Биология

Туалетную губку превратили в катализатор

Скелет туалетной губки

Wikimedia Commons

Экстремальная биомиметика — новое научное направление, целью которого является создание на основе решений, возникших в эволюции животных, новых материалов, полезных в практическом применении. В научной работе, опубликованной в престижном журнале Science Advances, показано, что роговой скелет морской туалетной губки, насыщенный углеродом в высокотемпературных бескислородных условиях, сохраняет трехмерную организацию и механическую прочность. Покрытие такой графитовой губки оксидом меди привело к созданию нового катализатора, способного очищать воду от токсичных нитрофенолов.

Морские губки, появившиеся более 600 миллионов лет тому назад на Земле, относятся к первым многоклеточным организмам. Они успешно пережили многочисленные катаклизмы планеты благодаря прочным скелетам и пористой организации, приспособленной для фильтрации из воды органических частиц, используемых ими в пищу. С античных времен роговые морские губки, также известные как туалетные губки, добываются и широко используются в быту (для мытья), медицине и даже искусстве. Практическое применение жестких протеиновых скелетов этих губок резко пошло на убыль с появлением синтетических аналогов — пластиков. Однако в последнее время в связи с загрязнением Мирового океана пластиком и его производными — микропластиком, — морские туалетные и другие роговые губки вновь привлекли внимание исследователей. Оказалось, что скелеты этих губок — трехмерные пористые конструкции, почти готовые к применению в клеточной инженерии и многих других областях современного материаловедения. Важная особенность туалетных губок и других роговых губок состоит в достаточно быстром разложении их скелетов в природе и в возможности их разведения на морских фермах, появившихся недавно в некоторых странах Средиземноморья, Австралии и США.

Скелеты морских губок — объекты активного исследования в рамках нового научного направления «Экстремальная биомиметика». В этом направление исследуют как природные материалы, возникшие у животных, обитающих в экстремальных условиях (например, в условиях низких температур или высокого давления), так и биополимеры, устойчивые к высоким температурным режимам, давлению, кислотным или щелочным средам и используемые для создания новых композитных материалов. Примером таких биополимеров служит спонгин — древнейший структурный белок коллагеновой природы, только из которого и состоят микроволокна скелетов туалетных губок.

Как было показано в только что опубликованной статье, коллагеновый скелет туалетной губки термоустойчив при нагревании до 360 °С в присутствии кислорода и до 1200 °C в бескислородной среде. Оказалось, что спонгиновый трехмерный скелет при нагревании до 1200 °C при насыщении углеродом теряет до 70% объема, но полностью сохраняет микро- и наноструктуру. Насыщенный углеродом спонгин сохраняет свою механическую прочность настолько, что из него можно вырезать фигуры заданной формы и размера. Интересно, что в отличие от графитового скелета губки, другие подобные материалы, такие как шелк и коллаген человека (сухожилия, хрящи и тому подобное), после термической обработки полностью разрушаются и превращаются в угольный порошок. Проведенное в работе покрытие графитового скелета губки оксидом меди привело к созданию нового катализатора, способного очищать пресную и морскую воду от токсичных нитрофенолов. В работе предполагается, что секрет прочности насыщенного углеродом спонгина в том, что этот материал сохраняет трехмерную структуру коллагена, который составляет основу трехмерной конструкции губки, неизменной при нагревании до столь высоких температур.

«В освежающей междисциплинарной работе приведены интересные результаты, устанавливающие новое направление в исследовании морских беспозвоночных, большинство из которых, судя по данных многих современных исследований, не только не изучено, но даже не описано. В работе выдвинута интересная гипотеза о том, что скелеты роговых губок могут выдержать и более высокие температуры нагревания, что может привести к созданию особых, уже кристаллических, образований углерода, имеющих сложную трехмерную структуру и, по-видимому, какие-то новые пока неизвестные свойства», — говорит Вячеслав Иваненко, ведущий научный сотрудник кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.