Les nanoparticules de cuivre (Cu-NPs) ont un large éventail d'applications comme catalyseurs, dans des domaines scientifiques aussi divers que la découverte de médicaments et la science des matériaux. L'abondance naturelle du cuivre, et son coût relativement bas, en fait une alternative viable aux catalyseurs à base de métaux précieux rares et chers, comme le platine et le palladium. Cependant, la synthèse de Cu-NPs implique généralement des températures élevées et des solvants toxiques. En outre, Les Cu-NPs produites par synthèse conventionnelle ont tendance à s'agglomérer et à s'oxyder, et nécessitent l'utilisation de produits chimiques inorganiques pour maintenir leur activité catalytique. Nouvelle recherche, Publié dans Petit , détaille les expériences de preuve de concept démontrant que la bactérie réductrice de métaux Shewanella oneidensis offre une voie plus verte pour la synthèse de Cu-NP, et la possibilité de récupérer le cuivre des flux d'eaux usées.

Biosynthèse bactérienne des Cu-NPs

Si nous pouvons exploiter le métabolisme des bactéries métal-réductrices, cela nous donne un itinéraire pour pas cher, synthèse de nanoparticules simple et respectueuse de l'environnement. Il s'agit de la première étude à étudier la bioréduction des ions cuivre(II) solubles et la synthèse de Cu-NPs à l'aide de bactéries anaérobies réductrices de métaux, organismes qui existent naturellement dans les sédiments anaérobies, et y gagner de l'énergie en transférant des électrons de la matière organique aux métaux dans les sédiments. Shewanella oneidensis est l'une des espèces de bactéries réductrices de métaux les plus polyvalentes et les mieux étudiées, capable de réduire une large gamme de métaux dans des conditions de laboratoire. Il a été isolé pour la première fois en 1988, par le professeur Ken Nealson, des sédiments du lac Oneida à New York (d'où il tire son nom). Il a été choisi pour ces expériences en raison de sa polyvalence en tant que réducteur de métaux et du séquençage de l'ensemble de son génome. La disponibilité résultante de souches mutantes permet d'étudier la voie impliquée dans la réduction des métaux (par exemple les enzymes impliquées). L'identification de la voie de transfert d'électrons impliquée dans la réduction de Cu pourrait conduire à des améliorations d'efficacité à l'avenir. Les résultats démontrent qu'il est possible d'utiliser Shewanella oneidensis pour la bioréduction des ions cuivre(II), former des nanoparticules élémentaires de Cu(0), ce qui en soi est surprenant car de nombreuses formes de cuivre sont connues pour être toxiques, utilisé comme désinfectant et fongicide, et a été étudiée pour une utilisation dans des surfaces antimicrobiennes.

Ce nouveau procédé coche toutes les cases de la « synthèse verte », car il est capable de produire des Cu-NPs à température ambiante, dans l'eau. En outre, lors des tests de catalyse les Cu-NPs n'ont pas été séparées de la biomasse, et la bactérie a agi comme une matrice de support pour les nanoparticules, supprimant le besoin d'additifs inorganiques et rendant les Cu-NPs plus réactives. Finalement, le catalyseur peut être facilement filtré à l'aide d'une centrifugeuse, permettant sa réutilisation.

Les expériences financées par le NERC ont utilisé l'analyse par spectroscopie d'absorption des rayons X (XANES) et par spectroscopie d'absorption à structure fine étendue (EXAFS) sur B18 (une ligne de lumière XAS à usage général) pour montrer que les nanoparticules produites sont du cuivre. , et d'identifier son état d'oxydation. Les mesures XAS aux rayons X doux ont été effectuées à l'aide de la ligne de lumière I10 de Diamond. Ces premières investigations ont utilisé des sels métalliques, mais l'équipe de recherche se penche sur l'utilisation des flux d'eaux usées industrielles. Pour l'auteur principal, Dr Richard Kimber de la School of Earth and Environmental Sciences de l'Université de Manchester, c'est le but ultime du projet. Il dit, « Il est important de récupérer les métaux des eaux usées, pour les empêcher de contaminer l'environnement. Ce que nous cherchons ici, c'est un moyen de créer des produits à haute valeur ajoutée à partir du traitement des déchets, pour qu'il se paie lui-même."

Les travaux futurs étudieront également les moyens d'optimiser le système, y compris la détermination des temps de réaction optimaux et de la charge Cu-NP, pour améliorer les rendements. Il y a aussi du travail à faire pour comprendre la voie utilisée par la bactérie pour réduire le cuivre. Habituellement, les bactéries réductrices de métaux utilisent des métaux communs (comme le fer) pour la respiration. Les premiers résultats suggèrent que ce n'est pas le cas pour Shewanella oneidensis et le cuivre, peut-être sans surprise étant donné la nature toxique du métal. La voie de transfert d'électrons pourrait faire partie des mécanismes de détoxification/défense de la bactérie, mais il reste du travail à faire. Une compréhension de la voie permettrait d'augmenter plus facilement le rendement des Cu-NPs produites ainsi que d'affiner potentiellement leurs propriétés. Avec ça en tête, l'équipe de recherche basée à Manchester souhaite utiliser les dernières avancées de la biologie synthétique pour fabriquer la prochaine génération de catalyseurs pour l'industrie. Le professeur Jon Lloyd, qui dirige les recherches dans ce domaine (aux côtés de collègues de l'Institut de biotechnologie de Manchester) note que « cette nouvelle étude nous donne un nouveau type de nanocatalyseur métallique qui, nous l'espérons, sera très utile pour l'industrie chimique, et nous sommes très désireux d'étendre l'utilité de cette approche via l'incorporation de matériaux catalytiques supplémentaires (enzymes et autres nanoparticules métalliques) dans les cellules hôtes que nous avons utilisées pour cette étude actuelle. Ce travail constitue la base d'un nouveau projet BBSRC pour l'équipe."