Superbeschleuniger der photokatalytischen Desinfektion schützt unsere Atemwege

Da das Gesundheitsbewusstsein der Bevölkerung weltweit immer weiter zunimmt, sind die Gesundheitsrisiken durch die Übertragung von Bioaerosolen zu einem heißen Thema in der wissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft geworden. Die herkömmliche Bioaerosol-Desinfektionstechnologie ist mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert, darunter geringe Effizienz, begrenzte Desinfektionswirkung auf bestimmte Mikroorganismen, Anfälligkeit gegenüber Umweltbedingungen und Sicherheitsrisiken. Vor dem Hintergrund der steigenden öffentlichen Ansprüche an Gesundheit, Hygiene und Umweltschutz hat die Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Desinfektionstechnologien höchste Priorität erlangt.

Die photokatalytische Technologie hat als hochmoderne Oxidationsbehandlungstechnologie in den letzten Jahren in vielen Bereichen eine rasante Entwicklungsdynamik gezeigt. Im Bereich der Bioaerosol-Desinfektion besteht bei dieser Technologie jedoch noch Verbesserungsbedarf. Vor diesem Hintergrund hat eine in Zusammenarbeit zwischen Professor Wang Can von der School of Environment der Universität Tianjin und Professor Shen Zhurui von der School of Environment der Universität Nankai durchgeführte Forschung wichtige Ergebnisse erzielt, die neue Möglichkeiten für eine effiziente und umweltfreundliche Bioaerosol-Desinfektionstechnologie eröffnen . - Im Rahmen der Studie wurde einschichtiges Ti3C2Tx durch Ätzen und Abziehen von Ti3AlC2 hergestellt und TiO2/einschichtiges Ti3C2Tx (T/mT) mithilfe einer einstufigen Solvothermalmethode synthetisiert. Die zahlreichen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche von Ti3C2Tx erhöhen die Hydrophilie und die freie Oberflächenenergie des Materials. Die dadurch und durch den herkömmlichen Halbleiter TiO2 gebildete Schottky-Heteroverbindung erzeugt ein eingebautes elektrisches Feld, verlängert die Lebensdauer der photogenerierten Elektronen und verbessert die Aktivität photokatalytischer Reaktionen erheblich.

Die Desinfektionswirkung von T/mT ist deutlich besser als die von TiO₂. Gleichzeitig fördert die Monoschicht Ti3C2Tx die Integration von Photokatalysatoren in biologische Strukturen. T/mT bindet fest an E. coli-Zellen, verändert die Partikelgrößenverteilung und hat eine hohe Affinität zu Proteinen, die die Hauptbestandteile der Zellmembran sind. Molekulare Docking-Berechnungen zeigten, dass das 2MHL-Außenmembranprotein von Escherichia coli-Zellen eher an T/mT bindet. Der Bindungsprozess umfasste mehrere Wechselwirkungen, die die Adsorption des Materials an der Zellmembran förderten und es den durch Photokatalyse erzeugten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ermöglichten, die biologische Struktur zu zerstören.

Die TiO2/Einzelschicht Ti3C2Tx-Zweiphase erzeugt unter der Einwirkung des elektrischen Felds eine Raumladungsschicht, die die effektive Trennung und Übertragung von photogenerierten Elektronen und Löchern fördert. Das entstehende ·O2⁻ und ·OH fördern den Desinfektionsprozess. Darüber hinaus schädigte die Photokatalyse die biologische Struktur von Escherichia coli, beispielsweise durch die Zerstörung wichtiger struktureller chemischer Bindungen wie Proteinen, Phospholipiden und Polysacchariden, die allmähliche Mineralisierung der mikrobiellen Struktur und die Veränderung der Bindungsenergie verwandter chemischer Bindungen, was die umfassende zerstörerische Wirkung von ROS auf die Zellstruktur bewies.

Dieses Forschungsergebnis weist nicht nur die Richtung für die Gestaltung der Molekülstruktur der photokatalytischen Luftdesinfektionstechnologie auf, sondern legt auch den Grundstein für eine eingehende Erforschung der Grenzflächenreaktionen bei der photokatalytischen Desinfektion. Es unterstreicht das enorme Potenzial der fortschrittlichen Oxidationstechnologie im Bereich der mikrobiellen Bioaerosolbehandlung und hat weitreichende Bedeutung für die Förderung der Weiterentwicklung der Luftdesinfektionstechnologie.

Über den Autor :

Professor Wang Can, männlich, ist Professor und Doktorvater an der Universität Tianjin und Direktor der Abteilung für Umwelttechnik an der Universität Tianjin. Er beschäftigt sich seit langem mit der Forschung zur Nutzung und Kontrolle von Umweltmikroorganismen.

Vorstellung des Forschungsteams :

Das Team für die Nutzung und Kontrolle mittlerer Gase der Universität Tianjin entwickelt mit Umweltmikroorganismen als Kern eine effiziente biologische Reinigungstechnologie für Umweltschadstoffe und eine biologische Kontrolltechnologie für schädliche Mikroorganismen. Die Forschungsrichtungen der Teammitglieder umfassen: biologische Reinigungstechnologie für organische Abgase, Erkennung und Kontrolle von Bioaerosolen, Wasser- und Luftdesinfektionstechnologie, die Grundlagen katalytischer Reaktionen und ihre Anwendung in der biologischen Kontrolle sowie Abwasserrecyclingtechnologie (Membran-/Elektrochemie), wobei hauptsächlich Grundlagen- und angewandte Forschung in den Bereichen Umwelt, Biologie, Chemie, Chemieingenieurwesen, Materialien, Medizin und anderen Bereichen im Mittelpunkt steht.

Einzelheiten zur Studie finden Sie im Originalartikel:
Beschleunigung der photokatalytischen Bioaerosol-Desinfektion an der Katalysator-Zell-Grenzfläche durch Einführung einer Ti3C2Tx-Monoschicht. Wissenschaftsbulletin. doi: 10.1016/j.scib.2025.01.023