Электрокаталитическая стерилизация: нанопроволоки создают локальные сильнощелочные микроокружения для уничтожения бактерий
Вредные микроорганизмы, такие как бактерии, представляют одну из крупнейших угроз для здоровья человека. Эффективные методы стерилизации необходимы.
В журнале Angewandte Chemie исследовательская группа представила новый, устойчивый метод электрокаталитической стерилизации на основе электродов, покрытых нанопроволоками оксида меди. Они создают очень сильные локальные электрические поля, тем самым производя сильнощелочные микроокружения, которые эффективно убивают бактерии.
Проблема традиционных методов
Обычные методы дезинфекции, такие как хлорирование, обработка озоном, окисление перекисью водорода и облучение ультрафиолетовым светом, имеют недостатки, включая вредные побочные продукты и высокое энергопотребление.
Электрохимические методы дезинфекции, которые в основном полагаются на импульсное высоковольтное электрическое поле и электрокаталитическое образование высокоокислительных радикалов, более эффективны и устойчивы. Однако они требуют либо высокого напряжения, либо значительной подачи газа, что ограничивает их применение на практике.
Новый подход
Команда под руководством Тонг Суна и Юаньхун Сюя из Циндаоского университета (Китай) предложила новый in situ метод электрокаталитической стерилизации, который индуцирует локальные сильнощелочные микроокружения в нейтральных электролитах при постоянном токе и относительно низком напряжении. Большинство бактерий не могут выжить в таких экстремально щелочных условиях.
Ключевой элемент — нанопроволоки
Успех метода обеспечивают катоды из медной сетки, покрытой нанопроволоками оксида меди. На высокоизогнутых структурах, таких как кончики нанопроволок, могут формироваться чрезвычайно сильные локальные электрические поля, позволяя электрокатализаторам работать очень эффективно.
Механизм действия
На катоде реакция выделения водорода (HER) способствует эффективной адсорбции ионов гидроксония (H3O+) нанопроволоками, вызывая быстрое увеличение концентрации гидроксид-ионов (OH-) в их непосредственном окружении. Это создает локальное сильнощелочное микроокружение. Общее значение pH раствора для стерилизации повышается лишь незначительно, поэтому он не требует нейтрализации перед утилизацией.
Как это убивает бактерии
Полученное сильнощелочное микроокружение убивает бактерии в течение нескольких минут, что команда продемонстрировала на примере Escherichia coli (E. coli). Бактерии погибают из-за коллапса транспорта белков через бактериальную клеточную мембрану, поскольку в этой среде практически нет протонов.
Это ингибирует синтез АТФ, что приводит к дефициту энергии и окислительному стрессу. Кроме того, нарушается равновесие NADPH/NAD+, критически важное для регуляции генов и метаболизма. Бактерии погибают.
Перспективы
Этот новый подход может стать отправной точкой для разработки высокопроизводительных наноструктурированных электрокатализаторов для эффективных, экологически чистых и безопасных стратегий электрохимической дезинфекции для различных применений в стерилизации.