Cerium oxide nanoparticles as nanozymes and for antifouling applications
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Abstract
Die Ansiedlung von Bakterien auf Oberflächen führt zu einer unerwünschten Bildung von Biofilmen, die als Biofouling bezeichnet wird. In der Regel werden Biofilme mit Bioziden bekämpft, die aber eine Gefahr für andere Organismen darstellen. Eine effiziente Alternative zur Vermeidung von Biofouling-Prozessen ist die Anwendung von Ceroxid (CeO2), das als Katalysator in der Lage ist, die bakteriellen Kommunikation durch oxidative Bromierung zu unterbrechen und somit eine neue Möglichkeit bietet, die Biofilmbildung ohne Biozide oder Toxine zu hemmen.
Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich daher den Oberflächeneigenschaften unterschiedlicher CeO2-Nanopartikel und deren Einfluss auf die katalytische Aktivität in der oxidativen Bromierung von Thymol. Es wurde gezeigt, dass sowohl eine hohe Lewis-Acidität, ein hohes Produkt aus Zeta-Potential und BET-Oberfläche, als auch eine hohe Stabilität des oberflächengebundenen Wasserstoffperoxids zu einer Beschleunigung der Bromierungsreaktion beitragen.
In einer weiteren Studie wird untersucht, inwiefern sich die zuvor untersuchten Oberflächeneigenschaften von CeO2 durch Variation der Reaktionszeit beeinflussen lassen. Kürzere Reaktionszeiten liefern Nanopartikel mit hohem Zeta-Potential und kleinem Ce3+/Ce4+ Verhältnis, längere Reaktionszeiten führen zu Nanopartikeln mit großer BET-Oberfläche und großem Ce3+/Ce4+ Verhältnis. Bei Haloperoxidase-ähnlichen Reaktionen sind CeO2-Nanopartikel mit großem Zeta-Potential für die katalytische Aktivität vorteilhaft, da ein oberflächengebundenes Halogenid auf H2O2 oder ein organisches Substrat übertragen werden muss. Im Gegensatz dazu müssen bei der Peroxidase-ähnlichen Reaktion die BET-Oberfläche und das Ce3+/Ce4+ Verhältnis erhöht werden, um eine leichtere Elektronenübertragung auf das Substratmolekül zu gewährleisten.
Im dritten Kapitel wird die Anwendung optimierter Nanopartikel in Antifouling-Lacken untersucht. Biofilm-Tests zeigen eine deutliche Reduktion des Biofilms von Gramnegativen Bakterien in Anwesenheit der Nanopartikel. Durch die Anwendung des Reporterstamms A. tumefaciens A136 konnte die Quorum Quenching Aktivität der CeO2-Nanopartikel bestätigt werden. In den Überständen der Bakterienkultur P. aeruginosa sind die Bromidkonzentration und die Konzentration der Signalmoleküle in Anwesenheit von CeO2 deutlich reduziert. Zum ersten Mal wurde bromiertes HQNO (2-Heptyl-4-hydroxychinolin-N-oxid) in Gegenwart von CeO2 nachgewiesen, was den postulierten oxidativen Bromierungsmechanismus untermauert. Die CeO2-Partikel wurden anschließend in Polyurethan-Lacke eingearbeitet, in denen sie immer noch eine signifikante Biofilm-inhibierende Wirkung aufweisen.
Da für alle oxidativen Bromierungsreaktionen das Oxidationsmittel H2O2 zur Verfügung stehen muss, wurde im letzten Kapitel untersucht, ob eine in-situ H2O2 Erzeugung möglich ist. Dazu wurde eine H2O2-freisetzende Substanz in eine Polymermatrix eingebettet. Zusätzlich wurde die photochemische Erzeugung von H2O2 mittels graphitiertem Kohlenstoffnitrid (g-C3N4/BDI) untersucht.