Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Von der Natur inspiriert: Lacke mit bakteriziden Nanopartikeln gegen marines Fouling

02.07.2012
Vanadiumpentoxid-Nanopartikel ahmen natürliche Enzyme nach und verhindern die Ablagerung von Algen und Bakterien an Grenzflächen.

Der Bewuchs von Seepocken, Bakterien und Algen auf Grenzflächen wie Schiffsrümpfen, Seetonnen oder Offshore-Plattformen lässt sich mit winzigen Nanopartikeln aus Vanadiumpentoxid unterbinden. Darauf sind Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gestoßen.


a) Fouling an einem Bootsrumpf; b) Knotentang Ascophyllum nodosum; c) Wirkmechanismus bio-inspirierter Unterwasserfarben: Wie das natürliche Enzym Vanadium-Bromoperoxidase fungieren Vanadi-umoxid-Nanopartikel als Katalysator bei der Bildung von hypobromiger Säure aus Bromid-Ionen (in Meer-wasser enthalten) und Wasserstoffperoxid, das sich unter der Einwirkung von Sonnenlicht bildet.
Foto/Copyright: AG Tremel, JGU

In ihren Versuchen zeigte sich, dass Stahlplatten, die mit Lacken beschichtet sind, in denen Vanadiumpentoxid-Partikel dispergiert sind, wochenlang dem Meerwasser ausgesetzt werden können, ohne dass sich Ablagerungen von Seepocken, Bakterien und Algen bilden.

Vergleichsplatten, die nur mit normaler Schiffsfarbe gestrichen waren, zeigten im gleichen Zeitraum ein massives Fouling. Die Entdeckung könnte zur Herstellung neuer Schutzanstriche führen, die weit weniger umweltbelastend sind als die bisher verwendeten Schiffslacke.

Marines Fouling ist ein Problem, das in der Schifffahrt jährlich Verluste von über 200 Milliarden Dollar verursacht. Die Anlagerung von Organismen wie Algen, Muscheln oder Seepocken erhöht den Wasser-Widerstand und damit den Treibstoffverbrauch. Das verursacht mehr Kosten für die Reedereien und schädigt die Umwelt durch zusätzlichen CO2-Ausstoß.

Innerhalb weniger Monate kann ein Bootskörper unter Wasser vollständig mit Organismen bewachsen werden. Nach Angaben von Lloyds bedeutet das bis zu 28% Zusatzverbrauch an Kraftstoff, verbunden mit zusätzlichen CO2-Emissionen von weltweit ca. 250 Millionen Tonnen jährlich. Mit Antifouling-Farben kann das Problem zwar eingedämmt werden, allerdings haben herkömmliche Biozide den Nachteil, dass sie wenig wirksam sind, unerwünschte Umweltbelastungen zeigen oder Mikroorganismen Resistenzen dagegen entwickeln.

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 (V2O5) hat, so schreiben die Forscher in dem Wissenschaftsjournal Nature Nanotechnology, 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.

"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."

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 hochempfindlichen 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.

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-mainz.de/presse/52490.php
http://www.ak-tremel.chemie.uni-mainz.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Das programmierte Material
21.05.2019 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht Chinesische Gastwissenschaftlerin forscht an neuen Kunststoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe
21.05.2019 | Technische Universität Kaiserslautern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt

Physiker der Universität Basel können erstmals zeigen, wie ein einzelnes Elektron in einem künstlichen Atom aussieht. Mithilfe einer neu entwickelten Methode sind sie in der Lage, die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons im Raum darzustellen. Dadurch lässt sich die Kontrolle von Elektronenspins verbessern, die als kleinste Informationseinheit eines zukünftigen Quantencomputers dienen könnten. Die Experimente wurden in «Physical Review Letters» und die Theorie dazu in «Physical Review B» veröffentlicht.

Der Spin eines Elektrons ist ein vielversprechender Kandidat, um als kleinste Informationseinheit (Qubit) eines Quantencomputers genutzt zu werden. Diesen Spin...

Im Focus: The geometry of an electron determined for the first time

Physicists at the University of Basel are able to show for the first time how a single electron looks in an artificial atom. A newly developed method enables them to show the probability of an electron being present in a space. This allows improved control of electron spins, which could serve as the smallest information unit in a future quantum computer. The experiments were published in Physical Review Letters and the related theory in Physical Review B.

The spin of an electron is a promising candidate for use as the smallest information unit (qubit) of a quantum computer. Controlling and switching this spin or...

Im Focus: Optische Superlinsen aus Gold

Oldenburger Forscher entwickeln neues optisches Mikroskop mit extrem hoher Auflösung

Eine kegelförmige Spitze aus Gold bildet das Kernstück eines neuen, extrem leistungsfähigen optischen Mikroskops, das Oldenburger Wissenschaftler in der...

Im Focus: Impfen über die Haut – Gezielter Wirkstofftransport mit Hilfe von Nanopartikeln

Forschenden am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam ist es gelungen Nanopartikel so weiterzuentwickeln, dass sie von speziellen Zellen der menschlichen Haut aufgenommen werden können. Diese sogenannten Langerhans Zellen koordinieren die Immunantwort und alarmieren den Körper, wenn Erreger oder Tumore im Organismus auftreten. Mit dieser neuen Technologieplattform könnten nun gezielt Wirkstoffe, zum Beispiel Impfstoffe oder Medikamente, in Langerhans Zellen eingebracht werden, um eine kontrollierte Immunantwort zu erreichen.

Die Haut ist ein besonders attraktiver Ort für die Applikation vieler Medikamente, die das Immunsystem beeinflussen. Die geeigneten Zielzellen liegen in der...

Im Focus: Chaperone halten das Tumorsuppressor-Protein p53 in Schach: Komplexer Regelkreis schützt vor Krebs

Über Leben und Tod einer Zelle entscheidet das Anti-Tumor-Protein p53: Erkennt es Schäden im Erbgut, treibt es die Zelle in den Selbstmord. Eine neue Forschungsarbeit an der Technischen Universität München (TUM) zeigt, dass diese körpereigene Krebsabwehr nur funktioniert, wenn bestimmte Proteine, die Chaperone, dies zulassen.

Eine Krebstherapie ohne Nebenwirkungen, die gezielt nur Tumorzellen angreift – noch können Ärzte und Patienten davon nur träumen. Dabei hat die Natur ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kindermediziner tagen in Leipzig

22.05.2019 | Veranstaltungen

Jubiläumskongress zur Radiologie der Zukunft

22.05.2019 | Veranstaltungen

Wissensparcour bei der time4you gestartet

22.05.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt

23.05.2019 | Physik Astronomie

Galaxien als „kosmische Kochtöpfe“

23.05.2019 | Physik Astronomie

Auflösen von Proteinstau am Eingang von Mitochondrien

23.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics