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Antifouling

Lacke mit bakteriziden Nanopartikeln gegen marines Fouling

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Vanadiumpentoxid ahmt natürlich Enzyme bestimmter Algen nach

Die Wissenschaftler um Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Tremel vom Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der JGU haben sich bei ihrem Ansatz von einem Verteidigungsmechanismus der Natur leiten lassen: Bestimmte Enzyme, die in Braun- und Rotalgen vorkommen, erzeugen Halogenverbindungen mit biozider Wirkung. Vermutlich schützen sich die Algen damit vor mikrobiellem Befall oder Fraßfeinden. Diesen Vorgang ahmen die Mainzer Chemiker nun mit Nanopartikeln aus Vanadiumpentoxid nach. Vanadiumpentoxid hat, so schreiben die Forscher in einer aktuellen Veröffentlichung, eine „intrinsische, biologische Prozesse nachahmende Bromierungsaktivität“. Vanadiumpentoxid fungiert demnach als Katalysator und bildet aus Wasserstoffperoxid und Bromid kleine Mengen hypobromiger Säure, die für viele Mikroorganismen hoch toxisch ist und einen starken antibakteriellen Effekt zeigt. Die nötigen Reaktionspartner liegen im Meerwasser vor: Wasserstoffperoxid bildet sich in geringen Mengen unter Einwirkung von Sonnenlicht, Bromid-Ionen sind ebenfalls im Meerwasser enthalten.

Der Prozess wurde sowohl unter Laborbedingungen als auch in natürlichem Meerwasser nachgewiesen und zeigt, weil er sich nur an einer Mikrooberfläche abspielt, minimale Umweltbelastungen. Besonders effektiv ist das Metalloxid, wenn es in Form von Nanopartikeln vorliegt, weil dann wegen der größeren Oberfläche eine verstärkte katalytische Wirkung auftritt.

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„Vanadiumpentoxid-Nanopartikel sind wegen ihrer geringen Löslichkeit und der Einbettung in die Lacke wesentlich weniger toxisch für das marine Leben als die kommerziell verfügbaren aktiven Substanzen auf Basis von Zinn- oder Kupferverbindungen“, erklärt Tremel. Nach seiner Auffassung könnten Schiffsanstriche auf Basis von Vanadiumpentoxid eine praktische und kostengünstige Alternative für die konventionellen chemischen Biozide darstellen. „Wir haben hier eine umweltverträgliche Komponente für eine neue Generation von Antifouling-Farben, die das natürliche Verteidigungssystem mariner Organismen nutzen.“

Vanadiumpentoxid-Nanopartikel sind günstiger als gentechnisch hersgestellte Enzyme

Den natürlichen Abwehrmechanismus hat Ron Wever, der niederländische Kooperationspartner von der Universität Amsterdam, bereits vor 15 Jahren untersucht und vorgeschlagen, das involvierte Enzym, die Vanadium-Haloperoxidase, als Zusatzstoff zu Antifouling-Farben beizumischen. Mit Wever haben die Mainzer Chemiker nun bei der Erforschung ihrer Vanadiumpentoxid-Nanopartikel zusammengearbeitet. „Die Vanadiumpentoxid-Partikel sind wesentlich preisgünstiger und stabiler als gentechnisch hergestellte Enzyme“, ergänzt er.

Um herauszufinden, ob die Nutzung von Vanadiumpentoxid negative Auswirkungen auf die Umwelt hat, wurden mithilfe der Forschergruppe um Dr. Klaus Peter Jochum vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz mehrere Messungen durchgeführt. Dazu bestimmten die Wissenschaftler mit einem ICP-Massenspektrometer die Vanadiumkonzentration in verschiedenen Meerwasserproben, in denen das beschichtete Material unterschiedlich lang ausgewaschen wurde. Die gemessenen Werte zeigten im Vergleich mit der durchschnittlichen Vanadiumkonzentration im Meerwasser nur minimal erhöhte Werte. Somit kann davon ausgegangen werden, dass allenfalls kleinste Mengen an Vanadium aus der Lackierung ausgewaschen werden, die keine Belastung für die Umwelt darstellen.

Originalpublikation: F. Natalio et al., Vanadium pentoxide nanoparticles mimic vanadium haloperoxidases and thwart biofilm formation, Nature Nanotechnology, Advance Online Publication, 1. Juli 2012; doi:10.1038/NNANO.2012.91

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