Kako znati je li voda za piće zdrava ili nije? – Indikator mora biti specifičan – no specifičan na što? Lakmus papir, najpoznatiji kiselinsko-bazni indikator (ako zanemarimo sok od cikle ili kupusa) mijenja boju u kiselini, bez obzira kojoj i kakvoj. Ninhidrin mijenja boju u reakciji s bilo kojom aminokiselinom, pa se – između ostalog – koristi i za otkrivanje „nevidljivih“ otisaka prstiju. No kako ćemo znati je li voda za piće zaista za piće? Možemo, istina, mjeriti nitrate i nitrite, sulfide i sulfite, možemo u vodi tražiti željezo, živu, arsen i olovo, možemo mjeriti koliko je u njoj otopljeno kisika i kolika joj je pH-vrijednost. Sve to možemo činiti, no skupo je i dugo traje, a na kraju nam ništa ne jamči da u vodi nema nečega što u njoj ne bi smjelo biti. Odakle da znamo je li voda zdrava ili nije?
Biolozi će to reći lakše od kemičara. Ako u bari ne krekeću žabe (kad im je vrijeme) onda očito nešto sa tom barom nije u redu. Žaba je, kako se kaže, indikatorski organizam, ali ne i jedini. Treba vidjeti što sve živi u vodi, pa onda prema tome zaključiti je li voda dobra ili nije. No i tu je riječ o nečem vrlo, vrlo kompliciranom.
Izlaz iz svih tih muka analitičara nudi nova metoda znanstvenika sa Sveučilišta u Bathu (Ujedinjeno kraljevstvo) pod vodstvom Mirelle Di Lorenzo. Metoda je jednostavna kao i naslov rada što su ga prošle godine objavili u časopisu Biosensors and Bioelectronics: „A screen-printed paper microbial fuel cell biosensor for detection of toxic compounds in water.“ Riječ je dakle o papirnatom biosenzoru koji služi za utvrđivanje otrovnih sastojaka u vodi na principu gorivne ćelije (fuel cell). Što se iza toga krije?
Riječ je jednostavno o tome da postoje bakterije posebne vrste, elektroaktivne bakterije,koje se mogu navesti da pri razgradnji hrane otpuštaju elektrone. Kako se svaki procesa otpuštanja elektrona može – u načelu – iskoristiti za konstrukciju galvanskog članka (električne baterije) može i ovaj. U procesu se usto troši kisik iz zraka, pa se može napraviti gorivni članak – s mikrobima (microbial fuel cell, MFC).
Bakerije o kojima je riječ (Shewanella oneidensis) stvaraju sloj, biofilm na anodi. To je elektroda na kojoj se događa oksidacija. Oksidacija čega? Oksidacija tvari kojom se bakterije hrane, u ovom slučaju octene kiseline ili njezinih soli (acetata). Da budem do kraja jasan, riječ je o procesu 2 H2O + CH3COOH → 2 CO2 + 8 H+ + 8 e–. Elektroni (e–) se, jasno, odvajaju od vodikovih iona (H+). Dok prvi, elektroni putuju žicom, oni drugi, vodikovi ioni putuju elektrolitom da bi se na katodi sastali s kisikom. Tu se pak događa redukcija, pri čemu se kisik pretvara u vodu: O2 + 4 H+ + 4 e– → 2 H2O. Ako vam još nije dosta kemije, zamolio bih vas da drugu jednadžbu pomnožite sa dva, pa je onda pribrojite prvoj. Kada sve pokratite vidjet ćete da je, sumarno gledajući, riječ o reakciji spajanja octene kiseline s kisikom: CH3COOH + 2 O2 → 2 CO2 + 2 H2O.
Sve je to uglavnom bilo poznato. Ono što nije, a što su napravili britanski znanstvenici, jest da se sve to može napraviti na komadiću papira nešto manjem od pet centimetara.
Evo o čemu je riječ. Umjesto gorivne ćelije od stakla i kovine imamo list papira, umjesto elektrolita vlagu u tom papiru, a umjesto elektroda električki vodljivu boju – koja se malo razlikuje od crne boje na papir, jer se obje boje sastoje poglavito od ugljika (u ovom slučaju od grafitnog praha i ugljikovih nanocjevčica u masenom omjeru 1:1). Boja se nanosi na papir, a potom na nju polaže sloj elektroaktivnih bakterija. Papir se zatim ovlaži vodom te priključi na ampermetar. Jakost struje postepeno opada da bi se nakon četiri sata stabilizirala na -0,03 μA.
No što se događa ako u vodi ima toksičnih tvari? Jasno je da će bilo što što smeta bakterijama izazvati slabljenje njihova metabolizma, a s time i slabljenje struje. To se i dogodilo: kada su znanstvenici u vodu dodali jedan promil formaldehida (metanala), jakost struje stabilizirala se istom na -0,15 μA. Još preciznije: dok je kod čiste vode (pMFC) zabilježen pad jakosti od 0,3 μA, kod vode onečišćene formaldehidom (fpMFC) zabilježen je pad od 0,6 μA. Sve to pokazuje da je formaldehid loše djelovao na bakterije.
I na kraju – cijena. Papirić za otkrivanje otrova stoji, prema izračunu autora članka, 0,43 funte, dakle samo 3,7 kuna. No nije sve u novcu. Papirna mikrobna gorivna ćelija (pMFC), budući da ne sadržava teške metale i druge otrovne kemikalije, može se bez opasnosti za okolišbaciti u smeće, ili – još bolje – u kantu za odvojeno prikupljanje otpada s oznakom „samo za papir“.
Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu, a u posljednje vrijeme i za mrežne stranice Zg-magazin te, naravno, BUG online. Autor je i 13 znanstveno-popularnih knjiga od kojih je posljednju, „The Cookbook of Life – New Theories on the Origin of Life“ (izišlu 2018. godine), napisao na engleskom jeziku. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.
Kontakt sa portalom Zenicablog možete ostvariti:
email: [email protected]
Viber poruke: +387 60 355 8888
Facebook Inbox: https://www.facebook.com/Zenicablog/
Twitter: https://twitter.com/Zenicablog2010
