Химики из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) разработали метод, который надежно предотвращает опасное загрязнение морской водой и является эффективным, доступным и безопасным для окружающей среды. Обрастание может произойти, например, в результате роста бактерий, водорослей или моллюсков в портовых сооружениях, на корпусах лодок и аквакультурных сетях. В результате ущерб и последующие расходы могут быть значительными. По оценкам, только в судоходной отрасли они эквивалентны 200 миллиардам долларов в год. Защитные покрытия, наносимые на сосуды, обычно содержат биоциды на основе меди. У них есть недостаток, заключающийся в том, что они наносят вред окружающей среде, хотя также может развиться устойчивость к ним. Чтобы найти альтернативу, исследовательская группа профессора Вольфганга Тремеля из Майнца решила смоделировать защитный механизм, используемый водорослями, и установила, что наночастицы диоксида церия могут эффективно предотвращать загрязнение. Это открытие может способствовать производству новых защитных покрытий, которые гораздо менее вредны для окружающей среды, чем покрытия корпуса, используемые до сих пор.
Морские водоросли используют вторичные продукты метаболизма, чтобы обеспечить себе форму химической защиты от микроорганизмов и хищников. Эти галогенированные вторичные метаболиты специально предотвращают прикрепление и развитие бактериальных биопленок, других водорослей и даже ракушек к более крупным образованиям водорослей, губок и других существ. Галогенированные соединения, продуцируемые красными водорослями Delisea pulchra, например, подавляют бактериальное обрастание, но не являются ни токсичными, ни замедляющими рост. Вместо этого они уничтожают то, что известно как ощущение кворума, т. е. систему, используемую бактериями для общения с помощью веществ-мессенджеров, что приводит к образованию биопленок. Синтезируемые морскими водорослями галогенсодержащие соединения по своей структуре сходны со структурами этих веществ, вызывая блокаду бактериальных рецепторов и подавляя переключение регуляции бактериальных генов на образование биопленок. Эта форма вмешательства в регуляцию бактериальных генов также представляет фармацевтический интерес, поскольку известно, что патогенные бактерии могут защищать себя от атак иммунной системы и действия антибиотиков, образуя биопленки, например, на эпителии дыхательной системы.
Этот естественный защитный процесс был воспроизведен группой химиков из Майнца с использованием наночастиц диоксида церия. «Полевые испытания показали, что диоксид церия является экологически приемлемой альтернативой куприту, веществу, которое используется в качестве биоцида вместе с тиоцианатом меди и пиридином меди в концентрациях до 50 процентов в противообрастающих покрытиях», - пояснил профессор Вольфганг Тремель из Институт неорганической химии и аналитической химии JGU. Но такие соединения меди токсичны и накапливаются в окружающей среде. Вот почему некоторые страны, такие как Канада и Дания, ввели строгие ограничения на использование противообрастающих покрытий на основе меди.
Экономичная и экологически чистая альтернатива медьсодержащим биоцидам
«Все современные каталитические нейтрализаторы в автомобилях используют диоксид церия. Он нетоксичен и химически чрезвычайно стабилен», - добавила Каролин Хергет, написавшая докторскую диссертацию по этому проекту. Она убеждена, что диоксид церия является практичной и экономичной альтернативой традиционным биоцидам.
Диоксид церия представляет собой оксид редкоземельного элемента церия и побочный продукт процесса извлечения редкоземельных металлов. Несмотря на принадлежность к семейству редкоземельных элементов, сам по себе церий не является особенно дефицитным. Таким образом, его стоимость сопоставима со стоимостью куприта (оксида меди (I)), хотя он эффективен в гораздо меньших количествах.«То, что мы имеем, является экологически безопасным компонентом нового поколения противообрастающих покрытий, которые имитируют естественные защитные системы, используемые морскими организмами. Важно то, что он эффективен не только в лабораторных условиях, но и при реальном использовании в реальных условиях. водной среде», - заключил Хергет. Стальные панели с покрытием из оксида церия могут неделями подвергаться воздействию морской воды, не покрываясь бактериями, водорослями, моллюсками или ракушками. Контрольные образцы с обычными покрытиями на водной основе за тот же период времени сильно обрастают.
Биопленки есть практически везде. Они присутствуют в трубах питьевой воды и очистительных установках, в грунтовых водах, в системах фильтрации и охлаждения воды, практически на всех поверхностях, таких как упаковка для пищевых продуктов, дверные ручки, кнопки, клавиатуры и другие элементы из пластика, а когда дело доходит до к медицине они также развиваются в катетерных трубках. Основной проблемой в связи с борьбой с ними с помощью биоцидов и антибиотиков является риск развития резистентности. Этот недостаток можно было бы эффективно обойти экологически приемлемым способом путем нанесения поверхностных покрытий из частиц диоксида церия. Таким образом, эта инновационная технология имеет потенциальное применение в области покрытий для лодок и наружных покрытий, кровельных покрытий, текстиля для наружного применения, полимерных мембран, используемых для опреснения воды, корпусов, используемых в аквакультуре, и многих пластиковых компонентов.
Исследовательский проект был проведен в сотрудничестве с BASF, и его результаты были опубликованы в журнале Advanced Materials.