Ceroxid-Partikel als funktionelle Haloperoxidase-Analoga zur Verhinderung von Biofouling

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Ternes; Professor Dr. Wolfgang Tremel
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405861793

Oberflächen in wässrigen Habitat werden in der Regel von Mikroorganismen besiedelt. Ein Lehrbuchbeispiel ist die Ansiedlung von Bakterien, Einzellern, Algen oder Muscheln an Schiffen oder Hafenanlagen. Durch Zusatz von Bioziden in Farbanstrichen versucht man, dieses sog. Biofouling zu verringern. Mikroorganismen gehen bei der Bildung von Biofilmen synergistische Gemeinschaften ein und koordinieren die Filmbildung durch Kommunikation über Signalmoleküle („Quorum sensing“). Ein Abwehrmechanismus mariner Organismen gegen Biofouling basiert auf der Störung der Zell-zu-Zell-Kommunikation durch die enzymatische Bildung halogenierter - und damit nicht wirksamer - Signalmoleküle. Das Projekt basiert darauf, die Wirkung dieser Enzyme (Haloperoxidasen) mit Hilfe katalytisch aktiver CeO2-x-Nanopartikel (NP) nachzuahmen. Die Partikel katalysieren - analog zu Haloperoxidasen - die Oxidation von ubiquitären Halogeniden durch Wasserstoffperoxid, das bei Tageslicht erzeugt wird, zu den korrespondierenden hypohalogenigen Säuren (HOX). Das HOX-Zwischenprodukt kann mit organischen Substraten weiter zu den halogenierten Signalmolekülen reagieren. Die CeO2-x NP Haloperoxidase-Mimetika lassen sich in Lacken und Harzen immobilisieren, ohne ihre Wirkung zu verlieren. Im Rahmen des Projekts sollen durch Bündelung der Expertisen beider Projektpartner folgende Fragestellungen adressiert werden:1. Verläuft die Reaktion über intermediär gebildetes kurzlebiges HOBr/HOCl, oder sind andere reaktive Zwischenprodukte involviert? Werden halogenierten Signalstoffe auch in natürlichen Gewässern (d.h. im Feld) gebildet? Wie hoch ist die Stabilität dieser halogenierten primären Intermediate ist und in welchen Konzentrationen werden sie gebildet? Werden ggf. weitere Verbindungen gebildet? 2. Die katalytische Aktivität der CeO2-x NP in Halogenierungsreaktionen wird durch Defekte bestimmt. Kann die Aktivität durch Erhöhung der Defektkonzentration in verschiedenen Mischungsreihen (z.B. CeO2-M2O3, (M = La, Y, Bi etc.) verbessert werden? 3. Besitzen außer CeO2-x und seinen Substitutionsvarianten auch Ce-Perowskite (BaCe1-xO3-y etc.), Ce-substituierte Silica-Verbindungen (Ce-TUD-1), Delafossit-Komposite (CuCrO2-CeO2) oder Mn-Oxide Halogenierungsaktivität und Antifouling-Wirkung?4. Aufskalierung der Synthese von CeO2-x NP (und möglicher Alternativen) in den kg Maßstab für Antifouling-Anwendungen. 5. Analytische Untersuchung und ggf. Optimierung der Beständigkeit der Lacke und ihrer Oberflächeneigenschaften: Die Partikel sollen unter anwendungsrelevanten Bedingungen in Filme bzw. Lacke integriert werden. Dazu müssen die Oberflächeneigenschaften optimiert, das Bakterien- und Algenwachstum auf den Filmen und die Auslaugung der Partikel (Umweltkompatibilität) sowie die freigesetzten Produkte bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen