Nitrat Kirliliği ile Başa Çıkmak için Dostça Bir Yol
Japonya’daki Sürdürülebilir Kaynak Bilimi Merkezi’nden (CSRS) ve Kore Temel Bilim Enstitüsü’nden (KBSI) bilim adamları, doğadan öğrenerek nitratı, yüksek sıcaklık veya asitlik gerektirmeden nitrite – çevresel olarak önemli bir reaksiyona – etkili bir şekilde dönüştüren bir katalizör buldular ve bu verimliliği mümkün kılan mekanizmayı tanımladılar.
Azot, çeşitli biyolojik süreçler için önemli bir elementtir, ancak azot döngüsü olarak bilinen sistemde genellikle onu başka bir forma dönüştürmek gerekir. Bu dönüşüm doğada genellikle ortam sıcaklığında ve hafif pH koşullarında yapabilen bakteriler ve diğer mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir. Son zamanlarda nüfus artışına tepki olarak azotlu gübrelerin aşırı kullanımı, gübrelerde nitrat (NO3–) iyonlarının varlığından kaynaklı olarak ciddi su kirliliğine yol açmıştır. Tarımdan kaynaklanan akış, içme suyunun nitrat kirliliğine ve göllerin veya bataklıkların ötrofikasyonuna yol açarak yosun büyümesine neden olabilir. Sonuç olarak, nitrat iyonlarının çevreye emisyonunu azaltmak gerekli hale gelmiştir.
Mikropları kullanarak atık su temizliği şu anda yapılmaktadır, ancak nitrat konsantrasyonu mikroorganizmaların hayatta kalmasını imkansız hale getirebileceğinden bu yöntemi kullanmak her zaman mümkün değildir. Bakteriler ile aynı görevi yerine getirebilecek katalizörler oluşturma girişimleri olmuştur. Ne yazık ki bu pahalı nadir bulunan metal katalizörler, nitratın yüksek stabilitesi nedeniyle yüksek sıcaklık, ultraviyole fotoliz veya güçlü asidik ortamlar gerektirir. Bu nedenle, dönüşümü ortam sıcaklıklarında ucuza gerçekleştirebilecek katalizörlerin geliştirilmesi, araştırmanın ana hedefiydi.
RIKEN Sürdürülebilir Kaynak Bilim Merkezi’nde Ryuhei Nakamura tarafından yönetilen uluslararası bir ekip, mikroorganizmalar tarafından kullanılan bir enzim olan nitrat redüktaz ile aynı yöntemi uygulamaya karar verdi ve kimyasal olarak okso içeren molibden sülfürü sentezlemeyi başardı. Bu, nitratın sulu bir elektrolit içinde ve nötr pH’da nitrite katalizlenmesini sağladı.
Angewandte Chemie International Edition’da yayınlanan araştırmada, katalizörlerinin doğal nitrat redüktazında bulunanlara benzer bir reaksiyon aktif alanı içerdiğini belirlemek için çeşitli yöntemler kullandılar. Okso içeren molibden sülfürü umut verici bir aday olarak tanımladılar. Diğer katalizörlerden daha iyi çalıştığını biliyorlardı, ancak nedenini bilmiyorlardı. Moleküler spektroskopi (elektron paramanyetik rezonans spektroskopisi -EPR) ve Raman spektroskopisi kullanarak, indirgeyici bir madde varlığında yüzeyindeki kimyasal türleri -bu durumda ditiyonit iyonları-gözlemleyerek araştırmalarına devam ettiler. RIKEN Sürdürülebilir Kaynak Bilim Merkezi’nde çalışma yapan ve şu anda Tokyo teknoloji Enstitüsü’nde bulunan yazar Yamei Li, “okso-molibden sülfit katalizörlerinin enzimdekilerle benzer aktif bölgelere sahip olabileceğini varsaydık. Bu hipotezi test etmek için, katalizör yüzeyindeki kimyasal türlerin moleküler spektroskopi kullanarak nasıl değiştiğini izlemeye çalıştık.” dedi.
Ana bulguları şunlardı; ara ürünlerden biri olan oksijen ligandlarına sahip pentavalent molibden, reaksiyonu hızlandıran aktif bir tür olarak işlev gördü ve bu aktif türün doğal nitrat redüktazın aktif çekirdeğine benzer bir yapıya sahip olduğunu gösterdi. EPR spektroskopisi kullanarak yaptıkları çalışmalar, molibden oksijen ve sülfür ligandlarının da katalizör yüzeyinde pentavalent okso-molibden türlerinin verimli bir şekilde üretilmesinde önemli bir rol oynadığını tespit ederek bunu doğruladı.
Nakamura’ya göre, “Bu sonuç nitrat iyonlarının nadir bulunan metal katalizörlerine bağlı olmadan hafif bir ortamda detoksifiye edilebileceğini göstermektedir. Bunun, atık sıvıdan amonyak sentezlemek için yeni teknolojilerin geliştirilmesini mümkün kılacağını umuyoruz.”
Bu araştırmanın sonuçları, Birleşmiş Milletler tarafından belirlenen Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri’nin (SKH) Hedef 7: “Uygun ve temiz enerji” ve Hedef 14: “su altında yaşam” a katkıda bulunmuştur.
Kaynak: phys.org
