Biofouling no casco de um barco; b naufrágio com nós, Ascophyllum nodosum; c Modo de ação de tintas subaquáticas bioinspiradas:Como a enzima natural vanádio bromoperoxidase vanádio pentóxido, as nanopartículas agem como um catalisador para a formação de ácido hipobromoso a partir de íons brometo (contido na água do mar) e pequenas quantidades de peróxido de hidrogênio que são formadas após a exposição a luz solar.
Cientistas da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) na Alemanha descobriram que pequenas nanopartículas de pentóxido de vanádio podem inibir o crescimento de cracas, bactérias, e algas em superfícies em contato com a água, como cascos de navios, bóias marítimas, ou plataformas offshore. Seus experimentos mostraram que as placas de aço às quais foi aplicado um revestimento contendo partículas de pentóxido de vanádio dispersas podiam ser expostas à água do mar por semanas sem a formação de depósitos de cracas, bactérias, e algas. Em comparação, placas que foram revestidas apenas com a tinta normal do navio exibiram incrustação maciça após a exposição à água do mar pelo mesmo período de tempo. A descoberta pode levar ao desenvolvimento de novos protetores, tintas e revestimentos anti-incrustantes que são menos prejudiciais ao meio ambiente do que os revestimentos de navios usados atualmente.
A incrustação marinha é um problema que custa à indústria de transporte marítimo mais de 200 bilhões de dólares por ano. O acúmulo de organismos como algas, mexilhões, e cracas aumentam a resistência à água dos objetos e, em consequência, consumo de combustível. Isso significa custos adicionais para empresas de transporte e, pior ainda, aumento dos danos ambientais devido ao CO extra 2 emissões. Em apenas alguns meses, o casco de um barco subaquático pode estar completamente coberto e coberto de organismos. De acordo com Lloyds, isso significa um aumento no consumo de combustível de até 28 por cento e cerca de 250 milhões de toneladas de CO adicional 2 emissões por ano. Embora seja possível neutralizar esse efeito até certo ponto por meio do uso de tintas anti-incrustantes, biocidas convencionais são menos eficazes e podem ter consequências ambientais adversas. Além disso, microorganismos podem desenvolver resistência a eles.
Tinta anti-incrustante comercialmente disponível com e sem nanopartículas de pentóxido de vanádio foi aplicada a duas placas de aço inoxidável (2 x 2 cm). Ambas as placas foram presas a um barco atracado em uma lagoa com exposição direta à água do mar do Atlântico. Após 60 dias, a placa sem nanopartículas de pentóxido de vanádio (esquerda) mostrou forte incrustação; em contraste, a placa com o revestimento de pentóxido de vanádio não (direita). Crédito:Grupo de pesquisa Tremel, JGU
Foi um dos mecanismos de defesa da própria natureza que inspirou a abordagem agora adotada pela equipe de cientistas que trabalha com o professor Dr. Wolfgang Tremel, do Instituto de Química Inorgânica e Química Analítica da JGU. Certas enzimas encontradas em algas marrons e vermelhas produzem compostos de halogênio com potencial biocida. Supõe-se que estes sejam sintetizados pelas algas para protegê-los contra ataques microbianos e predadores. Os químicos da Universidade de Mainz decidiram imitar esse processo usando nanopartículas de pentóxido de vanádio. De acordo com seu artigo publicado em Nature Nanotechnology , pentóxido de vanádio (V 2 O 5 ) as nanopartículas têm "uma atividade intrínseca de bromação biomimética [...] que as torna uma alternativa prática e econômica para os biocidas químicos convencionais." O pentóxido de vanádio funciona como um catalisador para que o peróxido de hidrogênio e o brometo se combinem para formar pequenas quantidades de ácido hipobromoso, que é altamente tóxico para muitos microrganismos e tem um efeito antibacteriano pronunciado. Os reagentes necessários estão presentes na água do mar:esta já contém íons brometo, enquanto pequenas quantidades de peróxido de hidrogênio são formadas quando exposto à luz solar.
O processo foi demonstrado em condições de laboratório e em água do mar natural. Tem apenas consequências mínimas para o meio ambiente porque o efeito é restrito a micro-superfícies. O óxido metálico é particularmente potente quando está presente na forma de nanopartículas porque, então, devido à maior área de superfície, há um efeito catalítico intensificado.
"Nanopartículas de pentóxido de vanádio, devido à sua baixa solubilidade e ao fato de estarem embutidos no revestimento, são consideravelmente menos tóxicos para a vida marinha do que as substâncias ativas à base de estanho e cobre usadas nos produtos disponíveis comercialmente, "explica Wolfgang Tremel. Em sua opinião, Os revestimentos de navios à base de pentóxido de vanádio podem ser uma alternativa prática e econômica aos biocidas químicos convencionais. "Aqui temos um componente compatível com o meio ambiente para uma nova geração de tintas antivegetativas que empregam o mecanismo de defesa natural usado por organismos marinhos."
Ron Wever, o parceiro de cooperação holandês da equipe da Universidade de Amsterdã, tem investigado tais mecanismos de defesa natural nos últimos 15 anos. Ele sugeriu adicionar a enzima envolvida, ou seja, vanádio haloperoxidase, para tintas anti-incrustantes. Os químicos em Mainz estão agora trabalhando em conjunto com Wever para desenvolver nanopartículas de pentóxido de vanádio. "As partículas de pentóxido de vanádio são consideravelmente mais baratas e também mais estáveis do que as enzimas produzidas geneticamente, " ele adiciona.
Um grupo de pesquisa liderado pelo Dr. Klaus Peter Jochum do Instituto Max Planck de Química em Mainz tem conduzido experimentos para determinar se o uso de pentóxido de vanádio pode ter um efeito negativo no meio ambiente. Usando um espectrômetro de massa ICP altamente sensível, os cientistas determinaram a concentração de vanádio em várias amostras de água do mar que foram expostas ao material revestido por diferentes períodos de tempo. Os resultados mostraram que os níveis foram ligeiramente elevados acima da concentração média normal de vanádio na água do mar. Portanto, pode-se concluir que apenas pequenas quantidades de vanádio migram do revestimento para a água do mar e, portanto, não têm impacto negativo no meio ambiente.
