Les 20e et 21e siècles ont vu une explosion de l'utilisation de produits chimiques de synthèse dans le monde entier, y compris les pesticides, médicaments et produits de nettoyage ménagers, dont beaucoup se retrouvent dans nos cours d'eau. Même en petites quantités, ces substances peuvent affecter la faune, les plantes et les humains, et un certain nombre d'entre eux ont montré une résistance aux méthodes normales de traitement de l'eau, les laissant s'accumuler dans l'environnement sans contrôle.

Dans une étude publiée dans Catalyse ACS , des chercheurs de l'Institute for Green Science (IGS) de l'Université Carnegie Mellon ont ouvert la voie à un nouveau domaine de la chimie durable en dévoilant de puissants, des catalyseurs d'oxydation sûrs et peu coûteux inspirés des processus biologiques en nous qui décomposent même les micropolluants les plus tenaces.

"C'est peut-être le papier le plus important que nous ayons produit en 20 ans, " a déclaré Teresa Heinz professeur de chimie verte Terrence J. Collins, qui dirige l'IGS.

Collins, qui se préoccupe des effets biologiques nocifs des produits chimiques de synthèse depuis ses années d'étudiant de premier cycle en Nouvelle-Zélande, a passé les quatre dernières décennies à développer des méthodes pour éliminer ces produits chimiques de l'eau en utilisant le processus d'oxydation, un processus familier au corps humain.

"La chimie d'oxydation est un pourcentage considérable de la biochimie qui se passe en nous, " a noté Collins. " C'est ainsi que la nature traite le problème de la conversion de la matière organique, matière organique particulièrement très résistante chimiquement, en matériau utilisable pour sa biochimie ou en énergie pour maintenir l'organisme en vie. Parfois, la résistance est trop grande pour les enzymes qui conduisent la chimie d'oxydation et nous avons des composés persistants contre lesquels la nature est impuissante. »

Le substrat de choix pour de nombreuses réactions d'oxydation dans notre corps et ailleurs dans la nature est le peroxyde d'hydrogène, que les enzymes peroxydase activent pour décomposer les molécules des aliments et autres substances que nous absorbons. L'objectif de Collins depuis 1980 a essentiellement été de recréer la puissance et l'efficacité de ces enzymes avec des catalyseurs artificiels de sa création appelés ligands macrocycliques tétra-amido (TAML).

"Nous avons dû faire en sorte que le centre de fer de nos catalyseurs fasse le même genre de chimie que le centre de fer des enzymes peroxydase, "                                                                                                                              . Après avoir obtenu le premier, nous avons passé 20 ans à essayer de l'améliorer."

Dans cette nouvelle étude, Collins décrit les performances « records » de ces catalyseurs améliorés, appelés NewTAMLs. Des tests ont montré que des quantités infinitésimales de ces catalyseurs activent le peroxyde d'hydrogène pour éliminer le propranolol micropolluant persistant pharmaceutique et commun de l'eau en moins de cinq minutes.

En raison de leur rapidité et de leur efficacité, Collins envisage les NewTAMLs ayant des économies de coûts majeures par rapport aux techniques actuelles de traitement de l'eau, comme la purification à l'ozone. Encore plus important pour lui que le coût et la puissance, cependant, est la sécurité. Un catalyseur éliminant les micropolluants serait inutile si le catalyseur lui-même finissait par provoquer des effets néfastes sur les organismes vivants.

"C'est trivial de savoir si quelque chose est extrêmement toxique - c'est quand quelque chose est subrepticement toxique en parties par billion dans votre corps que vous avez un gros problème, " Collins a expliqué. "Les hormones endocriniennes dans votre corps fonctionnent en parties par billion à de faibles concentrations de parties par milliard. Ils contrôlent le développement de la vie et ce que nous devenons. L'hôte actuel de tous les jours, partout où les produits chimiques que nous avons découverts sont des perturbateurs endocriniens, cela se lit comme une histoire d'horreur de science-fiction, mais c'est la réalité."

Pour tester la sécurité des catalyseurs, Collins a aidé les leaders mondiaux de la science des perturbations endocriniennes à identifier les tests appropriés et à les organiser logiquement pour dépister les effets indésirables à faible dose des produits chimiques. Et les TAML et les NewTAML ont été utilisés pour tester la version bêta du protocole à plusieurs niveaux résultant pour les perturbations endocriniennes. L'article NewTAML intègre un test de perturbation endocrinienne chez la souris, que le candidat catalyseur a réussi avec brio.

Par ailleurs, Collins et son équipe ont fini par rejeter des éléments catalyseurs potentiels qui pourraient grandement améliorer les performances des TAML en raison de leur absence de présence dans les organismes vivants. Ajout de fluor aux TAML, par exemple, grandement amélioré leurs performances et leur stabilité, mais le fluor est une substance rarement trouvée dans les êtres vivants, et les chercheurs craignaient que son intégration dans des catalyseurs déployés dans l'eau potable n'augmente les produits de dégradation du fluorure et des composés fluorés dans l'eau traitée. "Il n'y avait pas de résultats négatifs de toxicité lorsque nous avons testé, " a déclaré Collins. " La décision d'essayer de reproduire les propriétés électroniques singulières et remarquables du fluor sans l'utiliser s'est avérée être l'une des principales raisons pour lesquelles nous avons été récompensés par les NewTAML. "

"La meilleure façon de rester en sécurité contre la toxicité est de construire vos technologies chimiques à partir des mêmes éléments dont vous êtes fait, ", a déclaré Collins.

Cette approche « bioinspirée » de la chimie est un pilier du nouveau domaine de la catalyse d'oxydation ultradilue durable que Collins et l'Institute for Green Science sont les pionniers.