Os séculos 20 e 21 viram uma explosão no uso de produtos químicos sintéticos em todo o mundo, incluindo pesticidas, medicamentos e produtos de limpeza doméstica - muitos dos quais acabam em nossos cursos de água. Mesmo em pequenas quantidades, essas substâncias podem afetar a vida selvagem, plantas e humanos, e vários deles mostraram resistência aos métodos normais de tratamento de água, deixando-os para se acumular no ambiente sem controle.

Em um estudo publicado em Catálise ACS , pesquisadores do Instituto de Ciência Verde (IGS) da Carnegie Mellon University abriram o caminho para um novo campo da química sustentável revelando poderosos, catalisadores de oxidação seguros e baratos inspirados pelos processos biológicos dentro de nós que quebram até os micropoluentes mais teimosos.

“É talvez o jornal mais importante que produzimos em 20 anos, "disse Teresa Heinz, Professora de Química Verde, Terrence J. Collins, quem dirige o IGS.

Collins, que tem se preocupado com os efeitos biológicos prejudiciais dos produtos químicos sintéticos desde seus dias como estudante de graduação na Nova Zelândia, passou as últimas quatro décadas trabalhando para desenvolver métodos para remover esses produtos químicos da água usando o processo de oxidação, um processo familiar ao corpo humano.

"A química da oxidação é uma porcentagem considerável da bioquímica que ocorre dentro de nós, "Collins observou." É assim que a natureza lida com o problema de conversão de matéria orgânica, particularmente matéria orgânica muito resistente a produtos químicos, em material utilizável para sua bioquímica ou em energia para manter o organismo funcionando. Às vezes, a resistência é muito grande para as enzimas que impulsionam a química da oxidação e temos compostos persistentes contra os quais a natureza é impotente. "

O substrato de escolha para muitas reações de oxidação em nossos corpos e em outras partes da natureza é o peróxido de hidrogênio, quais enzimas peroxidase ativam para quebrar moléculas de alimentos e outras substâncias que ingerimos. O objetivo de Collins desde 1980 tem sido essencialmente recriar o poder e a eficiência dessas enzimas com catalisadores artificiais de sua criação chamados ligantes macrocíclicos tetraamido (TAMLs).

"Tivemos que fazer o centro de ferro de nossos catalisadores fazer o mesmo tipo de química que o centro de ferro das enzimas peroxidase, "Collins disse." Passamos 15 anos sistematicamente descobrindo como fazer a composição do catalisador TAML funcionar corretamente. Depois de conseguir o primeiro, passamos 20 anos tentando torná-lo melhor. "

Neste novo estudo, Collins descreve o desempenho "recorde" desses catalisadores aprimorados, chamado NewTAMLs. Os testes mostraram que quantidades infinitesimais desses catalisadores ativam o peróxido de hidrogênio para eliminar o propranolol, micropoluente persistente, farmacêutico e comum, da água em menos de cinco minutos.

Por causa de sua velocidade e eficiência, Collins prevê que os NewTAMLs terão grande economia de custos em relação às técnicas atuais de tratamento de água, como a purificação de ozônio. Ainda mais importante para ele do que custo e poder, Contudo, é a segurança. Um catalisador que eliminasse micropoluentes seria inútil se o próprio catalisador acabasse causando efeitos nocivos em organismos vivos.

"É trivial descobrir se algo é extremamente tóxico - é quando algo é secretamente tóxico em partes por trilhão em seu corpo que você tem um grande problema, "Collins explicou." Os hormônios endócrinos em seu corpo atuam em concentrações de partes por trilhão a partes baixas por bilhão. Eles controlam quanto da vida se desenvolve e o que nos tornamos. O anfitrião atual do dia a dia, em todos os lugares os produtos químicos que descobrimos serem desreguladores endócrinos parecem uma história de terror de ficção científica - mas são a realidade. "

Para testar a segurança dos catalisadores, Collins ajudou os líderes mundiais da ciência da desregulação endócrina a identificar ensaios apropriados e organizá-los logicamente para rastrear os efeitos adversos de produtos químicos em baixas doses. E TAMLs e NewTAMLs foram usados ​​para o teste beta do protocolo hierárquico resultante para desregulação endócrina. O artigo NewTAML incorpora um ensaio de disrupção endócrina em camundongos, qual o catalisador candidato passou com louvor.

Além disso, Collins e sua equipe acabaram rejeitando elementos catalisadores em potencial que poderiam melhorar muito o desempenho dos TAMLs por causa de sua falta de presença em organismos vivos. Adicionando flúor aos TAMLs, por exemplo, melhorou muito seu desempenho e estabilidade, mas o flúor é uma substância raramente encontrada em seres vivos, e os pesquisadores temiam que construí-lo em catalisadores implantados na água potável pudesse aumentar o flúor e os produtos de degradação fluoroquímica na água tratada. "Não houve resultados de toxicidade negativos quando testamos, "disse Collins." A decisão de tentar reproduzir as propriedades eletrônicas singulares e notáveis ​​do flúor sem usá-lo acabou sendo um dos principais motivos pelos quais fomos recompensados ​​com os NewTAMLs. "

"A maneira número um de se manter seguro contra a toxicidade é construir suas tecnologias químicas a partir dos mesmos elementos de que você é feito, "Collins disse.

Essa abordagem "bioinspirada" da química é um pilar do novo campo da catálise de oxidação ultradiluta sustentável que Collins e o Institute for Green Science são pioneiros.