کمپلکس آهن آلاینده های سرسخت را با استفاده از واکنش نوری تجزیه می کند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

مقصر مولکولی شکوفه های مضر جلبک ها و برخی آلودگی های آب های زیرزمینی همان چیزی است که تمدن را برای هزاران سال تغذیه نگه داشته است: شکل پایدار نیتروژن به نام نیترات.

نیترات ها اجزای ضروری کود هستند، اما به دلیل پایداری بسیار زیاد، کاهش مولکول ها و حذف آنها از محیط دشوار است. اکنون، محققان دانشگاه میشیگان روشی را توسعه داده‌اند که می‌تواند نیترات‌ها را به ترکیباتی تبدیل کند که می‌توانند مجددا به عنوان کود یا بازیافت مورد استفاده قرار گیرند.

این مطالعه که توسط شیمیدان U-M، Nathaniel Szymczak هدایت می شود، در Nature Chemistry منتشر شده است.

تا زمانی که گیاهان توانایی تبدیل نور خورشید به غذا را داشته اند، نیتروژن بخش مهمی از این چرخه بوده است. همانطور که در جو ما وجود دارد، نیتروژن بی اثر است: به طور معمول با عناصر دیگر واکنش نشان نمی دهد. اما از طریق یک فرآیند شیمیایی که توسط رعد و برق در جو یا از طریق فرآیندهای بیولوژیکی توسط باکتری‌های موجود در خاک ایجاد می‌شود، نیتروژن می‌تواند به پیوند با هیدروژن تبدیل شود و به آمونیاک تبدیل شود یا با اکسیژن به نیترات تبدیل شود، که سپس می‌تواند توسط گیاهان و موجودات دیگر جذب شود.

Szymczak گفت: "اکنون ما تمایل به کود دهی بیش از حد محصولات داریم و اکثریت عظیمی از کودهایی که استفاده می کنیم در واقع با رواناب به رودخانه ها، آب های زیرزمینی، دریاچه ها و اقیانوس ها شسته می شود." تأثیرات انسانی اساسا باعث عدم تعادل شده است و برای سیستم‌های بیولوژیکی غیرممکن است که نیترات را به اندازه‌ای که ما در آنها ریخته‌ایم جبران کنند.

برای مقابله با مشکل نیترات، Szymczak و تیمش نحوه برخورد طبیعت با نیترات ها را بررسی کردند. آنها دریافتند که پروتئین های ناقل نیترات - پروتئین هایی که به گیاهان در استفاده از نیترات ها کمک می کنند - با استفاده از پیوندهای هیدروژنی به نیترات ها متصل می شوند. این پیوندهای هیدروژنی در هاله ای از مولکول های اطراف به نام «کره ثانویه» یافت می شوند.

او گفت: «وقتی به این مشکل در مورد چگونگی مقابله با کاهش نیترات نگاه می‌کنیم، به آنزیم‌ها نگاه می‌کنیم، به زیست‌شناسی نگاه می‌کنیم، و چیزی که دریافتیم این است که طبیعت سرنخ‌هایی در مورد نحوه اتصال و کاهش نیترات ارائه کرده است.» ما متوجه شدیم که فقط با داشتن پیوندهای هیدروژنی در موقعیت مناسب، می‌توانید ساختار پیوند نیترات را تغییر دهید و مرحله کاهش بعدی را مجبور کنید.

تیم تحقیقاتی کار خود را با یک مجتمع آهنی آغاز کرد که توسط یک کره ثانویه از پیوندهای هیدروژنی احاطه شده بود. آنها سپس پیوندهای هیدروژنی را تنظیم کردند تا به طور انتخابی روی محل های اتصال نیترات ها بچسبند و آنها را برای واکنش شیمیایی بعدی آماده کنند.

هنگامی که محققان از گرما برای هدایت واکنش شیمیایی استفاده کردند، مجتمع آهن توانست اتم های اکسیژن را از نیترات بگیرد و آن را به اکسید نیتریک تبدیل کند. هنگامی که محققان از نور استفاده کردند، مجتمع آهن توانست اتم های اکسیژن را به طور کلی از نیترات حذف کند و آن را به آمونیاک تبدیل کند. اکسید نیتریک در درمان های پزشکی برای کاهش فشار خون به همراه سایر کاربردها استفاده می شود و از آمونیاک می توان به عنوان کود مجدد استفاده کرد.

Szymczak گفت که یافته های آنها پایه و اساس را برای دانشمندان ایجاد می کند تا روش هایی برای حذف نیترات ها از محیط ایجاد کنند. دانشمندان قبل از اینکه بتوانند دستگاه هایی را بسازند که می توانند برای اصلاح مکان هایی مانند تصفیه خانه های فاضلاب مورد استفاده قرار گیرند، باید بدانند که چگونه یک مولکول مانند نیترات رفتار می کند و چگونه می توان آن را کاهش داد.

Szymczak می‌گوید: «بازه زمانی برای توسعه راه‌حل‌ها برای مشکلات تصویر بزرگ، افق زمانی بزرگی دارد، و آنها نیازمند مطالعات بنیادی برای توسعه اصول و ابداع روش‌های جدید برای انجام دگرگونی‌های مولکولی هستند که از نظر اجتماعی مهم هستند». ما به مردم یک نقشه راه در مورد چگونگی دستیابی به مرحله کاهش دشوار ارائه می دهیم که امیدواریم بتوان آن را به سیستم های مهندسی شده ای ترجمه کرد که ممکن است در این مسیر مورد استفاده قرار گیرند."

پیوند هیدروژنی کره ثانویه باعث کاهش نیترات کاتالیزوری در آهن می شود، Nature Chemistry (2026). DOI: 10.1038/s41557-026-02235-1

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →