Uccidere i batteri in modo efficiente e duraturo
Sterilizzazione elettrocatalitica: i nanofili generano microambienti locali altamente alcalini
I microrganismi nocivi, come i batteri, rappresentano una delle maggiori minacce per la salute umana. Metodi di sterilizzazione efficienti sono di conseguenza importanti. Sulla rivista Angewandte Chemie, un team di ricerca ha presentato una nuova strategia di sterilizzazione elettrocatalitica sostenibile basata su elettrodi con nanofili di ossido di rame. Questi generano campi elettrici localizzati molto forti e, di conseguenza, microambienti altamente alcalini che uccidono efficacemente i batteri.
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I metodi di disinfezione convenzionali, come la clorazione, l'ozonizzazione, l'ossidazione con perossido di idrogeno (H2O2) e l'irradiazione ultravioletta, presentano degli svantaggi, tra cui sottoprodotti nocivi e un elevato consumo energetico. I metodi di disinfezione elettrochimica, che si basano principalmente su un campo elettrico pulsato ad alta tensione e sulla generazione elettrocatalitica di radicali altamente ossidativi, sono più efficienti ed ecologici. Tuttavia, poiché richiedono tensioni elevate o una significativa fornitura di gas, la loro ampia applicazione pratica è chiaramente limitata.
Il team guidato da Tong Sun e Yuanhong Xu dell'Università di Qingdao (Cina) propone ora una nuova strategia di sterilizzazione elettrocatalitica in situ che forma microambienti localizzati altamente alcalini in elettroliti neutri a una corrente costante e a una tensione relativamente bassa. La maggior parte dei batteri non può sopravvivere in questi ambienti estremamente alcalini.
Il segreto del successo è costituito da catodi costituiti da una rete metallica di rame ricoperta da nanofili di ossido di rame. In queste strutture altamente curve - le punte dei nanofili - si formano campi elettrici locali estremamente forti e gli elettrocatalizzatori possono agire in modo particolarmente efficace. Al catodo, la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) facilita l'efficiente adsorbimento di ioni idronio (H3O+) da parte dei nanofili, portando a un rapido aumento della concentrazione di ioni idrossido (OH-) nelle loro immediate vicinanze. Questo crea un microambiente localizzato altamente alcalino. Il valore totale del pH della soluzione di sterilizzazione è solo leggermente aumentato, per cui non è necessaria una neutralizzazione complessa prima dello smaltimento.
Il microambiente altamente alcalino che ne deriva uccide i batteri in pochi minuti, come dimostrato dal team utilizzando Escherichia coli(E. coli). La causa è il collasso del trasporto di protoni attraverso la membrana cellulare batterica, poiché in questo ambiente non ci sono praticamente più protoni. Ciò inibisce la sintesi di ATP, provoca una mancanza di energia e innesca lo stress ossidativo. Inoltre, l'equilibrio NADPH/NAD+, importante per la regolazione genica e il metabolismo, viene disturbato. I batteri muoiono.
Il nuovo approccio potrebbe essere un punto di partenza per lo sviluppo di potenti elettrocatalizzatori nanostrutturati per strategie di disinfezione elettrochimica efficienti, ecologiche e sicure per diverse applicazioni di sterilizzazione.
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