Imagen: En este ejemplo, una nanopartícula de «óxido inteligente» agarra y atrae moléculas de estrógeno, que representan objetos flotantes.
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Crédito: Dra. Dustin Vivod y el Profesor Dr. Dirk Zahn, Centro de Química Informática (CCC), Universidad Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg
SAN FRANCISCO, 16 de agosto de 2023 – Agregar partículas de óxido al agua generalmente la ensucia. Pero los investigadores han desarrollado nanopartículas especiales de óxido de hierro llamadas «óxido inteligente» que realmente lo limpian. La oxidación inteligente puede atraer muchas sustancias, incluidos petróleo, nanoplásticos y microplásticos, así como el herbicida glifosato, dependiendo del recubrimiento de las partículas. Y como las nanopartículas son magnéticas, se pueden eliminar fácilmente del agua con un imán junto con el contaminante. Ahora, el equipo informa que han modificado las partículas para atrapar hormonas de estrógeno que son potencialmente dañinas para la vida acuática.
Los investigadores presentarán sus hallazgos hoy en la reunión de otoño de la Sociedad Química Estadounidense (ACS). ACS Otoño 2023 es una reunión híbrida que se llevará a cabo virtualmente y en persona del 13 al 17 de agosto y presenta casi 12,000 presentaciones sobre una amplia gama de temas científicos.
Un vídeo sobre la investigación está disponible en www.acs.org/SmartRust.
«Nuestro ‘óxido inteligente’ es barato, no tóxico y reciclable», afirma Markus Halleck, Ph.D., investigador principal del proyecto. «Y hemos demostrado su uso para todo tipo de contaminación, mostrando el potencial de esta técnica para mejorar drásticamente el tratamiento del agua».
Durante muchos años, el equipo de investigación de Halak ha estado investigando formas respetuosas con el medio ambiente de eliminar los contaminantes del agua. El principal material que utilizan son nanopartículas de óxido de hierro en forma superparamagnética, lo que significa que se sienten atraídas por los imanes, pero no entre sí, por lo que las partículas no se agrupan.
Para hacerlos «inteligentes», el equipo desarrolló una técnica para unir moléculas de ácido fosfónico a esferas de tamaño nanométrico. «Cuando añadimos una capa de moléculas al núcleo de óxido de hierro, parecen pelos que sobresalen de la superficie de estas partículas», dice Halleck, de la Universidad Friedrich-Alexander-Erlangen-Nuremberg. Luego, al cambiar lo que está unido al otro lado del ácido fosfónico, los investigadores pueden ajustar las propiedades de las superficies de las nanopartículas para absorber fuertemente diferentes tipos de contaminantes.
Las primeras versiones de la roya inteligente produjeron petróleo crudo a partir de agua recolectada del mar Mediterráneo y glifosato del agua de estanque recolectada cerca de la universidad de los investigadores. Además, el equipo demostró que el óxido inteligente puede eliminar nanoplásticos y microplásticos agregados a muestras de agua de río y de laboratorio.
Hasta ahora, el equipo ha identificado principalmente contaminantes en grandes cantidades. Lucas Müller, un estudiante de posgrado que presentó un nuevo trabajo en la reunión, quería saber si podía modificar las nanopartículas de óxido para enviar señales a las hormonas. Cuando nuestro cuerpo libera ciertas hormonas, se disuelven en las aguas residuales y eventualmente ingresan a los cursos de agua. Los estrógenos naturales y sintéticos son un grupo de hormonas y las principales fuentes de estos contaminantes incluyen los desechos humanos y animales. Müller afirma que la cantidad de estrógenos en el ambiente es muy baja, por lo que resulta difícil eliminarlos. Sin embargo, se ha demostrado que estos niveles afectan el metabolismo y la reproducción de algunas plantas y animales, aunque no se conocen completamente los efectos a largo plazo de niveles bajos de estos compuestos en los humanos.
«Comencé con el estrógeno más común, el estradiol, y luego con otros cuatro derivados que comparten la misma estructura molecular», dice Müller. Las moléculas de estrógeno tienen un cuerpo esteroide grande y partes con cargas ligeramente negativas. Para explotar ambas propiedades, combinó nanopartículas de óxido de hierro con dos conjuntos: uno largo y otro con carga positiva. Las dos moléculas se organizaron en la superficie de las nanopartículas y los investigadores especulan que juntas forman varios miles de millones de «bolsillos» que atraen el estradiol y lo mantienen en su lugar.
Debido a que estas bolsas son invisibles a simple vista, Muller está utilizando herramientas de alta tecnología para confirmar que estas bolsas de unión a estrógenos están presentes. Los resultados preliminares muestran una extracción eficiente de hormonas de muestras de laboratorio, pero los investigadores necesitan ver experimentos adicionales que utilicen espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido y dispersión de neutrones de ángulo pequeño para confirmar la hipótesis de bolsillo. «Intentamos comprender con diferentes piezas del rompecabezas cómo se ensamblan realmente las moléculas en la superficie de las nanopartículas», explica Müller.
En el futuro, el equipo probará estas partículas en muestras de agua del mundo real y determinará con qué frecuencia se pueden reutilizar. Debido a que cada nanopartícula tiene tantas bolsas en su superficie, los investigadores dicen que deberían eliminar el estrógeno de muchas muestras de agua, reduciendo así el costo de cada limpieza. «Al reutilizar estas partículas repetidamente, el impacto material de este método de tratamiento de agua puede ser muy pequeño», concluye Halleck.
Los investigadores agradecen el apoyo y la financiación de la Fundación Alemana de Investigación, la Fundación Federal Alemana para el Medio Ambiente y la Friedrich-Alexander-Universität Arlangen-Nuremberg.
Se publicará una sesión informativa grabada para los medios sobre este tema el miércoles 16 de agosto a las 10 a. m., hora del Este. www.acs.org/acsfall2023briefings. Los periodistas pueden contactar y solicitar acceso a las conferencias de prensa durante períodos restringidos. sala de prensa@acs.org.
Para obtener información sobre salud y seguridad para ACS Otoño de 2023, visite la página web de preguntas frecuentes.
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Nota para los periodistas: informe que esta investigación fue presentada en una reunión de la Sociedad Química Estadounidense.
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Óxido inteligente para purificar el agua de las hormonas
resumen
El acceso al agua potable es reconocido como un derecho humano por las Naciones Unidas. Sin embargo, los contaminantes moleculares antropogénicos, como las hormonas, están presentes en nuestras aguas subterráneas y llegan al agua potable debido a una eliminación descuidada y un tratamiento inadecuado. Ya en concentraciones mínimas, se ha demostrado que estos compuestos tienen efectos graves en las plantas y animales acuáticos, pero también en nosotros, los humanos, especialmente los niños. Sin embargo, a menudo se desconocen las consecuencias de una exposición prolongada. Por lo tanto, existe una gran demanda de eliminación barata y eficiente de dichos contaminantes orgánicos del agua. Con eso en mente, estamos en camino Crear un concepto prometedor para resolver este problema. Las nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro (SPION) son monocapas autoensambladas (SAM) funcionalizadas en superficie compuestas de derivados de ácido fosfónico unidos permanentemente para abordar los motivos de interacción específicos de hormonas seleccionadas (“resistencias inteligentes”). Estas partículas atraen contaminantes y pueden eliminarse fácilmente del agua mediante un campo magnético externo debido al momento magnético de su núcleo. Basándonos en el tratamiento exitoso anterior de la hierba glifosato, micro y nanoplásticos, así como del petróleo crudo a través de los principales motivos de interacción (unión covalente – interacción electrostática – interacción hidrófoba, respectivamente), seguimos el siguiente paso lógico. Establecemos una interacción estructurada lógicamente conectar SAM en SPION con contaminantes orgánicos específicos, es decir, varios derivados de estrógeno. Por lo tanto, imaginamos sistemas que no solo sean termodinámicamente atractivos para contaminantes seleccionados con una combinación de múltiples motivos de interacción, sino que también contengan un número adecuado de cavidades. conectar Sam. Este enfoque se beneficia de la sinergia de la ciencia de materiales experimentales y la química analítica para diseñar nanopartículas híbridas.
