche, i nanozimi minerali svolgono ruoli essenziali nei cicli biogeochimici degli elementi negli ecosistemi.
Funghi e batteri contribuiscono per circa 70 Gt di carbonio (C) (1 Gt =10 9 t) e 120 Gt C alla biomassa globale, rispettivamente. Dato che le ife fungine possono estendersi cumulativamente per centinaia di chilometri nei suoli kg -1 in ambienti come la rizosfera (cioè, 200-800 km kg -1 ) e che più del 94% delle piante terrestri e dei funghi formano una relazione simbiotica, i nanozimi minerali possono avere importanti implicazioni nella coevoluzione microbico-minerale, ciclo dei nutrienti nel sistema terrestre di superficie, sequestro del carbonio minerale, e mitigazione dei cambiamenti climatici globali.
Nei sistemi terrestri, microrganismi tassonomicamente e funzionalmente diversi sono una vasta fonte di superossido (O 2 - ) o perossidi di idrogeno (H 2 oh 2 ). Questi nanozimi minerali possono regolare i livelli di specie reattive dell'ossigeno (ROS), compreso H 2 oh 2 , oh 2 - e radicali idrossilici (HO + ). Producendo un forte ossidante HO + , l'interazione tra nanozimi minerali e microrganismi può svolgere un ruolo importante nel guidare il ciclo biogeochimico degli elementi (Figura 2).
Effetti sinergici tra nanozimi minerali e microrganismi che guidano i cicli biogeochimici degli elementi nei sistemi terrestri. Credito:Science China Press
"Tutte le indagini sui nanozimi minerali sono ancora in fase di laboratorio e non sono studi sul campo, " disse Guang-Hui Yu, uno scienziato presso la School of Earth System Science, Università di Tientsin, nella città cinese di Tianjin.
"L'attività catalitica dei nanozimi minerali è determinata principalmente dalle vacanze di ossigeno (OV) sulla superficie del minerale", i ricercatori hanno scritto in un articolo intitolato "Le particelle di nanofase fungine catalizzano la trasformazione del ferro per la rimozione dello stress ossidativo e l'acquisizione di ferro".
"Queste vacanze di ossigeno sono spesso occupate da gruppi ossidrilici sulla superficie minerale, " hanno spiegato.
Poiché i nanozimi minerali possono catalizzare H 2 oh 2 per produrre HO highly altamente ossidante + , sono stati ampiamente utilizzati nel campo delle bonifiche ambientali. Rispetto agli enzimi naturali, i nanozimi minerali possono degradare gli inquinanti organici in un intervallo di pH più ampio. Per esempio, degradando H 2 oh 2 , Fe 3 oh 4 le nanoparticelle potrebbero rimuovere efficacemente la rodamina B (RhB) nell'intervallo di pH da 3,0 a 9,0.
"Gli effetti dei nanozimi minerali sulle comunità microbiche nell'ambiente rimangono poco chiari, " hanno scritto i due ricercatori, "I risultati dei nanozimi minerali potrebbero aver rivelato un percorso di feedback precedentemente sconosciuto della coevoluzione microbo-minerale che potrebbe far luce su una serie di domande di vecchia data, come l'origine e l'evoluzione della vita modulando i livelli di ROS."
Anche questi due studiosi hanno rivelato nello studio, che è stato pubblicato nel Scienza Cina Scienze della Terra , che la scoperta dei nanomateriali come nuovi mimetici enzimatici ha cambiato l'idea tradizionale che i nanomateriali siano chimicamente inerti nei sistemi terrestri. Data l'abbondanza a livello di terragramma (Tg) di nanoparticelle minerali nei sistemi terrestri, è statisticamente altamente probabile per alcuni di essi, in particolare quelli di origine biotica, comportarsi come nanozimi minerali per catalizzare superossido e H 2 oh 2 e promuovere i cicli biogeochimici dell'ossigeno e di altri elementi.
